Seismic risk assessment of reinforced concrete buildings including nonlinear soil structure interaction and site amplification effects

Abstract

In this thesis, the influence of soil-structure interaction (SSI) and nonlinear soil behavior on the seismic fragility and vulnerability of reinforced concrete (RC) buildings resting on shallow foundations is investigated. In particular, this thesis includes a holistic methodology to account for nonlinear soil behavior and soil-foundation-structure interaction in a modular way. Using nonlinear dynamic analyses, fragility curves for a wide set of building typologies and soil profiles are derived, showing that soil behavior during strong shaking significantly affects the vulnerability of the soil-foundation-structure system. The influence of SSI is pronounced mostly for soft soil profiles, varying in a building-specific way. Post-processing of our results evolves into a set of fragility modifiers (FM) that enable risk analysts to massively account for soil-related and/or SSI effects in large-scale risk assessments. FM are provided both in table and equation form. We examine the effectiveness of a wide set of FM that shift existing fragility curves appropriately to consider nonlinear soil behavior and/or SSI. We apply our method to an existing block of -mainly- residential buildings in Thessaloniki, Greece. To derive the fragility curves for the building block, we perform (i) incremental dynamic analyses of the existing individual structures considering nonlinear soil behavior and SSI, (ii) incremental dynamic analyses for the existing structures neglecting the underlying soil, (iii) fragility assessment using existing fragility curves found in literature and (iv) fragility assessment using existing fragility curves found in literature, modified using our proposed FM to account for nonlinear soil behavior and SSI.Furthermore, assessment is also performed in terms of vulnerability. A comparison between the obtained results highlights the effectiveness of the proposed FM for large-scale risk assessment, as well as the necessity to consider soil-related effects. In particular, the results are compared in terms of fragility and vulnerability. Since the selection of the block is representative of the city center of Thessaloniki, our results will be indicative for city-level applications.

Στην παρούσα διατριβή, διερευνάται η επιρροή της αλληλεπίδρασης εδάφους-ανωδομής (ΔΑΕΘΑ-SSI) και της μη γραμμικής συμπεριφοράς του εδάφους στη σεισμική τρωτότητα των κτιρίων από οπλισμένο σκυρόδεμα (ΟΣ-RC), που εδράζονται σε επιφανειακή θεμελίωση. Συγκεκριμένα, η διατριβή προτείνει μια μεθοδολογία για να επεξηγήσει, ως προς την επιρροή τους, την ενίσχυση της ισχυρής εδαφικής κίνησης, τη μη γραμμική συμπεριφορά του εδάφους και την αλληλεπίδραση εδάφους-θεμελίωσης-ανωδομής στην εκτίμηση των καμπυλών τρωτότητας κτιρίων. Οι καμπύλες τρωτότητας προκύπτουν χρησιμοποιώντας μη γραμμικές δυναμικές αναλύσεις για συνήθεις τυπολογίες κτιρίων και προφίλ εδάφους. Αποδεικνύεται ότι η μη γραμμική συμπεριφορά του εδάφους και η αλληλεπίδραση της ανωδομής και του εδάφους, κατά τη διάρκεια ισχυρών σεισμικών διεγέρσεων, επηρεάζουν την τρωτότητα του δομικού φορέα. Ειδικότερα, η επίδραση του SSI στις καμπύλες τρωτότητας προκύπτει σημαντική, όπως αναμενόταν, κυρίως για συνθήκες μαλακού εδάφους και ποικίλλει ανάλογα με τη διαμόρφωση και τη γεωμετρία του συστήματος εδάφους-θεμελίωσης-ανωδομής. Η όλη διαδικασία κωδικοποιείται σε αυτόνομο λογισμικό, το οποίο εκτελείται σε γλώσσα Python και TCL, χρησιμοποιώντας την πλατφόρμα πεπερασμένων στοιχείων OpenSees.Η μετεπεξεργασία των αποτελεσμάτων παράγει ένα σύνολο «τροποποιητικών συντελεστών τρωτότητας» (FM), οι οποίοι επιτρέπουν στους μηχανικούς να λαμβάνουν υπόψη τις επιπτώσεις που σχετίζονται με το έδαφος ή/και το SSI σε εκτιμήσεις διακινδύνευσης, ιδίως σε μεγάλης κλίμακας εφαρμογές (π.χ. σε επίπεδο πόλης). Οι FM παρέχονται σε μορφή πίνακα και εξίσωσης. Επί της ουσίας, χρησιμοποιώντας τους FM, οι μηχανικοί μπορούν να λάβουν υπόψη τη μη γραμμική συμπεριφορά/ενίσχυση του εδάφους ή/και το SSI στην εκτίμηση της σεισμικής τρωτότητας, τροποποιώντας τις υπάρχουσες και διαθέσιμες καμπύλες τρωτότητας της βιβλιογραφίας, οι οποίες έχουν υπολογιστεί για κατασκευές με θεώρηση πακτωμένης βάσης (fixed-base).Στο πλαίσιο της διατριβής αναπτύχθηκε, εξετάστηκε και επαληθεύτηκε η αποτελεσματικότητα ενός ευρέος συνόλου FM που τροποποιεί καταλλήλως τις γενικευμένες καμπύλες τρωτότητας, οι οποίες επί του παρόντος συνήθως αναπτύσσονται για συνθήκες πακτωμένης βάσης κατασκευών, ώστε να συμπεριλάβει τη μη γραμμική συμπεριφορά του εδάφους ή/και του SSI στην εκτίμηση της σεισμικής τρωτότητας κατασκευών με έναν εύχρηστο τρόπο. Η προτεινόμενη μέθοδος εφαρμόζεται και επαληθεύεται επαρκώς σε ένα αντιπροσωπευτικό οικοδομικό τετράγωνο κτιρίων κατοικιών στη Θεσσαλονίκη. Η περιεκτική εφαρμογή και επικύρωση υπογραμμίζει την αποτελεσματικότητα των FM, ιδίως για την εκτίμηση κινδύνου σε επίπεδο πόλης και σε γενικώς μεγάλης κλίμακας εφαρμογές, που λαμβάνει υπόψη συγκεκριμένες εδαφικές συνθήκες και επιπτώσεις του SSI.