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Titelaufnahme

Titel
Contributions to the probabilistic seismic assessment of acceleration demands in buildings / Lukas Moschen
VerfasserMoschen, Lukas
Begutachter / BegutachterinAdam, Christoph ; Medina, Ricardo Antonio
Betreuer / BetreuerinAdam, Christoph ; Pradlwarter, Helmut
ErschienenInnsbruck, Januar 2016
Umfangxx, 236 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Univ., Dissertation, 2016
Anmerkung
Kurzfassung in englischer und deutscher Sprache
Datum der AbgabeJanuar 2016
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)PBEE / Verhaltensbasiertes Erdbebeningenieurwesen / Erdbebenrisiko / Auswahl von Erdbebenschrieben / genetischer Algorithmus / Mehrzieloptimierung / Pareto-Grenze / Antwortspektrum / spektrale Beschleunigung / probabilistische seismische Bewertung / Wahrscheinlichkeitstheorie / Normalverteilung / Lognormalverteilung / generischer Rahmen / halb generische Strukturen / generische Stab-Modelle / seismische induzierte Vertikalbeschleunigung / ATC-76-1 / SAC Steel Project / SAP2000 / OpenSees / Eurocode 8 / UBC Uniform Building Code / IBC International Building Code / ASCE 7-10 / Stahlrahmen / Betonrahmen / wandartige Strukturen / äquivalente seismische Einwirkung / hysteretische Materialmodelle ohne Berücksichtigung von Schädigung ebene semi-generischen Rahmenmodelle / räumliche semi-generischen Rahmenmodelle / Spitzenbodenbeschleunigung / Dynamische Analyse / Beschleunigungs-Duktilität / Seismisches Design von Sekundärstrukturen und nichttragenden Bauteilen / Gebäudeinfrastruktur / FEMA P-58-1 / Bodenantwortspektrum / Antwortspektrumverfahren / CQC modale Kombinationsregel / Theorie der zufälligen Schwingungen / stationärer stochastischer Prozess / modale Zerlegung / Modellierung der Bodenbeschleunigung im Frequenzbereich Korrelationskoeffizient / Spektrales Moment / Übertragungsfunktion / vereinfachte Antwortspektrum Verfahren / Approximationen der spektralen Momente / weißes Rauschen / seismische Fragilitätskurve
Schlagwörter (EN)PBEE performance based earthquake engineering / seismic risk / ground motion record selection / genetic algorithm / multi-objective optimization / Pareto frontier / response spectrum / spectral acceleration / probabilistic seismic assessment / probabilistic theory / normal distribution / log-normal distribution / generic frame / semi-generic structures / generic stick model / seismic induced vertical acceleration demand / ATC-76-1 / SAC steel project / SAP2000 / OpenSees / Eurocode 8 / UBC Uniform Building Code / IBC International Building Code / ASCE 7-10 / steel moment resisting frame / concrete moment resisting frame / structural wall / equivalent seismic force procedure ELF / non-deteriorating hysteretic material models / planar semi-generic frame models / spatial semi-generic frame models / peak floor acceleration demand / response history analysis / acceleration ductility / design force of nonstructural components / nonstructural component / FEMA P-58-1 / floor response spectrum / response spectrum method / CQC modal combination rule / random vibration theory / peak factor / stationary stochastic process / modal decomposition / modal expansion / ground motion modeling in the frequency domain / correlation coefficient / cross-spectral moment / first-passage probability / transfer function / frequency response function / simplified response spectrum method / first order approximations of cross-spectral moments / hybrid approximation of cross-spectral moments / white noise approximations of cross-spectral moments / seismic fragility curve
Schlagwörter (GND)Gebäude / Erdbebensicherheit / Berechnung
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-3663 Persistent Identifier (URN)
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 Das Werk ist frei verfügbar
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Contributions to the probabilistic seismic assessment of acceleration demands in buildings [18.51 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

In den frühen Jahren des Erdbebeningenieurwesens wurde das Verhalten der Gebäudeausrüstung, Gebäudeinfrastruktur und der nichttragenden Gebäudekomponenten unter seismischer Einwirkung stiefmütterlich behandelt. Erdbebenereignisse der letzten zwanzig Jahren haben jedoch gezeigt, dass bereits bei relativ schwachen Erdbebenereignissen erheblicher Schaden an der Gebäudeausrüstung auftreten kann. Darüber hinaus ist die Wiederkehrperiode von schwachen bis moderaten Erdbebenereignisse sowie das seismisch angeregte geographische Gebiet wesentlich größer als bei Starkbeben. Da die Gebäudeinfrastruktur wesentlich zum Gesamtrisiko beiträgt, ist es erforderlich das seismische Verhalten der Gebäudeinfrastruktur im Zuge des verhaltensbasierten Erdbebeningenieurwesens zu überprüfen.

Es wird im Wesentlichen zwischen verschiebungssensitiven (driftsensitiven) und beschleunigungssensitiven Gebäudekomponenten unterschieden. Zu der ersteren Gruppe gehören beispielsweise Fassadenelemente und Zwischenwände, welche in der Regel an der Ober- und Unterkante der Geschoßdecke befestigt sind und daher bei zu großen Relativverschiebungen der Decken (Drift) geschädigt werden. Beschleunigungssensitive Gebäudekomponenten hingegen sind beispielsweise Boiler oder medizinische Geräte, welche an einer Decke oder einer Wand angebracht sind. Die maximale seismische Einwirkung ist daher proportional zur maximalen Beschleunigung des Schwerpunkts der Gebäudekomponente.

Es ist dem planenden Ingenieur unzumutbar das dynamische Verhalten aller Gebäudekomponenten im Planungsprozess zu analysieren. Darüber hinaus würde die Gebäudenutzung eingeschränkt sein, falls man diese innerhalb des Gebäudes nicht umstellen dürfte. Es sind daher einfachere Methoden zur Abschätzung des seismischen Verhaltens von Gebäudekomponenten erforderlich. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Abschätzung von seismisch induzierten maximalen Deckenbeschleunigungen (im Englischen peak floor acceleration demand), da diese Größe stark mit der maximalen absoluten Beschleunigung der Gebäudekomponenten korreliert ist. In der gewählten Strategie wird die maximale Deckenbeschleunigung abgeschätzt um eine Aussage über das Verhalten von beschleunigungssensitiven Gebäudekomponenten treffen zu können.

Zunächst wird eine stochastische Methode zur Auswahl von standortspezifischen Erdbebensätzen vorgestellt. Erdbebenschriebe werden so gewählt, dass die zugehörigen Antwortspektren im statistischen Mittel ein Ziel-Spektrum repräsentieren unter gleichzeitiger Einhaltung einer vorgegebenen Streuung. Die beiden Zielfunktionen (Mittelwert und Streuung) können dabei voneinander unabhängig formuliert werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden liefert der vorgestellte Algorithmus sehr rasch Erdbebensätze ohne Strukturparameter, wie die Grundschwingungsperiode der lastabtragenden Struktur, miteinzubeziehen. Ist für einen Standort ein Erdbebensatz bestimmt worden, kann dieser für die Analyse einer breiten Klasse von Gebäuden verwendet werden. Dies stellt einen enormen Vorteil gegenüber herkömmlich ermittelten Erdbebensätzen dar.

Im Rahmen dieser Dissertation werden generische Tragwerke entwickelt um die Erdbebenantwort einer Vielzahl von verschiedenen lastabtragenden Strukturen zu untersuchen. Diese Tragwerke weisen die wesentlichen dynamischen Eigenschaften von realen Gebäuden auf, deren Parameter können jedoch unabhängig voneinander variiert werden und eignen sich deshalb hervorragend für Sensitivitätsanalysen um Rückschlüsse über das seismische Verhalten einer Klasse von realen Tragwerken gewinnen zu können. Mittels der vorgestellten generischen Strukturen werden ebene und räumliche Tragwerke beschrieben, die unter Erdbebeneinwirkung sowohl in horizontaler und vertikaler Richtung zur Schwingung angeregt werden. Es werden erstmals generische Strukturen zur Abschätzung der vertikalen seismischen Beschleunigungsantwort definiert. Zusätzlich werden räumliche generische Systeme eingeführt um das seismische Verhalten von beschleunigungssensitiven Gebäudekomponenten zu quantifizieren.

Mittels nichtlinearen dynamischen Berechnungen wird die maximale Deckenbeschleunigung von verschiedensten generischen Stahl-, Stahlbeton- und wandartigen Tragwerken ermittelt. Im einfachsten Fall werden einstöckige Tragwerke mittels inelastischer Einmasseschwinger abgebildet. Es wird das Konzept der Beschleunigungs-Duktilität eingeführt, und in einer umfangreichen Parameterstudie wird die Größe als Funktion der Periode und der Festigkeit dargestellt. Zusätzlich werden Funktionen für unterschiedliche Dämpfungsmaße bereitgestellt. Die analytischen Approximationen der Beschleunigungs-Duktilität eignen sich zur qualitativen Abschätzung maximalen Deckenbeschleunigung mehrstöckiger inelastischer generischer Tragwerke. Die gewonnen Ergebnisse stimmen mit denen der wissenschaftlichen Literatur überein. Es wird aufgezeigt, dass bestehende vereinfachte Berechnungsvorschriften in Normen in fast allen Fällen zu nichtkonservativen Abschätzungen der maximalen Deckenbeschleunigung führen. Die vertikale Beschleunigungskomponente wurde bisher von Wissenschaft und Praxis weitgehen ignoriert und in aktuellen Normungen um ein vielfaches unterschätzt. Es wird gezeigt, dass diese Antwortgröße jedoch zu erheblichen Schäden an Gebäudekomponenten führen kann. Weitere Forschung auf diesem Gebiet ist unerlässlich.

Nichtlineare dynamische Zeitverlaufsberechnungen werden in der Praxis des Erdbebeningenieurwesens aufgrund des Aufwandes nach wie vor nur in Spezialfällen verwendet. Im Vergleich dazu sind Antwortspektrummethoden in ihrer Anwendung relativ einfach. In dieser Dissertation wird ein robustes Antwortspektrumverfahren zur Abschätzung der maximalen Deckenbeschleunigung entwickelt, welches auf der Theorie der Zufallsschwingungen basiert. Ergebnisse aus Zeitverlaufsberechnung decken sich mit denen des vorgestellten Antwortspektrumverfahrens, wobei der Rechenaufwand erheblich reduziert wurde.

Für praktische Zwecke werden für die geschlossene Lösung Näherungen präsentiert, welche trotz der Vereinfachungen zu hinreichend genauen Abschätzungen der maximalen Deckenbeschleunigung führen. Mit diesen Verfahren wird erstmals die hinreichend genaue Abschätzung der maximalen Deckenbeschleunigung von regelmäßigen als auch unregelmäßigen ebenen und räumlichen Tragwerken praxistauglich aufbereitet.

Zusammenfassung (Englisch)

In the early days of earthquake engineering less attention has been paid to building contents, often referred to as nonstructural components (NSCs). In the last two decades, however, the potential seismic risk associated with NSCs has been recognized, separated into life safety and economic loss.

It is reasonable to distinguish NSCs with respect to their response behavior. Displacement sensitive (drift sensitive) NSCs such as claddings or partition walls are mounted multiply at different slabs of the load-bearing structure, and thus, are damaged if the inter-story drift ratio exceeds a certain amount. In contrast, NSCs such as boilers or medical equipment are attached at a single wall or a single slab only. The equivalent seismic force is proportional to the total acceleration of the center of mass of the NSC. Thus, these NSCs are denoted as acceleration sensitive.

During the design process usually the seismic behavior of NSCs cannot be considered by the structural engineer. Moreover, relocating an NSC in a facility may lead to amplified responses, and subsequently, to higher damage probabilities. Hence, efficient and sufficiently accurate methods are required to estimate the maximum absolute (peak) responses of NSCs. This dissertation focuses on the probabilistic seismic assessment of peak floor acceleration (PFA) demands. Research effort during the last decade has shown that damage of acceleration sensitive NSCs is well correlated with the PFA demand of the attachment point. Thus, the strategy of this research is to estimate PFA demands of the load-bearing structure in order to draw conclusions of the seismic response behavior of NSCs.

In the first part of this dissertation a stochastic ground motion selection procedure is introduced to identify quickly record sets consistent with the site specific hazard. The selection is based on an optimization procedure such that the first moment and the second central moment of the spectral acceleration of the record set matches a target spectrum and a target dispersion in a certain period (or frequency) range. Information of the structure such as the fundamental period is explicitly not required. Once a record set is found, it can be used for a broad class of buildings at the specified location. This is an enormous benefit compared to common ground motion selection algorithms.

Generic structural models tuned to fundamental properties of real buildings are developed in an effort to the study the seismic PFA demand. The generic formulation of these structures allows sensitivity analyses, and thus, global conclusions for a class of building types such as moment-resisting frames or structural walls can be drawn. The novelty of the presented generic buildings is its extension to spatial structures and the explicit consideration of vertical PFA demands as a consequence of the vertical component of the ground motion. Additionally, the response behavior to multi-directional earthquake input can be studied yielding new insights for seismic assessment of acceleration sensitive nonstructural components.

Nonlinear response history analysis of various steel-, concrete-, and wall structures is conducted, which, nowadays, provides the closest approximation of real structural behavior in a seismic event. Based on an inelastic single-degree-of-freedom system the concept of acceleration ductility is introduced, which is consistent to the definition of the well known displacement ductility. The concept of acceleration ductility can be used to assess in a simplified manner the PFA demand of inelastic multi-story structures. The PFA demands obtained from response history analysis of multi-story structures are consistent with observations of other research groups. It is shown that application of simplified methods provided in building codes may lead to unconservative estimations of PFA demands, particularly in the vertical direction.

Nonlinear response history analysis methods are, however, computationally expensive and can only be conducted by an experienced seismic engineer. To avoid this effort, response spectrum analyses based on various modal combination rules are widely accepted in research and professional engineering. If correctly applied, a wealth of information can be exploited with minimum computational effort. In this dissertation a response spectrum method for estimation of elastic PFA demands is rigorously derived. Application to various planar and spatial structures shows the superiority of this method compared to approaches available in literature. Additionally, various simplifications of this method are presented and subsequently evaluated.