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Título: Rapid estimation of earthquake damage on instrumented steel frame buildings using simplified tools: towards 'city scale' building simulation
Autores: Al-Shawwa, Nasser
Fecha: 2013
Publicador: McGill University - MCGILL
Fuente:
Tipo: Electronic Thesis or Dissertation
Tema: Engineering - Civil
Descripción: In the context of Performance-Based Earthquake Engineering (PBEE) there is an increasing need for the development of rapid damage assessment methodologies for buildings that will enable stakeholders to take informed decisions for management of rescue resources, for reliable estimation of economic losses after an earthquake event in an urban area and for seismic rehabilitation of damaged infrastructure. An important difficulty to assess the post-earthquake functionality of a steel building is the fact that after an earthquake a detailed engineering inspection is typically required. These inspections cause long delays in getting back to operational stage even in those buildings that would most likely be classified as safe and functional after the inspection. This research thesis proposes a computationally efficient methodology for rapid earthquake damage on instrumented steel buildings located in an urban area that can facilitate these needs. A continuous model is employed as part of the proposed methodology that is calibrated within seconds with a computationally efficient optimization scheme, which uses an improved version of a general pattern search in combination with the modal minimization method. Based on the calibrated numerical model, the maximum story drift profile along the height of an instrumented steel building is obtained, given the recorded earthquake response at the instrumented floors of the same building. This drift profile is then used with drift-based fragility curves that express the probability of reaching or exceeding pre-described damage states in pre-qualified beam-to-column fully restraint moment connections. The proposed methodology is validated with a number of instrumented steel frame buildings located in a highly seismic urban area that experienced an actual earthquake event. Results show near perfect mapping of structural damage for light, intermediate and severely damaged steel frame buildings after a comparison with the actual damage inspections of the same buildings after the earthquake. The proposed methodology for rapid earthquake damage assessment on instrumented buildings is employed to demonstrate the concept of city-scale building simulation to facilitate emergency actions after a seismic event in an urban area. For this reason, we employed data from 22 stations in California that recorded the 1994 Northridge earthquake. Generalized structural damage maps are developed with the use of GIS for steel frame buildings around the Los Angeles area to illustrate the concept of "city-scale" structural damage assessment. The utilization of the proposed methodology is also demonstrated through an Android cell-phone application that has been developed that allows a structural engineer to conduct a qualitative structural damage assessment of an instrumented steel building after an earthquake on-the-fly while being on the building site.
Dans le contexte de la conception parasismique basée sur la performance (PBEE), il existe un besoin de développer des méthodes rapides d'évaluation de l'endommagement des bâtiments qui permettront aux intervenants de prendre des décisions éclairées dans leur gestion des ressources de sauvetage, l'estimation fiable des pertes économiques suite à un tremblement de terre dans une zone urbaine, ou bien la réhabilitation sismique des infrastructures endommagées. L'une des plus grandes difficultés rencontrées lors de l'évaluation de la fonctionnalité d'un bâtiment à ossature d'acier se présente lors de l'inspection technique détaillée, généralement requise suite à un tremblement de terre important. Ces inspections peuvent occasionner de longs retards avant le retour à la phase opérationnelle, et ce même lorsqu'un bâtiment est classé sécuritaire et fonctionnel. Pour pallier ces délais, cette thèse propose une méthodologie de calcul efficace qui permettra d'estimer rapidement la réponse maximale et le niveau d'endommagement probable d'un bâtiment en acier instrumenté dans une zone urbaine suite à un tremblement de terre de courte durée. Un modèle continu étalonné en quelques secondes avec un schéma d'optimisation de calcul efficace est proposé.. Le modèle utilise une version améliorée d'un modèle général de recherche ainsi que la méthode de minimisation modale. En appliquant le modèle numérique calibré aux réponses enregistrées aux étages instrumentés d'un bâtiment, il est possible d'obtenir le profil de déplacement inter-étage maximum. Ce profil est ensuite utilisé avec des courbes de fragilité qui indiquent la probabilité d'atteindre ou dépasser les états endommagés dans une connexion pré-qualifiée pour résister aux moments à l'intersection de la poutre et de la colonne. La méthodologie proposée est validée par un certain nombre de bâtiments instrumentés de type cadre en acier situés dans une zone hautement sismique en milieu urbain qui a subi un tremblement de terre. La comparaison entre les résultats du modèle et les dommages réels des bâtiments inspectés après le tremblement de terre indique une cartographie presque parfaite des dommages structuraux pour les bâtiments en acier avec des niveaux d'endommagement faible, intermédiaire et sévère. La méthodologie proposée pour l'évaluation rapide des dommages liés aux tremblements de terre sur les bâtiments instrumentés est utilisée pour illustrer le concept de "simulation des dommages à l'échelle urbaine" pour faciliter le déploiement des mesures d'urgence après un séisme. Pour cette application, nous avons utilisé les données de 22 stations situées en Californie qui ont enregistré le tremblement de terre de 1994 à Northridge. Des cartes répertoriant les dommages structuraux sont développées avec l'utilisation des SIG pour les bâtiments à ossature en acier autour de la région de Los Angeles. Il a été démontré que l'utilisation de la méthode proposée est également possible grâce à une application sur téléphone portable Android et qui permet à un ingénieur en structure de procéder à une évaluation qualitative "à la volée".
Idioma: en