Strategy for Selecting Input Ground Motion for Structural Seismic Demand Analysis

par Levent Isbiliroglu

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Philippe Guéguen.

Soutenue le 01-03-2018

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Stéphane Grange.

Le jury était composé de Luis Fabián Bonilla, Maria Lancieri.

Les rapporteurs étaient Roberto Paolucci, John Douglas.

  • Titre traduit

    Élaboration de Stratégies de Sélection de Signaux Accélérométriques pour le Calcul du Comportement des Structures


  • Résumé

    Les signaux accélérométriques enregistrés lors de l’occurrence d’un événement sismique est très large présentent une forte variabilité, par conséquent ils ne sont pas utilisé dans les analyse dynamiques de tenue sismique des structures. En effet, l’utilisation des accélérogrammes réels, pour les analyses dynamiques non linéaires, s’avère couteuse en termes de temps de calcul. La pratique courante prévoit la minimisation (voir suppression) de telle variabilité, mais les conséquences d’une telle opération sur la réponse des structures ne sont pas clairement indiquées. L’étude ci-présente a pour scope la quantification de l’impact des méthodes de sélection qui gardent la variabilité du signal sur les résultats de l’analyse de la réponse des structures (exprimée en termes d’engineering demand parameters EDPs). En particulier les questions suivantes seront investiguées :Quel est le niveau de variabilité des accélérogrammes réels et comment ce niveau est modifié par les techniques couramment utilisées ?Quelle est l’impact de la variabilité sur la réponse de plusieurs types de structures ?Pour un scénario sismique donné, un spectre cible est défini à partir de plusieurs équation de prédiction du mouvement sismique, sélection parmi celles disponibles en littérature. Les accélérogrammes sont sélectionnés à partir de quatre familles d’accélérogrammes, chacune relative à une méthode de modification : réels (enregistrés); mise à l’échelle (multiplication, par un facteur) ; calés aux spectres cibles avec large tolérance ; calés aux spectres cibles dans une plage de tolérance étroite.Chaque jeu de signaux est composé de cinq accélérogrammes et la sélection des signaux est faite en tenant compte de deux sources de variabilité : la variabilité au sein de chaque jeu de données (intraset), et la variabilité entre les différents jeux de données (interset) tous compatibles avec le même spectre cible. Les tests sur les EDPs menés sur les signaux accélérométriques réels mènent à la quantification de la variabilité naturelle (pour le scénario considéré). Les analyses basées sur les signaux réels sont utilisés comme benchmark afin d’évaluer non seulement de combien la distribution des EDPs (en termes de valeur moyenne et variabilité) est réduite par les différentes méthodes testées, mais aussi d’évaluer l’impact des choix de l’équation de prédiction du mouvement, des plages de tolérance, du nombre d’accélérogrammes constituant chaque jeu, du nombre de jeux, de le scope de l’analyse structurale et le modèle de structure.Ce travaille nous conduit à conclure que un seul jeu d’accélérogramme, tel qu’utilisé dans la pratique courante, est insuffisant pour assurer le niveau d’EDPs indépendamment de la méthode de modification utilisés, cela est lié à la variabilité des signaux et entre les jeux d’accélérogrammes. Les signaux réels, compatibles avec le spectre définis pour le scénario sismique, are l’option plus réaliste pour l’analyse dynamique non-linéaire ; si une méthode de modification du signal est nécessaire, la plus adaptées dépend du scope de l’analyse spectrale et du modèle. Le choix de l’équation de prédiction du mouvement sismique utilisée pour définir le spectre cible impacte significativement les caractéristiques des mouvements sismiques et des EDPs. Cette observation ne dépend pas de la stratégie de de modification du signal.


  • Résumé

    The observed variability is very large among natural earthquake records, which are not consolidated in the engineering applications due to the cost and the duration. In the current practice with the nonlinear dynamic analysis, the input variability is minimized, yet without clear indications of its consequences on the output seismic behavior of structures. The study, herein, aims at quantifying the impact of ground motion selection with large variability on the distribution of engineering demand parameters (EDPs) by investigating the following questions:What is the level of variability in natural and modified ground motions?What is the impact of input variability on the EDPs of various structural types?For a given earthquake scenario, target spectra are defined by ground motion prediction equations (GMPEs). Four ground motion modification and selection methods such as (1) the unscaled earthquake records, (2) the linearly scaled real records, (3) the loosely matched spectrum waveforms, and (4) the tightly matched waveforms are utilized. The tests on the EDPs are performed on a record basis to quantify the natural variability in unscaled earthquake records and the relative changes triggered by the ground motion modifications.Each dataset is composed by five accelerograms; the response spectrum compatible selection is then performed by considering the impact of set variability. The intraset variability relates to the spectral amplitude dispersion in a given set, and the interset variability relates to the existence of multiple sets compatible with the target.The tests on the EDPs are performed on a record basis to quantify the natural variability in unscaled earthquake records and the relative changes triggered by the ground motion modifications. The distributions of EDPs obtained by the modified ground motions are compared to the observed distribution by the unscaled earthquake records as a function of ground motion prediction equations, objective of structural analysis, and structural models.This thesis demonstrates that a single ground motion set, commonly used in the practice, is not sufficient to obtain an assuring level of the EDPs regardless of the GMSM methods, which is due to the record and set variability. The unscaled real records compatible with the scenario are discussed to be the most realistic option to use in the nonlinear dynamic analyses, and the ‘best’ ground motion modification method is demonstrated to be based on the EDP, the objective of the seismic analysis, and the structural model. It is pointed out that the choice of a GMPE can provoke significant differences in the ground motion characteristics and the EDPs, and it can overshadow the differences in the EDPs obtained by the GMSM methods.


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