Engineering utilization of simulated earthquake ground motions for response history analyses of structures

In recent years the evolution in computing power and the parallel processing capabilities of modern engineering software have enabled the use of sophisticated dynamic non-linear numerical analysis methods for seismic design and assessment of civil engineering structures nowadays. In contrast to the past, when elastic static analysis was almost exclusively used for seismic design of structures, the state of practice has gradually shifted towards dynamic-elastic, nonlinear-static and even nonlinear response history analysis. To perform dynamic analyses, the selection and scaling of the appropriate set of earthquake ground motions time histories to be used as seismic input excitation is crucial, due to the significant sensitivity of structural response to the assumptions made in forming the necessary set of earthquake input motions. When recorded accelerograms are limited or missing, several seismic codes around the world allow the use of ground motions generated through the simulation of the seismic wave propagation problem in the Earth's crust. This thesis focuses on the issues related to the selection and scaling of earthquake motion for nonlinear time-history analyzes of simplified structural models. Special emphasis is placed on the use of simulated ground motions and their validation against analyses obtained with recorded motions. As an application case study, the results of nonlinear analyses of a single- degree-of-freedom elastoplastic system with different strength reduction factors of elastic forces subjected to both spectrally compatible recorded and simulated ground motions are analyzed and discussed. Thesis also focuses on the validation of simulated motions for seismic analyses at near-source sites, where pulse-like input ground motions associated with directivity effects are considered.

Negli ultimi anni l'evoluzione della potenza di calcolo e le capacità di elaborazione parallela dei moderni software di ingegneria hanno consentito l'uso di sofisticati metodi di analisi numerica dinamica non lineare per la progettazione e la valutazione sismica delle strutture di ingegneria civile al giorno d'oggi. Contrariamente al passato, quando l'analisi statica elastica era quasi esclusivamente utilizzata per la progettazione sismica delle strutture, lo stato della pratica si è gradualmente spostato verso l'analisi dinamica-elastica, non lineare-statica e persino non lineare della storia della risposta. Per eseguire analisi dinamiche, la selezione e la messa in scala dell'insieme appropriato di storie temporali dei movimenti del suolo dei terremoti da utilizzare come eccitazione dell'input sismico è cruciale, a causa della significativa sensibilità della risposta strutturale alle ipotesi formulate nella formazione dell'insieme necessario di moti dell'input del terremoto . Quando gli accelerogrammi registrati sono limitati o mancano, diversi codici sismici in tutto il mondo consentono l'uso di movimenti del suolo generati attraverso la simulazione del problema di propagazione delle onde sismiche nella crosta terrestre. Questa tesi si concentra sulle questioni relative alla selezione e alla messa in scala del moto sismico per analisi cronologiche non lineari di modelli strutturali semplificati. Particolare enfasi è posta sull'uso di movimenti del suolo simulati e sulla loro validazione rispetto ad analisi ottenute con movimenti registrati. Come caso di studio applicativo, vengono analizzati e discussi i risultati delle analisi non lineari di un sistema elastoplastico a singolo grado di libertà con diversi fattori di riduzione della resistenza delle forze elastiche soggette sia a movimenti del suolo registrati che simulati spettralmente compatibili. La tesi si concentra anche sulla validazione di moti simulati per analisi sismiche in siti vicini alla sorgente, dove vengono considerati i moti del suolo in ingresso simili a impulsi associati agli effetti di direttività.