Influence of spectrum compatible earthquake records on the inelastic behavior of reinforced concrete structures

Abstract

Seismic designed structures are expected to resist minor level earthquakes without significant damage as well as major level earthquakes without collapse. Over the last years the number of seismic instrumentation networks has increased over highly active seismic regions raising considerably the number of strong motion records available. Despite the increase in the number of available strong motion records, artificial spectrum compatible records are still widely used for seismic design/assessment in zones where the number of available records is scarce and/or to reduce the number of analysis required while complying with design codes requirements. There are different methodologies used to generate spectrum compatible records and three of them are evaluated in this report: wavelet based modification of seed records, seed record adjustment based on the Continuous Wavelet Transform and synthetic record generation in the frequency domain. Different sets of compatible records are generated using each of these methodologies. The compatible records are evaluated based on the level of match with the target spectrum and its strong motion characteristics. The effect on the nonlinear seismic response is evaluated using these records as input motions for nonlinear time history analyses of a typical RC bridge bent column model developed and calibrated using a distributed plasticity fiber based finite element approach. It was found that the three methodologies are capable of generating compatible records with an acceptable level of matching the characteristics. However, the records generated using the frequency domain approach exhibit unrealistic strong motion characteristics and a tendency to induce less inelastic demand in the structures. In the case of methodologies based on modification of actual earthquake records it was found that when the seed records are selected based on their initial compatibility with the target spectrum, the resultant compatible record not only retains better the original characteristic of the records but the variability in the structural response is reduced.

Una estructura diseñada sísmicamente se espera que resista sin mayor daño un terremoto de baja intensidad, así como que no colapse con uno de gran magnitud. Durante los pasados años la instrumentación sísmica ha aumentado considerablemente en regiones de alta actividad sísmica, como resultado el número de registros de movimientos fuertes disponible se ha elevado de manera copiosa. A pesar de este aumento, los terremotos compatibles a un espectro de diseño siguen siendo ampliamente utilizados en el diseño o evaluación sísmica de estructuras en zonas donde la cantidad de registros disponibles es escasa o simplemente para reducir el número de análisis requeridos y todavía cumplir con las especificaciones requeridas por los códigos de diseño. Existen distintos tipos de métodos para generar terremotos compatibles con un espectro, tres de éstos son evaluados en este reporte: modificaciones basadas en la adición de “wavelets” a registros semilla, ajustes a los registros semilla a base de la trasformada continua “Wavelet” y generación de terremotos completamente sintéticos en el dominio de la frecuencia. Diferentes grupos de registros compatibles con un espectro fueron generados con cada una de estas metodologías. Los registros compatibles fueron evaluados basándose en el nivel de coincidencia con el espectro objetivo y sus características de movimiento fuerte. Los registros fueron utilizados para evaluar la respuesta sísmica no lineal de un modelo numérico de una columna típica de hormigón reforzado de un puente. El modelo de la columna fue desarrollado usando elementos finitos de plasticidad distribuida basados en fibras. Se encontró que las tres metodologías son capaces de generar registros compatibles con un nivel aceptable de coincidencia con el espectro objetivo. Sin embargo, los registros generados en el dominio de la frecuencia presentaron características de movimiento fuerte poco realistas y una tendencia a inducir menor demanda inelástica en las estructuras. En el caso de las metodologías basadas en la modificación de los registros reales, se encontró que cuando los registros de semillas se seleccionan en base a su compatibilidad inicial con el espectro objetivo, los terremotos resultantes no sólo retuvieron mejor las características originales de la registros, sino que se redujo la variabilidad en la respuesta no lineal de la estructura.