Assessment of Two Sets Intensity Measures of Ground Motion with Seismic Damage Indices of Masonry-infilled Steel Frames

Abstract

The objective of this study is to investigate the nonlinear behavior of two dimensional 3, 5, 8 and 12 story steel frames with and without masonry infill considering the intensity measure (IMs) parameters of near-fault ground motions and dynamic Soil-Structure Interaction (SSI).A single story and single bay steel frame numerical model was validated by using two software, SAP2000 and OpenSees and comparing the structural periods obtained. Then the validation of OpenSees numerical model against the experimental results from literature was done. This was followed by using the validated models to create the rest of the numerical models. Aspect ratio of the superstructure and non-dimensional frequency are selected as the main parameters for the soil-structure system. Two sets of earthquake ground motions, ordinary seismic records (OSR) and pulse-like seismic records (PLSR) were used for the nonlinear dynamic analysis. Seismic performance was evaluated using the general indicators of damage (modified Park-Ang index), maximum inter-story drift ratio (MIDR) and roof drift ratio (RDR). The correlation between the multiple IMs with and without pulse-like seismic excitation and the damage indices of 3 forms of steel moment frames; bare, partially and fully infilled was determined using the Spearman correlation coefficient. Also, a significant part of correlation between the damage criteria and IMs was assessed. It was concluded that the spectral acceleration (Sa) and velocity (Sv) of the structures period strongly correlated with MIDR and RDR and that velocity correlated with the seismic parameters. The correlations for PLSR and OSR differed for each case and IMs with ground motion can help predict the parameters for building failure in various systems. In most ground motion parameters, the presence of masonry-infilled walls decreased the correlation coefficient for a fully infilled frame when compared to a bare frame. It should be noted that GSDI has high correlation with MIDR than with RDR. The correlation coefficients with the effect of the SSI were reduced by a range of about 10-20% for a model frame with flexible base when compared with the same model with a fixed base. Therefore, the use of PLSR is important when SSI is considered, since it generally negatively effects the correlation of damage indexes and causes considerable change in the behavior of partially infilled and fully infilled frames with respect to bare frames and high rise with respect to low rise frames. Keywords: Intensity measures, Ordinary records, Pulse-like records, Damage index, Steel frame with masonry infill, Soil-structure interaction

ÖZ: Bu çalışmanın amacı dinamik toprak-yapı etkileşiminin (SSI), yakın fay hattı zemini hareketlerine maruz kalan ve yanal dirençli sistemleri olan, iki boyutlu çelik çerçevelerin, doğrusal olmayan davranışına olan etkisini incelemektir. Üst yapının en-boy oranı ve boyutsuz frekans toprak-yapı sisteminin ana parametreleri olarak seçilmiştir. Bu çalışma, çelik çerçeve içerisinde dolgu duvar olan yapıların yoğunluk ölçümlerini (IM) temsil eden parametrelere verdiği tepkiyi incelemiştir. İki set deprem yer hareketi, sıradan sismik kayıtlar (OSR) ve nabız-benzeri sismik kayıtlar (PLSR), dolgu duvarı olan çok katlı çelik yapıların doğrusal olmayan dinamik analizinde kullanılmıştır. Sismik performans, genel hasar göstergeleri (modifiye Park-Ang indeksi), maksimum katlar arası öteleme oranı (MIDR) ve çatı öteleme oranı (RDR) kullanılarak değerlendirildi.Nabız-benzeri sismik uyarımı olan ve olmayan çoklu IM parametreleri ile dolgu duvarları olan ve olmayan çelik moment çerçevelerin hasar endeksleri arasındaki ilişki Spearman korelasyon katsayısı kullanılarak belirlenmiştir. Ayrıca, hasar kriteri ve yoğunluk ölçümleri arasındaki korelasyonun önemli bir kısmı değerlendirilmiştir. Sonuç, yapı periyodunun spektral ivmesinin (Sa) ve hızının (Sv) maksimum katlar arası öteleme oranı (MIDR) ve çatı öteleme oranı (RDR) ile kuvvetle ilişkili olduğunu ve hızın sismik parametrelerle korelasyon gösterdiğini ortaya koymuştur. sıradan sismik kayıtlar (OSR) ve nabız-benzeri sismik kayıtlar (PLSR) için korelasyon farklıydı. Sonuçlar, yer hareketi ile yoğunluk ölçümlerinin (IM) analizinin, çeşitli sistemlerde bina göçme parametrelerini tahmin etmesine yardımcı olabileceğini ortaya koymuştur. Dolgu duvarların varlığı, çıplak bir çerçeve ile karşılaştırıldığında tamamen dolu bir çerçeve için korelasyon katsayısını değiştirdi. GSDI'nın, MIDR ve RDR ile yüksek korelasyona sahip olduğunun not edilmesi gerekir. Toprak-yapı etkileşiminin etkisi ile pin tabanlı çerçeve modelinin korelasyon katsayıları sabit tabanlı bir model çerçeveye göre yaklaşık % 10-20 oranında azalmıştır. Anahtar Kelimeler: Yoğunluk ölçümleri, Sıradan kayıtlar, Nabız-benzeri sismik kayıtlar, Hasar indeksi, Duvar dolgulu çelik çerçeve, Toprak-yapı etkileşimi