Analytical and empirical seismic fragility analysis of irregular URM buildings with box behavior

Abstract

The analytical fragility analysis methods require performing many nonlinear analyses. The structural component model and pushover analysis seem preferable to be adopted in these methods as fast analytical tools. In general, the nonlinear static procedures assume that the building dynamic response is governed by the main translational mode. Thus, there is a lack of an appropriate procedure for the seismic analysis of Unreinforced Masonry (URM) buildings able to take into account the higher mode effects. Motivated by the above reasons, this thesis aims to develop a methodology to perform analytical seismic fragility analysis of typical URM buildings, from which reliable fragility curves can be obtained to be used in seismic vulnerability analyses. The study uses the structural component model implemented in the TREMURI software, developed for the analysis of URM buildings with box behavior and rigid diaphragms. In order to obtain reliable pushover-based demands considering higher mode effects in both plan and elevation, combination of the basic N2 and the extended N2 methods were used, proposing required changes for application of the methods to masonry buildings. The ability of TREMURI to reproduce the nonlinear dynamic response of regular and irregular URM buildings was validated with respect to results of shake table tests. The validity of the extended N2 method was confirmed applying the method to three case studies and performing nonlinear dynamic analyses. Focusing on the predominant types of masonry school buildings located in the province of Yazd, Iran, the second phase of this study deals with the development of an analytical method for seismic fragility analysis and proposing an empirical method, for validation purposes. In the empirical approach, an Iranian empirical method, the GNDT II level and the Macroseismic methods were combined. Then, the results were validated with respect to observational-based fragility curves. The analytical method was developed based on the HAZUS and the FaMIVE procedures, using the analytical tool validated before. Furthermore, the uncertainties in the parameters with influence on the response were also considered. A comparison was also made between the developed methods, from which the analytical approach was validated and the empirical one was calibrated (a cross-validation). This thesis allowed obtaining a validated empirical and analytical method for the fragility analysis of typical masonry schools with box behavior in Iran. Furthermore, the results can be extended to new other types of recent URM buildings with box behavior and rigid diaphragms, and to the ancient masonry buildings adequately strengthened. Finally, it is concluded the analytical approach can be used for the fragility seismic analysis of URM buildings with irregularity in both plan and elevation.

Os métodos analíticos para obter as curvas de fragilidade requerem um elevado numero de análises não lineares. Os modelos baseados em componentes estruturais e a análise não linear estática parecem corresponder às ferramentas de análise mais apropriadas para estes métodos, tendo em consideração a sua rapidez de execução. Em geral, procedimentos da análise não linear estática consideram que a resposta dinâmica do edifício é controlada pelo primeiro modo vibração. Assim, existe ainda a falta de um procedimento adequado para a análise sísmica de edifícios de alvenaria não reforçada que tenha em consideração os efeitos dos modos superiores. Tendo em consideração o anteriormente referido, a presente tese tem por objetivo desenvolver uma metodologia analítica para análise da fragilidade sísmica de edifícios típicos de alvenaria não reforçada, a partir da qual podem se pode obter curvas de fragilidade fidedignas para serem utilizadas nas análises de vulnerabilidade sísmica. O estudo recorreu a modelos baseados em componentes estruturais implementados no programa TREMURI, desenvolvido para a análise de edifícios de alvenaria com comportamento de caixa e pavimentos rígidos. O método N2 e o método N2 modificado foram combinados para obter os critérios de exigência que consideram os efeitos dos modos superiores (em planta e em altura) através da análise não linear estática. A resposta do TREMURI, para edifícios de alvenaria regulares e irregulares, foi validada com recurso a ensaios em plataforma sísmica. O método N2 modificado foi validado através da sua aplicação a três casos de estudo e à análise não linear dinâmica. Focando o estudo nos tipos predominantes de escolas em alvenaria localizados na província de Yazd, Irão, a segunda fase deste trabalho envolveu o desenvolvimento de um método analítico para a análise de fragilidade sísmica e a proposta de um método empírico para validação. A abordagem empírica envolveu a combinação do método empírico do Irão, do método GNDT II e do “Macroseismic method”. Posteriormente, os resultados foram validados em relação às curvas de fragilidade resultantes da observação do dano. O método analítico foi desenvolvido com base nos procedimentos definidos no HAZUS e FaMIVE, e utilizando a ferramenta analítica validada. Além disso, consideram-se as incertezas nos parâmetros com influência na resposta. Foi ainda efetuada uma comparação entre os métodos, tendo por objetivo a validação da abordagem analítica e a calibração do método empírico (validação cruzada). Esta tese permitiu obter um método empírico e um método analítico para a análise da fragilidade sísmica de escolas em alvenaria com comportamento de caixa do Irão. Além disso, os resultados podem ser utilizados em outros tipos de edifícios recentes de alvenaria com comportamento de caixa e pavimentos rígidos, e em edifícios antigos de alvenaria adequadamente reforçados. Por último, conclui-se que abordagem analítica pode ser utilizada para a análise da fragilidade sísmica de edifícios de alvenaria não reforçada com irregularidades no plano e em altura.

استخراج توابع شکنندگی لرزه ای با استفاده از روش های تحلیلی، مستلزم انجام تعداد بسیار زیادی تحلیل سازه ای غیر خطی می باشد. از اینرو، توسعه این توابع به در اختیار داشتن روش هایی ساده، کارآمد و با نتایج قابل اعتماد برای مدل سازی و تحلیل سازه به طوری که زمان لازم برای استخراج نتایج منطقی باشد، وابسته است. بر این اساس، مدل سازی به روش قاب معادل و تحلیل غیر خطی استاتیکی )پوش اور( گزینه هایی هستند که نسبت به روش های سطح بالاتر )مثل اجزاء محدود و تحلیل غیر خطی دینامیکی( به دلیل نسبت سرعت به دقت قابل قبولشان برتری دارند. عیب عمده استفاده از تحلیل پوش اور لزوم ترکیب آن با روش هایی برای تعیین تغییر مکان هدف است که در آنها از اثرات مدهای بالاتر بر رفتار لرزه ای سازه صرفنظر شده و بر پایه این فرض اساسی توسعه داده شده اند که رفتار دینامیکی سازه به طور عمده از شکل مد غالب انتقالی تبعیت می کند. علیرغم توسعه روش های متنوع برای غلبه بر این عیب در حوزه ساختمانهای اسکلتی، توسعه روشی کارا برای استفاده در ساختمانهای مصالح بنایی به طور جدی مورد توجه محققین قرار نگرفته است. بر اساس نیازها و چالش های گفته شده، هدف اصلی این رساله توسعه روشی تحلیلی به منظور تولید توابع شکنندگی لرزه ایِ ساختمان های مصالح بنایی تقویت نشده است، به طوریکه نتایج آن راستی آزمایی و سپس تایید شده باشند. از این توابع در مطالعات تحلیل آسیب پذیری و ریسک ناشی از زلزله ی ساختمان های مصالح بنایی، به عنوان آسیب پذیرترین نوع از ساختمان ها در برابر زمین لرزه، استفاده می شود. در مطالعه حاضر از نرم افزار قاب معادل TREMURI ، مناسب برای مدل سازی و تحلیل سازه ای ساختمان های مصالح بنایی تقویت نشده با رفتار جعبه ای )رفتار لرزه ای مبتنی بر تنها مُدهای شکست داخل صفحه( و سقف صلب، استفاده شده است. همچنین به منظور استخراج نتایج قابل اعتماد از تحلیل پوش اورکه اثرات مدهای بالاتر در پلان و در ارتفاع در آن لحاظ شده باشد، از ترکیب روش غیر خطی N2 و نسخه تعمیم داده شده آن برای اثرات مدهای بالاتر )روش متمم N2 (، با ارائه تغییرات لازم برای ساختمانهای مصالح بنایی، استفاده شده است. در مرحله نخست کارآیی نرم افزار TREMURI در شبیه سازی رفتار غیر خطی دینامیکی ساختمان های منظم و نامنظم مصالح بنایی تقویت نشده، از طریق مقایسه نتایج عددی با پاسخ های لرزه ای منتج از آزمایشات میز لرزه، مورد بررسی و تایید قرار گرفت. سپس دقت روش متمم N2 برای استفاده در تحلیل پوش اورِ ساختمان های مصالح بنایی راستی آزمایی و تایید شد. این راستی آزمایی در قالب انجام یک مطالعه موردی و با اِعمال این روش بر روی سه نمونه از ساختمان های مصالح بنایی موجود و انجام تحلیل های متعدد غیر خطی دینامیکی انجام شد. با تمرکز بر روی تیپ های غالب مدارس مصالح بنایی موجود در استان یزد، ایران، قسمت دوم این پایان نامه به توسعه روشی تحلیلی برای ارزیابی شکنندگی لرزه ای و نیز پیشنهاد روشی تجربی به منظور راستی آزمایی روش تحلیلی می پردازد. در اُسلوب تجربی پیشنهاد شده، یک روش ارزیابی کیفی آسیب پذیری لرزه ای توسعه داده شده در ایران، با دو روش دیگر موجود به نام های GNDT II level و Macroseismic ترکیب گردید و سپس نتایج بدست آمده نسبت به توابع شکنندگی منتج از مشاهدات بعد از زلزله در ایران، راستی آزمایی و دقت آنها تایید شد. در روش تحلیلی، از اصول کلی به کار رفته در دو روش HAZUS و FaMIVE استفاده شد تا منحنی های شکنندگی با لحاظ کردن عدم قطعیت در عوامل تاثیر گذار بر رفتار لرزه ای سازه، به دست آیند. در نهایت مقایسه ای بین دو روش توسعه داده شده انجام شد؛ که در نتیجه ی آن، روش تحلیلی راستی آزمایی و دقت آن تایید گردید و روابط حاصل از روش تجربی هم کالیبره شدند )راستی آزمایی متقابل(. بر پایه مطالعات انجام شده در رساله ی حاضر، مدارس مصالح بنایی موجود در ایران با رفتار جعبه ای، مورد ارزیابی شکنندگی لرزه ای به دو روش تجربی و تحلیلی قرار گرفتند. نتایج این رساله برای ارزیابی آسیب پذیری لرزه ای ساختمان های مصالح بنایی نسل جدید که رفتار جعبه ای در هنگام وقوع زلزله دارند، و یا ساختمان های قدیمی مصالح بنایی و تاریخی که به طور موثری تقویت شده باشند، قابل استفاده هستند. علاوه بر این، از نتایج مطالعه حاضر می توان برای ارزیابی تحلیلی شکنندگی لرزه ای ساختمان های مصالح بنایی نامنظم )در پلان و در ارتفاع( نیز استفاده کرد