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On the use of RotD100 spectrally matched records as seismic input for bidirectional nonlinear response history analyses
Rivera Figueroa, Alan A.
Rivera Figueroa, Alan A.
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Abstract
Different methodologies for the generation of ground motion pairs compatible with a target RotD100 spectrum and their use as seismic input for bidirectional nonlinear response history analyses of civil structures are investigated. The methodologies studied include the traditional approach of separately matching of each horizontal component to the target RotD100, and a more recently proposed approach based on the simultaneous modification of both horizontal components to tightly match the target RotD100. Input sets were also generated using widely accepted amplitude-scaling approaches and are used as baseline for comparison of the results obtained from the spectral match strategies. Two types of structural systems were studied, idealized single-column pier bridges and multistory buildings comprised of space frames. The numerical models were developed in OpenSeesPy using a fiber-based approach that account for axial load – moment capacity interaction, second order (P-Delta) effects, and the strength and stiffness degradation due to increasing levels of lateral demand and low cycle fatigue.
The strong motion characteristics of the developed ground motion pairs were examined individually and their spectral amplitude variability as suites of input records. It was found that the ground motion pairs generated by simultaneously modifying both horizontal components, attained the closest match to the target RotD100, retained better the strong motion characteristics of the seed records and their horizontal components exhibited a spectral variability comparable to the observed in suites of amplitude-scaled records. Conversely, matching separately each horizontal component generated records disproportionated intensities as measured by the Arias Intensity and the RotD100 spectral amplitudes, which greatly surpassed the target spectrum.
The effect on seismic response was evaluated based on the predicted peak lateral drift and total rebar strain energy. The records generated by separate matching of the components caused unrealistic large inelastic demands when compared to the results expected from amplitude-scaled records. On the other hand, the sets generated by simultaneous modification of the horizontal components to directly match the target RotD100 imposed the mean peak drift and mean total energy demands closest to the imposed by the amplitude-scale sets, however, for some structures the mean peak drift demand was slightly but consistently below the expected from amplitude-scaled sets. This unconservative bias vanished when the same approach was implemented using 110% the target spectrum to comply with the ASCE7 minimum spectral amplitude requirement for spectrally matched records.
Finally, the effect of rotating the horizontal components was also studied. It was found that the directionality in the structural response is dominated by the azimuth dependency of the structure lateral load resisting system. Results obtained for individual records show that rotating the horizontal components at different angles generated maximum peak drifts 30% larger, in average, than the average peak drift from all rotations studied. However, the directionality effect is reduced when considering mean results from sets of 11 records, the expected demand from a set with motions at a fixed rotation was ±10% the expected demand when rotations were included. No correlation was found between the response directionality and the level of inelastic lateral demand, the methodology used to generate the seismic input or the directionality in the input record.
Se investigan diferentes metodologÃas para la generación de historiales de aceleración compatibles con un espectro RotD100 y su uso en análisis de historia de respuesta no lineal bidireccional de estructuras civiles. Las metodologÃas estudiadas incluyen el enfoque tradicional de hacer coincidir por separado cada componente horizontal con el RotD100 y un enfoque propuesto más recientemente basado en la modificación simultánea de ambos componentes horizontales para que coincidan estrechamente con el RotD100. Historiales de aceleración adicionales se generaron utilizando métodos escalamiento uniforme de la amplitud y se utilizan como referencia para la comparación de los resultados obtenidos a partir de las estrategias de compatibilidad espectral. Se estudiaron dos tipos de sistemas estructurales, puentes de pilares idealizados de una sola columna y edificios de varios pisos compuestos por marcos espaciales. Los modelos numéricos se desarrollaron en OpenSeesPy utilizando un enfoque basado en fibras que tiene en cuenta la interacción entre la carga axial y el momento flexor, los efectos de segundo orden (P-Delta) y la degradación de la resistencia y la rigidez debido a los niveles crecientes de demanda lateral y fatiga. Las caracterÃsticas de movimiento fuerte de los historiales de aceleración desarrollados se examinaron individualmente y su variabilidad de amplitud espectral como grupo. Se encontró que los registros generados modificando simultáneamente ambos componentes horizontales, lograron la coincidencia más cercana al RotD100, retuvieron mejor las caracterÃsticas de movimiento fuerte de los registros semilla y sus componentes horizontales exhibieron una variabilidad espectral comparable a la observada en grupos de registros escalados en amplitud. Por el contrario, los registros generados modificando por separado cada componente exhibieron intensidades desproporcionadas altas según medidas por la Intensidad de Arias y las amplitudes espectrales RotD100, que superaron con creces el espectro objetivo. El efecto en la respuesta sÃsmica se evaluó con base en la deriva lateral máxima y la energÃa de deformación total de las barras de refuerzo. Los registros generados por modificación independiente de sus componentes causaron grandes demandas inelásticas, poco realistas, en comparación con los resultados de los registros escalados en amplitud. Por otro lado, los sets generados por la modificación simultánea de los componentes horizontales impusieron la deriva pico promedio y las demandas de energÃa total media más cercanas a las impuestas por los sets escalados en amplitud, sin embargo, para algunas estructuras el pico medio la demanda de deriva fue leve pero consistentemente inferior a la esperada de los sets escalados en amplitud. Este sesgo no conservador desapareció cuando se implementó el mismo algoritmo, pero utilizando el 110 % del espectro objetivo para cumplir con el requisito de amplitud espectral mÃnima de ASCE7 para registros de este tipo.
Se investigan diferentes metodologÃas para la generación de historiales de aceleración compatibles con un espectro RotD100 y su uso en análisis de historia de respuesta no lineal bidireccional de estructuras civiles. Las metodologÃas estudiadas incluyen el enfoque tradicional de hacer coincidir por separado cada componente horizontal con el RotD100 y un enfoque propuesto más recientemente basado en la modificación simultánea de ambos componentes horizontales para que coincidan estrechamente con el RotD100. Historiales de aceleración adicionales se generaron utilizando métodos escalamiento uniforme de la amplitud y se utilizan como referencia para la comparación de los resultados obtenidos a partir de las estrategias de compatibilidad espectral. Se estudiaron dos tipos de sistemas estructurales, puentes de pilares idealizados de una sola columna y edificios de varios pisos compuestos por marcos espaciales. Los modelos numéricos se desarrollaron en OpenSeesPy utilizando un enfoque basado en fibras que tiene en cuenta la interacción entre la carga axial y el momento flexor, los efectos de segundo orden (P-Delta) y la degradación de la resistencia y la rigidez debido a los niveles crecientes de demanda lateral y fatiga. Las caracterÃsticas de movimiento fuerte de los historiales de aceleración desarrollados se examinaron individualmente y su variabilidad de amplitud espectral como grupo. Se encontró que los registros generados modificando simultáneamente ambos componentes horizontales, lograron la coincidencia más cercana al RotD100, retuvieron mejor las caracterÃsticas de movimiento fuerte de los registros semilla y sus componentes horizontales exhibieron una variabilidad espectral comparable a la observada en grupos de registros escalados en amplitud. Por el contrario, los registros generados modificando por separado cada componente exhibieron intensidades desproporcionadas altas según medidas por la Intensidad de Arias y las amplitudes espectrales RotD100, que superaron con creces el espectro objetivo. El efecto en la respuesta sÃsmica se evaluó con base en la deriva lateral máxima y la energÃa de deformación total de las barras de refuerzo. Los registros generados por modificación independiente de sus componentes causaron grandes demandas inelásticas, poco realistas, en comparación con los resultados de los registros escalados en amplitud. Por otro lado, los sets generados por la modificación simultánea de los componentes horizontales impusieron la deriva pico promedio y las demandas de energÃa total media más cercanas a las impuestas por los sets escalados en amplitud, sin embargo, para algunas estructuras el pico medio la demanda de deriva fue leve pero consistentemente inferior a la esperada de los sets escalados en amplitud. Este sesgo no conservador desapareció cuando se implementó el mismo algoritmo, pero utilizando el 110 % del espectro objetivo para cumplir con el requisito de amplitud espectral mÃnima de ASCE7 para registros de este tipo.
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Date
2022-12-12
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Keywords
Spectral matching, Seismic input, Nonlinear response history analysis, Bidirectional excitation, Directionality