Seismic structural assessment scenarios of RC structures subjected to pounding

Abstract

During earthquake induced strong ground motion (GM) adjacent buildings with inadequate clearance will interact/collide resulting in the development of pounding forces at locations of contact. Typically, forces due to earthquake induced seismic pounding (EISP), and their consequences, are not accounted for in the seismic design of buildings as contemporary codes of practice for earthquake resistance specify minimum clearance among neighbouring structures regarded as adequate to minimise EISP occurrence/consequences likelihood at least for the nominal design earthquake level. However, field observations in congested cities in the aftermath of several recent major seismic events suggest that considerable seismic loss is due to EISP as code-prescribed clearances are not implemented in practice.These observations triggered significant research efforts since the late 1980s to develop efficient finite element (FE) modelling schemes capturing EISP, to study the influence of EISP in seismic demands of colliding structures, and to propose methods of mitigating EISP consequences. Nevertheless, to date, most relevant computational-based research works adopted simplified structural models used as proxies of the colliding buildings, such as planar multi degree-of-freedom (MDOF) frames arranged in series or single degree-of-freedom (SDOF) pounding oscillators, to study EISP via nonlinear response history analyses (NRHA). Further, uncertainty quantification due to record-to-record GM variability to inelastic seismic demands under EISP has not been addressed within modern probabilistic performance-based earthquake engineering (PBEE) context.To this end, this thesis aims, first, to assess the influence of EISP to inelastic demands at structural member level in a case-study real-life building block and, second, to quantify EISP influence to fragility curves of commonly adopted simplified structural models (i.e., inelastic SDOF oscillators and inelastic planar MDOF frame structures) as a measure of seismic vulnerability of colliding structures in a statistical framework accounting for record-to-record variability. The thesis focuses on reinforced concrete (rc) code-compliant building structures and treats exclusively slab-to-slabixinteraction/pounding assuming that no significant local failure occurs at locations of collision.The first aim is addressed by developing detailed three-dimensional lumped-plasticity FE models of three adjacent irregular in-plan rc structures with coupled frame-wall lateral load resisting systems in an L-shaped arrangement and with unequal number of floors. Series of NRHA is conducted for a pair of spectrum-compatible GMS with increasing intensity (i.e., incremental dynamic analysis-IDA) acting along two horizontal perpendicular axes for FE models with and without EISP. Variations of inelastic demands across all building floors for different types of structural members (i.e., beams, columns, and walls) are reported due to EISP for different GM intensities. Considerable floor-wise spread of differences of inelastic demands due to EISP is found in all 3 structures and types of members. This novel finding suggests that EISP influence to local member inelastic demands may not be accurately quantified through simplified planar FE MDOF models which cannot capture the response of complex building blocks colliding bi-directionally and accounting for torsional response. Therefore, it is recommended that detailed spatial FE models are adopted for seismic vulnerability assessment of existing case-specific structures subject to EISP in several directions.The second aim is pursued by putting forth a performance based seismic assessment (PBSA) approach which can readily account for record-to-record variability, following standard PBEE steps, through application of IDA for a suite of judicially selected GMs to simplified inelastic FE models capturing EISP. In doing so, a novel intensity measure (IM), namely the geometric mean of the spectral acceleration at the fundamental natural period of the pounding/interacting structures, avgSa, is proposed. It is proved numerically that avgSa is much more efficient than peak ground acceleration (PGA) which is exclusively used as the IM in all EISP studies found in the literature. This is established by noting that avgSa reduces significantly the spread of IDA curves compared to PGA, gauged via the standard deviation of log-normal distributions fitted to the IDA curves data at different limit states, for several different pairs of colliding inelastic SDOF oscillators used as proxies to 5 different 8-storey and 12-storey benchmark rc multi-storey frame structures design to the current Eurocode 2 and 8 subject to a suite of 72 GMs. Moreover, novel probabilistic models in terms of fragility curves of adjacent rc structures are presented and discussed derived for both the above inelastic SDOF oscillators and for the detailed MDOF lumped-plasticity models of the planarxmulti-storey frame structures. Sensitivity analyses is undertaken to quantify the influence of various pounding model parameters to inelastic demand statistics (i.e., shape of fragility curves) indicating that stiffness and damping properties of the pounding model is not as influential as clearance between structures. Lastly, mean and standard deviation of IDA curves data obtained by interacting MDOF models and their equivalent (i.e., derived through pushover analysis) inelastic SDOF oscillators are compared. It is found that interacting SDOF proxies capture accurately record-to-record variability expressed through the standard deviation of fitted log-normal distributions to IDA curves but tend to underestimate peak inelastic demands in the mean sense compared to the MDOF models. Thus, it is again concluded that caution need to be exercised in adopting simplified models for capturing EISP.Overall, the PBSA tools developed in this thesis and the numerical data furnished shed new light on the influence of EISP to different levels of sophistication in structural modelling of building structure and to the uncertainty in inelastic seismic demands due to record-to-record variability. These tools together with foreseeable extensions pave the way for seismic risk analyses in congested urban environments accounting for EISP phenomena to improve the accuracy of seismic loss predictions.

Κατά τη διάρκεια ισχυρών σεισμικών δονήσεων, γειτονικά κτήρια που ο διαχωρισμός τους είναι ανεπαρκής αλληλοεπιδρούν/συγκρούονται με αποτέλεσμα την ανάπτυξη δυνάμεων κρούσης στις περιοχές επαφής. Οι κρουστικές δυνάμεις, οφειλόμενες σε Σεισμικά Επιβαλλόμενες Δομικές Συγκρούσεις (εφεξής ΣΕΔΣ) και οι προκληθείσες από αυτές συνέπειες δεν λαμβάνονται υπ’ όψιν κατά το στάδιο του σχεδιασμού, παρόλες τις κατευθυντήριες αρχές των σύγχρονων κωδίκων αντισεισμικού σχεδιασμού που επιβάλλουν ελάχιστη απόσταση διαχωρισμού μεταξύ των γειτονικών κτηρίων. Η ελάχιστη απόσταση διαχωρισμού, τουλάχιστον στο ονομαστικό επίπεδο της σεισμικής δράσης, θεωρείται επαρκής για την ελαχιστοποίηση της πιθανότητας εκδήλωσης επιπτώσεων, εξαιτίας των ΣΕΔΣ. Σύμφωνα με παρατηρήσεις πεδίου, που προέκυψαν από πυκνοκατοικημένα αστικά περιβάλλοντα στον απόηχο ισχυρών σεισμικών δονήσεων, καταγράφονται σημαντικές απώλειες, κατά την εκδήλωση σεισμού, ως συνέπεια των ΣΕΔΣ, καθώς οι κανονιστικά επιβαλλόμενες αποστάσεις διαχωρισμού μεταξύ των κτηρίων δεν βρίσκουν εφαρμογή στην πράξη. Από τα τέλη της δεκαετίας του 1980, οι εν λόγω παρατηρήσεις πεδίου προκάλεσαν το έντονο ενδιαφέρον της ερευνητικής κοινότητας, η οποία, πρωτίστως, επεδίωκε την ανάπτυξη αποτελεσματικών μεθόδων μοντελοποίησης, ερειδόμενων στη μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων (εφεξής ΠΣ), με απώτερο στόχο την προσομοίωση των ΣΕΔΣ, ώστε να καταστεί δυνατή τόσο η μελέτη της επίδρασης των ΣΕΔΣ στις επιβαλλόμενες σεισμικές απαιτήσεις αλληλεπιδρώντων κατασκευών όσο και η ανάδειξη μεθόδων για τον περιορισμό των επιπτώσεων των ΣΕΔΣ σε αυτές τις κατασκευές. Η μέχρι πρότινος σχετική ερευνητική προσπάθεια, που βασίστηκε ως επί το πλείστον σε υπολογιστικά αριθμητικά μοντέλα, έκανε χρήση απλοποιημένων δομοστατικών μοντέλων ως αντιπροσωπευτικών κτηρίων που υπόκεινται σε συγκρούσεις, όπως πολυβάθμιων ταλαντωτών/πλαισίων διατεταγμένων σε σειρά ή μονοβάθμιων συγκρουόμενων ταλαντωτών, με σκοπό τη μελέτη των ΣΕΔΣ μέσω ανελαστικών αναλύσεων χρονοιστορίας. Επιπλέον, η ποσοτικοποίηση της αβεβαιότητας στην ανελαστική απαίτηση που εκπηγάζει από τις ΣΕΔΣ δεν έχει μελετηθεί υπό το πρίσμα ενός σύγχρονου πλαισίου πιθανοτήτων απόδοσης με βάση την επιτελεστικότητα (Performance Based Earthquake Engineering – εφεξής PBEE).Σε συνέχεια των ανωτέρω, η παρούσα διατριβή έχει θέσει ως στόχο, αρχικώς, την αποτίμηση της επίδρασης των ΣΕΔΣ στην ανελαστική απαίτηση σε επίπεδο δομικών στοιχείων, έχοντας ως έρεισμα μία μελέτη περίπτωσης υπάρχοντος κτηριακού οικοδομικού μπλοκ και, ακολούθως, το να ποσοτικοποιήσει την επίδραση των ΣΕΔΣ στις καμπύλες θραυστότητας των συνήθων θεωρούμενων απλοποιημένων δομοστατικών μοντέλων, όπως για παράδειγμα σε ανελαστικούς μονοβάθμιους ταλαντωτές και ανελαστικά επίπεδα πολυβάθμιων δομικών πλαισίων, μέτρο για τον προσδιορισμό της σεισμικής τρωτότητας αλληλεπιδρώντων κατασκευών, εντός ενός στατιστικού πλαισίου το οποίο λαμβάνει υπ’ όψιν τη μεταβλητότητα των σεισμικών καταγραφών. Η διατριβή, έχοντας ως δεδομένο την απουσία σημαντικής δομικής βλάβης σε τοπικό επίπεδο στις περιοχές επαφής,επικεντρώνεται σε κατασκευές Οπλισμένου Σκυροδέματος (ΟΣ) οι οποίες πληρούν τις προδιαγραφές των ισχυόντων κανονισμών σχεδιασμού και, ταυτόχρονα, υιοθετεί τη θέση ότι οι αλληλεπιδράσεις/συγκρούσεις λαμβάνουν χώρα αποκλειστικά σε επίπεδο πλακών.Ο πρώτος στόχος επιτυγχάνεται διά της ανάπτυξης ενός λεπτομερούς τρισδιάστατου μοντέλου ΠΣ συγκεντρωμένης πλαστιμότητας τριών γειτονικών ακανόνιστων στο επίπεδο της κάτοψης κατασκευών ΟΣ, με συζευγμένα συστήματα οριζόντιας αντίστασης φορτίων τύπου πλαισίου-τοιχίου, διατεταγμένα σε σχήμα τύπου "L" με άνισο αριθμό ορόφων. Μια σειρά από ανελαστικές αναλύσεις χρόνο-ιστορίας πραγματοποιούνται για ζεύγος φασματικά συμβατών σεισμικών καταγραφών με αυξητική ένταση, δηλαδή Αυξητική Δυναμική Ανάλυση (εφεξής ΑΔΑ), η οποία ενεργεί κατά μήκος των δύο οριζόντιων και κάθετων μεταξύ τους αξόνων, και εφαρμόζεται στα λεπτομερή μοντέλα ΠΣ με και χωρίς των ΣΕΔΣ. Οι μεταβολές που παρατηρούνται στην ανελαστική απαίτηση σε όλους τους ορόφους και στους διαφορετικούς τύπους στατικών μελών, δηλαδή δοκούς, κολώνες και τοιχία, καταγράφονται λόγω των ΣΕΔΣ για διαφορετικά επίπεδα έντασης των σεισμικών καταγραφών. Τα αριθμητικά αποτελέσματα οδηγούν στη διαπίστωση σημαντικών διαφορών στη διασπορά σε επίπεδο ορόφου των ανελαστικών σεισμικών απαιτήσεων, οφειλόμενων σε ΣΕΔΣ, και στις τρεις κατασκευές και σε όλους τους τύπους των δομικών στοιχείων. Τα απότοκα καινοτόμου υποβάθρου συμπεράσματα της έρευνας οδηγούν στη συγκρότηση της άποψης ότι η επίδραση των ΣΕΔΣ στην ανελαστική απαίτηση σε επίπεδο μεμονωμένων δομικών στοιχείων δεν μπορεί να ποσοτικοποιηθεί με ακρίβεια κάνοντας χρήση απλοποιημένων επίπεδων πολυβάθμιων δομικών πλαισίων μοντελοποιημένων με τη μέθοδο των ΠΣ, καθότι αυτά δεν είναι ικανά να αποτυπώσουν την απόκριση πολύπλοκών κτηριακών μπλοκ που συγκρούονται αμφίδρομα και παρουσιάζουν σημαντικές στρεπτικές αποκρίσεις. Ως εκ τούτου, προτείνεται η υιοθέτηση λεπτομερών χωρικών μοντέλων ΠΣ για την αποτίμηση της τρωτότητας σε περιπτώσεις μελέτης υπαρχόντων κτηριακών κατασκευών που υπόκεινται σε ΣΕΔΣ σε πολλαπλές διευθύνσεις.Ο δεύτερος στόχος επιτυγχάνεται διά της πιθανοτικής αποτίμησης της επιτελεστικότητας που λαμβάνει υπ’ όψιν εγγενώς τη μεταβλητότητα των σεισμικών καταγραφών, ακολουθώντας τα τυποιημένα βήματατου πλαισίου πιθανοτήτων αποτίμησης με τη χρήση της μεθόδου ΑΔΑ.Η μέθοδος ΑΔΑ ερείδεται σε στοχευμένα επιλεγμένες σεισμικές καταγραφές οι οποίες εφαρμόζονται σε απλοποιημένα ανελαστικά δομοστατικά μοντέλα ΠΣ που είναι ικανά να αποτυπώσουν την επίδραση των ΣΕΔΣ. Για την ΑΔΑ χρησιμοποιείται ένα καινοτόμο μέτρο σεισμικής έντασης, συγκεκριμένα ο γεωμετρικός μέσος της φασματικής επιτάχυνσης με βάση τη θεμελιώδη ιδιοπερίοδο των συγκρουόμενων/αλληλεπιδρώντων κατασκευών.Τα αριθμητικά αποτελέσματα που προκύπτουν από την ΑΔΑ αποδεικνύουν ότι ο γεωμετρικός μέσος είναι πολύ πιο αποτελεσματικός από τη μέγιστη εδαφική επιτάχυνση (Peak Ground Acceleration – εφεξής PGA), η οποία υιοθετείται κατά κόρον ως μέτρο σεισμικής έντασης σε όλες τις μελέτες ΣΕΔΣ στη σχετική βιβλιογραφία. Επίσης, καταδεικνύουν σημαντική μείωση της διασποράς των καμπυλών της ΑΔΑ σε σύγκριση με τη μέγιστη εδαφική επιτάχυνση (PGA)που μετράται με όρους τυπικής διασποράς της κανονικής λογαριθμικής κατανομής προσαρμοσμένης στα δεδομένα των καμπύλων της ΑΔΑ. Η μείωση της διασποράς παρατηρείται σε οριακές καταστάσεις και σε ζεύγη συγκρουόμενων ανελαστικών μονοβάθμιων ταλαντωτών αντιπροσωπευτικών πέντε (5) διαφορετικών οκτα-όροφων και δωδεκα-όροφων πρότυπων πλαισιακών φορέων πολλαπλών ορόφων. Οι τελευταίοι έχουν σχεδιαστεί σύμφωνα με τις πρόσφατες εκδόσεις του Ευροκώδικα 2 και 8 και υπόκεινται σε ομάδα εβδομήντα δύο (72) σεισμικών καταγραφών.Επιπρόσθετα, καινοτόμα πιθανοτικά μοντέλα με όρους καμπυλών θραυστότητας γειτονικών κτηρίων παρουσιάζονται και συζητούνται τόσο για τους ανελαστικούς μονοβάθμιους ταλαντωτές όσο και για τα λεπτομερή πολυβάθμια μοντέλα συγκεντρωμένης πλαστιμότητας επίπεδων πολυώροφων πλαισιακών φορέων. Η πραγματοποίηση μελέτης ευαισθησίας για την ποσοτικοποίηση της επίδρασης διαφόρων παραμέτρων του μοντέλου πρόσκρουσης στα στατιστικά της ανελαστικής απαίτησης, δηλαδή στη μορφή των καμπύλων θραυστότητας, υποδεικνύει ότι οι παράμετροι της δυσκαμψίας και της απόσβεσης του μοντέλου πρόσκρουσης δεν έχουν την ίδια επίδραση με την απόσταση διαχωρισμού μεταξύ των κατασκευών. Τέλος, όσον αφορά την επίτευξη του δεύτερου στόχου, συγκρίνεται ο μέσος όρος και η τυπική διασπορά των δεδομένων των καμπυλών της ΑΔΑ που παρήχθησαν από αλληλεπιδρώντα πολυβάθμια μοντέλα και από τους αντίστοιχους ισοδύναμους μονοβάθμιους ανελαστικούς ταλαντωτές, προκύπτοντες από pushover ανάλυση. Κατά τη σύγκριση, διαπιστώνεται ότι τα αντιπροσωπευτικά μονοβάθμια συστήματα, ενώ λαμβάνουν υπ’ όψιν τη μεταβλητότητα, εξαιτίας των σεισμικών καταγραφών, όπως αυτή εκφράζεται μέσω της τυπικής απόκλισης της προσαρμοσμένης κανονικής λογαριθμικής κατανομής στις καμπύλες της ΑΔΑ, τείνουν να υποεκτιμούν τις αφορώσες τον μέσο όρο μέγιστες ανελαστικές απαιτήσεις των πολυβάθμιων μοντέλων. Συνάγεται, λοιπόν, ότι η επίδειξη της δέουσας προσοχής και επιμέλειας είναι απαιτητή κατά τη υιοθέτηση απλοποιημένων μοντέλων για τη μελέτη της επίδρασης των ΣΕΔΣ στις κατασκευές. Επισκοπώντας, τόσο τα πιθανοτικά εργαλεία, βάσει της αποτίμησης, που ανεπτύχθησαν στη διατριβή, όσο και τα αριθμητικά δεδομένα που παρήχθησαν συμβάλλουν στη σχετική με την επίδραση των ΣΕΔΣ στην διασάφηση των διαφόρων επιπέδων πολυπλοκότητας του δομοστατικού σχεδιασμού, καθώς και στον προσδιορισμό της σχετικής με τις ανελαστικές απαιτήσεις αβεβαιότητας, απότοκης της μεταβλητότητας των σεισμικών καταγραφών. Τα πιθανοτικά εργαλεία, που στοχεύουν στη βελτίωση της ακρίβειας αναφορικά με την πρόβλεψη απωλειών λόγω σεισμού, σε συνδυασμό με τα δεδομένα που θα προκύψουν από ενδεχόμενες μελλοντικές ερευνητικές προσπάθειες, οι οποίες θα έχουν ως αφετηρία την παρούσα διατριβή, είναι δυνατόν να βρουν πεδίο εφαρμογής κατά την ανάλυση του σεισμικού ρίσκου σε πυκνοκατοικημένα αστικά περιβάλλοντα των ΣΕΔΣ.