Quantitative estimation of seismic response of various structural systems at the collapse limit state is one of the most significant objectives in Performance-Based Earthquake Engineering (PBEE). Assessing the effects of uncertainties, due to variability in ground motion characteristics and random nature of earthquakes, on nonlinear structural response is a pivotal issue regarding collapse safety prediction. Incremental Dynamic Analysis (IDA) and fragility curves are utilized to estimate demand parameters and seismic performance levels of structures. Since producing these curves based on a large number of nonlinear dynamic analyses would be time-consuming, selection of appropriate earthquake ground motion records resulting in reliable responses with sufficient accuracy seems to be quite essential. The aim of this research study is to propose a methodology to assess the seismic behavior of reinforced concrete frames at collapse limit state via accurate estimation of seismic fragility curves for different Engineering Demand Parameters (EDPs) by using a limited number of ground motion records. Research results demonstrate that accurate estimating of structural collapse capacity is feasible through applying the proposed method offering an appropriate suite of limited ground motion records.
In this paper, probabilistic seismic performance assessment of a typical non-seismic RC frame building representative of a large inventory of existing buildings in developing countries is conducted. Nonlinear time-history analyses of the sample building are performed with 20 large-magnitude medium distance ground motions scaled to different levels of intensity represented by peak ground acceleration and 5% damped elastic spectral acceleration at the first mode period of the building. The hysteretic model used in the analyses accommodates stiffness degradation, ductility-based strength decay, hysteretic energy-based strength decay and pinching due to gap opening and closing. The maximum inter story drift ratios obtained from the time-history analyses are plotted against the ground motion intensities. A method is defined for obtaining the yielding and collapse capacity of the analyzed structure using these curves. The fragility curves for yielding and collapse damage levels are developed by statistically interpreting the results of the time-history analyses. Hazard-survival curves are generated by changing the horizontal axis of the fragility curves from ground motion intensities to their annual probability of exceedance using the log-log linear ground motion hazard model. The results express at a glance the probabilities of yielding and collapse against various levels of ground motion intensities.
The seismic events in Northern Italy, May 2012, have revealed the seismic vulnerability of typical Italian precast industrial buildings. The aim of this paper is to present a seismic fragility model for Italian RC precast buildings, to be used in earthquake loss estimation and seismic risk assessment by comparing two building typologies and three different codes: D.M. 3-03-1975, D.M. 16-01-1996 and current Italian building code that has been released in 2008. Based on geometric characteristics and design procedure applied, ten different building classes were identified. A Monte Carlo simulation was performed for each building class in order to generate the building stock used for the development of fragility curves trough analytical method. The probabilistic distributions of geometry were mainly obtained from data collected from 650 field surveys, while the material properties were deduced from the code in place at the time of construction or from expert opinion. The structures were modelled in 2D frameworks; since the past seismic events have identified the beam-column connection as the weakest element of precast buildings, two different modelling solutions were adopted to develop fragility curves: a simple model with post processing required to detect connection collapse and an innovative modelling solution able to reproduce the real behaviour of the connection during the analysis. Fragility curves were derived using both nonlinear static and dynamic analysis.
This article presents a comparative analysis of seismic behavior in steel-beam reinforced concrete column (RCS) frames versus steel and reinforced concrete frames. The study evaluates the seismic response and collapse behavior of RCS frames of varying heights through nonlinear modeling. RCS, steel, and reinforced concrete special moment frames are considered in three height categories: 5, 10, and 20 stories. Two-dimensional frames are extracted from the three-dimensional structures, and nonlinear static analyses are conducted in the OpenSEES software to evaluate seismic response in post-yield regions. Incremental dynamic analysis is then performed on models, and collapse conditions are compared using fragility curves. Research findings indicate that the seismic intensity index in steel frames is 1.35 times greater than in RCS frames and 1.14 times greater than in reinforced concrete frames. As the number of stories increases, RCS frames exhibit more favorable collapse behavior compared to reinforced concrete frames. RCS frames demonstrate stable behavior and maintain capacity at high displacement levels, with uniform drift curves and lower damage levels compared to steel and reinforced concrete frames. Steel frames show superior strength and ductility, particularly in taller structures. RCS frames outperform reinforced concrete frames, displaying improved collapse behavior and higher capacity. Incremental Dynamic Analysis results confirm satisfactory collapse capacity for RCS frames. Steel frames collapse at higher intensity levels but perform better overall. RCS frames have a higher collapse capacity than reinforced concrete frames. Fragility curves show a lower likelihood of collapse for steel structures, while RCS frames perform better with an increase in the number of stories.
This paper investigates the seismic performance of buildings designed using DDBD (Direct Displacement based Design) and FBD (Force based Design) approaches from the probabilistic viewpoint. It aims to estimate the collapse capacity of structures and assess the adequacy of seismic design codes. In this regard, (i) IDA (Incremental Dynamic Analysis) curves, (ii) interstory drift demand distribution curves, (iii) fragility curves, and (iv) the methodology provided by FEMA P-695 are applied to examine two groups of RC moment resistant frame buildings: 8-story structures with different plans, to study the effect of different span arrangements; and 3-, 7- and 12-story structures with a fixed plan, to study the dynamic behavior of the buildings. Structural modeling is performed in OpenSees software and validated using the results of an experimental model. It is concluded that increasing the building height would not significantly affect the response estimation of IDA and fragility curves of DDBD-designed structures, while the change in span arrangements is effective in estimating responses. In the investigation of the code adequacy, unlike the FBD approach, the DDBD can satisfy the performance criteria presented in FEMA P-695 and hence provide excellent performance.
This paper focuses on providing a practical approach for decision making in Performance-Based Design (PBD). Satisfactory performance is defined by several performance objectives that place limits on direct (monetary) loss and on a tolerable probability of collapse. No specific limits are placed on conventional engineering parameters such as forces or deformations, although it is assumed that sound capacity design principles are followed in the design process. The proposed design procedure incorporates different performance objectives up front, before the structural system is created, and assists engineers in making informed decisions on the choice of an effective structural system and its stiffness (period), base shear strength, and other important global structural parameters. The tools needed to implement this design process are (1) hazard curves for a specific ground motion intensity measure, (2) mean loss curves for structural and nonstructural subsystems, (3) structural response curves that relate, for different structural systems, a ground motion intensity measure to the engineering demand parameter (e.g., interstory drift or floor acceleration) on which the subsystem loss depends, and (4) collapse fragility curves. Since the proposed procedure facilitates decision making in the conceptual design process, it is referred to as a Design Decision Support System, DDSS. Implementation of the DDSS is illustrated in an example to demonstrate its practicality.
An approach for collapse risk assessment is proposed to evaluate the vulnerability of electric cabinet in nuclear power plants. The lognormal approaches, namely maximum likelihood estimation and linear regression, are introduced to establish the fragility curves. These two fragility analyses are applied for the numerical models of cabinets considering various boundary conditions, which are expressed by representing restrained and anchored models at the base. The models have been built and verified using the system identification (SI) technique. The fundamental frequency of the electric cabinet is sensitive because of many attached devices. To bypass this complex problem, the average spectral acceleration $S_{\bar{a}}$ in the range of period that cover the first mode period is chosen as an intensity measure on the fragility function. The nonlinear time history analyses for cabinet are conducted using a suite of 40 ground motions. The obtained curves with different approaches are compared, and the variability of risk assessment is evaluated for restrained and anchored models. The fragility curves obtained for anchored model are found to be closer each other, compared to the fragility curves for restrained model. It is also found that the support boundary conditions played a significant role in acceleration response of cabinet.
Bridges are lifeline and integral components of transportation system that are susceptible to seismic actions, their vulnerability assessment is essential for seismic risk assessment and mitigation. The vulnerability assessment of bridges common in Pakistan is very important as it is seismically very active region and the available code for the seismic design of bridges is obsolete. This research presents seismic vulnerability assessment of three real case simply supported multi-span reinforced concrete bridges commonly found in northern Pakistan, having one, two and three bents with circular piers. The vulnerability assessment is carried through the non-linear dynamic time history analyses for the derivation of fragility curves. Finite element based numerical models of the bridges were developed in MIDAS CIVIL (2015) and analyzed through with non-linear dynamic and incremental dynamic analyses, using a suite of bridge-specific natural spectrum compatible ground motion records. Seismic responses of shear key, bearing pad, expansion joint and pier components of each bridges were recorded during analysis and retrieved for performance based analysis. Fragility curves were developed for the bearing pads, shear key, expansion joint and pier of the bridges that first reach ultimate limit state. Dynamic analysis and the derived fragility curves show that ultimate limit state of bearing pads, shear keys and expansion joints of the bridges exceed first, followed by the piers ultimate limit state for all the three bridges. Mean collapse capacities computed for all the components indicated that bearing pads, expansion joints, and shear keys exceed the ultimate limit state at lowest seismic intensities.
Fragility functions are determined for braced steel moment frames (SMFs) with plans such as square-, T-, L-, U-, trapezoidal-, and semicircular-shaped, subjected to blast. The frames are designed for gravity and seismic loads, but not necessarily for the blast loads. The blast load is computed for a wide range of scenarios involving different parameters, viz. charge weight, standoff distance, and blast location relative to plan of the structure followed by nonlinear dynamic analysis of the frames. The members failing in rotation lead to partial collapse due to plastic mechanism formation. The probabilities of partial collapse of the SMFs, with and without bracing system, due to the blast loading are computed to plot fragility curves. The charge weight and standoff distance are taken as Gaussian random input variables. The extent of propagation of the uncertainties in the input parameters onto the response quantities and fragility of the SMFs is assessed by computing Sobol sensitivity indices. The probabilistic analysis is conducted using Monte Carlo simulations. The frames have least failure probability for blasts occurring in front of their corners or convex face. Further, the unbraced frames are observed to have higher fragility as compared to counterpart braced frames for far-off detonations.
Farsangi, E. Noroozinejad;Yang, T.Y.;Tasnimi, A.A.
Structural Engineering and Mechanics
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제59권4호
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pp.653-669
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2016
Recent earthquakes worldwide show that a significant portion of the earthquake shaking happens in the vertical direction. This phenomenon has raised significant interests to consider the vertical ground motion during the seismic design and assessment of the structures. Strong vertical ground motions can alter the axial forces in the columns, which might affect the shear capacity of reinforced concrete (RC) members. This is particularly important for non-ductile RC frames, which are very vulnerable to earthquake-induced collapse. This paper presents the detailed nonlinear dynamic analysis to quantify the collapse risk of non-ductile RC frame structures with varying heights. An array of non-ductile RC frame architype buildings located in Los Angeles, California were designed according to the 1967 uniform building code. The seismic responses of the architype buildings subjected to concurrent horizontal and vertical ground motions were analyzed. A comprehensive array of ground motions was selected from the PEER NGA-WEST2 and Iran Strong Motions Network database. Detailed nonlinear dynamic analyses were performed to quantify the collapse fragility curves and collapse margin ratios (CMRs) of the architype buildings. The results show that the vertical ground motions have significant impact on both the local and global responses of non-ductile RC moment frames. Hence, it is crucial to include the combined vertical and horizontal shaking during the seismic design and assessment of non-ductile RC moment frames.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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