Assessment of higher-mode effects on the seismic behaviour of high-rise buildings and pallet racks using pushover and cloud analyses

Abstract

(English) This thesis investigates the ability of ordinary Pushover Analysis, Multimodal Pushover Analysis (MPA), and consecutive pushover analysis (CMP) methods, on the one hand, and probabilistic strategies based on clouds of points (Cloud Analysis), on the other, to reproduce the seismic behaviour of structures with a significant participation of higher modes. Two types of structures are considered: tall RC buildings (up to 45 storeys) and conventional unbraced pallet racks. This Thesis consists of six chapters; the first is an introduction, the second describes the current state of the art, and the last presents conclusions and future research. Chapters 3, 4, and 5 constitute the core of this thesis, and their content is described below. Chapter 3 focuses on pushover analysis of the aforementioned buildings. Two prototype buildings, 30 and 45 storeys high, are considered with dual systems incorporating reinforced concrete wall cores and rigid node frames on the facades. All analyses performed are two-dimensional. In each of the two horizontal directions, symmetry allows only half of the structure to be analysed, so the model represents a rigid node frame attached to half of the core. The core walls are completely solid in one direction (X) and perforated with an opening for the central door in the other (Y); therefore, models 30X, 30Y, 45X, and 45Y are analysed. The results of pushover methods are compared with stepwise nonlinear dynamic analysis (NLRHA) to assess the influence of higher modes. MPA and CMP provide reasonable predictions but show limitations on the upper floors. Chapter 4 performs probabilistic cloud analyses to evaluate the seismic behaviour of the aforementioned buildings. This method uses a large set of accelerograms (99 pulse-like records are considered in this thesis), allowing the generation of fragility curves that capture structural responses for different seismic intensity levels. The dispersion and sensitivity of the probabilistic model characterise the model’s robustness, which varies depending on the intensity measure adopted. In this regard, four intensity measures are considered: spectral acceleration (Sa), input energy in terms of equivalent velocity (VE), Housner intensity (HI), and cumulative absolute velocity (CAV); VE provides the greatest robustness. Chapter 5 examines the seismic behaviour of unbraced racking using ordinary and multimodal pushover analysis. Ninety-six prototype racks are analysed, varying in the number of levels, number and span of bays, and weight of stored products. Of these, six are selected for detailed study, with different mass participation factors in the first mode. The study identifies two failure mechanisms: brittle collapse of the studs and ductile collapse of the beam-stud connections. Multimodal pushover analysis shows that the higher modes have a certain impact when the first mode participation factor is low and the failure mechanism is ductile.

(Català) Aquesta tesi investiga la capacitat de mètodes d'anàlisi d'empenta incremental ordinària (Pushover Analysis), multimodal (Modal Pushover Analysis, MPA) i consecutiva (Consecutive Modal Pushover Analysis, CMP), d'una banda, i estratègies probabilistes basades en núvol de punts (Cloud Analysis), per els modes superiors. Es consideren dos tipus d'estructures: edificis alts de formigó armat (fins a 45 plantes) i prestatgeries de paletització convencionals sense riostes. Aquest document consta de 6 capítols; el primer és una introducció, el segon descriu l'estat actual del coneixement i el darrer presenta les conclusions i investigacions futures. Els capítols 3, 4 i 5 constitueixen el cos principal d'aquesta Tesi i el seu contingut es descriu a continuació. El Capítol 3 se centra en l'anàlisi d'empenta incremental dels edificis esmentats. Es consideren dos edificis prototips de 30 i 45 pisos amb sistemes duals que incorporen nuclis de murs de formigó armat i pòrtics de nusos rígids a les façanes. Totes les anàlisis efectuades són bidimensionals. A cadascuna de les dues direccions horitzontals, la simetria permet prendre només la meitat de l'estructura, de manera que el model representa un pòrtic de nusos rígids unit a la meitat del nucli. Els murs del nucli són completament sòlids en una direcció (X) i perforats amb una obertura per a la porta central a l'altra (Y); per tant, s’analitzen els models 30X, 30Y, 45X i 45Y. Els resultats dels mètodes d'empenta incremental es comparen amb anàlisis dinàmiques no lineals pas a pas (NLRHA) per valorar la influència dels modes superiors. MPA i CMP proporcionen prediccions raonables, però mostren limitacions a les plantes superiors. El Capítol 4 efectua anàlisis probabilistes basades en núvol de punts per avaluar el comportament sísmic dels edificis esmentats. Aquest mètode utilitza un gran conjunt d’accelerogrames (en aquesta Tesi es consideren 99 registres impulsius), que permeten obtenir corbes de fragilitat que capturen les respostes estructurals per a diferents nivells d'intensitat sísmica. La dispersió i la sensibilitat del model probabilista caracteritzen la robustesa del model, la qual varia segons la mesura d'intensitat adoptada. En aquest sentit, es consideren quatre mesures d’intensitat: acceleració espectral (Sa), energia d’entrada en termes de velocitat equivalent (VE), intensitat de Housner (HI) i velocitat absoluta acumulada (CAV); VE proporciona la major robustesa. El Capítol 5 examina el comportament sísmic de prestatgeries sense travar utilitzant anàlisi d'empenta incremental ordinària i multimodal. S'analitzen 96 prestatgeries prototip amb variacions en el nombre de nivells, el nombre i la llum dels trams, i el pes dels productes emmagatzemats. D’aquestes, se’n seleccionen 6 per a un estudi detallat, amb diferents factors de participació de massa en el primer mode. L’estudi efectuat identifica dos mecanismes de fallada: col·lapse fràgil dels muntants i dúctil de les connexions biga-muntant. L'anàlisi d'empenta incremental multimodal mostra que els modes superiors tenen un cert impacte quan el factor de participació en el primer mode és baix i el mecanisme de fallada és dúctil.

(Español) Esta tesis investiga la capacidad de métodos de análisis de empuje incremental ordinario (Pushover Analysis), multimodal (Modal Pushover Analysis, MPA) y consecutivo (Consecutive Modal Pushover Analysis, CMP), por una parte, y estrategias probabilistas basadas en nube de puntos (Cloud Analysis), por otra parte, para reproducir el comportamiento sísmico de estructuras con una participación significativa de los modos superiores. Se consideran dos tipos de estructuras: edificios altos de hormigón armado (hasta 45 plantas) y estanterías de paletización convencionales sin riostras. Este documento consta de 6 capítulos; el primero es una introducción, el segundo describe el estado actual del conocimiento y el último presenta las conclusiones y las investigaciones futuras. Los capítulos 3, 4 y 5 constituyen el cuerpo principal de esta Tesis y su contenido se describe a continuación. El Capítulo 3 se centra en análisis de empuje incremental de los edificios mencionados. Se consideran dos edificios prototipo, de 30 y 45, pisos con sistemas duales que incorporan núcleos de muros de hormigón armado y pórticos de nudos rígidos en las fachadas. Todos los análisis efectuados son bidimensionales. En cada una de las dos direcciones horizontales, la simetría permite tomar solamente la mitad de la estructura, de manera que el modelo representa un pórtico de nudos rígidos unido a la mitad del núcleo. Los muros del núcleo son completamente sólidos en una dirección (X) y perforados con una abertura para la puerta central en la otra (Y); por lo tanto, se analizan los modelos 30X, 30Y, 45X y 45Y. Los resultados de los métodos de empuje incremental se comparan con análisis dinámicos no lineales paso a paso (NLRHA) para valorar la influencia de los modos superiores. MPA y CMP proporcionan predicciones razonables, pero muestran limitaciones en las plantas superiores. El Capítulo 4 efectúa análisis probabilistas basados en nube de puntos para evaluar el comportamiento sísmico de los edificios mencionados. Este método utiliza un gran conjunto de acelerogramas (en esta Tesis se consideran 99 registros impulsivos), permitiendo obtener curvas de fragilidad que capturan las respuestas estructurales para diferentes niveles de intensidad sísmica. La dispersión y sensibilidad del modelo probabilista caracterizan la robustez del modelo, la cual varía según la medida de intensidad adoptada. En este sentido, se consideran cuatro medidas de intensidad: aceleración espectral (Sa), energía de entrada en términos de velocidad equivalente (VE), intensidad de Housner (HI) y velocidad absoluta acumulada (CAV); VE proporciona la mayor robustez. El Capítulo 5 examina el comportamiento sísmico de estanterías sin arriostramiento utilizando análisis de empuje incremental ordinario y multimodal. Se analizan 96 estanterías prototipo con variaciones en el número de niveles, número y luz de los tramos, y peso de los productos almacenados. De éstas, se seleccionan 6 para un estudio detallado, con diferentes factores de participación de masa en el primer modo. El estudio efectuado identifica dos mecanismos de fallo: colapso frágil de los montantes y dúctil de las conexiones viga-montante. El análisis de empuje incremental multimodal muestra que los modos superiores tienen un cierto impacto cuando el factor de participación en el primer modo es bajo y el mecanismo de fallo es dúctil.