Evaluation of vertical ground and floor accelerations and spectra in elastic RC frame buildings located in Eastern Canada

Mazloom, Shahabaldin (2023). Evaluation of vertical ground and floor accelerations and spectra in elastic RC frame buildings located in Eastern Canada. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Whilst significant structural damage to buildings has generally been rare as a result of recent moderate and severe earthquakes, destructive non-structural damage has been much more widespread and can lead to additional economic loss. In most codes and standards, only the effect of the horizontal component has been discussed in relation to seismic design and analysis. The effect of the vertical component has been less considered or completely neglected. However, the effect of vertical seismic acceleration can be more impressive in some cases and severely affect a building’s structural performance and, consequently, its nonstructural components (NSCs). The National Building code of Canada (NBC, 2015) is mainly limited to an empirical ratio of 2/3 in the relationship between vertical and horizontal acceleration. Also, in this code, the requirement to consider the vertical seismic component is limited only to structures with long spans, pre-stressed structures, and structures with highly stressed elements under gravity loads.

In this project, the characteristic of the vertical component of ground motions for Site Class C in the Eastern Canada seismic region was investigated, and a relation was proposed to establish the vertical design spectral acceleration using the vertical-to-horizontal pseudo-spectral acceleration ratios (V/H PSA) obtained from the selected 248 records of 67 earthquakes of this region with a magnitude Mw ≥ 3.0 and an epicentral distance (Repi) <150 km. Due to the lack of enough records for very dense soil according to the mentioned criteria in this region, records from other soil types than very dense soil and soft rock were converted to the corresponding records on Site Class C using the software DEEPSOIL. The computed V/H PSA ratios were calibrated with those obtained from compatible Ground Motion Prediction Equations (GMPEs). The computed mean V/H PSA ratios exceeded the typical value of 2/3 recommended in NBC 2015, especially for short periods of up to 1.3 sec. A profile of vertical acceleration design spectra (ADSver) was proposed for Site Class C in Montreal and compared with those obtained by ASCE/SEI 7-16 (2017) and ASCE 41-17 (2017) provisions.

In addition, the effect of building height and the flexibility of the slab on the vertical response of the floor system, including different locations within the floor and along the building height on the amplification of vertical peak floor accelerations and floor spectral accelerations was assessed. To this end, four 3-D elastic regular RC moment-resisting frame buildings with limited ductility for the location on Site Class C of Montreal. Therefore, 3-, 6-, 9- and 12- storey regular RC buildings with moderately ductile moment-resisting frame systems and three spans of 7.0 meters in each direction, designed in accordance with the National Building Code of Canada (NBC 2015), were selected for this research. Moreover, 65 sets of historical records relating to 31 severe earthquakes from across the world as input time history accelerations were used to analyze the linear behavior of these structures.

The maximum amplification of vertical Peak Floor Acceleration (PFAV) was observed at the center of the buildings’ interior slab, with the maximum median normalized values ranging from 4.0 in the 3-storey building, to 1.24 in the 12-storey building. Moreover, the constant amplification of the vertical Floor Spectral Acceleration (FSAV) was observed along the building height. The significant impact of the vertical component of the earthquake was more visible at shorter periods since the maximum vertical acceleration resulted at periods of less than 0.35 sec. Finally, the estimated FSAV corresponding to the input vertical ground acceleration was proposed for the typical buildings. Therefore, this study indicates that the vertical earthquake motion should not be overlooked in the analysis and design process, especially in low-rise buildings.

Titre traduit

Évaluations des accélérations et spectres verticaux au sol et de plancher dans des bâtiments élastiques en béton armé à ossature résistant aux moments situés dans l’est du Canada

Résumé traduit

Alors que les dommages structuraux de bâtiments ont généralement été rares à la suite des récents tremblements de terre modérés et sévères, les dommages associés aux composants non structuraux ont été beaucoup plus répandus et peuvent entraîner des pertes économiques supplémentaires. Dans la plupart des codes et normes, seul l'effet de la composante horizontale a été considéré en relation avec la conception et l'analyse sismique de la structure et des composants non structuraux (CNS), et l'effet de la composante verticale a été moins pris en compte ou complètement négligé. D’autre part, l'effet de l'accélération sismique verticale peut être significatif dans certains cas et affecter gravement les performances structurelles d'un bâtiment et, par conséquent, ses composants non structuraux. Le Code national du bâtiment du Canada (CNB, 2015) se limite principalement à un rapport empirique de 2/3 dans la relation entre l'accélération verticale et horizontale. De plus, l'exigence de prendre en compte la composante sismique verticale est limitée uniquement aux structures de longue portée, aux structures précontraintes et aux structures avec des éléments fortement sollicités sous des charges de gravité.

Dans ce projet, les caractéristiques de la composante verticale des mouvements du sol pour le sol très dense avec une catégorie d’emplacement C dans la région sismique de l'Est du Canada a été étudiée, et une relation a été proposée pour établir l'accélération spectrale verticale de conception en utilisant les rapports d'accélération pseudo-spectrale verticale/horizontale. Pour cela, 248 enregistrements sélectionnés de 67 séismes de cette région avec une magnitude Mw 3.0 et une distance épicentrale (Repi) 150 km ont été étudiés. En raison du manque d'enregistrements pour le sol ferme selon les critères mentionnés dans cette région, les enregistrements d'autres types de sol que le sol très dense ont été convertis en enregistrements correspondants à la catégorie d’emplacement C en utilisant le logiciel DEEPSOIL. Les rapports V/H PSA calculés ont été calibrés avec ceux obtenus à partir des équations de prédiction des mouvements du sol (GMPEs) compatibles. Les rapports V/H PSA moyens calculés ont dépassé la valeur typique de 2/3 recommandée dans le CNB, en particulier pour les courtes périodes allant jusqu'à 1,3 sec. Un profil des spectres de conception de l'accélération verticale (ADSver) a été proposé pour la catégorie d’emplacement C à Montréal et comparé à ceux obtenus par les dispositions de l'ASCE/SEI 7-16 (2017) et de l'ASCE 41-17 (2017).

En outre, l'effet de la hauteur du bâtiment et de la flexibilité de la dalle sur la réponse verticale du système de plancher, y compris à différents endroits du plancher et le long de la hauteur du bâtiment en termes d'amplification verticale des accélérations maximales du plancher et des accélérations spectrales du plancher, a été évalué à l'aide de simulations numériques en 3D. Par conséquent, quatre bâtiments en béton armé réguliers de 3, 6, 9 et 12 étages à ossature élastique résistant au moment avec une ductilité limitée pour la catégorie d'emplacement C à Montréal et trois portées identiques de 7,0 mètres dans chaque direction, conçus conformément au Code national du bâtiment du Canada (CNB, 2015), ont été sélectionnés pour cette recherche. De plus, 65 ensembles d'enregistrements historiques relatifs à 31 tremblements de terre sévères du monde entier en tant qu'accélérations temporelles ont été utilisés pour analyser le comportement linéaire de ces structures.

L'amplification maximale de l'accélération verticale maximale au plancher (AMPV) a été observée au centre de la dalle intérieure des bâtiments, avec des valeurs médianes normalisées maximales allant de 4,0 dans le bâtiment de 3 étages à 1,24 dans le bâtiment de 12 étages. De plus, l'amplification constante de l'accélération spectrale verticale de plancher (ASPV) a été observée le long de la hauteur des bâtiments. L'impact significatif de la composante verticale du tremblement de terre était plus visible à des périodes plus courtes puisque l'accélération verticale maximale résultait à des périodes inférieures à 0,35 s. Enfin, le ASPV estimé correspondant à l'accélération verticale du sol d'entrée a été proposé pour les bâtiments types. Par conséquent, cette étude indique que le mouvement sismique vertical ne doit pas être négligé dans le processus d'analyse et de conception, en particulier dans les bâtiments de faible hauteur.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 182-193).
Mots-clés libres:	composant non structurel (CNS), mouvement vertical du sol, accélération spectrale de conception verticale (ASCver), accélération maximale du plancher (AMP), accélération spectrale du plancher (ASP), ossature en béton armé résistant au moment
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Assi, Rola
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	28 août 2023 14:38
Dernière modification:	28 août 2023 14:38
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3253

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