Inelastic random earthquake response and reliability of ductile frames mixed with brittle elements 脆性的要素を含む骨組の非線形ランダム地震応答と信頼性

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著者

    • Al-Sadeq, Hafez アルサデク, ハフエズ

書誌事項

タイトル

Inelastic random earthquake response and reliability of ductile frames mixed with brittle elements

タイトル別名

脆性的要素を含む骨組の非線形ランダム地震応答と信頼性

著者名

Al-Sadeq, Hafez

著者別名

アルサデク, ハフエズ

学位授与大学

筑波大学

取得学位

博士 (工学)

学位授与番号

甲第2117号

学位授与年月日

1999-03-25

注記・抄録

博士論文

A mixed structural system of frames and brittle failure-type elements like infill walls are widely used in many parts of the world, especially in developing countries as a cheap and simple method for enclosing and partitioning spaces in office and residential frame building structures. The frame whose elements surround infill wall is called infilled frame which is considered as a typical example of mixed system in this study. Brittle elements are made from variety of local materials and in case of masonry infill walls, they are usually made from hollow/solid bricks or concrete blocks with mortar bond. In most cases, brittle elements are considered as non-structural elements and their influence on the response of the structural frame is ignored in design practice. Seismic behavior of the mixed system is rarely mentioned in seismic design codes and lack of guidance on this subject has motivated this study. Recent experimental and analytical studies have shown that introducing secondary elements like infill walls to moment-resisting frames generally enhance lateral stiffness, strength and energy absorption and dissipation capacity of the ductile frames. Nevertheless, the research already made in this subject have failed to quantify the effect of the brittle elements on the overall seismic response of the frames in convenient forms usable for design purpose. It is the aim of this study to bridge this gap and provide approximate-closed form expressions for that objective. Based on experimental data of infilled frame behavior under lateral loads, a simplified multi-linear hysteretic model is proposed for modeling restoring force in the brittle element with minimum controlling parameters. The restoring force model accounts for the brittle character of the secondary element by considering negative post-yielding stiffness parameter where stiffness degradation is assumed proportional to strength reduction, leading to its gradual failure and the force which was holding is gradually transferred to the frame. The model is incorporated into a general nonlinear dynamic response analysis program in which frame element has a simple bilinear hysteretic model with zero stiffness beyond yielding-Restoring force for the whole system is assumed as a combination of the frame and brittle element hysteretic loops. A flat power spectral density function is considered for generating one-hundred statistically independent stationary white noise acceleration time histories used as input motions. Parametric study is performed on wide ranges of mixed system stiffness, strength and input motion intensity. The attention is focused on two main response quantities: Accumulated plastic energy dissipated by frame element and frame ductility factor which are calculated for wide range of selected system data and input motion intensity. Statistical manipulations are made on the results and approximate expressions for the averages and standard deviations of the defined responses are developed. Making use of that expressions, reliability analysis for mixed system and pure frame system are performed and the drawn reliability curves are verified using direct probabilistic methods. Fitting agreements between simulation results and prediction estimates are analyzed and discussed as well. The mixed system response under real earthquake ground motions are performed for reference. To do that, real earthquake ground motions are processed in such a way that an approximate correspondence between real and artificial motions is made possible through selecting stationary-like part of each real input motion, then, relevant parameters are computed considering the selected motion as series of shot noise impulses. The mixed system response expressed in terms of accumulated plastic energy and ductility demands on the frame can be predicted using the developed formulations which are functions of the influential parameters. In general, seismic response of the frame in a mixed system is found to be lower relative to pure frame system, the degree of which depends on level and duration of input motion, and the system geometrical and mechanical characteristics. Finally, conclusions are drawn and recommendations for future research are given for the purpose of improving and extending the analysis and its application. 延性的な骨組の中に組みこまれた壁(infill wall)のような脆性的要素を含む混合構造系が広く世界で用いられている。多くの発展途上国では建築物の空間を仕切る安価で簡単な方法としてこのような混合構造がよく使われる。骨組要素が壁要素を含む場合、その骨組を壁付骨組(infilled frame)と呼ぶ。本研究で対象としている混合系の典型的な例がこの壁付骨組である。脆性的要素にはいろいろな材料が使われる。組積造の壁の場合には煉瓦やコンクリートブロックなどが用いられる。通常脆性的要素は非構造部材とみなされ、骨組の応答に与えるその影響は設計では無視される。混合系の地震時挙動が耐震設計基準に記述されることはほとんどなく、この種の間題に対する指針がないことが本研究を行う動機となっている。 最近の実験と解析によれば、骨組に壁のような二次要素を加えると一般に剛性、強度、エネルギー吸収能が増加することが分かる。しかし、脆性的要素が骨組の地震応答に与える影響を実際の設計に使えるような便利な形で評価する研究成果はまだ得られていない。この溝をうめ、閉じた形の近似表現を用意することが本研究の目標である。水平力を受ける壁付骨組の挙動に関する実験資料に基づき、単純化された多折線の履歴モデルを脆性的要素の復元力特性として設定する。このモデルは二次要素の脆性的特性を降伏後の負剛性で表している。剛性の低下は強度の低下に比例するとし、脆性的要素の損傷に応じて荷重がその要素から延性的な骨組に移っていくものとする。このモデルが汎用の非線形応答解析プラグラムに組みこまれる。延性骨組は塑性剛性がゼロの単純なバイリニア型履歴特性をもつとする。混含系の復元力は脆性的要素と延性的骨組の復元力を足したものとする。入力加速度は一定のパワースペクトル密度関数をもつ平均値ゼロの定常ホワイトノイズとし、互いに独立な100個の時刻歴を発生させて入力地震動とする。混合系の剛性と強度、入力強度などの広い範囲の値に対するパラメータ解析を行う。 二つの応答量に注目する。骨組によって消費される累積塑性エネルギーと骨組の塑性率である。得られた結果を統計的に処理し、これらの応答量の平均値と標準偏差の近似的表現式を作成する。この表現式を用いて混合系の信頼性解析を行い、シミュレーション解析によって求められた信頼性関数と比較する。近似解と数値解は実用的に許容できる範囲で互いによく一致することが分かる。参考のために実際の地震動による混合系の応答も解析する。このとき実際の地震動の定常部分を近似的に等価な定常ショットノイズとみなして、ホワイトノイズによる応答と対応させている。 累積塑性エネルギーと塑性率で表される混合系の応答は、影響するパラメータの関数である作成された表現式によって精度よく予測することができる。一般に、混合系における骨組の地震応答は骨組だけの応答に比べて小さく、その程度は入力の強度と継続時間および系の特性を表すパラメータに依存する。最後に本論文の結論と将来の研究の方向に言及している。

Thesis (Ph. D. in Engineering)--University of Tsukuba, (A), no. 2117, 1999.3.25

目次

  1. CONTENTS / p1 (0003.jp2)
  2. SYMBOLS / p3 (0005.jp2)
  3. FIGURES / p5 (0007.jp2)
  4. ACKNOWLEDGEMENTS / p7 (0009.jp2)
  5. ABSTRACT / p8 (0010.jp2)
  6. ABSTRACT(in Japanese) / p10 (0012.jp2)
  7. 1. INTRODUCTION / p1 (0015.jp2)
  8. 1.1 Statement of the problem / p1 (0015.jp2)
  9. 1.2 Brief review of previous research / p4 (0018.jp2)
  10. 1.3 Study objectives / p8 (0022.jp2)
  11. 1.4 Study layout / p8 (0022.jp2)
  12. 2. EARTHQUAKE EXCITATION / p10 (0025.jp2)
  13. 2.1 Introduction / p10 (0025.jp2)
  14. 2.2 Simulation of real earthquake ground motions / p10 (0025.jp2)
  15. 2.3 Artificial input motions / p14 (0029.jp2)
  16. 2.4 Correspondence between real and artificial input motions / p18 (0033.jp2)
  17. 3. ADOPTED HYSTERETIC MODELS(Structural Models) / p24 (0040.jp2)
  18. 3.1 Introduction / p24 (0040.jp2)
  19. 3.2 Frame and brittle element hysteretic models / p25 (0041.jp2)
  20. 3.3 Input motion and system input data / p28 (0044.jp2)
  21. 3.4 Equilibrium equation of motion / p28 (0044.jp2)
  22. 3.5 Response under individual white noise samples / p30 (0046.jp2)
  23. 4. INELASTIC DYNAMIC RESPONSE PREDICTION / p33 (0049.jp2)
  24. 4.1 Introduction / p33 (0049.jp2)
  25. 4.2 Energy balance equation / p34 (0050.jp2)
  26. 4.3 Simulation and prediction of average plastic energy / p37 (0053.jp2)
  27. 4.4 Simulation and prediction of average ductility factor / p45 (0061.jp2)
  28. 4.5 Simulation and prediction of plastic energy standard deviation / p49 (0065.jp2)
  29. 4.6 Simulation and prediction of ductility factor standard deviation / p53 (0069.jp2)
  30. 4.7 Verification for other post-yielding stiffness ratio / p57 (0073.jp2)
  31. 4.8 Expressions summary and general formula setup / p60 (0076.jp2)
  32. 4.9 Fitting agreement / p61 (0077.jp2)
  33. 4.10 Relationship between response quantities / p63 (0079.jp2)
  34. 4.11 General curves capturing the effect of brittle element on seismic response of ductile frame / p68 (0084.jp2)
  35. 4.12 Response under real earthquakes / p71 (0087.jp2)
  36. 5. RELIABILITY ANALYSIS / p80 (0097.jp2)
  37. 5.1 Introduction / p80 (0097.jp2)
  38. 5.2 Reliability analysis / p80 (0097.jp2)
  39. 6. CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS / p88 (0106.jp2)
  40. 6.1 Conclusions / p88 (0106.jp2)
  41. 6.2 Recommendations for future research / p89 (0107.jp2)
  42. REFERENCES / p91 (0109.jp2)
  43. PUBLICATIONS / p93 (0111.jp2)
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各種コード

  • NII論文ID(NAID)
    500000185623
  • NII著者ID(NRID)
    • 8000000185905
  • DOI(NDL)
  • 本文言語コード
    • jpn
  • NDL書誌ID
    • 000000349937
  • データ提供元
    • 機関リポジトリ
    • NDL ONLINE
    • NDLデジタルコレクション
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