[논문 리뷰] 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)|2019. 04. 24.

Structural Health Monitoring Techniques인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 히스테리시스 모델에 의존하지 않고 파동수분석 기반 에너지 추정을 사용하여 중력 설계 구조물의 에너지 기반 손상 평가 프레임워크를 제안한다. 에너지 기반 손상 지표는 비탄성 주기와 변위와 잘 상관되며, 중간/고연성 구조물에서는 비탄성 사이클 수가 손상 평가에 크게 영향을 주지만, 저연성 구조물에는 영향을 주지 않는다.

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.

연구 동기 및 목표

• 저연성 중력 설계 구조물의 지진 성능 평가에 있어 기존 손상 지표의 부족함을 보완한다.
• 사용성(즉시 점용 가능) 및 최종 한계 상태에 대한 에너지 기반 손상 지표의 적용 가능성을 조사한다.
• 히스테리시스 모델에 의존하지 않고 지진 에너지 요구량과 소산 능력을 추정하는 방법론을 개발한다.
• 비탄성 주기와 층간 변위와 같은 전통적 지표와 에너지 기반 손상 평가를 비교한다.
• 다양한 연성 수준을 가진 구조물에서 비탄성 사이클 수가 손상 평가에 미치는 영향을 평가한다.

제안 방법

• 지진 하중 하에서 에너지 소산을 계산하기 위해 파동수 기반 에너지 추정을 활용한다.
• 에너지, 층간 변위, 비탄성 주기의 세 영역에서 증분 동적 해석(IDA)을 수행한다.
• 소산 에너지와 용량의 비율에서 유도된 에너지 기반 손상 지표를 사용한다.
• 에너지, 변위, 비탄성 주기 지표를 사용하여 세 개의 중력 설계 구조물에서 손상 상태를 비교한다.
• 직접적으로 구조물 응답 시간 이력에서 에너지를 추정함으로써 히스테리시스 모델에 의존하지 않는다.
• 성능 수준 간 손상 수준의 비교 평가를 통해 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 기반 손상 지표는 즉시 점용 가능 및 최종 한계 상태에서 저연성 중력 설계 구조물의 손상을 정확하게 평가할 수 있는가?
• RQ2 파동수 기반 에너지 추정은 손상 평가에서 전통적 지표인 층간 변위와 비탄성 주기와 비교해 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ3 비탄성 사이클 수가 저연성 대비 중간/고연성 구조물의 손상 평가에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 히스테리시스 모델을 사용하지 않고 에너지 소산 능력을 어느 정도 정확하게 추정할 수 있는가?
• RQ5 에너지, 변위, 비탄성 주기를 지표로 사용할 때 손상 평가는 얼마나 일관성 있는가?

주요 결과

• 에너지 기반 손상 지표는 층간 변위와 비탄성 주기를 통한 손상 상태 평가와 강한 상관관계를 보인다.
• 저연성 구조물에서는 비탄성 사이클 수가 손상 평가 결과에 유의미한 영향을 주지 않는다.
• 중간 및 고연성 구조물에서는 비탄성 사이클 수가 손상 평가 결과에 크게 영향을 준다.
• 파동수 기반 에너지 추정은 에너지 용량 평가에서 히스테리시스 모델의 타당한 대안을 제공한다.
• 에너지 기반 방법은 복잡한 재료 모델이 필요 없이 성능 수준 전반에서 손상 진행을 효과적으로 포착한다.
• 에너지, 변위, 비탄성 주기 영역에서의 IDA 결과는 연구된 중력 설계 프레임의 손상 상태 분류에서 일관성을 보인다.