Modeling and reability assessment of rocking structures under seismic loading

Abstract

Despite the apparent lack of a mechanism to resist lateral forces, rocking structures have a remarkable capacity against earthquake loading. The Thesis presents a novel modeling approach for the seismic response assessment of free-standing, rigid or flexible, pure rocking systems. The simplified models adopted use beam elements which are connected to a nonlinear rotational spring with negative stiffness that describes the self-centering capacity of the rocking members. The loss of energy at impact is treated with an “event-based” approach consistent with Housner’s theory. The efficiency and the accuracy of the proposed modeling is demonstrated with the aid of carefully chosen case studies either using simple wavelets or historical ground motion records. This modeling approach is extended to rocking frames providing a holisticapproach suitable for modeling a variety of rocking systems. In addition, the Thesis presents for the first time a fully performance-based seismic reliability and risk assessment framework for freestanding structural components and contents that can be modeled as rocking rigid blocks. The seismic response of building contents depends on several parameters such as the geometry of the object, the dynamic characteristics of the building and the storey that the object is located. The main interest is focused on the capped structure-content reliability assessment. The procedure of risk and fragility assessment considering the symmetric rocking blocks is extended to asymmetric blocks while the cases of arrays of freestanding columns capped with an architrave and rocking frames with unequal in height columns are investigated. In the latter case one more Intensity Measure (IM) is examined.The protection of cultural heritage structures and museum treasures against earthquakes is a subject of top priority. Large scale shake table tests, that took place at CEA, Saclay, are presented on cultural heritage assets emphasizing on the use computing models in tandem with experimental testing. More specifically, an extensive experimental campaign on the seismic response of artefacts, with emphasis on statues and busts is presented. The aim is to understand the seismic response of statues and busts and then develop novel and cost-effective risk mitigation schemes for improving theseismic resilience of museum valuable contents. Both non-isolated and seismically isolated artefacts here considered.

Παρά την φαινομενική έλλειψη ενός μηχανισμού αντίστασης στις πλευρικές δυνάμεις, οι λικνιζόμενες κατασκευές παρουσιάζουν αξιοσημείωτη συμπεριφορά όταν υποβάλλονται σε σεισμική φόρτιση. Η Διατριβή παρουσιάζει μια νέα προσέγγιση για την προσομοίωση και για την αξιολόγηση της σεισμικής απόκρισης απλά εδραζόμενων, άκαμπτων ή εύκαμπτων, λικνιζόμενων συστημάτων. Τα προσομοιώματα που αναπτύχθηκαν και υιοθετήθηκαν χρησιμοποιούν στοιχεία δοκού, τα οποία συνδέονται με ένα μη-γραμμικό στροφικό ελατήριο αρνητικής δυσκαμψίας που περιγράφει την ροπή ευστάθειας των μελών. Η απώλεια ενέργειας κατά την κρούση αντιμετωπίζεται με μια νέα προσέγγιση που ενσωματώνει το συντελεστή αποκατάστασης. Η αποτελεσματικότητα και η ακρίβεια της προτεινόμενης μεθοδολογίας αποδεικνύεται με τη βοήθεια προσεκτικά επιλεγμένων περιπτώσεων χρησιμοποιώντας είτε απλούς παλμούς είτε σεισμικές καταγραφές. Η προτεινόμενη προσέγγιση επεκτείνεται σε λικνιζόμενα πλαίσια ενώ παρέχει τη δυνατότητα επέκτασης σε πλήθος άλλων λικνιζόμενων κατασκευών.Επιπλέον, η Διατριβή παρουσιάζει για πρώτη φορά ένα πλήρες πλαίσιο για την εκτίμηση της σεισμικής αξιοπιστίας και για την αξιολόγηση της σεισμικής διακινδύνευσης για απλά εδραζόμενα σώματα και περιεχόμενα κατασκευών που μπορούν να προσομοιωθούν ως λικνιζόμενα σώματα. Η σεισμική απόκριση περιεχομένων κατασκευών εξαρτάται από πολλές παραμέτρους όπως η γεωμετρία του αντικειμένου, τα δυναμικά χαρακτηριστικά του κτιρίου και ο όροφος που βρίσκεται εγκατεστημένο. Το κύριο ενδιαφέρον εστιάζεται στην αξιολόγηση της αξιοπιστίας συμπεριλαμβάνοντας τη σύνδεση της κατασκευής με τα περιεχόμενα. Η διαδικασία εκτίμησης της σεισμικής διακινδύνευσης και της σεισμικής τρωτότητας λαμβάνοντας συμμετρικά σώματα, επεκτείνεται σε ασύμμετρα σώματα ενώ διερευνώνται οι περιπτώσεις κιονοστοιχιών που φέρουν ένα επιστύλιο και λικνιζόμενων πλαισίων με διαφορετικού ύψους υποστυλώματα. Στην τελευταία περίπτωση εξετάζεται ένα ακόμη Μέτρο Έντασης (IM). Η προστασία της πολιτισμικής κληρονομιάς και των μουσειακών εκθεμάτων που υποβάλλονται σε σεισμική φόρτιση αποτελεί θέμα μεγάλης σπουδαιότητας. Δοκιμές σε σεισμική τράπεζα, που πραγματοποιήθηκαν στο CEA, Saclay, παρουσιάζονται στη Διατριβή. Έμφαση δόθηκε στη χρήση υπολογιστικών προσομοιωμάτων παράλληλα με τις πειραματικές διατάξεις. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζεται μια εκτενής πειραματική διερεύνηση της σεισμικής απόκρισης εκθεμάτων, με έμφαση σε αγάλματα και προτομές. Στόχος είναι η κατανόηση της σεισμικής απόκρισης των αγαλμάτων και των προτομών και στη συνέχεια η ανάπτυξη νέων και οικονομικά αποδοτικών λύσεων για τη βελτίωση της σεισμικής τρωτότητας του πολύτιμου περιεχομένου των μουσείων. Εξετάστηκαν τόσο απλά εδραζόμενα όσο και σεισμικά μονωμένα εκθέματα.