The infrequent nature of earthquakes in the Central and Eastern United States (CEUS), and the fact that none with intensity comparable to the New Madrid sequence of 1811 12 or the Charleston earthquake of 1886 has occurred in the past century, have caused the earthquake hazard in the region to be ignored until quite recently. The seismic performance of reinforced concrete (RC) frames in the CEUS, which have primarily been designed for gravity load effects, is expected to be deficient when subjected to earthquakes that are judged, in recent seismological research, as being plausible in the New Madrid Seismic Zone (NMSZ). The objective of this study is to develop a set of probability-based tools for efficient uncertainty analysis and seismic vulnerability and risk assessment of such gravity load designed (GLD) RC frames and to use these tools in evaluating the seismic vulnerability of RC frames that are representative of the building inventory in Memphis, TN the largest population center close to the NMSZ. Synthetic earthquake ground motions for the CEUS that are available from two different Mid-America Earthquake (MAE) Center projects were used in the finite element-based simulations for determining the seismic demand on the GLD RC frames by nonlinear time history analysis (NTHA). A beam-column joint model was developed to address the deficiencies in the joints of GLD frames and was incorporated in the finite element structural models. Seismic fragilities were derived for low-, mid-, and high-rise GLD RC frames. Various sources of uncertainty were propagated through the analysis, and their significance for fragility assessment was examined. These fragilities were used to evaluate the vulnerability of the RC frame inventory in Memphis, TN with regard to performance-based design objectives, defined in terms of performance levels associated with reference earthquake hazard levels. This performance appraisal indicated that GLD RC frames do not meet the life safety and collapse prevention performance objectives that are found in recent building codes and guidelines for performance-based earthquake engineering.

This thesis presents an analytical method based on classical matrix methods for computing the dynamic response of elastic-plastic multi-storey building frames. The method developed is comparatively simple and is of much use for building frames having large number of storeys. By this method, response of multi-storey build­ings could be calculated on high-speed digital computers of high storage capacity. The computer program developed saves huge storage locations and thus makes it possible to analyze multi-storey frames which till now were con­sidered as very difficult. Dynamic response of a two-storey and six-storey frame are shown to demonstrate the utility of the method. / Thesis / Master of Engineering (ME)

Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται μία νέα βασισμένη στην επιτελεστικότητα μέθοδος αντισεισμικού σχεδιασμού χωρικών μεταλλικών κατασκευών, οι οποίες υπόκεινται σε σεισμικές διεγέρσεις μακρινού πεδίου. Η μέθοδος αυτή συνδυάζει τα πλεονεκτήματα της μεθόδου σχεδιασμού με βάση τις δυνάμεις και με βάση της μετατοπίσεις και γι’ αυτό ονομάζεται υβριδική δυνάμεων-μετατοπίσεων (ΥΔΜ) μέθοδος. Για τη δημιουργία της προτεινόμενης μεθόδου γίνεται παραμετρική σεισμική μελέτη κανονικών καμπτικών μεταλλικών κτιρίων με και χωρίς τυχηματικές εκκεντρότητες, καθώς και μεταλλικών κτιρίων τα οποία εμφανίζουν γεωμετρικές μη κανονικότητες λόγω ανομοιόμορφης καθ’ ύψος κατανομής μάζας και λόγω παρουσίας εσοχών. Αρχικά γίνεται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση για τις ήδη υπάρχουσες μεθόδους, όσον αφορά στο σχεδιασμό και στην εκτίμηση της ανελαστικής σεισμικής απόκρισης επίπεδων και χωρικών κατασκευών. Στη συνέχεια περιγράφεται η επιλογή των παραμέτρων και η όλη διαδικασία που ακολουθήθηκε για τη δημιουργία μίας βάσης δεδομένων σεισμικής απόκρισης η οποία απαίτησε 43176 μη γραμμικές δυναμικές αναλύσεις. Με βάση την στατιστική επεξεργασία που έγινε προέκυψαν εμπειρικές σχέσεις αντισεισμικού σχεδιασμού, οι οποίες καθιστούν δυνατό τον έλεγχο της βλάβης κατά το σχεδιασμό νέων κατασκευών και οι οποίες λαμβάνουν υπόψη την επιρροή διαφόρων παραμέτρων, όπως ο αριθμός ανοιγμάτων, ο αριθμός ορόφων, η μορφή της κάτοψης, καθώς και η μη κανονικότητα της κατασκευής. Επιπλέον εξετάστηκε η επιρροή της φυσικής μονοαξονικής εκκεντρότητας, μεταξύ κέντρου μάζας και κέντρου δυσκαμψίας στην ανελαστική σεισμική απόκριση χωρικών κατασκευών με μεικτό σύστημα ανάληψης σεισμικών δυνάμεων. Ωστόσο, επειδή ο αριθμός των κτιρίων που χρησιμοποιήθηκαν ήταν μικρός, δεν έγινε προσπάθεια κατασκευής κάποιων εμπειρικών σχέσεων από τα αποτελέσματα που προέκυψαν για αυτήν την περίπτωση. Τα πλεονεκτήματα της νέας ΥΔΜ μεθόδου αντισεισμικού σχεδιασμού, παρουσιάζονται μέσω τριών παραδειγμάτων, όπου η προτεινόμενη μέθοδος συγκρίνεται με τη μέθοδο σχεδιασμού με βάση τις δυνάμεις στην οποία βασίζονται όλοι σχεδόν οι υπάρχοντες αντισεισμικοί κανονισμοί. Από τη σύγκριση που γίνεται προκύπτει ότι, σε αντίθεση με τη μέθοδο των δυνάμεων, η ΥΔΜ μέθοδος μπορεί να κάνει κατά το σχεδιασμό άμεσο έλεγχο της βλάβης. / This dissertation proposes a preliminary performance-based seismic design method for three-dimensional steel building frames under ordinary (i.e., without near fault effects) ground motions. This method combines the advantages of the well-known force-based and displacement-based seismic design methods in a hybrid force/displacement design scheme. The proposed method was developed based on the results of an extensive parametric study involving the inelastic seismic response of regular and irregular moment resisting frames (MRFs). The regular MRFs are structures with and without the presence of accidental eccentricities, whereas the irregular MRFs, are structures with vertical mass irregularities and structures with setbacks. In total 146 buildings have been studied. The results of 43176 nonlinear dynamic analyses were post-processed in order to create a databank with the response quantities of interest. The main parameters that affect the inelastic response of the examined structures were recognised after the statistical analysis of the created response. Based on regression analysis, a procedure in terms of simple formulae for estimating the maximum roof displacement, the maximum interstorey drift ratio and the maximum rotation ductility along the height of the frame was developed. In addition, the inelastic seismic response of 20 buildings with natural eccentricities has been studied, which combines MRFs with buckling restrained braces. However, the conclusions of this case cannot be generalized, because only few cases were investigated. Comparison of the proposed method with the procedures adopted in current seismic design codes demonstrated the efficiency of the former. The results revealed that the proposed procedure seems to be more rational and efficient than the procedures used in the current seismic design codes. Nonlinear time history analyses proved the consistency of the proposed method to accurately estimate inelastic deformation demands and the tendency of the current seismic design codes to overestimate the maximum roof displacement and underestimate the maximum interstorey drift ratio along the height of the frames.