Impact of earthquake-induced ground-motion duration on nonlinear structural performance.

This thesis attempts to comprehensively quantify the impact of earthquake-induced ground-motion duration on the nonlinear structural performance of case-study structural systems. Amplitude, frequency content, and duration (in its various definitions) are widely recognized as key characteristics of earthquake-induced ground motions influencing nonlinear structural demands and resulting damage/loss estimates. However, the debate about the significance of ground-motion duration to nonlinear seismic demand is long-standing and the literature on this topic is quite extensive, often with conflicting findings. In current performance-based structural design and assessment practice, relying on nonlinear dynamic analysis of structures, ground motions are often characterized/selected just in terms of their pseudo-acceleration response spectra, while duration is commonly relegated to implicit, qualitative considerations. Herein, the impact of ground motion duration on structural performance is explicitly investigated by numerically simulating the response of various structural systems using realistic nonlinear models that incorporate the in-cycle and cyclic deterioration of component strength and stiffness characteristics, as well as the destabilizing P-∆ effect of gravity loads. Two approaches are investigated to quantify the influence of ground-motion duration on structural response. In the first approach, the effect of duration is isolated from the effects of ground motion amplitude and response spectral shape by assembling sets of “spectrally equivalent” long and short duration ground motions and employing them in comparative incremental dynamic analyses to derive fragility and vulnerability relationships. Formal hypothesis testing is employed to quantitatively assess the analyses results’ statistical significance. The second approach relies on the generalized conditional intensity measure (GCIM) to select hazard-consistent ground motions for a target site in Italy. Those ground-motions sets are used as an input to multiple stripe analyses; the impact of ground-motion duration is investigated by variance analysis and in terms of vector-valued fragility and vulnerability models. The overall goal is to quantitatively determine whether the duration is deemed relevant or not for each application, as well as to provide guidance on how to improve the current practice in seismic assessment of nonlinear structural performance.

Effetto della durata dell’input sismico sulle prestazioni strutturali non lineari. Questo lavoro di tesi mira a quantificare in modo completo l'impatto della durata del movimento del suolo indotto dal terremoto sulle prestazioni strutturali non lineari di vari sistemi strutturali. L'ampiezza, il contenuto in frequenza e la durata (nelle sue varie definizioni) sono ampiamente riconosciuti come caratteristiche chiave dei moti del suolo indotti dai terremoti che influenzano la domanda strutturale non lineare e le stime di danno/perdite economiche che ne risultano. Tuttavia, il dibattito sull’importanza della durata dell’input sismico nel quantificare la domanda sismica non lineare è di lunga data e la letteratura su questo argomento è piuttosto ampia, spesso con risultati contrastanti. Nell'attuale progettazione strutturale basata sulle prestazioni e nella pratica corrente di valutazione sismica, che si basano sull'analisi dinamica non lineare delle strutture, la definizione dell’input sismico in termini di accelerogrammi tiene conto solo della compatibilità con ordinate spettrali (di pseudo-accelerazione) di riferimento (sulla base di analisi probabilistiche di pericolosità sismica), mentre la durata è comunemente relegata a considerazioni qualitative implicite. In questa tesi, l'impatto della durata dell’input sismico sulle prestazioni strutturali viene esplicitamente studiato simulando numericamente la risposta di vari sistemi strutturali e utilizzando modelli non lineari realistici che incorporano il deterioramento ciclico delle caratteristiche di resistenza e rigidezza dei componenti strutturale, nonché le non linearità geometriche (P- ∆) dovute ai carichi gravitazionali. Vengono considerati due approcci per quantificare l'influenza della durata sulla risposta strutturale. Nel primo approccio, l'effetto della durata è isolato dagli effetti dovuti ad ampiezza e forma spettrale assemblando gruppi di accelerogrammi di lunga e breve durata "spettralmente equivalenti" e impiegandoli in analisi dinamiche incrementali comparative per derivare curve di fragilità e curve di vulnerabilità dei casi studio considerati. La verifica di ipotesi è ampiamente utilizzata per valutare quantitativamente la significatività statistica dei risultati delle analisi effettuate e le differenze riscontrate. Il secondo approccio si basa sul concetto di generalized conditional intensity measure (GCIM) per selezionare accelerogrammi coerenti con un modello di pericolosità sismica per un sito di interesse in Italia. Questi gruppi di accelerogrammi vengono utilizzati come input per analisi del tipo multiple stripe; l'impatto della durata dell’input sismico è studiato mediante analisi della varianza e in termini di superfici di fragilità e vulnerabilità. L'obiettivo generale è capire se la durata è rilevante o meno per ciascuna applicazione e fornire una guida per migliorare la pratica corrente nella valutazione sismica delle prestazioni degli edifici.