Improved ground motion intensity measures for reliability-based demand analysis of structures

In Performance-Based Earthquake Engineering (PBEE), evaluating the seismic performance (or seismic risk) of a structure at a designed site has gained major attention, especially in the past decade. One of the objectives in PBEE is to quantify the seismic reliability of a structure (due to the future random earthquakes) at a site. For that purpose, Probabilistic Seismic Demand Analysis (PSDA) is utilized as a tool to estimate the Mean Annual Frequency (MAF) of exceeding a specified value of a structural Engineering Demand Parameter (EDP). This dissertation focuses mainly on applying an average of a certain number of spectral acceleration ordinates in a certain interval of periods, Sa,avg (T1,…,Tn), as scalar ground motion Intensity Measure (IM) when assessing the seismic performance of inelastic structures. Since the interval of periods where computing Sa,avg is related to the more or less influence of higher vibration modes on the inelastic response, it is appropriate to speak about improved IMs. The results using these improved IMs are compared with a conventional elastic-based scalar IMs (e.g., pseudo spectral acceleration, Sa ( T(¹)), or peak ground acceleration, PGA) and the advanced inelastic-based scalar IM (i.e., inelastic spectral displacement, Sdi). The advantages of applying improved IMs are: (i ) "computability" of the seismic hazard according to traditional Probabilistic Seismic Hazard Analysis (PSHA), because ground motion prediction models are already available for Sa (Ti), and hence it is possibile to employ existing models to assess hazard in terms of Sa,avg, and (ii ) "efficiency" or smaller variability of structural response, which was minimized to assess the optimal range to compute Sa,avg. More work is needed to assess also "sufficiency" and "scaling robustness" desirable properties, which are disregarded in this dissertation. However, for ordinary records (i.e., with no pulse like effects), using the improved IMs is found to be more accurate than using the elastic- and inelastic-based IMs. For structural demands that are dominated by the first mode of vibration, using Sa,avg can be negligible relative to the conventionally-used Sa (T(¹)) and the advanced Sdi. For structural demands with sign.cant higher-mode contribution, an improved scalar IM that incorporates higher modes needs to be utilized. In order to fully understand the influence of the IM on the seismis risk, a simplified closed-form expression for the probability of exceeding a limit state capacity was chosen as a reliability measure under seismic excitations and implemented for Reinforced Concrete (RC) frame structures. This closed-form expression is partuclarly useful for seismic assessment and design of structures, taking into account the uncertainty in the generic variables, structural "demand" and "capacity" as well as the uncertainty in seismic excitations. The assumed framework employs nonlinear Incremental Dynamic Analysis (IDA) procedures in order to estimate variability in the response of the structure (demand) to seismic excitations, conditioned to IM. The estimation of the seismic risk using the simplified closed-form expression is affected by IM, because the final seismic risk is not constant, but with the same order of magnitude. Possible reasons concern the non-linear model assumed, or the insufficiency of the selected IM. Since it is impossibile to state what is the "real" probability of exceeding a limit state looking the total risk, the only way is represented by the optimization of the desirable properties of an IM.

Strutture a pareti portanti in C. A. caratterizzate da elevate prestazioni sismiche

Per quanto riguarda le costruzioni in conglomerato cementizio armato gettato in opera, i sistemi strutturali più comunemente utilizzati sono quelli a telaio (con trasmissione di momento flettente), a setti portanti o una combinazione di entrambi. A partire dagli anni ’60, numerosissimi sono stati gli studi relativamente al comportamento sismico di strutture in c.a. a telaio. Lo stesso si può affermare per le costruzioni costituite da pareti miste a telai. In particolare, l’argomento della progettazione sismica di tali tipologie di edifici ha sempre riguardato soprattutto gli edifici alti nei quali, evidentemente, l’impiego delle pareti avveniva allo scopo di limitarne la elevata deformabilità. Il comportamento sismico di strutture realizzate interamente a pareti portanti in c.a. è stato meno studiato negli anni, nonostante si sia osservato che edifici realizzati mediante tali sistemi strutturali abbiano mostrato, in generale, pregevoli risorse di resistenza nei confronti di terremoti anche di elevata intensità. Negli ultimi 10 anni, l’ingegneria sismica si sta incentrando sull’approfondimento delle risorse di tipologie costruttive di cui si è sempre fatto largo uso in passato (tipicamente nei paesi dell’Europa continentale, in America latina, negli USA e anche in Italia), ma delle quali mancavano adeguate conoscenze scientifiche relativamente al loro comportamento in zona sismica. Tali tipologie riguardano sostanzialmente sistemi strutturali interamente costituiti da pareti portanti in c.a. per edifici di modesta altezza, usualmente utilizzati in un’edilizia caratterizzata da ridotti costi di realizzazione (fabbricati per abitazioni civili e/o uffici). Obiettivo “generale” del lavoro di ricerca qui presentato è lo studio del comportamento sismico di strutture realizzate interamente a setti portanti in c.a. e di modesta altezza (edilizia caratterizzata da ridotti costi di realizzazione). In particolare, le pareti che si intendono qui studiare sono caratterizzate da basse percentuali geometriche di armatura e sono realizzate secondo la tecnologia del cassero a perdere. A conoscenza dello scrivente, non sono mai stati realizzati, fino ad oggi, studi sperimentali ed analitici allo scopo di determinare il comportamento sismico di tali sistemi strutturali, mentre è ben noto il loro comportamento statico. In dettaglio, questo lavoro di ricerca ha il duplice scopo di: • ottenere un sistema strutturale caratterizzato da elevate prestazioni sismiche; • mettere a punto strumenti applicativi (congruenti e compatibili con le vigenti normative e dunque immediatamente utilizzabili dai progettisti) per la progettazione sismica dei pannelli portanti in c.a. oggetto del presente studio. Al fine di studiare il comportamento sismico e di individuare gli strumenti pratici per la progettazione, la ricerca è stata organizzata come segue: • identificazione delle caratteristiche delle strutture studiate, mediante lo sviluppo/specializzazione di opportune formulazioni analitiche; • progettazione, supervisione, ed interpretazione di una estesa campagna di prove sperimentali eseguita su pareti portanti in c.a. in vera grandezza, al fine di verificarne l’efficace comportamento sotto carico ciclico; • sviluppo di semplici indicazioni (regole) progettuali relativamente alle strutture a pareti in c.a. studiate, al fine di ottenere le caratteristiche prestazionali desiderate. I risultati delle prove sperimentali hanno mostrato di essere in accordo con le previsioni analitiche, a conferma della validità degli strumenti di predizione del comportamento di tali pannelli. Le elevatissime prestazioni riscontrate sia in termini di resistenza che in termini di duttilità hanno evidenziato come le strutture studiate, così messe a punto, abbiano manifestato un comportamento sismico più che soddisfacente.