A direct performance based seismic design method for irregular structures : applications to concrete structures

Abstract

El diseño de estructuras para satisfacer niveles prestacionales, o de desempeño específico ha ganado interés en la ingeniería sismo resistente. Actualmente, existen varias metodologías de diseño sísmico basadas en prestaciones, en las cuales se intenta tener en cuenta el comportamiento no-lineal en las fases de diseño, controlando el nivel de daño y la demanda de resistencia a rotaciones concretas. Sin embargo, la mayoría de los métodos tienen procesos iterativos, que dependen, en algunos casos, de la experiencia del proyectista. Por otro lado, muchos están basados en el concepto de sistemas equivalentes de un grado de libertad, el cual es adecuado sólo para estructuras con esquema regular. En esta tesis se desarrolla un método de diseño sísmico basado en prestaciones (o desempeño) para estructuras irregulares con control de daño. Este método se basa en la superposición de dos análisis espectrales elásticos, lo que hace que sea directo (no iterativo). Un punto fuerte del método es poder seleccionar los daños locales intencionalmente a través de rótulas plásticas, en el cuál el daño es permitido y el mecanismo deseado es asegurado. Se define un parámetro (α) para controlar la intensidad del daño en las rótulas plásticas y los daños no estructurales a través de desplazamientos y derivas de piso. Este coeficiente sirve, a la vez, para combinar las soluciones elásticas mediante superposición. De esta forma, se consigue estimar la variación de la respuesta no-lineal en función de dichos parámetros. Así, el valor adecuado de α para una prestación objetivo puede relacionarse fácilmente. Se desarrolla una serie de ejemplos y casos de estudios de diversos sistemas 2D y 3D sobre estructuras irregulares en planta y altura. Además, el efecto de los modos altos de vibración se hace evidente en el proceso de diseño. El método es validado a través de análisis no-lineales en el tiempo (time-history) y mediante modelos no-lineal estático (Pushover). Los resultados presentados son considerados como buena aproximación en la predicción de daños locales y demanda de ductilidades en las fases de diseño. Por otro lado, el método también fue utilizado como método de evaluación para un ejemplo numérico y un experimento pseudo-dinámico en un prototipo a escala real. En estos casos, se evidenció que, las actuales provisiones normativas para conseguir el criterio de capacidad de la columna fuerte–viga débil pueden no ser adecuadas o suficientes. El método propuesto permite estimar el coeficiente de sobre-resistencia a aplicar a las columnas de una forma más óptima, el cual puede ser diferente para diferentes pisos

Designing structures to achieve a specified performance state has gained importance on seismic design practice. Currently, several methodologies have been proposed in order to take into account for inelastic behaviour of the structure in design phases. In that sense, a performance limit state can be provided that controls damage and strength demand. However, most of these methods involve iterative process that depends, in some cases, on the experience of the designer. Otherwise, many are based on the concept of equivalent single degree of freedom system, which is, only adequate for regular structures. In this Thesis, a direct performance based seismic design methodology for irregular structure with damage control is proposed. This method is based on the superposition of two elastic spectral analyses. One strength of the method is the selection of the local distribution damage regions (by mean of plastic hinges), intentionally chosen by designer. The distribution of hinges defines the zones where damage is allowed and the desired failure mechanism in the design. A damage parameter (α) is defined to control the damage intensity in the plastic hinges and the non-structural damage through allowable displacement or drifts. This coefficient is also used for the superposition of the two elastic solutions. In this way. It is possible to estimate the evolution of the non-linear response as this parameter varies, the adequate value ofα for target performance can be easily selected. A series of case studies examples are developed on 2D and 3D irregular systems, both in plan and height. Moreover, the effects of higher modes of vibrations is highlighted on the design process, making possible to account for them in the final design. The method is validated through non-linear analyses, by means of incremental static analysis (pushover) and step-by-step time-history analysis. The results presented show good accuracy when predicting local damage, ductility and strength demand in design phases. Moreover, the methodology was used as an assessment method as well, applied to a numerical example and a pseudo-dynamic test on a full-scale prototype. It was demonstrated, in both cases, the importance of the effect of higher vibration modes. In these cases, it was evidenced that, the current provisions to achieve the “strong column–weak beam” capacity criterion may not be adequate in a general basis. The proposed method allows a more general way to obtain the overstrength factor for columns, which may be different in different stories.