Πολυκριτηριακή επιλογή ισχυρών εδαφικών κινήσεων για την αξιόπιστη εκτίμηση της σεισμικής απόκρισης των κατασκευών

Abstract

The uncertainty derived from the earthquake-induced ground motion affects severely the reliability of both design and assessment of structural seismic response. The key issue of the dissertation is to propose a novel theoretical and computational framework to select strong motions accounting for structural parameters and seismic motions characteristics. The first step was to assess the impact of Eurocode 8-based earthquake records selection procedure on the nonlinear response of a multi-storey, irregular reinforced concrete (R/C) building. The highly scattered inelastic response results highlighted the adverse implications of code-conformed records selection procedure in the reliability of structural performance prediction. Next, the upper-bound of the code-imposed range of structural periods, within which matching between the mean spectrum of the suite of motions and the target spectrum is enforced, was thoroughly examined. Particularly, the earthquake-induced lengthening of the fundamental period of five R/C buildings, designed according to modern seismic codes, was quantified. The results of this study showed that the upper-bound of the period range prescribed in Eurocode 8 for spectral matching could be reduced by 25%. Moreover, inelastic response spectra were calculated in terms of shifting the fundamental period due to the inelastic response. Simplified expressions were, also, derived that allow predicting the first-mode period elongation of various structural systems. Next, a novel, multi-criterion method for earthquake record selection procedure was proposed that accounts for both the dynamic characteristic of the structure studied and the variability among the seismic motions selected. The above improvements, which were incorporated in an integrated computational system (ISSARS), aim to compile suites of motions that are legitimate based on the prescribed code criteria and also lead to stable enough (i.e., of low variability) response results. The seismic excitation of three multi-storey R/C buildings using suites of motions that were selected and ranked according to the proposed multi-criterion method leaded to significantly lower structural response variability instead of using suites of motions selected with the conventional method. The reduced response variability induced an increase in the reliability of the predicted design values without being necessary to excite the structures modeled with numerous seismic motions.

Η επιβαλλόμενη σεισμική δράση, μέσω της δυναμικής ανάλυσης χρονοϊστορίας των κατασκευών, επηρεάζει καίρια την αξιοπιστία του σχεδιασμού/αποτίμησης της σεισμικής απόκρισης των κατασκευών. Κεντρική στόχευση της διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η διατύπωση ενός καινοτόμου θεωρητικού και υπολογιστικού πλαισίου για την επιλογή και την αναγωγή των σεισμικών δράσεων συνεκτιμώντας χαρακτηριστικά της σεισμικής κίνησης, του εδάφους και της κατασκευής. Αρχικά, αποτιμήθηκε η επιρροή των διατάξεων του Ευρωκώδικα 8 για την επιλογή των σεισμικών κινήσεων στη μη-γραμμική απόκριση ενός πολυώροφου, μη-κανονικού κτιρίου από οπλισμένο σκυρόδεμα. Η υπολογισθείσα υψηλή διακύμανση των μεγεθών ανελαστικής απόκρισης κατέδειξε τις δυσμενείς επιπτώσεις από την εφαρμογή του κανονιστικού πλαισίου στην αξιοπιστία της ανάλυσης των κατασκευών. Ακολούθως, επανακαθορίστηκε το άνω όριο του εύρους των ιδιοπεριόδων, εντός του οποίου αποτιμάται η φασματική σύγκλιση των ομάδων από σεισμικές κινήσεις. Για το σκοπό αυτόν, διερευνήθηκε η επιμήκυνση της θεμελιώδους ιδιοπεριόδου των κατασκευών εξαιτίας της ανελαστικής τους απόκρισης, καταλήγοντας πως για τη μελέτη σύγχρονα σχεδιασμένων κτιρίων, το άνω όριο του εύρους των ιδιοπεριόδων, που προτείνει ο Ευρωκώδικας 8, μπορεί να μειωθεί κατά 25%. Επιπρόσθετα, υπολογίστηκαν μέσα ανελαστικά φάσματα απόκρισης σε όρους μεταβολής της δεσπόζουσας ιδιοπεριόδου, ενώ ταυτόχρονα προσδιορίστηκαν απλοποιημένες σχέσεις για την αξιόπιστη πρόβλεψη της ανελαστικής ιδιοπεριόδου διαφόρων δομικών συστημάτων. Στη συνέχεια, προτάθηκε μια πρωτότυπη, πολυκριτηριακή μεθοδολογία για την επιλογή σεισμικών κινήσεων, που συνεκτιμά κρίσιμα δυναμικά χαρακτηριστικά της κατασκευής καθώς και τη διακύμανση μεταξύ των σεισμικών κινήσεων. Η προτεινόμενη μεθοδολογία, που ενσωματώθηκε σε ένα ολοκληρωμένο υπολογιστικό σύστημα (ISSARS), στοχεύει στην επιλογή σεισμικών κινήσεων, που οδηγούν στον υπολογισμό μεγεθών απόκρισης με περιορισμένη διακύμανση και συνεπώς αυξημένη αξιοπιστία. Η διέγερση πολυωρόφων κτιρίων με ομάδες σεισμικών κινήσεων, που επιλέχθηκαν εφαρμόζοντας τη πολυκριτηριακή μεθοδολογία, οδήγησε σε μεγέθη σεισμικής απόκρισης με σημαντικά χαμηλότερη διακύμανση σε σχέση με αυτή, που υπολογίστηκε εξαιτίας της χρήσης των συμβατικά επιλεχθεισών ομάδων. Η μείωση στη διακύμανση της απόκρισης επέφερε σημαντική αύξηση στην αξιοπιστία των τιμών σχεδιασμού των κατασκευών, χωρίς την ταυτόχρονη απαίτηση διέγερσης των κατασκευών χρησιμοποιώντας μεγάλο αριθμό από σεισμικές κινήσεις.