Duration of Earthquake Ground Motion: Influence on Structural Collapse Risk and Integration in Design and Assessment Practice.
저자
발행사항
Ann Arbor : ProQuest Dissertations & Theses, 2016
학위수여대학
Stanford University
수여연도
2016
작성언어
영어
주제어
학위
Ph.D.
페이지수
449 p.
지도교수/심사위원
Advisor: Deierlein, Gregory G.;Baker, Jack;Miranda, Eduardo.
Amplitude, frequency content, and duration are widely recognized as the key characteristics of earthquake ground motions that influence structural response. Yet, in current structural design and assessment practice, ground motions are often explicitly characterized by just their pseudo acceleration response spectra-which quantify their amplitude and frequency content-while duration is commonly relegated to implicit, qualitative consideration. This study evaluates the need to explicitly consider duration, in addition to response spectra, in structural design and assessment. The influence of duration on structural collapse capacity is investigated by numerically simulating the response of structures under short and long duration ground motions. Realistic nonlinear structural models that incorporate the in-cycle and cyclic deterioration of the strength and stiffness of structural components, and the destabilizing P-Delta effect of gravity loads, are employed to successfully detect the effect of duration. Long duration ground motions from recent large magnitude earthquakes, like the 2008 Wenchuan (China, Mw 7.9), 2010 Maule (Chile, Mw 8.8), and 2011 Tohoku (Japan, Mw 9.0) earthquakes, are used in the analyses. The effect of response spectral shape is controlled for by selecting sets of short and long duration ground motions with similar response spectra, and by employing appropriate statistical tools to post-process the analysis results. Significant duration, Ds, is identified as the duration metric best suited for use in structural design and assessment, since it is amenable to incorporation in a vector intensity measure alongside the response spectrum, and is an efficient predictor of structural collapse capacity. Response spectral shape and duration are together shown to be capable of explaining around 80% to 85% of the variance in the collapse intensities of ground motions used to analyze 51 reinforced concrete moment frame buildings. Response spectral shape or duration alone, are capable of explaining a significantly smaller fraction of the variance in the collapse intensities. This highlights the need to explicitly consider both response spectra and duration in structural design and assessment, and indicates that the additional consideration of other ground motion characteristics is likely to produce diminishing returns. A procedure based on the generalized conditional intensity measure (GCIM) framework is developed to compute source-specific conditional probability distributions of the durations of the ground motions anticipated at a site. Commonly used ground motion databases-like the PEER NGA-West2 database-are currently dominated by short duration ground motions, since many more low and moderate magnitude earthquakes (6.0 < Mw < 7.5) have been recorded in recent history than large magnitude interface earthquakes (Mw ~ 9.0). Selecting records from the PEER NGA-West2 database without explicitly considering duration is, therefore, shown to result in the unconservative underestimation of structural collapse risk at sites located near active subduction zones, that are susceptible to long duration ground motions from large magnitude interface earthquakes. For example, selecting records from the PEER NGA-West2 database to explicitly match only conditional spectrum targets, and not duration targets, is shown underestimate the mean annual frequency of collapse of an eight-story reinforced concrete moment frame building by 29% when located in Seattle (Washington) and 59% when located in Eugene (Oregon). A relatively small influence of duration is observed at San Francisco (California), which is likely to experience short to moderate duration ground motions from shallow crustal earthquakes. The prevalent practice of implicitly accounting for duration using causal parameters like rupture mechanism, earthquake magnitude, source-to-site distance, and site Vs30, is shown to result in the selection of records that poorly match conditional spectrum and duration targets, thereby producing biased collapse risk estimates.
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