Earthquake Spectra

Bài báo này trình bày một khung khái niệm để xác định khả năng chịu đựng động đất của cộng đồng và các biện pháp định lượng về khả năng chịu đựng có thể hữu ích cho một nỗ lực nghiên cứu phối hợp tập trung vào việc nâng cao khả năng chịu đựng này. Khung này dựa trên các biện pháp bổ sung của khả năng chịu đựng: “Giảm khả năng thất bại,” “Giảm hậu quả từ các thất bại,” và “Giảm thời gian phục hồi.” Khung cũng bao gồm các biện pháp định lượng của “mức độ” bền vững và nhanh chóng, và “phương tiện” của sự khéo léo và dự phòng, và tích hợp những biện pháp này vào bốn chiều của khả năng chịu đựng cộng đồng—kỹ thuật, tổ chức, xã hội và kinh tế—tất cả đều có thể được sử dụng để định lượng các biện pháp khả năng chịu đựng cho các loại hệ thống vật lý và tổ chức khác nhau. Các sơ đồ hệ thống sau đó thiết lập các nhiệm vụ cần thiết để đạt được những mục tiêu này. Khung này có thể hữu ích trong nghiên cứu trong tương lai để xác định khả năng chịu đựng của các đơn vị phân tích và hệ thống khác nhau, và để phát triển các mục tiêu khả năng chịu đựng và các quy trình phân tích chi tiết để tạo ra các giá trị này.

Một phương pháp phi tuyến tương đối đơn giản cho phân tích động đất của các cấu trúc (phương pháp N2) được trình bày. Phương pháp này kết hợp phân tích đẩy (pushover analysis) của mô hình nhiều bậc tự do (MDOF) với phân tích phổ phản ứng (response spectrum analysis) của hệ thống tương đương một bậc tự do (SDOF). Phương pháp được xây dựng dưới dạng gia tốc - dịch chuyển, cho phép diễn giải trực quan quy trình và các mối quan hệ giữa các đại lượng cơ bản điều khiển phản ứng động đất. Các phổ không đàn hồi (inelastic spectra), thay vì các phổ đàn hồi với sự suy giảm tương đương và chu kỳ, được áp dụng. Tính năng này đại diện cho sự khác biệt chính so với phương pháp phổ năng lực (capacity spectrum method). Hơn nữa, các đại lượng yêu cầu có thể được thu được mà không cần lặp lại. Nói chung, kết quả của phương pháp N2 khá chính xác, với điều kiện rằng cấu trúc dao động chủ yếu ở chế độ đầu tiên. Một số hạn chế bổ sung cũng được áp dụng. Trong bài báo, phương pháp được mô tả và thảo luận, và các phép suy diễn cơ bản của nó được đưa ra. Sự tương đồng và khác biệt giữa phương pháp được đề xuất và các quy trình phân tích tĩnh phi tuyến FEMA 273 và ATC 40 được thảo luận. Ứng dụng của phương pháp được minh họa bằng một ví dụ.

Chúng tôi trình bày một mô hình chuyển động địa chấn thực nghiệm mới cho PGA, PGV, PGD và phổ phản ứng đàn hồi tuyến tính giảm dần 5% cho các khoảng thời gian từ 0.01–10 giây. Mô hình được phát triển như một phần của dự án PEER Next Generation Attenuation (NGA). Chúng tôi đã sử dụng một tập con của cơ sở dữ liệu PEER NGA, trong đó chúng tôi loại trừ các bản ghi và trận động đất mà được cho là không phù hợp để ước lượng chuyển động mặt đất tự do từ các trận động đất chính nông trong các chế độ kiến tạo hoạt động. Chúng tôi phát triển các mối quan hệ cho cả giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của thành phần ngang trung bình hình học của chuyển động mà chúng tôi xem là hợp lệ cho các cường độ từ 4.0 đến 7.5–8.5 (tùy thuộc vào cơ chế đứt gãy) và khoảng cách từ 0–200 km. Mô hình bao gồm rõ ràng các tác động của sự bão hòa cường độ, suy yếu phụ thuộc vào cường độ, kiểu đứt gãy, độ sâu đứt gãy, hình học bề mặt treo, phản ứng địa điểm tuyến tính và phi tuyến, phản ứng khu vực 3-D, và biến đổi giữa các sự kiện và trong một sự kiện. Tính phi tuyến của đất làm cho độ lệch chuẩn trong sự kiện phụ thuộc vào biên độ của PGA trên đá tham chiếu thay vì trên cường độ, điều này dẫn đến sự giảm thiểu không chắc chắn ngẫu nhiên ở các mức rung lắc mạnh cho các địa điểm trên đất.

Bài báo này giới thiệu một số thang đo suất cường độ (IMs) thay thế nhằm đánh giá hiệu suất động đất của một công trình tại một địa điểm dễ bị ảnh hưởng từ các chấn động gần nguồn và/hoặc chấn động bình thường. Việc so sánh các IM này được thực hiện thông qua việc định nghĩa "hiệu quả" và "đầy đủ" của một IM, cả hai tiêu chí này đều cần thiết để đảm bảo độ chính xác trong việc đánh giá hiệu suất của công trình. Độ hiệu quả và độ đầy đủ của từng IM thay thế, được định lượng thông qua (i) các phân tích động học phi tuyến của cấu trúc dưới tác động của một loạt các hồ sơ động đất và (ii) phân tích hồi quy tuyến tính, được chứng minh cho phản ứng dịch chuyển của ba tòa nhà với chu kỳ trung bình đến dài khác nhau khi chịu tác động của các hồ sơ động đất bình thường và gần nguồn. Một trong những IM thay thế, đặc biệt, được phát hiện là tương đối hiệu quả và đầy đủ cho các loại công trình đã xem xét cũng như cho cả chấn động gần nguồn và chấn động bình thường.

Một thành phần chính của dự án nghiên cứu NGA là phát triển một cơ sở dữ liệu chuyển động mạnh với chất lượng và nội dung được cải thiện có thể được sử dụng cho nghiên cứu chuyển động đất cũng như cho thực hành kỹ thuật. Việc phát triển cơ sở dữ liệu NGA được thực hiện qua chương trình Lifelines của Trung tâm PEER với sự đóng góp từ nhiều tổ chức nghiên cứu và nhiều cá nhân trong cộng đồng kỹ thuật và địa chấn học. Hiện tại, tập dữ liệu bao gồm 3551 bản ghi đa thành phần có sẵn công khai từ 173 trận động đất nông, có độ lớn từ 4.2 đến 7.9. Mỗi chuỗi thời gian gia tốc đã được hiệu chỉnh và lọc, và gia tốc phổ tuyệt đối giả ở nhiều mức độ tắt đã được tính toán cho từng thành phần của chuỗi thời gian gia tốc. Giới hạn thấp nhất của tần số phổ sử dụng được xác định dựa trên loại bộ lọc và tần số góc của bộ lọc. Đối với việc phát triển mô hình NGA, hai thành phần gia tốc nằm ngang đã được quay thêm để tạo thành thước đo chuyển động mặt đất nằm ngang độc lập với hướng (GMRotI50). Ngoài các tham số chuyển động mặt đất, một danh sách lớn và toàn diện các siêu dữ liệu mô tả điều kiện ghi lại của mỗi bản ghi cũng đã được phát triển. Dữ liệu NGA đã được kiểm tra và xem xét một cách hệ thống bởi các chuyên gia và các nhà phát triển NGA.

Chúng tôi trình bày một ví dụ thực tiễn và chi tiết về cách thực hiện phân tích động lực gia tăng (IDA), giải thích các kết quả và áp dụng chúng vào kỹ thuật thiết kế chịu động đất dựa trên hiệu suất. IDA là một phương pháp phân tích mới nổi cung cấp khả năng dự đoán nhu cầu và khả năng chịu tải động đất một cách chi tiết thông qua một loạt các phân tích động lực phi tuyến dưới một bộ hồ sơ chuyển động mặt đất được mở rộng nhiều lần. Việc hiện thực hóa các cơ hội này yêu cầu thực hiện nhiều bước và sử dụng các kỹ thuật sáng tạo ở từng bước. Sử dụng một khung thép chín tầng chịu lực với các mối nối dễ gãy làm nền thử nghiệm, độc giả sẽ được hướng dẫn qua từng bước của IDA: (1) chọn các biện pháp đo lường cường độ chuyển động mặt đất phù hợp và các biện pháp hư hỏng đại diện, (2) sử dụng các thuật toán thích hợp để chọn quy mô hồ sơ, (3) áp dụng các phương pháp nội suy phù hợp và (4) kỹ thuật tóm tắt cho nhiều hồ sơ để ước lượng phân phối xác suất của nhu cầu kết cấu dựa trên cường độ động đất, và (5) xác định các trạng thái giới hạn, chẳng hạn như sự mất ổn định toàn cục động lực, để tính toán khả năng tương ứng. Cuối cùng, (6) các kết quả có thể được sử dụng để có được trực giác về hành vi kết cấu, làm nổi bật mối liên hệ giữa phương pháp đẩy tĩnh (SPO) và phản ứng động, hoặc (7) chúng có thể được tích hợp với phân tích nguy cơ động đất xác suất thông thường (PSHA) để ước lượng tần suất trung bình hàng năm của sự vượt quá trạng thái giới hạn. Dựa trên ví dụ chi tiết này về cấu trúc chín tầng, một bình luận đầy đủ được cung cấp, thảo luận về các lựa chọn có sẵn cho người dùng, và chỉ ra các tác động của chúng cho từng bước của IDA.