Soil-structure interaction in the performance-based seismic design of reinforced-concrete buildings
Authors:   , Baquero Mosquera Juan Sebastián 
Published: February 2024

(English) When analyzing structures for seismic design and performance assessment purposes, it has been common to assume that the ground motions or their equivalent representations correspond to that of the free-field characteristics. Implicit in this assumption was the reduced or no understanding of how the behavior of the soil beneath the studied structures modifies their global dynamic response and that of the foundation-level ground itself to a certain extent. While employing the free-field criteria to the seismic demand could closely reflect the actual response of structures found over firm and stiff soils, poorer soil characteristics indeed change how ground motions are propagated throughout the soil medium, mainly given the presence of a structure. Moreover, changes in the foundation-level ground motions don’t come alone, but the structural responses are also modified due to the reduced support capacities of a soft soil. The reason for these alterations in the response is that the soft soil must be considered part of the analyzed soil-structure system (SSS), somewhat increasing its deformability. These effects over the response have been studied approximately since the second half of the twentieth century. From then on, this phenomenon's understanding have constantly grown to the point of nowadays becoming a broad research area devoted to studying the so-called soil-structure interaction (SSI) effects. In this regard, it has gradually become more common to find specialized chapters in design standards around the world dedicated to giving guidelines for the seismic design of buildings with interaction effects considerations. Within the North American scope, for instance, the ASCE-7 and the ASCE-41 standards prescribe, respectively, seismic design and performance assessment requirements that account for the SSI effects for their corresponding individual purposes. However, the requirements and recommendations in such standards still rely on the outcomes of oversimplified linear equivalent models of the structure and supporting soil, focusing only on reflecting the beneficial effects of the SSI phenomenon, even though it is well-known that the soil-structure interaction can also induce detrimental effects in the structural response. Supported on the seismic performance assessment results of an RC buildings database, a pair of factors dedicated to modifying the seismic design demand and the expected inelastic deformations are recommended to improve the building design in terms of measured performance. Thus, a-factor and aCd are called to meet the needs of improving strength and stiffness buildings’ characteristics, respectively, achieving adequate Life Safety and Collapse Prevention structural performance levels; considering not only the beneficial effects of the SSI phenomenon but the detrimental ones, seeking to change the current paradigms of the code-prescribed provisions for assessment and design practices. In accomplishing these goals, estimation models were generated for the a - and aCd factors through regression analysis methods. Advanced computational tools such as OpenSeesPy for the design and assessment of the buildings in the database and machine-learning regression techniques for generating the estimation models, were used to ease the development of the tasks involved. It is demonstrated that the generated correlation models can translate the performance indicators obtained through simple analysis procedures and models to those determined using more complex counterparts. This represents a leap forward in the performance assessment process since the time-consuming Nonlinear Time-History Analysis (NLTHA) can be skipped using a less complex model and analysis procedures. In addition, a - and aCd factors values proved to successfully produce sound building designs that achieve expected structural performance levels while considering SSI effects.

(Español) En análisis estructural destinado al diseño y evaluación del desempeño sísmico, ha sido común suponer que los movimientos del suelo o sus representaciones equivalentes corresponden a aquellos de campo libre. Implícito en esta suposición está la reducida o nula comprensión de cómo el comportamiento del suelo debajo de las estructuras estudiadas modifica su respuesta dinámica global y la del suelo a nivel de cimentación. Si bien el empleo de las características de campo libre para la demanda sísmica podría reflejar acertadamente la respuesta real de las estructuras cimentadas sobre suelos firmes y rígidos, suelos con características más pobres modifican la forma en la que se propagan las ondas sísmicas en el medio; sobre todo ante la presencia de una estructura. Además, los cambios en los movimientos del suelo a nivel de cimentación no vienen solos, sino que las respuestas estructurales también se modifican debido dada la baja capacidad portante de suelos blandos. La razón de estas alteraciones en la respuesta es que el suelo blando se considera parte del sistema suelo-estructura analizado (SSS), aumentando su deformabilidad. Estos efectos sobre la respuesta han sido estudiados desde hace ya varias décadas y su comprensión ha crecido constantemente hasta el punto de convertirse en la actualidad en una amplia área de investigación dedicada al estudio de los llamados efectos de interacción suelo-estructura (SSI). Se ha vuelto más común encontrar capítulos especializados en estándares de diseño alrededor del mundo dedicados a dar pautas para el diseño sísmico de edificios considerando estos efectos de interacción. Normativa norteamericana, por ejemplo, las normas ASCE-7 y ASCE-41, respectivamente, entregan requisitos de evaluación de desempeño y diseño sísmico que toman en cuenta los efectos SSI. Sin embargo, los requisitos y recomendaciones en dichas normas se basan en resultados de modelos simplificados lineales equivalentes de la estructura y el suelo de soporte, reflejando solamente los efectos beneficiosos del fenómeno SSI, aunque se conoce ya que los efectos pueden ser también perjudiciales para la respuesta estructural. Basado en la respuesta de la evaluación del desempeño sísmico de edificios de hormigón armado, se determinan y proponen un par de factores dedicados a modificar la demanda de diseño sísmico y las deformaciones inelásticas esperadas para mejorar el diseño sísmico. Los factores a y aCd tienen como objetivo mejorar las características de resistencia y rigidez de los edificios, respectivamente, logrando niveles adecuados de desempeño estructural de Seguridad de Vida y Prevención de Colapso; considerando no solo los efectos beneficiosos del fenómeno SSI sino también los perjudiciales, buscando cambiar los paradigmas actuales de requisitos de norma para el diseño y la evaluación del desempeño sísmico. Para cumplir con estos objetivos, se generaron modelos de estimación para los factores a - y aCd a través de métodos de análisis de regresión. Se utilizaron herramientas computacionales avanzadas como OpenSeesPy para el diseño y evaluación de los edificios en la base de datos y técnicas de regresión de aprendizaje automático para generar los modelos de estimación. Se demuestra que los modelos de correlación generados pueden traducir los indicadores de desempeño obtenidos a través de procedimientos y modelos de análisis simples en comparación de aquellos determinados usando contrapartes más complejas. Esto representa un avance en el proceso de evaluación del desempeño, ya que el análisis no-lineal tiempo-historia (NLTHA, por sus siglas en inglés) que es demandante computacionalmente, se puede omitir utilizando un modelo y procedimientos de análisis menos complejos. Además, los valores de los factores a y aCd demostraron producir con éxito diseños de edificios seguros que logran los niveles de desempeño estructural esperados al considerar los efectos SSI.