David KAMPENHUBER

Simplified collapse fragility assessment utilizing a geometric mean spectral acceleration based intensity measure for PDelta vulnerable, cyclic deteriorating frame structures (in englischer Sprache verfasst)

Die Abschätzung und Beurteilung von erdbebeninduziertem Strukturversagen von Tragwerken basiert auf der sogenannten Kollaps-Fragilitätskurve, welche den Zusammenhang zwischen der Wahrscheinlichkeit des Strukturversagens und der Intensität eines Erdbebenereignisses herstellt. Die zentrale Aufgabenstellung dieser Dissertation stellt die Entwicklung einer Methode zur vereinfachten Abschätzung dieser Größe dar. Die betrachtete Klasse von Tragwerken sind ebene, regelmäßige inelastische Rahmentragwerke, die auf Grund von Effekten aus Theorie II. Ordnung (PDelta Effekt) eine negative globale Steifigkeit im inelastischen Verformungsast aufweisen und unter Erdbebenanregung zyklischer Materialdegradation ausgesetzt sind. Unter Starkbebenanregung neigen diese Strukturen zu schwingungsinduziertem Kollaps. Zuerst werden anhand einer Parameterstudie mit Hilfe von inkrementeller dynamischer Analysen Klassen von generischen Rahmentragwerken identifiziert, bei denen erdbebeninduzierter Kollaps nur durch den PDelta Effekt oder auch durch Materialdegradation gesteuert wird. In weiterer Folge wird ein “optimales” Maß für die Quantifizierung der Intensität der Erdbebenanregung vorgeschlagen, welches zu einer kleinen Variabilität der erdbebeninduzierten Streuung der Kollapskapazität führt. Dieses Intensitätsmaß basiert auf dem geometrischen Mittel spektraler Pseudo-Beschleunigungen in einem vordefinierten Periodenband.

Die Methodik zur vereinfachten Bestimmung der Kollapsfragilität baut im Weiteren auf äquivalenten Einfreiheitsgradsystemen, welche das globale Strukturverhalten der untersuchten Rahmentragwerke approximieren, auf. Die betrachteten äquivalenten Einfreiheitsgradsysteme sind in der Lage Effekte aus Theorie II. Ordnung wiederzugeben, die Berücksichtigung von Materialdegradation stellt jedoch ein bis-dato spärlich behandeltes Thema dar. Ein Verfahren, mit dem die äquivalenten Schädigungsparameter abgeschätzt werden können, wird vorgestellt. Dieses Verfahren beruht auf nichtlinearen quasistatischen zyklischen Berechnungen und anschließender Parameteroptimierung zwischen Ergebnissen der Rahmen und der äquivalenten Einfreiheitsgradsysteme. Auf der Basis der äquivalenten Einfreiheitsgradsysteme wird mit Hilfe inkrementeller dynamischer Analysen die “äquivalente” Kollapsfragilität ermittelt und Vergleiche zu den Ergebnissen der Rahmentragwerke angestellt. Darauf aufbauend wird der Parameterbereich, wo eine vereinfachte Abschätzung der Kollapsfragilität sinnvoll durchgeführt werden kann, definiert. Auch für die Berechnung der äquivalenten Kollapsfragiliät wird ein optimales Intensitätsmaß, basierend auf dem geometrischen Mittel spektraler Pseudo-Beschleunigungen, vorgestellt. Auf der Grundlage dieser Berechnungen wird eine Methode zur vereinfachten und schnellen Abschätzung der Kollapsfragilität für regelmäßige Rahmentragwerke präsentiert. Die vorgeschlagene Methode basiert grundsätzlich auf einer empirisch abgeleiteten, analytischen Formulierung der Kollapsfragilität der äquivalenten Einfreiheitsgradsysteme. Diese kann mit Hilfe der charakteristischen Strukturparameter, jedoch ohne aufwändige nichtlineare dynamische Berechnung am Rahmentragwerk, ausgewertet werden. Die Richtigkeit und die Genauigkeit der vorgestellten Berechnungsmethode wird anhand des Vergleichs zwischen exakter und vereinfacht ermittelter Kollapsfragilität bewertet. Dieser Vergleich zeigt, dass die vorgestellte Methode für eine bestimmte Klasse von Strukturen die Kollapsfragilität mit einem relativen Fehler kleiner als 20 % abgeschätzt werden kann, und für in etwa 75 Prozent der Fälle der relative Fehler kleiner als 10 % ist.

 

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