Elastic Demand Spectra

Elastic Demand Spectra Kyriazis Pitilakis, Anastasios Anastasiadis, Dimitris Pitilakis, Konstantinos  Trevlopoulos, Konstantinos Senetakis

Aristotle University, Thessaloniki, 54124, Greece

Abstract Elastic demand spectra for performance­based design are normally estimated from  the acceleration design spectra proposed in seismic codes, for different general  soil categories under free­field soil conditions. Their accuracy must be perman­ ently checked using recently acquired strong ground motion records from stations  with well­constrained soil conditions. A comparison of the EC8 elastic response  spectra for soil categories B and C, with more than 300 high quality worldwide re­ cords, is presented in the present paper. It is proved that the EC8 demand spectra  need further improvement, in order to be better correlated with actual recordings.  Moreover, the design demand spectra when applying the principles of the per­ formance­based design, should take into account the effects of the soil­foundation­ structure interaction and the potential foundation soil improvement, which may  modify considerably the design input motion, compared to the free­field condi­ tions. The representative cases  presented herein demonstrate the importance  of  these two issues in the aseismic design of structures. The final conclusion of the  present illustrative work is that the elastic demand spectra to be used for an accur­ ate seismic design, may differ considerably from the demand spectra provided in  the code, which do not take into account the issues that are shortly described and  discussed in this paper.

Introduction Performance­based seismic design requires the estimation and selection of elastic  acceleration and displacement spectra for different damping ratios in a wide range  of periods. In this study, demand spectra from a well constraint database of strong  ground motion records from Japan, Greece and United States, in well defined soil 

2 

conditions, are computed. The results are presented for different soil categories,  and for two different seismic excitation levels, as it is suggested in EC8. The dis­ cussion is focused on the differences between the design demand spectra of EC8  and the computed demand spectra from a large data set of real records. Traditionaly, the demand spectra are calculated at the foundation level for the  free­field soil response, assuming linear soil behavior. However this is not true in  practice.   The   soil   behavior   is   not   linear   elastic   and   the   the   soil­foundation­ structure interaction may modify considerably the design input motion and hence  the elastic demand spectra. In this paper, an equivalent linear approximation is  implemented in the substructure approach (D.Pitilakis and Clouteau 2009) of soil­ foundation­structure  interaction  (SFSI). The theoretical  model  is  presented  and  then   applied   on   a   simple   soil­foundation­structure   (SFS)   configuration.   The  simplified model is subjected to different input ground motions, aiming to excite  the nonlinear soil behavior. The combined effects of the SFSI and the nonlinear  soil   behavior   on   the   spectral   demand   of   the   system   are   highlighted   through  parametric analyses in the context of the performance based design. Finally, in many real  cases, where  important structures  are  founded on soft  soils of low strength, it is necessary to improve soil conditions using different  techniques. One of the most popular is the construction of stone columns. A re­ cently developed alternative technique replace at a given depth the initial soil with  a   compacted   mixture   of   rubber   and   sand   material   (RSM)   (Anastasiadis   et   al.  2009). The elastic demand spectra under these conditions may differ considerably  from the demand spectra of the initial soil. The behavior of a simple SFS system  founded on a soft cohesive soil that corresponds to soil category C according to  Eurocode 8 replaced with rubber­sand compacted layer, is examined in the present  paper. Three RSM materials having 0%, 5% and 25% rubber by mixture weight  ratio are used in this study. The overall depth of the replacement columns is 20m,  and the ratio of face replacement is on the order of 10%. The effect of the soft soil  RSM reinforcement on the demand spectra of a SDOF structure is depicted for the  seismic input of the Athens, Greece 1999 earthquake. Similar analysis where per­ formed for the traditional stone column improvement. The aim of these three parts of the work is to validate the reliability of EC8 de­ mand spectra with a large sample of high quality worldwide records, and to high­ light some important aspects of the selection of the design elastic demand spectra  in view of the performance based design. Real structures on good or poor soil con­ ditions are rarely  subjected  to the elastic demand spectra  proposed by seismic  codes, which correspond to an ideal free­field ground motion. SFSI, soil non­lin­ earity and soil improvement may modify considerably the design elastic demand  spectra.

3

Comparison of EC8 elastic demand spectra with worldwide  strong ground motion records 

Selection of strong ground motion records A large set of high quality, mainly digital, records worldwide has been selected  and processed in order to calculate separately the horizontal elastic acceleration  and the displacement spectra directly from the respective time histories after prop­ er filtering. The results are then presented in terms of elastic demand spectra. A large number (~1000) of well­documented strong ground motion recordings  with different PGA values, Mw magnitudes and epicenter distances were selected  for the soil classes studied in this paper (Fig.1). The selection is based on their  very   good   knowledge   of   dynamic   soil   properties   (mainly   Vs   values),   and   the  knowledge of the depth of the bedrock basement. In this paper we present a selec­ ted sample of about 300 records. They were provided from Japan (164 KiK­Net  records), Greece, (58 records) and from USA­ California (86 strong ground re­ cords from the COSMOS Virtual Data Center and the National Strong Motion  Project Datasets) (Fig. 2a). The seismic records are classified in two main categor­ ies   depending   on   the   level   of   seismic   intensity,   Mw>5.5   (or   approximately  PGA>0.2g) and Mw0.2) and Mw5.5 Normalized Acceleration Spectral Values

Soil Calss B M>5.5 62.75.5

MEAN VALUES

Soil Class B M5.5, n=92  records and (b) for M5.5), the design demand spectra of EC8 and the proposed demand  spectra by Pitilakis et al. (2004) are better correlated with the mean values +1SD  (Fig. 4). For earthquakes with M5.5 there are 70 records;  28 records from Japan, 14 from the Greece and 28 from California. The range of  PGA values varies between 59gal and 741gal. For M5.5 595.5, n=70 records): (a) Absolute and  (b) Normalized demand spectra  Soil Class C M>5.5

MEAN VALUES 4

EC8 C (CEN 2004), TYPE 1 C1 TYPE 1

3

C2 TYPE 1

2

1

Normalized Acceleration Spectral Values

MEAN VALUES + 1SD

Normalized Acceleration Spectral Values

4

AVER. DEMAND SP.

Soil Class C M5.5, n=92  records and (b) for M5.5. The  peak displacement spectral values are between 2.0­20.0cm, while the range of the  maximum acceleration spectral values is between 500­1500 cm/sec2. Equally large  scatter of spectral values is also observed at the normalized curves of the demand  spectra (Fig. 6). From Fig. 5 it is observed that the mean values of the computed demand spec­ tra for M>5.5 are well compared with the corresponding design demand spectra of  EC8 and the proposed demand spectra by Pitilakis et al. (2004), especially for the  spectral values which correspond to the constant plateau. For small earthquakes  with M