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Titelaufnahme

Titel
Simplified Collapse Fragility Assessment utilizing a geometric mean spectral acceleration based intensity measure for PDelta vulnerable, cyclic deteriorating frame structures / David Kampenhuber
VerfasserKampenhuber, David
Betreuer / BetreuerinAdam, Christoph
ErschienenInnsbruck, Jänner 2016
UmfangVI, 311 Seiten : Illustrationen, Diagramme
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Dissertation, 2016
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Datum der AbgabeJanuar 2016
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)PDelta Effekt / zyklische Materialschädigung / Kollapsfragilität / generische Rahmentragwerke / äquivalenter Einmasseschwinger / effizientes Intensitätsmaß
Schlagwörter (EN)PDelta effect / cyclic material deterioration / collapse fragility / generic frame structures / equivalent single degree of freedom system / efficient intensity measure
Schlagwörter (GND)Rahmentragwerk / Erdbeben / Bruchmechanik / Berechnung
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-3597 Persistent Identifier (URN)
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 Das Werk ist frei verfügbar
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Simplified Collapse Fragility Assessment utilizing a geometric mean spectral acceleration based intensity measure for PDelta vulnerable, cyclic deteriorating frame structures [73.92 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Abschätzung und Beurteilung von erdbebeninduziertem Strukturversagen von Tragwerken basiert auf der sogenannten Kollaps-Fragilitätskurve, welche den Zusammenhang zwischen der Wahrscheinlichkeit des Strukturversagens und der Intensität eines Erdbebenereignisses herstellt. Die zentralen Aufgabenstellung dieser Dissertation stellt die Entwicklung einer Methode zur vereinfachten Abschätzung dieser Größe dar. Die betrachtete Klasse von Tragwerken sind ebene, regelmäßige inelastische Rahmentragwerke, die auf Grund von Effekten aus Theorie II. Ordnung (PDelta Effekt) eine negative globale Steifigkeit im inelastischen Verformungsast aufweisen und unter Erdbebenanregung zyklischer Materialdegradation ausgesetzt sind. Unter Starkbebenanregung neigen diese Strukturen zu schwingungsinduziertem Kollaps. Zuerst werden anhand einer Parameterstudie mit Hilfe von inkrementeller dynamischer Analysen Klassen von generischen Rahmentragwerken identifiziert, bei denen erdbebeninduzierter Kollaps nur durch den PDelta Effekt oder auch durch Materialdegradation gesteuert wird. In weiterer Folge wird ein “optimales” Maß für die Quantifizierung der Intensität der Erdbebenanregung vorgeschlagen, welches zu einer kleinen Variabilität der erdbebeninduzierten Streuung der Kollapskapazität führt. Dieses Intensitätsmaß basiert auf dem geometrischen Mittel spektraler Pseudo-Beschleunigungen in einem vordefinierten Periodenband. Die Methodik zur vereinfachten Bestimmung der Kollapsfragilität baut weiters auf äquivalenten Einfreiheitsgradsystemen, welche das globale Strukturverhalten der untersuchten Rahmentragwerke approximieren, auf. Die betrachteten äquivalenten Einfreiheitsgradsysteme sind in der Lage Effekte aus Theorie II. Ordnung wiederzugeben, die Berücksichtigung von Materialdegradation stellt jedoch ein bis-dato spärlich behandeltes Thema dar. Ein Verfahren, mit dem die äquivalenten Schädigungsparameter abgeschätzt werden können, wird vorgestellt. Dieses Verfahren beruht auf nichtlinearen quasistatischen zyklischen Berechnungen und anschließender Parameteroptimierung zwischen Ergebnissen der Rahmen und der äquivalenten Einfreiheitsgradsysteme. Auf der Basis der äquivalenten Einfreiheitsgradsysteme wird mit Hilfe inkrementeller dynamischer Analysen die “äquivalente” Kollapsfragilität ermittelt und Vergleiche zu den Ergebnissen der Rahmentragwerke angestellt. Darauf aufbauend wird der Parameterbereich, wo eine vereinfachte Abschätzung der Kollapsfragilität sinnvoll durchgeführt werden kann, definiert. Auch für die Berechnung der äquivalenten Kollapsfragiliät wird ein optimales Intensitätsmaß, basierend auf dem geometrischen Mittel spektraler Pseudo-Beschleunigungen, vorgestellt. Auf der Grundlage dieser Berechnungen wird eine Methode zur vereinfachten und schnellen Abschätzung der Kollapsfragilität für regelmäßige Rahmentragwerke präsentiert. Die vorgeschlagene Methode basiert grundsätzlich auf einer empirisch abgeleiteten, analytischen Formulierung der Kollapsfragilität der äquivalenten Einfreiheitsgradsysteme. Diese kann mit Hilfe der charakteristischen Strukturparameter, jedoch ohne aufwändige nichtlineare dynamische Berechnung am Rahmentragwerk, ausgewertet werden. Die Richtigkeit und die Genauigkeit der vorgestellten Berechnungsmethode wird anhand des Vergleichs zwischen exakter und vereinfacht ermittelter Kollapsfragilität bewertet. Dieser Vergleich zeigt, dass die vorgestellte Methode für eine bestimmte Klasse von Strukturen die Kollapsfragilität mit einem relativen Fehler kleiner als 20% abgeschätzt werden kann, und für in etwa 75 Prozent der Fälle der relative Fehler kleiner als 10% ist.

Zusammenfassung (Englisch)

assessment of collapse-induced earthquake casualties requires the collapse fragility of a building, which is a relationship that defines the probability of structural collapse with respect to the ground motion intensity. The prediction of this quantity for regular, Moment Resisting Frame (MRF) structures vulnerable to the PDelta effect and cyclic deterioration based on a simplified assessment methodology is the main objective of this dissertation. In the first step the parameter range in terms of fundamental structural properties is revealed, where global sidesway collapse is in general governed by PDelta only, and where cyclic deterioration in combination with PDelta has a significant impact on the sidesway collapse capacity. Additionally, an “optimal” Intensity Measure (IM) that results in a low inherent Record-To-Record (RTR) depended variability of collapse capacity of the considered types of structures is identified, composed of the geometric mean of spectral pseudo accelerations in a certain period range. The simplified collapse assessment methodology is based on a equivalent Single-Degree-Of-Freedom (equivalent SDOF) system. Since a previously developed equivalent SDOF model incorporates only the PDelta effect, nonlinear quasi-static cyclic tests in combination with subsequent optimization analyzes are used to identify cyclic deterioration parameters for the equivalent SDOF systems in terms of empirical relations. For these equivalent SDOF models the collapse fragility is obtained from series of Incremental Dynamic Analyses (IDAs) and compared to the “reference” values of the corresponding Multi-Degree-Of-Freedom (MDOF) systems. In an effort to reveal the parameter range of the applicability of the equivalent SDOF model the outcomes of the simplified collapse fragility assessment with respect to the underlying IM is evaluated, and in further consequence an “optimal” IM for the simplified assessment of the “equivalent” collapse fragility is defined. Based on these outcomes, a simplified methodology for the quick and accurate assessment of the sidesway collapse fragility of regular, MRF structures is presented. The proposed methodology relies on an empirically derived, analytical description of the collapse fragility of the equivalent SDOF systems as a function of characteristic structural properties and does not require time-demanding nonlinear dynamic analyses on the frame structure. The accuracy is tested by comparison of the predicted values with the actual collapse fragilities of the corresponding MDOF system. For instance, the relative error of the approximation of the median collapse capacity is for a certain class of structures less than 20%, and for 75 percent of those structures less than 10%.