[論文レビュー] Energy-based seismic design: Needs of energy damage index values for serviceability and ultimate limit states for gravity design buildings?

Caterina Negulescu, K. K. Wijesundara|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2019

Structural Health Monitoring Techniques被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ヒステリシスモデルに依存せずに、ウェーブレットに基づくエネルギー推定を用いて地震動要求と耐力の評価を行う、重力設計建造物向けのエネルギーベース損傷評価フレームワークを提案する。エネルギーベース損傷指標は、非線形周期および応答変位比と強く相関しており、非線形サイクル数は中・高延性構造物に顕著な影響を及ぼすが、低延性構造物には影響しないことが判明した。

ABSTRACT

During the past earthquakes, different low ductile failure modes are observed in the gravity design structures and thus, the most of existing damage indices may fail to assess the damage of gravity design structures accurately in referring to the two main performance levels: immediate occupancy and ultimate limit state. Therefore, this study investigates the energy dissipated by the brittle structures and the possible damage indices based on energy for the damage assessment of gravity design frames. In the framework of an Energy-Based Seismic Design Approach, we need the assessment of the Demand and on the Capacity, both expressed in Energy. A methodology for the assessment of the seismic energy demands imposed on structures is already proposed, but not such methodology that makes consensus is proposed for the calculation of the Energy dissipation Capacity avoiding the Hysteretic models. The estimation of the energy expended by the building during an earthquake excitation is a tricky issue. For this purpose, this study considers the wavelet based energy estimation and compares it with different approaches for measuring the damages of a structure: the dominant inelastic period of a building and the more classical measure, the inter-story drift. IDA analysis are performed in energy, drift and inelastic period. Furthermore, the damage assessment results based on the expended energy for three gravity design buildings are compared and discussed relatively to the results expressed in inelastic period and drift. Finally, this study concludes that no significant effects of number of inelastic cycles to the damage assessment results for low ductile structures. However, this study also highlights the effects of number of inelastic cycles to the damage for medium and high ductile structures.

研究の動機と目的

• 低延性の重力設計建造物の地震性能評価において、従来の損傷指標の不十分さを是正すること。
• 使用性（直ちに占用可能）および極限状態の両方におけるエネルギーベース損傷指標の適用可能性を調査すること。
• ヒステリシスモデルに依存せずに、地震エネルギー要求と散逸容量を推定するための手法を開発すること。
• 非線形周期および階間変位比といった従来の指標と比較して、エネルギーベース損傷評価を実施すること。
• 異なる延性を有する構造物における非線形サイクル数の損傷評価への影響を評価すること。

提案手法

• 地震動入力下でのエネルギー散逸を計算するために、ウェーブレットに基づくエネルギー推定を採用する。
• エネルギー、階間変位比、非線形周期の3領域で、増分的動的解析（IDA）を実施する。
• 散逸エネルギーと容量の比から導出されるエネルギーベース損傷指標を用いる。
• 3棟の重力設計建造物を対象に、エネルギー、変位比、非線形周期の指標を用いて損傷状態を比較する。
• 構造応答時系列から直接エネルギーを推定することで、ヒステリシスモデルへの依存を回避する。
• 性能レベルにわたる損傷レベルの比較的評価を通じて、結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低延性の重力設計建造物について、使用性および極限状態の両方において、エネルギーベース損傷指標が損傷を正確に評価できるか。
• RQ2 ウェーブレットに基づくエネルギー推定は、階間変位比や非線形周期といった従来の指標と比較して、損傷評価においてどのように異なるか。
• RQ3 非線形サイクル数が、低延性構造物と中・高延性構造物の両方における損傷評価に与える影響は何か。
• RQ4 ヒステリシスモデルを用いずに、エネルギー散逸容量をどの程度正確に推定できるか。
• RQ5 エネルギー、変位比、非線形周期という指標を用いた損傷評価は、どの程度一貫性を示すか。

主な発見

• エネルギーベース損傷指標は、階間変位比および非線形周期による損傷状態の評価と強く相関している。
• 低延性構造物では、非線形サイクル数が損傷評価結果に顕著な影響を及ぼさない。
• 中・高延性構造物では、非線形サイクル数が損傷評価結果に顕著な影響を及ぼす。
• ウェーブレットに基づくエネルギー推定は、ヒステリシスモデルに代わるエネルギー容量評価の有効な代替手段を提供する。
• エネルギーベース手法は、複雑な材料モデルを必要とせずに、性能レベルにわたる損傷進行を効果的に捉えることができる。
• エネルギー、変位比、非線形周期の3領域におけるIDA結果は、被験した重力設計フレーム構造について、一貫した損傷状態分類をもたらす。