One of the most difficult tasks towards designing earthquake resistant structures is the determination of critical earthquakes. Conceptually, these are the ground motions that would induce the critical response in the structures being designed. The quantification of this concept, however, is not easy. Unlike the linear response of a structure, which can often be obtained by using a single spectrally modified ground acceleration history, the nonlinear response is strongly dependent on the phasing of ground motion and the detailed shape of its spectrum. This necessitates the use of a suite (bin) of ground acceleration histories having phasing and spectral shapes appropriate for the characteristics of the earthquake source, wave propagation path, and site conditions that control the design spectrum. Further, these suites of records may have to be scaled to match the design spectrum over a period range of interest, rotated into strike-normal and strike-parallel directions for near-fault effects, and modified for local site conditions before they can be input into time-domain nonlinear analysis of structures. The generation of these acceleration histories is cumbersome and daunting. This is especially so due to the sheer magnitude of the data processing involved. The purpose of this thesis is the development and documentation of PC-based computational tools (hereinafter called EQTools) to provide a rapid and consistent means towards systematic assembly of representative strong ground motions and their characterization, evaluation, and modification within a performance-based seismic design framework. The application is graphics-intensive and every effort has been made to make it as user-friendly as possible. The application seeks to provide processed data which will help the user address the problem of determination of the critical earthquakes. The various computational tools developed in EQTools facilitate the identification of severity and damage potential of more than 700 components of recorded earthquake ground motions. The application also includes computational tools to estimate the ground motion parameters for different geographical and tectonic environments, and perform one-dimensional linear/nonlinear site response analysis as a means to predict ground surface motions at sites where soft soils overlay the bedrock. While EQTools may be used for professional practice or academic research, the fundamental purpose behind the development of the software is to make available a classroom/laboratory tool that provides a visual basis for learning the principles behind the selection of ground motion histories and their scaling/modification for input into time domain nonlinear (or linear) analysis of structures. EQTools, in association with NONLIN, a Microsoft Windows based application for the dynamic analysis of single- and multi-degree-of-freedom structural systems (Charney, 2003), may be used for learning the concepts of earthquake engineering, particularly as related to structural dynamics, damping, ductility, and energy dissipation. / Master of Science

Η πλειονότητα των ερευνητών/ειδικών του αντισεισμικού σχεδιασμού συμφωνεί πως μια υπολογιστική διαδικασία που θα έχει ως βασική παράμετρο της απόκρισης τις σεισμικές μετακινήσεις θα είναι πιο ορθολογική και πιθανότατα πιο οικονομική απ’ τη συμβατική μεθοδολογία σχεδιασμού βάσει δυνάμεων. Η έλλειψη μιας μεθοδολογίας αντισεισμικού σχεδιασμού γεφυρών βάσει μετακινήσεων που να είναι απλή, εφικτή και συμβατή με την εφαρμοζόμενη πρακτική και η απουσία πρότασης σχεδιασμού των περιοχών του φορέα βάσει μετακινήσεων, αποδεικνύει το γνωστικό κενό που υπάρχει σ’ αυτή την περιοχή του αντισεισμικού σχεδιασμού. Η παρούσα εργασία επιχειρεί να συμβάλλει στην πλήρωση αυτού του κενού και προς τούτο προτείνει μια νέα μεθοδολογία. Αναφέρεται σε (μή-μονωμένες) γέφυρες σκυροδέματος και περιλαμβάνει μια απλή διαδικασία για την εκτίμηση των απαιτούμενων ανελαστικών παραμορφώσεων, τόσο των βάθρων, όσο και των περιοχών του φορέα - κάνοντας χρήση ελαστικής φασματικής ανάλυσης και επεκτείνοντας τον κανόνα των "Ίσων Μετακινήσεων" στο τοπικό επίπεδο. Η διαδικασία αναπτύσσεται και βαθμονομείται βάσει (σχεδόν δύο χιλιάδων) μή-γραμμικών δυναμικών αναλύσεων (με εν χρόνω ολοκλήρωση) αντιπροσωπευτικών γεφυρών, τριών έως πέντε ανοιγμάτων. Όμως για την εφαρμογή της απαιτούνται μόνο ελαστικά εργαλεία. Σε αντίθεση με τις έως τώρα ερευνητικές προσπάθειες, όπου γίνεται η απλουστευτική παραδοχή γραμμικής συμπεριφοράς του φορέα, στην παρούσα έρευνα δίνεται έμφαση στην προσομοίωση των περιοχών του φορέα και λαμβάνονται υπ’ όψιν οι μή-γραμμικότητές του. Από την εφαρμογή του διαπιστώνεται ότι ο προτεινόμενος σχεδιασμός βάσει μετακινήσεων προσφέρει πολύ οικονομικότερα ποσοστά όπλισης (από 1/2 έως 1/7 στο διαμήκη οπλισμό και από 1/1 έως 1/3 στον εγκάρσιο οπλισμό), χωρίς να επιβαρύνει ουσιαστικά την επιτελεστικότητα της γέφυρας - η υπεραντοχή των γεφυρών που σχεδιάζονται με την προτεινόμενη μεθοδολογία είναι πρακτικά ισοδύναμη με την υπεραντοχή των συμβατικά σχεδιασμένων γεφυρών. Η παρουσίαση της μεθοδολογίας περιλαμβάνει την περιγραφή της διαδικασίας σχεδιασμού υπό μορφή αλγόριθμου (Κεφ. 2), του τρόπου εφαρμογής της στην πράξη (διαδικασία προσομοίωσης, παραδείγματα σχεδιασμού: Κεφ. 3), του θεωρητικού υποβάθρου βάσει του οποίου αναπτύχθηκε (Κεφ. 4), των προβλημάτων της συμβατικής μεθοδολογίας (παραδείγματα σχεδιασμού βάσει δυνάμεων: Κεφ. 3) και των κενών που διαπιστώνονται στην τεκμηρίωση της συμβατικής μεθοδολογίας (Κεφ. 4). Η αποτίμηση του σχεδιασμού (Κεφ. 3) δεκαέξι αντιπροσωπευτικών γεφυρών (οκτώ σχεδιασμένων βάσει μετακινήσεων και οκτώ συμβατικά σχεδιασμένων), παρουσιάζεται υπό μορφή παράλληλης σύγκρισης της επιτελεστικότητας και συνηγορεί υπέρ των πλεονεκτημάτων της νέας μεθοδολογίας. Στα Παραρτήματα δίνονται πληροφορίες για τα υπολογιστικά εργαλεία που αναπτύχθηκαν για την προσομοίωση και την ανάλυση των γεφυρών (επέκταση προγράμματος ANSRuop). / The majority of seismic design researchers/specialists concludes that displacement-based design methodologies reduce the uncertainty of the design process and probably lead to less expensive structures. The absence of a simple displacement-based seismic design procedure for bridges that will be feasible and compatible with the current design practice and the nonexistence of a proposal for the displacement-based design of the deck indicate the gap of knowledge in this field of earthquake engineering. This thesis attempts to contribute to the reduction of this gap and for this scope proposes a new methodology. The procedure focuses on bridges with concrete piers monolithically connected to a prestressed concrete continuous deck and comprises simple steps for the estimation of the inelastic/nonlinear deformations of both the piers and the deck - through elastic modal response spectrum analysis, extending the applicability of the "equal displacement" rule to the level of member deformations. About two thousands nonlinear dynamic (time-history) analyses of several representative bridges (with deck of three or five spans) are used for the development and the calibration of the procedure. However, for the application of the methodology only elastic modal response spectrum analysis is needed. Contrary to other current researches, which adopt the hypothesis of deck elastic response, the nonlinearities of the deck are modeled. The proposed displacement-based procedure offers lower reinforcement ratios (from 1/2 to 1/7 for the longitudinal reinforcement and from 1/1 to 1/3 for the transverse reinforcement) at no detriment to the expected seismic performance - the global overstrength of the bridges which are designed with the proposed procedure is practically equivalent to the global overstrength of the conventionally designed bridges (current force-based design). The step by step description of the design algorithm (Chap. 2) is followed by the practical application of the methodology (modeling aspects, design examples: Chap. 3), the conceptual justification (Chap. 4), the deficiencies of the conventional design procedure (force-based design examples: Chap. 3) and the fallacies in the justification of the conventional design methodology (Chap. 4). Comparative performance-based design evaluation (Chap. 3) of sixteen representative bridges (eight bridges subjected to alternative seismic design) indicates the benefits of the proposed procedure. The computational capabilities which were developed for the modeling and the analysis of the bridges are described in the appendices (upgrade of program ANSRuop).

Abstract: Highway bridges have great values in a country because in case of any natural disaster they may serve as lines to save people’s lives. Being vulnerable under significant seismic loads, different methods can be considered to design resistant highway bridges and rehabilitate the existing ones. In this study, base isolation has been considered as one efficient method in this regards which in some cases reduces significantly the seismic load effects on the structure. By reducing the ductility demand on the structure without a notable increase of strength, the structure is designed to remain elastic under seismic loads. The problem associated with the isolated bridges, especially with elastomeric bearings, can be their excessive displacements under service and seismic loads. This can defy the purpose of using elastomeric bearings for small to medium span typical bridges where expansion joints and clearances may result in significant increase of initial and maintenance cost. Thus, supplementing the structure with dampers with some stiffness can serve as a solution which in turn, however, may increase the structure base shear. The main objective of this thesis is to provide a simplified method for the evaluation of optimal parameters for dampers in isolated bridges. Firstly, performing a parametric study, some directions are given for the use of simple isolation devices such as elastomeric bearings to rehabilitate existing bridges with high importance. Parameters like geometry of the bridge, code provisions and the type of soil on which the structure is constructed have been introduced to a typical two span bridge. It is concluded that the stiffness of the substructure, soil type and special provisions in the code can determine the employment of base isolation for retrofitting of bridges. Secondly, based on the elastic response coefficient of isolated bridges, a simplified design method of dampers for seismically isolated regular highway bridges has been presented in this study. By setting objectives for reduction of displacement and base shear variation, the required stiffness and damping of a hysteretic damper can be determined. By modelling a typical two span bridge, numerical analyses have followed to verify the effectiveness of the method. The method has been used to identify equivalent linear parameters and subsequently, nonlinear parameters of hysteretic damper for various designated scenarios of displacement and base shear requirements. Comparison of the results of the nonlinear numerical model without damper and with damper has shown that the method is sufficiently accurate. Finally, an innovative and simple hysteretic steel damper was designed. Five specimens were fabricated from two steel grades and were tested accompanying a real scale elastomeric isolator in the structural laboratory of the Université de Sherbrooke. The test procedure was to characterize the specimens by cyclic displacement controlled tests and subsequently to test them by real-time dynamic substructuring (RTDS) method. The test results were then used to establish a numerical model of the system which went through nonlinear time history analyses under several earthquakes. The outcome of the experimental and numerical showed an acceptable conformity with the simplified method. / Résumé: Les ponts routiers ont une grande valeur dans un pays parce qu’en cas de catastrophe naturelle, ils peuvent servir comme des lignes pour sauver des vies. Étant vulnérable sous des charges sismiques importantes, on peut considérer différentes méthodes pour concevoir des ponts routiers résistants et également pour réhabiliter des ponts existants. Dans cette étude, l'isolation de la base a été considérée comme une méthode efficace qui peut réduire significativement les effets des charges sismiques sur la structure. En réduisant la demande en ductilité sur la structure sans une augmentation notable de force, la structure est conçue pour rester élastique sous des charges sismiques. Le problème associé aux ponts isolés, particulièrement avec des appuis en élastomère, peut être leurs déplacements excessifs sous les charges de service et de séisme. Ceci peut défier l’objectif d'utiliser des appuis en élastomère pour les ponts typiques de petite portée où les joints de dilatation et les dégagements peuvent aboutir à une augmentation significative des frais d'exploitation et de maintenance. Ainsi, supplémenter la structure avec des amortisseurs d’une certaine rigidité peut servir de solution, ce qui peut cependant augmenter l’effort tranchant transmis à la sous-structure. Cette étude a pour but de fournir une méthode simplifiée afin d’évaluer les paramètres optimaux des amortisseurs dans les ponts isolés. Dans cette thèse, premièrement, basé sur une étude paramétrique, quelques directions sont données pour l'utilisation de dispositifs d'isolation simples, dont les appuis en élastomère, afin de réhabiliter des ponts existant avec une haute importance. Les paramètres comme la géométrie du pont, les clauses des normes et le type de sol sur lequel la structure est construite ont été appliqués sur un pont typique de deux portées. Il est conclu que les paramètres mentionnés peuvent déterminer l'emploi d'isolement de la base des ponts routiers. À la deuxième phase, basé sur le coefficient de réponse élastique des ponts isolés, une méthode de conception simplifiée d’amortisseur pour des ponts routiers réguliers isolés à la base a été présentée dans cette étude. En sélectionnant des objectifs pour la réduction du déplacement et la variation de l’effort tranchant, la rigidité et l'amortissement exigés d'un amortisseur hystérétique peuvent être déterminés. L’étude s’est poursuivie par une modélisation numérique d’un pont à deux portées pour vérifier l'efficacité de la méthode. Pour un modèle numérique d'un pont isolé typique, la méthode a été utilisée pour identifier des paramètres linéaires équivalents pour un certain déplacement et effort tranchant désigné. Par la suite, assumant un amortisseur de type hystérétique, les paramètres non linéaires de l’amortisseur ont été calculés et utilisés. La comparaison des résultats du modèle numérique sans amortisseur et avec l'amortisseur a démontré que la méthode proposée est suffisamment précise. Par la suite, un nouvel amortisseur hystérétique simple en acier a été conçu. Cinq spécimens ont été fabriqués de deux différents grades d’acier et ont été testés en combinaison avec un isolateur à l’échelle réelle dans le laboratoire de structures de l'Université de Sherbrooke. La procédure comprenait la caractérisation des spécimens par des tests cycliques en contrôle de déplacement et par la suite la réalisation d’essais par la méthode de sous-structuration dynamique en temps réel. Les résultats des essais ont été utilisés pour établir un modèle numérique du système qui a subi des analyses temporelles non linéaires sous plusieurs séismes. Le résultat des essais expérimentaux et numériques montrent une conformité acceptable avec la méthode simplifiée.

Muchas ciudades del Perú se encuentran ubicadas en el cinturón de fuego del Pacífico, en consecuencia, existe una mayor probabilidad de ocurrencias de sismos que generen cuantiosas pérdidas de vida y grandes perjuicios económicos. Debido a este problema, la ingeniería civil está en la obligación de investigar nuevos diseños sísmicos más precisos, los cuales originaron diversos métodos que usan a los desplazamientos de la estructura como parámetro principal, ya que a través de los desplazamientos se pueden obtener los momentos y cortantes de la estructura. A este método se le conoce como Diseño Basado en Desplazamientos. El autor que le dio los lineamientos teóricos más amplios y consistentes es Priestley, con su propuesta llamada Diseño Directo Basado en Desplazamientos. Por otro lado, en la realidad peruana, las edificaciones con sistema estructura del pórtico de acero son atípicos en comparación con las de sistema dual de concreto armado. En consecuencia, se desaprovecha las propiedades de este material y de este sistema estructural, el cual se sumerge más en el rango inelástico que el concreto. La tesis analizará los resultados obtenidos del análisis sísmico de una estructura de sistema dual y otra de pórticos de acero, ambas con una misma configuración arquitectónica, bajo las metodologías de Diseño Directo Basado en Desplazamientos y de Diseño Basado en Fuerzas. Esto generará la comparación entre los sistemas estructurales bajo las metodologías mencionadas. / Many cities in Peru are located in the Pacific ring of fire, consequently, there is a greater probability of earthquakes that generate large losses of life and great economic damage. Due to this problem, civil engineering is obliged to investigate new more accurate seismic designs, which originated several methods that use the displacements of the structure as the main parameter, since through the displacements the moments and shear of the structure can be obtained. This method is known as Displacement Based Design. The author who gave the broadest and most consistent theoretical guidelines is Priestley, with his proposal called Direct Displacement Based Design. On the other hand, in the Peruvian reality, steel frames buildings system are atypical compared to those of the dual wall-frame with reinforced concrete system. Consequently, the properties of this material and this structural system are wasted, which is more immersed in the inelastic range than concrete. The thesis will analyze the results obtained from the seismic analysis of a dual wall-frame building and another of steel frames, both with the same architectural configuration, under the Direct Displacement Based Design method and the Design Based Force method, which is the method used in most standards. The thesis will generate the comparison between the structural systems under the mentioned methodologies. / Tesis

Earthquake has always been a hazard for civil structures and keeping the structures integrity during and after an earthquake is of vital importance. This phenomenon’s impact is sudden and there is little or no warning to make the preparations for this natural disaster. Much damage has been done on structures which have led to major collapses and loss of many lives. Civil structures such as nuclear power plants are designed to withstand earthquakes and in the event of a major seismic event, to shut down safely. The aim of this thesis is to present the seismic design procedures for concrete structures, in basic and detailed design, according to Eurocode 8. Also to describe and understand the difference between Eurocode 8 and the DNB in seismic analysis of nuclear power plants. To evaluate the use of DNB instead of Eurocode 8 with Swedish seismic conditions is also another aim in this thesis.  Loads and actions which apply on a structure in a seismic design and corresponding load combinations are presented for Eurocode 8 and the DNB. An example is also given to clarify the design of primary seismic beams and columns with high ductility class (DCH). A case study of a nuclear structure from a test project named SMART2013 has been made by analyzing and comparing the results from Eurocode 8 and the DNB with a finite element model in FEM-Design software. Natural frequencies of the model are compared with the tested model in SMART2013-project to evaluate the finite element modeling. The model is seismically analyzed with load combinations from Eurocode 8 and the DNB with Swedish elastic ground response spectrum with the probability of 10-5. Results obtained from the primary seismic beams and columns are compared and analyzed.  Being on the safe and conservative side of the design values is always preferred in seismic analysis of a vital and sensitive structure such as nuclear power plants. The results from this thesis shows that, purely structural, combination of Swedish elastic ground response spectrum with the Eurocode 8 load combination will give more conservative values than the DNB. / I stora delar av världen har jordbävningar alltid varit ett hot för byggnaders integritet. Karaktären av en jordbävning är plötslig och föranleds av små eller inga varningar. Om jordbävningen medför att byggnader kollapsar sker ofta stora förluster av människoliv direkt eller indirekt. Kärnkraftsverk är anläggningar som dimensioneras för att klara jordbävningar och ska kunna gå till säker avställning vid en sådan händelse. Syftet med föreliggande rapport är att presentera hur betongkonstruktioner dimensioneras för jordbävning enligt Eurokod 8. Rapporten redogör även för skillnader mellan att dimensionera enligt Eurokod 8 och DNB (Dimensionering av nukleära byggnadskonstruktioner) samt hur det slår att använda Eurokod med svenska seismiska förhållanden. Laster och lastkombinationer som används vid jordbävningsdimensionering av betongbyggnader är presenterad enligt både Eurokod och DNB. Ett exempel presenteras för att visa hur primära balkar och pelare med hög duktilitetsklass (DCH) dimensioneras för seismisk påverkan. En fallstudie av en nukleär byggnad från ett internationellt projekt, SMART2013, har använts för att analysera och utvärdera resultaten från Eurokod och DNB. Byggnaden har analyserats med finita element med programvaran FEM Design. Modellens riktighet har verifierats genom att jämföra bland annat egenfrekvenser med de från officiella rapporter från SMART2013. Byggnaden är analyserad för seismisk last enligt svenska förhållanden med markresponsspektra 10-5, och primära balkar och pelare har analyserats och utvärderats enligt både Eurokod och DNB.