Characterization of the seismic response of RC frames at different performance levels established in the ASCE 41-06 seismic rehabilitation code

Abstract

Performance-based earthquake engineering is focused in the definition of limits states to represent different levels of damage, which can be described by material strains, drifts, displacements or even changes in dissipating properties and stiffness of the structure. This study presents a research plan to characterize the behavior of Reinforced Concrete (RC) moment resistant frames at different performance levels established by the ASCE 41-06 seismic rehabilitation code. A total of 16 RC special moment resisting frames (2D) with different aspect ratios (L/H) and one 3D RC frame were analyzed in order to evaluate the seismic behavior of the structure at different performance levels. The design guidelines used were taken from the ACI 318-08 and ASCE 7-05 building codes, which are the design guidelines used for United States constructions. For each aspect ratio, four longitudinal steel reinforcement ratios for the beams that varied from 0.85% to 2.5% were used. For columns the steel reinforcement ratio used was determined using the methodology presented in ACI 318-08. All 2D frames were subjected to seven compatible earthquakes and scaled to accelerations ranging from 0.1g to 1.5g (105 cases for each frame) obtained from the Pacific Earthquake Engineering Research (PEER) database. The 3D frame was subjected to four ground motion of increasing intensity levels. These ground motions were applied in sequence to the frame. The frames were analyzed using the program OpenSEES (Open System for Earthquake Engineering Simulation). As part of this research the impact of the aspect ratios and geometry at different performance levels and their contribution on the structural frames damage were evaluated. In addition, the relationship between material strains and energy dissipation changes for the different performance levels was studied. The goal is to characterize the seismic behavior of RC frames to improve the currently available design assessment techniques and damages limit states.

La Ingeniería Sísmica Basada en Desempeño está enfocada en definir varios límites para representar el nivel de daño en una estructura; éstos pueden estar definidos por los esfuerzos en los materiales, derivas de piso, desplazamientos e incluso por cambios en las propiedades de disipación de energía y rigidez de la estructura. Esta investigación presenta un estudio para identificar el comportamiento de pórticos de hormigón reforzado resistentes a momento a diferentes niveles de desempeño establecidos por el código de Rehabilitación Sísmica de Estructuras ASCE 41-06. Un total de 16 pórticos especiales resistentes a momentos (2D) con diferentes razones de largo entre altura de viga (L/H) y un pórtico de hormigón reforzado en tres dimensiones fueron analizados para evaluar la respuesta sísmica de la estructura a diferentes niveles de desempeño. Las normas de diseño utilizadas fueron tomadas de los códigos ACI 318-08 y ASCE 7-05, los cuales son las guías utilizadas en las construcciones en Estados Unidos. Para cada razón de L/H se utilizaron 4 cuantías de acero longitudinal para las vigas, las cuales varían entre 0.85% a 2.5%. La cuantía de acero para las columnas fue determinada utilizando la metodología presentada en el ACI 318-08. Todos los pórticos en dos dimensiones fueron analizados con 7 sismos, obtenidos de la base de datos del Centro de Investigación de Ingeniería Sísmica del Pacífico (PEER), cuyas aceleraciones fueron escaladas entre 0.1g a 1.5 g (105 casos por pórticos). El pórtico en tres dimensiones fue sometido a 4 sismos de creciente y aplicados en secuencia. Los pórticos fueron analizados utilizando el programa OpenSEES (Open System for Earthquake Engineering Simulation). Como parte de esta investigación se evaluó el impacto de la razón entre el largo y altura de viga y la geometría de los elementos a diferentes niveles de desempeño y su contribución en los daños estructurales de los pórticos. Se estudió también la relación entre las deformaciones en los materiales y los cambios en disipación de energía para los diferentes niveles de desempeño. El objetivo de esta investigación es caracterizar el comportamiento sísmico de los pórticos de hormigón reforzado para mejorar los métodos de rehabilitación y límites de daños existentes.