[论文解读] A new design strategy based on a deterministic definition of the seismic input to overcome the limits of design procedures based on probabilistic approaches

Marco Fasan, Claudio Amadio+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2015

Seismic Performance and Analysis参考文献 5被引用 8

一句话总结

本文提出一种基于新确定性地震危险性评估（NDSHA）的确定性地震设计策略，用于定义场地特定的地震输入，克服了概率方法的局限性。通过推导基岩处的最大确定性地震输入（MDSIBD）和场地特定输入（MDSISS），该方法实现了基于性能的设计，提供真实的反应谱和时程曲线，并将目标性能水平直接与结构重要性关联，而非调整地震输入强度。

ABSTRACT

In this paper, a new seismic Performance Based Design (PBD) process based on a deterministic definition of the seismic input is presented. The proposed procedure aims to address the following considerations, arisen from the analysis of seismic phenomena, which cannot be taken in account using standard probabilistic seismic input (PSHA): a) any structure at a given location, regardless of its importance, is subject to the same shaking as a result of a given earthquake, b) it is impossible to determine when a future earthquake of a given intensity/magnitude will occur, c) insufficient data are available to develop reliable statistics with regards to earthquakes. On the basis of these considerations, the seismic input at a given site - determined on the basis of the seismic history, the seismogenic zones and the seismogenic nodes - is defined using the Neo Deterministic Seismic Hazard Assessment (NDSHA). Two different analysis are carried out at different levels of detail. The first one (RSA) provides the Maximum Deterministic Seismic Input as a response spectra at the bedrock (MDSIBD), similarly to what is proposed by the codes. The second one (SSA) takes the site effects into account, providing a site specific seismic input (MDSISS). A SSA provides realistic site specific seismograms that could be used to run time history analysis even where no registrations are available. Reviewing the standard PBD procedure, MDSISS is always associated with the worst structural performance acceptable for a building, called Target Performance Level (TPL). In this way, the importance of the structure (risk category) is taken into account by changing the structural performance level to check rather than to change the seismic input.

研究动机与目标

• 解决概率地震危险性评估（PSHA）在捕捉实际地震行为方面的局限性。
• 克服PSHA无法考虑地震确定性特征（如震级和震源位置）的不足。
• 基于历史地震活动、发震构造区和震源节点，提供可靠的地震输入定义。
• 提出一种基于性能的设计框架，使结构重要性反映在性能水平中，而非地震输入强度上。
• 即使在缺乏强地面运动记录的地区，也能通过生成场地特定的地震动时程，实现真实的时程分析。

提出的方法

• 基于已知地震历史和构造源，采用新确定性地震危险性评估（NDSHA）定义地震输入。
• 计算基岩处的最大确定性地震输入（MDSIBD），作为反应谱，与规范方法类似。
• 通过场地响应分析，推导出考虑局部土层和地质条件影响的场地特定地震输入（MDSISS）。
• 从MDSISS生成真实的场地特定加速度时程，用于非线性时程分析。
• 将目标性能水平（TPL）与结构重要性直接关联，确保性能要求随风险等级而相应调整。
• 以MDSISS作为结构设计基础，确保最坏情况下的地震需求始终与最大可信地震输入一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何定义一种确定性地震输入，以克服概率地震危险性评估中固有的统计不确定性？
• RQ2 在多大程度上可利用历史地震活动和发震构造区来定义真实的最大可信地震输入？
• RQ3 确定性地震输入能否带来更合理且一致的基于性能的设计框架？
• RQ4 在地震输入中纳入场地效应（MDSISS）如何提高结构响应预测的准确性？
• RQ5 在数据匮乏地区，能否利用确定性地震输入生成可靠的时程曲线，用于非线性动力学分析？

主要发现

• 所提出的确定性方法基于实际地震历史和构造源，提供了稳定且物理基础坚实的地震输入定义。
• 基岩处的最大确定性地震输入（MDSIBD）以反应谱形式推导，可与现行设计规范兼容。
• 场地特定的地震输入（MDSISS）考虑了局部场地效应，生成了适用于时程分析的真实加速度时程。
• 该方法将结构重要性与地震输入强度解耦，转而将其与目标性能水平（TPL）关联，提升了设计的合理性。
• 该方法即使在缺乏强地面运动数据的地区，也能通过确定性危险性评估生成场地特定的地震动时程，实现基于性能的设计。
• 使用MDSISS可确保最坏情况下的地震需求始终与最大可信地震一致，从而增强设计的可靠性。