Nonlinear modeling considerations on the seismic response of base-isolated buildings : 2D and 3D investigations of poundings

Abstract

Η σεισμική μόνωση αποτελεί μια καινοτόμο μέθοδο αντισεισμικής προστασίας, μέσω της οποίας επιτυγχάνεται η μείωση των ζημιών τόσο στη φέρουσα κατασκευή όσο και στα μη-φέροντα στοιχεία, με την εισαγωγή οριζόντιας ευκαμψίας, συνήθως στη βάση της κατασκευής. Με τον τρόπο αυτό, αποφεύγονται φαινόμενα συντονισμού και περιορίζονται τα σεισμικά φορτία, οι επιταχύνσεις και οι σχετικές παραμορφώσεις της ανωδομής. Ωστόσο, οι μεγάλες σχετικές μετακινήσεις που αναμένονται στο επίπεδο της σεισμικής μόνωσης, κατά τη διάρκεια ισχυρών σεισμικών διεγέρσεων, μπορεί να οδηγήσουν σε συγκρούσεις με τον περιμετρικό τοίχο ή/και με γειτονικές κατασκευές. Η παρούσα εργασία εξετάζει διεξοδικά την επίδραση φαινομένων συγκρούσεων στην μέγιστη σεισμική απόκριση σεισμικά μονωμένων κτιρίων, αρχικά στο επίπεδο, και στη συνέχεια στο χώρο. Στις πραγματοποιθείσες αναλύσεις, η ανωδομή της κατασκευής προσομοιώνεται ως γραμμικό ελαστικό πολυβάθμιο σύστημα με συμπεριφορά διατμητικού προβόλου, ενώ για την προσομοίωση της συμπεριφοράς του συστήματος σεισμικής μόνωσης, η οποία αποτελείται από ελαστομερικά συστήματα με πυρήνα μολύβδου, χρησιμοποιούνται μη γραμμικά ανελαστικά μοντέλα. Συγκεκριμένα, η επιρροή της εφαρμογής διαφορετικών ανελαστικών μοντέλων για την προσομοίωση της συμπεριφοράς των μονωτήρων μελετάται αρχικά, ώστε να εξεταστεί πως οι εν λόγω παραδοχές επηρεάζουν τον υπολογισμό της μέγιστης απόκρισης του κτιρίου. Με τη διενέργεια παραμετρικών αναλύσεων, ποσοτικοποιείται μεταξύ άλλων η επίδραση των χαρακτηριστικών του συστήματος μόνωσης και της κατασκευής όταν χρησιμοποιείται το διγραμμικό μοντέλο, αντί το ακριβέστερο μη γραμμικό μοντέλο Bouc-Wen. Σε σχέση με τη μοντελοποίηση δομικών συγκρούσεων σε 2-διαστάσεις, εφαρμόζονται μέθοδοι ποινής, μέσω των οποίων υπολογίζονται οι δυνάμεις κρούσεις που ασκούνται στις κατασκευές. Η επιρροή της επιλογής από τις διάφορες παραλλαγές τέτοιων μοντέλων κρούσης που προτείνονται και χρησιμοποιούνται στην επιστημονική βιβλιογραφία, στη μέγιστη απόκριση συνεπεία δομικών συγκρούσεων εξετάζεται παραμετρικά. Ειδικότερα, λαμβάνοντας υπόψη συγκρούσεις σεισμικά μονωμένων κτιρίων στη βάση υπό ισχυρές σεισμικές διεγέρσεις κοντινού πεδίου, διερευνάται σε κάθε περίπτωση η επιρροή της χρήσης διαφορετικών μοντέλων κρούσης, μεταβάλλοντας παραμέτρους μεταξύ των οποίων περιλαμβάνεται το πλάτος του διαθέσιμου διάκενου, τα χαρακτηριστικά των σεισμικών μονωτήρων και οι παράμετροι κρούσης. Στη συνέχεια, εφαρμόζεται μια νέα μεθοδολογία που επιτρέπει τη χωρική μελέτη του φαινομένου κρούσης, σε 3-διαστάσεις, λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι δεν είναι εκ των προτέρων γνωστή η θέση των σημείων επαφής και η γεωμετρία στην περιοχή της κρούσης. Διενεργούνται μη-γραμμικές αναλύσεις χρονοϊστορίας σεισμικά μονωμένων κτιρίων που συγκρούονται είτε με τον περιμετρικό τοίχο στη βάση τους είτε και με γειτονικά πολυώροφα κτίρια, ώστε να επισημανθούν οι συνθήκες κατά τις οποίες δυνατό να παρατηρηθούν φαινόμενα συγκρούσεων και να μελετηθούν οι παράμετροι που επηρεάζουν τα μέγιστα μεγέθη απόκρισης. Μεταξύ των παραμέτρων που εξετάζονται, περιλαμβάνεται και η γωνία καταγραφής των δύο οριζοντίων συνιστωσών της διέγερσης. Ως εκ τούτου, διενεργείται ένας μεγάλος αριθμός παραμετρικών αναλύσεων δομικών μοντέλων χρησιμοποιώντας ζεύγη οριζόντων συνιστωσών ισχυρών σεισμικών διεγέρσεων. Οι άξονες καταγραφής της διέγερσης στρέφονται ως προς τους άξονες αναφοράς του κτιρίου από 0 έως 360. Επίσης, μελετάται εκτενώς η επιρροή παραμέτρων, όπως το διαθέσιμο διάκενου μεταξύ του σεισμικά μονωμένου κτιρίου και των γειτονικών κατασκευών, της γεωμετρικής χωροθέτησης των κατασκευών καθώς και τυχηματικής εκκεντρότητας μάζας. Οι διενεργηθείσες αναλύσεις καταδεικνύουν ότι η μέγιστη σεισμική απόκριση των κατασκευών επηρεάζεται σημαντικά από τη διεύθυνση της διέγερσης. Συνεπώς, η μελέτη της σεισμικής συμπεριφοράς τους θα έπρεπε να μελετάται υπό διαξονική διέγερση που επιβάλλεται σε διάφορες διευθύνσεις. Γενικά, η παραμετρική διερεύνηση καταδεικνύει ότι οι επιπτώσεις των συγκρούσεων είναι πιο κρίσιμες για κατασκευές με τυχηματικές εκκεντρότητες μάζας, ενώ σε τέτοιες περιπτώσεις ο προσδιορισμός της κρίσιμης διεύθυνσης της σεισμικής διέγερσης, καθίσταται πιο σύνθετος.

Base isolation has proven as an effective design strategy in minimizing structural and non-structural damage under strong ground motions, by introducing flexibility usually at the base of the structure, in order to avoid resonance and reduce excessive seismic loads, accelerations and deformations of the superstructure. However, large relative displacements expected at the isolation level during strong earthquake excitations may lead to structural collisions with the surrounding moat wall and/or adjacent buildings. This research work investigates the consequences of potential pounding incidences on the peak seismic response of base-isolated buildings, initially in two-dimensions and, subsequently, in three-dimensions. In the conducted analyses, the superstructures are simulated as linear elastic multi-degree of freedom systems with shear-type behavior, while nonlinear modeling is used for the behavior of the seismic isolation system, which consists of lead-rubber bearings. Specifically, the effect of using different nonlinear models for the lead-rubber bearings on the overall peak structural response under unobstructed conditions is initially examined, as that might influence the pounding analysis. Through relevant parametric studies, the influence of the characteristics of the structure and the isolators, and the characteristics of the imposed earthquake excitations on the responses of interest, using either the bilinear inelastic model or the more accurate Bouc-Wen model, are comparatively assessed. Regarding the modeling of structural impacts in two-dimensions, penalty methods are employed to assess the impact forces that should be applied on the colliding structures. Various impact models have been proposed and used in the scientific literature and, thus, the effect of using each of those impact models on the overall peak response during collisions is examined. In particular, considering collisions of base-isolated buildings against the surrounding moat wall, the effects of impact modeling characteristics under different values of gap sizes and isolator’s characteristics, as well as different impact parameters, subjected to multiple near-fault excitations are assessed. Subsequently, a computational methodology that enables the spatial investigation of collisions, while considering the arbitrary location of contact points and the geometry at the vicinity of impact, is utilized in order to study structural impact in three-dimensions. Nonlinear time-history analyses of base-isolated buildings pounding either with the moat wall or with adjacent fixed-supported buildings are carried out, to investigate the circumstances under which spatial pounding may occur and assess the effect of some important parameters on the corresponding peak structural response. Such parameters include the arbitrary direction of the ground motion with respect to the principal construction axes of the simulated structures. Therefore, a large number of parametric studies is performed on the structural models using selected pairs of recorded horizontal ground-motion orthogonal components. Records are rotated to various horizontal angles of incidence with respect to the building’s structural axes in the range of 0 to 360 degrees. The influence of other parameters, such as the separation distance between the building and the adjacent structures, the geometrical arrangements of the structures, and accidental mass eccentricity at the superstructure, are also studied. The conducted parametric analyses indicate that the peak seismic response is significantly influenced by the directionality of the ground motion. Therefore, the seismic performance of structures should ideally be assessed examining the peak structural response, while bidirectional ground motions are imposed at various incident angles. Finally, the parametric analyses indicate that the effects of impact are more severe for structures with mass eccentricities, in which case the estimation of the critical incidence angle becomes more laborious.