Modeling, dynamic identification, and nonlinear assessment of civil structures from recorded earthquakes and ambient vibrations

Abstract

America’s infrastructure was constructed mainly during the mid-20th century. Its aging effects are increasing every year, creating a dilemma in which the United States is not alone. Moreover, the great majority of buildings and bridges are seismically non-compliant with current building codes and many have been in place far beyond their design lives. This issues acquire special relevance in countries that are located in seismically prone regions and that historically have suffered the onslaught of strong seismic events. In large urban areas the problem is particularly acute because space is scarce and growing populations stress city support systems. Puerto Rico, as many other countries and cities in the United States, is geographically located in a highly active seismic region. The island has suffered and documented the onslaught of four destructive events of 7.5M and greater. Moreover, since 2014 more than 3,000 tremors are registered per year by the Puerto Rico Seismic Network. This study aims to assess two aged structural systems which are representative of two of the main infrastructure systems in the island. A 2-span reinforced concrete highway bridge located in Ponce, PR and a high-rise reinforced concrete residential building in San Juan, PR are evaluated by implementing state-of-the-art practices on dynamic identification to recorded earthquakes and ambient vibrations. Analytical and computational models are generated for each structure and updated from time and frequency domain methods. Analytical and experimental Frequency Response Functions are generated to better understand the expected behavior of both structural systems in the linear-elastic regime when subjected to minor intensity seismic events. Furthermore, unrecorded seismic events were successfully identified by output-only recorded data and updated Frequency Response Functions. A proposed method is implemented to identify structural dynamic properties with increased fidelity where there is no input excitation recording. In addition, a simplified approach for modeling complex structural systems is presented and effectively implemented in computational nonlinear analyses. A set of seven probable earthquakes for each city are modified to meet current building code requirements and are used in nonlinear analyses of both structures as input ground motions. It was found that the bridge behaved predominantly linear-elastic with spontaneous events of minor nonlinearities. A pushover capacity curve was generated to confirm if the bridge behaved beyond its elastic range when subjected to the probable earthquakes in the nonlinear analyses. The results for the building shows that it suffered excessive permanent deformations for two of the probable earthquakes and collapsed for the other five probable earthquakes used as input ground motions.

La infraestructura de América fue construida principalmente durante mediados del siglo XX. Sus efectos de envejecimiento aumentan cada año, creando un dilema en el que los Estados Unidos no están solos. Además, la gran mayoría de los edificios y puentes no están conforme a las provisiones sísmicas de los códigos de edificación vigentes y muchos han excedido su vida de diseño. Este asunto adquiere especial relevancia en países que están ubicados en regiones propensas a terremotos y que históricamente han sufrido el embate de eventos sísmicos fuertes. En las grandes áreas urbanas, el problema es particularmente grave porque el espacio es escaso y la creciente población suprime los sistemas de apoyo a la ciudad. Puerto Rico, como muchos otros países y ciudades en los Estados Unidos, esta geográficamente localizado en una región sísmica altamente activa. La Isla ha sufrido y documentado el embate de cuatro eventos destructivos de magnitud igual y mayor a 7.5M. Además, desde el año 2014 mas de 3,000 temblores son registrados anualmente por la Red Sísmica de Puerto Rico. Este estudio tiene como objetivo evaluar dos sistemas estructurales envejecientes, los cuales son representativos de dos de los sistemas de infraestructura principales en la Isla. Un puente de autopista de dos tramos de hormigón reforzado localizado en Ponce, PR y un edificio residencial de gran altura de hormigón reforzado localizado en San Juan, PR son evaluados implementando prácticas del estado-del-arte sobre identificación dinámica a terremotos registrados y vibraciones ambientales. Modelos analíticos y computacionales son generados para cada estructura y calibrados mediante métodos en los dominios del tiempo y la frecuencia. Funciones de Respuesta en Frecuencia analíticas y experimentales son generadas para entender mejor el comportamiento esperado de ambos sistemas en el rango elástico-lineal cuando sea sometido a eventos sísmicos de baja intensidad. Además, se logró identificar exitosamente eventos sísmicos que no fueron registrados, mediante datos registrados de respuesta y Funciones de Respuesta en Frecuencia calibradas. Se implementa un método propuesto para identificar con mayor fidelidad las propiedades dinámicas de la estructura cuando no se hayan registrado excitaciones de entrada. En adición, un enfoque simplificado para modelar sistemas estructurales complejos es presentado e implementado efectivamente en los análisis computacionales no lineales. Un conjunto de siete terremotos probables para cada ciudad es modificado para cumplir los requerimientos actuales del código de edificación y son utilizados en los análisis no lineales como excitación de entrada en el suelo. Se obtuvo que el puente se comportó predominantemente en el rango elástico-lineal con eventos espontáneos de inelasticidades leves. Una curva de capacidad de empuje lateral se generó para confirmar si el puente se comportó más allá de su rango elástico al ser sometido a los terremotos probables en los análisis no lineales. Los resultados para el edificio mostraron que éste sufrió de excesivas deformaciones permanentes para dos de los terremotos probables y colapsó para los otros cinco terremotos que se utilizaron como excitaciones de entrada en el suelo.