Analysis of seismic pounding of moderate-height RC buildings with aligned slabs
Authors:   , Kharazian Alireza 
Published: July 2023

Collision between adjoining buildings is relevant, since the huge impact forces significantly modify the buildings dynamic behaviour. The separation required by the regulations avoids pounding; however, even in recent buildings, impact can occur due to not fulfilment of codes and seismicity underestimation. Given the importance of this issue, the main objective of this work is to provide efficient simulation tools and to study the relevance of seismic pounding into the most common situations. This work presents a summary of the theoretical developments, discusses the most common simulation software, provides an overview of the previous research, offers recommendations to researchers, and identifies research needs. A new formulation is introduced to estimate the Kelvin-Voigt model damping parameter; it is selected by releasing one of the assumptions of the previous formulations, i.e. considering the influence of the colliding building structures. A simplified parametric study oriented to investigate the performance of the proposed formulation is performed; as well, criteria for selecting their input parameters are provided. Numerical examples on pounding between two multi-storey multi-bay RC buildings are presented, and a shaking table pounding experiment is numerically simulated with the proposed formulation. This Thesis presents a parametrical study on seismic pounding between adjoining short-to-mid height RC framed buildings with aligned slabs. Such condition has been chosen for being highly widespread, mainly in developing countries; two 3 and 5-storey buildings are selected. The buildings are designed for high seismicity. The study consists of analysing the dynamic response of the colliding buildings to a number of representative strong seismic inputs. The inputs are selected based on the soil type and the existence of velocity pulses. Pounding is described by a Kelvin-Voigt linear model; its damping coefficient is derived after the estimated coefficient of restitution by following traditional and more advanced formulations. The behaviour of the buildings is simulated with frame finite element models; nonlinearities are concentrated in plastic hinges located at the ends of each element (concentrated plasticity) whose moment-curvature law is represented by fibre models. Apart from the buildings themselves, the parameters of the study are the soil type, the presence of pulses in the inputs, the damping and stiffness coefficients of the impact model, the separation between the buildings, and the soil-structure interaction. The performance indices are the maximum inter-storey drift, the absolute acceleration and storey shear force, and the cumulated hysteretic energy. The obtained results highlight the relevance of pounding; the influence of the aforementioned parameters is discussed.
La col·lisió entre edificis adjacents és rellevant, atès que les enormes forces d'impacte generades modifiquen significativament el seu comportament dinàmic. La separació requerida per la normativa sol ser suficient per evitar l'impacte; però, fins i tot a edificis recents, aquest pot ocórrer a causa del no compliment dels codis i la subestimació de la sismicitat. Atesa la importància d'aquesta problemàtica, el principal objectiu d'aquest treball és proporcionar eines de simulació eficients i estudiar la rellevància, a les situacions més comuns, de l'impacte causat per l'acció sísmica. Aquest treball presenta un resum dels desenvolupaments teòrics, discuteix la utilitat dels programes d'ordinador més comuns, proporciona una visió general de les investigacions anteriors, ofereix recomanacions als investigadors que desitgin endinsar-se a aquest camp, i identifica les necessitats més peremptòries de recerca . S'introdueix una nova formulació per estimar l'amortiment del model de Kelvin-Voigt; aquest s'estima alliberant una de les hipòtesis de les formulacions anteriors, més concretament, es considera la influència de les estructures dels edificis que xoquen. Es realitza un estudi paramètric simplificat orientat a investigar el rendiment de la formulació proposta, i es proporcionen criteris per seleccionar els seus paràmetres d'entrada. Es presenten exemples numèrics sobre l'impacte entre dos edificis de formigó armat de diversos pisos i diversos trams i es simula numèricament, amb la formulació proposta, un experiment a un simulador de terratrèmols (taula vibratòria). A aquesta Tesi es presenta un estudi paramètric sobre l'impacte sísmic entre edificis de pòrtics de formigó de baixa a mitja alçada; aquests edificis tenen sostres situats a la mateixa alçada. Aquesta condició ha estat escollida per ser força habitual, principalment a països en desenvolupament; s'analitzen dos edificis de 3 i 5 plantes. Aquests edificis es dimensionen per a sismicitat elevada. L'estudi consisteix a analitzar la resposta dinàmica dels edificis sotmesos a una sèrie de accelerogrames forts representatius. Aquestes excitacions se seleccionen sobre la base del tipus de sòl i de l'existència d'impulsos de velocitat. L'impacte es descriu mitjançant un model lineal de Kelvin-Voigt; el seu coeficient d'amortiment s'obté a partir del coeficient estimat de restitució seguint la formulació tradicional i la nova estratègia proposada. El comportament dels edificis es representa amb models d'elements finits de barres; les no-linealitats es concentren en ròtules plàstiques situades als extrems de cada element estructural (plasticitat concentrada); els seus diagrames moment-curvatura estan representats per models de fibra. A part de les característiques dels propis edificis, els paràmetres de l'estudi són: el tipus de sòl, la presència d'impulsos a les excitacions, els coeficients d'amortiment i rigidesa del model d'impacte, la separació entre els accelerogrames, i la interacció entre el sòl i l'estructura. Els índexs d'acompliment són: la deriva màxima entre pisos, l'acceleració absoluta i la força de tall a les plantes, i l'energia histerética acumulada. Els resultats obtinguts posen de relleu la rellevància de l'impacte; es discuteix la influència dels paràmetres abans esmentats.
La colisión entre edificios adyacentes es relevante, ya que las enormes fuerzas de impacto generadas modifican significativamente su comportamiento dinámico. La separación requerida por la normativa suele ser suficiente para evitar el impacto; sin embargo, incluso en edificios recientes, éste puede ocurrir debido al no cumplimiento de los códigos y la subestimación de la sismicidad. Dada la importancia de esta problemática, el principal objetivo de este trabajo es proporcionar herramientas de simulación eficientes y estudiar la relevancia, en las situaciones más comunes, del impacto debido a la acción sísmica. Este trabajo presenta un resumen de los desarrollos teóricos, discute la utilidad de los programas de ordenador más comunes, proporciona una visión general de las investigaciones anteriores, ofrece recomendaciones a los investigadores que deseen adentrarse en este campo, e identifica las necesidades más perentorias de investigación. Se introduce una nueva formulación para estimar el amortiguamiento del modelo de Kelvin-Voigt; éste se estima liberando una de las hipótesis de las formulaciones anteriores, más concretamente, se considera la influencia de las estructuras de los edificios que chocan. Se realiza un estudio paramétrico simplificado orientado a investigar el rendimiento de la formulación propuesta, y se proporcionan criterios para seleccionar sus parámetros de entrada. Se presentan ejemplos numéricos sobre el impacto entre dos edificios de hormigón armado de varios pisos y varios vanos y se simula numéricamente, con la formulación propuesta, un experimento en un simulador de terremotos (mesa vibratoria). En esta Tesis se presenta un estudio paramétrico sobre el impacto sísmico entre edificios de pórticos de hormigón de baja a media altura; estos edificios tienen forjados situados a la misma altura. Dicha condición ha sido elegida por ser común, principalmente en países en desarrollo; se analizan dos edificios de 3 y 5 plantas. Estos edificios se dimensionan para sismicidad elevada. El estudio consiste en analizar la respuesta dinámica de los edificios sometidos a una serie de acelerogramas fuertes representativos. Estas excitaciones se seleccionan en base al tipo de suelo y a la existencia de impulsos de velocidad. El impacto se describe mediante un modelo lineal de Kelvin-Voigt; su coeficiente de amortiguación se obtiene a partir del coeficiente estimado de restitución siguiendo la formulación tradicional y la nueva estrategia propuesta. El comportamiento de los edificios se representa con modelos de elementos finitos de barras; las no linealidades se concentran en rótulas plásticas situadas en los extremos de cada elemento estructural (plasticidad concentrada); sus diagramas momento-curvatura están representados por modelos de fibra. Aparte de las características de los propios edificios, los parámetros del estudio son: el tipo de suelo, la presencia de impulsos en los acelerogramas, los coeficientes de amortiguación y rigidez del modelo de impacto, la separación entre los acelerogramas, y la interacción entre el suelo y la estructura. Los índices de desempeño son: la deriva máxima entre pisos, la aceleración absoluta y la fuerza de corte en pisos, y la energía histerética acumulada. Los resultados obtenidos ponen de relieve la relevancia del impacto; se discute la influencia de los parámetros antes mencionados.