Sismik izolasyonlu binaların deprem yükleri altındaki olasılıksal davranışı.
Probabilistic behavior of seismically isolated buildings under earthquake loadings.
Yazar: HATİCE GAZİ
Danışman: DOÇ. DR. CENK ALHAN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Deprem mühendisliği = Earthquake engineering ; Olasılıksal güvenlik analizi = Probabilistic safety analysis ; Sismik taban yalıtımı = Seismic base isolation

Özet:
Sismik izolatörlerin mekanik parametrelerinin tasarıma esas değerleri, yoğun prototip testlerinden elde edilen sonuçlara göre tayin edilirler. Ayrıca, bu prototip testlere ek olarak söz konusu test sonuçlarının ön tasarım aşamasında kabul edilen sınırlar içerisinde bulunup bulunmadığını kontrol etmek amacıyla, tüm izolatörler için üretim testleri gerçekleştirilir. Ancak, söz konusu testlere rağmen sismik izolatörlerin gerçek mekanik özellikleri, bu izolatörlerin malzeme özelliklerindeki, eleman boyutlarındaki, üretim metotlarındaki, kalite kontrolündeki ve kurulum aşamalarındaki hatalar ve/veya belirsizlikler gibi nedenlerle belirsizlikler içerebilir ve bu nedenle tasarıma esas olmak üzere testlerden elde edilen nominal değerlerinden farklılıklar gösterebilir. İzolatör parametrelerindeki söz konusu belirsizlikler ise, sismik izolasyonlu binaların hem altyapı hem de üstyapı dinamik cevap parametrelerinde değişikliklere yol açabilir. 

Bu tez çalışmasında, doğrusal olmayan izolasyon sistemi elemanlarının mekanik parametrelerinde, bu parametrelerin tasarıma esas olmak üzere tespit edilen nominal değerlerine göre yukarıda belirtildiği gibi çeşitli nedenlerle meydana gelebilecek değişiklikleri göz önünde bulundurmak suretiyle oluşturulan üç boyutlu sismik izolasyonlu binaların farklı frekans veya hız içeriklerine sahip yer hareketlerine maruz kalmaları halinde, dinamik davranışlarının ve güvenilirliklerinin olasılıksal açıdan incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda tez kapsamında; üç boyutlu olasılıksal bir yapısal modelin oluşturulması ve bu olasılıksal modelin Monte Carlo analizleri yardımıyla incelenmesi suretiyle: (1) doğrusal olmayan izolasyon sistemlerinde meydana gelebilecek rastgele değişimlerin taban izolasyonlu binaların dinamik davranışı üzerindeki etkileri araştırılmış, (2) UBC-1997 (Uniform Building Code, 1997, Volume 2: Structural Engineering Provisions, International Conference of Building Officials, Whittier, California) yönetmeliğine göre sismik izolasyonlu yapılar için rastlantısal olarak ortaya çıkan izolasyon sistemi elemanları rijitliklerindeki farklılıklara bağlı olarak hesaplanan burulma büyütme katsayılarının güvenilirliği ortaya konulmuş, (3) doğrusal olmayan izolasyon sistemine sahip taban izolasyonlu binaların yakın-fay depremleri altındaki güvenilirlikleri, farklı deprem momenti büyüklüğü ve farklı fay mesafelerine bağlı olarak ortaya konulmuş ve (4) karakteristik kuvvet oranının (sönümün) yakın-fay depremleri etkisindeki söz konusu binaların güvenilirliklerini ne derece etkilediği incelenmiştir.

Yukarıda belirtilen amaç ve kapsam doğrultusunda, bu tez çalışması iki ana bölüme ayrılmıştır. Çalışmanın birinci ana bölümünde, öncelikle iki farklı izolasyon periyodu seviyesi için izolatör karakteristik parametreleri kendi içlerinde aynı olan iki referans izolasyon sistemi modellenmiştir. Ardından, bu sistemler referans alınmak suretiyle, izolatör karakteristik parametreleri için belirlenen üç farklı varyasyon katsayısı seviyesi için, her bir izolatörü birbirinden farklı mekanik özelliklere sahip toplam 30,000 adet birbirinden farklı doğrusal olmayan izolasyon sistemi Monte Carlo simülasyonları dahilinde üretilmiştir. Üretilmiş izolasyon sistemlerini betonarme çerçeve ve çelik çapraz elemanlardan oluşan üç katlı aynı üstyapı ile entegre ederek, 30,000 adet üç boyutlu sismik izolasyonlu bina oluşturulmuştur. Monte Carlo simülasyonları dahilinde her bina, farklı frekans içeriklerine sahip toplam 54 adet tarihi yer hareketi çiftine ayrı ayrı maruz bırakılarak, dinamik analizler gerçekleştirilmiştir. Yapısal cevap parametreleri olarak pik taban katı kütle merkezi deplasmanları, pik izolatör deplasmanları, pik en üst kat kütle merkezi deplasmanları, pik en üst kat kütle merkezi toplam ivmeleri, pik üstyapı kesme kuvvetleri ve pik taban katı kesme kuvvetleri göz önünde bulundurulmuştur. Yer hareketi türü, nominal izolasyon periyodu ve varyasyon katsayısı farkı gözetilerek, tüm binalar için yapısal cevap parametrelerinin değerleri ve bu değerlerin referans binalardaki nominal değerlerinden sapma yüzdeleri hesaplanmıştır. Ayrıca, burulma büyütme katsayıları hesaplanmış ve bu katsayılarının güvenilirlikleri ortaya konulmuştur. Ardından, pik en üst kat kütle merkezi ivmeleri, pik izolatör deplasmanlarının maksimumları ve pik göreli kat öteleme oranlarının maksimumları için de güvenilirlik analizleri gerçekleştirilmiştir. Son olarak, bu güvenilirlik analizlerinin izolatör karakteristik parametrelerinin varyasyon katsayılarına olan duyarlılığı da araştırılmıştır. 

Tez çalışmasının ikinci ana bölümünde ise, izolatör karakteristik parametrelerindeki belirsizliklerin yanı sıra, yer hareketlerinin karakteristik parametrelerindeki belirsizlikler de hesaba katılmıştır. Bu ana bölümde, iki farklı nominal hedef periyodu, üç farklı karakteristik kuvvet oranı ve tek varyasyon katsayısı seviyesi için üretilen her biri birbirinden farklı izolatörlerden oluşan 60,000 adet birbirinden farklı doğrusal olmayan izolasyon sistemine sahip toplam 60,000 adet üç boyutlu sismik izolasyonlu bina oluşturulmuştur. Ardından bu binalar, puls içeren sentetik yakın-fay yer hareketlerine maruz bırakılmıştır. Söz konusu sentetik yer hareketlerinin üretilmesinde, deprem momenti büyüklüğü ve faya olan en yakın mesafe parametrelerinin kesin olarak bilinip bilinmemesine göre iki senaryo oluşturulmuştur. Birinci senaryoda (Senaryo-I), deprem momenti büyüklüğü ve fay mesafesi parametrelerinin değerlerinin bilindiği varsayılarak bu parametreler, deterministik parametreler olarak göz önünde bulundurulmuştur. Ancak, puls hızı, puls periyodu ve puls sönüm oranı rastgele değişkenler olarak ele alınmıştır. İkinci senaryoda (Senaryo-II) ise, deprem momenti büyüklüğü ve fay mesafesinin de kesin olarak bilinmediği göz önünde bulundurularak, bu parametreler de rastgele değişkenler olarak hesaba katılmıştır. Çalışmanın bu ana bölümündeki dinamik analizler de Monte Carlo simülasyonları dahilinde gerçekleştirilmiştir. Yapısal cevap parametreleri olarak, pik izolatör deplasmanlarının, pik göreli kat öteleme oranlarının ve pik kat kütle merkezi ivmelerinin maksimumları inceleme kapsamına alınmıştır. Bu cevap parametrelerinin değişimleri, göz önünde bulundurulan nominal izolasyon periyodu ve nominal izolasyon sönüm oranları için uygulamada mühendislerin de ön tasarımlarında referans alabileceği ve nihai tasarımlarında da güvenilirlik değerlendirmesi yapabileceği kümülatif dağılım fonksiyonları ile ortaya konmuştur. Bu bölümde ayrıca, pik izolatör deplasmanları ve pik kat kütle merkezi ivmelerinin ayrı ayrı değerlendirilmesi ve birlikte değerlendirmeleri durumlarında tüm binalar için güvenilirlik analizleri ve performans testleri, deprem momenti büyüklüğü, fay mesafesi, izolasyon periyodu, karakteristik kuvvet oranı farkı gözetilerek gerçekleştirilmiştir.

Bu tez kapsamında ayrıca, orijinal halinde bir sismik izolasyonlu binanın bir deprem etkisinde üç boyutlu doğrusal olmayan dinamik analizini gerçekleştiren 3D-BASIS (Nagarajaiah, S., Reinhorn, A.M. and Contantinou, M.C., 1991, 3D-BASIS: A General Program for the Nonlinear Dynamic Analysis of Three Dimensional Base Isolated Buildings, Department of Civil Engineering State University of New York, Buffalo) programında yazılım modifikasyonları ve alt program ilaveleri de yapılmıştır. Böylece söz konusu program, Monte Carlo simülasyonları dahilinde istenilen sayıda sismik izolasyonlu binanın hem tarihi yer hareketleri etkisinde hem de kendi bünyesinde ürettiği puls içeren sentetik yakın-fay yer hareketleri etkisinde tekrarlı dinamik analizlerini yapabilir hale getirilmiştir.

Abstract:
Design values of mechanical parameters of seismic isolators are determined on the basis of the results obtained from extensive prototype tests. Moreover, in addition to these prototype tests, production tests are conducted for all of the isolators in order to check whether the results of the subject tests are in the ranges accepted in the preliminary design stage or not. However, the actual mechanical properties of the seismic isolators may have uncertainties and thus may vary from their nominal design values determined from the aforementioned tests for some reasons such as the errors and/or uncertainties in the properties of the materials, dimensions of the elements, manufacturing methods, quality control and installation steps. The subject uncertainties in the isolator parameters may lead to changes in the dynamic response parameters of both the substructures and superstructures of the seismically isolated buildings.

The aim of this dissertation is to investigate the dynamic response and reliability of the three dimensional base isolated buildings, which are modeled by considering the probable variances in the nominal design values of the mechanical parameters of nonlinear isolation systems due to the above-mentioned reasons, in a probabilistic fashion under the ground motions with different frequency or velocity content. To this end, the following steps are conducted in the scope of this study by generating a three dimensional probabilistic structural model and analyzing this model via Monte Carlo analyses: (1) the effects of the random variabilities in the parameters of the nonlinear isolation systems on the dynamic response of base isolated buildings are investigated, (2) the reliability of the torsional amplification factors, which are calculated based on the random variabilities in the lateral stiffness of the isolation system elements as determined in the UBC-1997 code (Uniform Building Code, 1997, Volume 2: Structural Engineering Provisions, International Conference of Building Officials, Whittier, California) is revealed, (3) the reliabilities of the base isolated buildings with nonlinear isolation systems under near-fault earthquakes are revealed for various earthquake moment magnitudes and fault distances, and (4) the degree of the effect of the characteristic strength ratio (i.e. damping ratio) on the reliability of the subject buildings under near-fault earthquakes is investigated.

In accordance with the above-mentioned aim and scope, this dissertation is divided into two main parts. In the first main part of the dissertation, first of all two benchmark isolation systems consisting of identical isolators are modeled for two isolation period levels. Subsequently, within the Monte Carlo simulations, totally 30,000 different nonlinear isolation systems each of which are consisting of isolators with different mechanical properties are generated based on the benchmark isolation systems for three different levels of coefficients of variation determined for the characteristic isolator parameters. 30,000 three-dimensional base isolated buildings are formed by integrating the generated isolation systems with the same three-story superstructure consisting of reinforced concrete and steel frame elements. Nonlinear dynamic analyses are conducted within in the Monte Carlo simulations by subjecting each of the buildings to the records of totally 54 historical ground motion couples with different frequency contents. The peak displacements at the center of mass of base, the peak isolator displacements, the peak displacements at the center of mass of top floor, the peak accelerations at the center of mass of top floor, the peak structural shear forces and the peak base shear forces are considered as the structural response parameters. By considering the differences in the ground motions records, isolation periods, and the coefficients of variation; all of the response parameters of all the buildings and the percentages of deviations of the subject response parameters with respect to the ones obtained from the corresponding benchmark buildings are calculated. In addition, the torsional amplification factors are computed and the reliability of these factors are revealed. Subsequently, reliability analyses are also conducted for the peak top floor accelerations at the center of mass, the maximums of the peak isolator displacements and the maximums of the peak interstory drift ratios. Finally, sensitivities of these reliability analyses to the coefficients of variation of the isolator characteristic parameters are also investigated.

In the second main part of the dissertation, the uncertainties in the characteristic parameters of the ground motions are also taken into account in addition to the uncertainties in the isolator characteristic parameters. In this main part, totally 60,000 three-dimensional base isolated buildings are formed with 60,000 different nonlinear isolation systems each of which are consisting of different isolators generated for two levels of nominal isolation periods, three levels of characteristic strength ratio and a coefficient of variation level. Then, these buildings are subjected to the synthetic pulse-like near-fault ground motions. For the generation of the subject synthetic ground motions, two scenarios are built based on the earthquake moment magnitudes and fault distances. In the first scenario (Scenario-I), it is assumed that the values of the earthquake moment magnitudes and the fault distances are known exactly, and the subject parameters are considered as deterministic parameters. However, velocity of the pulse, period of the pulse, and the decaying ratio of the pulse are taken into account as random parameters. In the second scenario (Scenario-II), it is considered that the earthquake moment magnitudes and fault distances are not known exactly, and these parameters are also taken into account as random parameters. The dynamic analyses in this main part of the study are also conducted within the Monte Carlo simulations. The maximum values of the peak isolator displacements, the peak interstory drift ratios and the peak floor accelerations are considered as the structural response parameters. The variances in the subject response parameters are revealed in terms of their cumulative distribution functions which can be taken as a reference for the preliminary design stage and used for reliability assessments for the final design stage by the design engineers. In this main part, reliability analyses and performance tests are also conducted for all the generated buildings for various levels of earthquake moment magnitudes, fault distances, isolation periods, and characteristic strength ratios, while the peak isolator displacements and the peak floor accelerations of the buildings are taken into account separately and together.  

In the scope of this dissertation, some software modifications are also made and some subroutines are added to 3D-BASIS (Nagarajaiah, S., Reinhorn, A.M. and Contantinou, M.C., 1991, 3D-BASIS: A General Program for the Nonlinear Dynamic Analysis of Three Dimensional Base Isolated Buildings, Department of Civil Engineering State University of New York, Buffalo) which is a computer program that is originally able to conduct three-dimensional nonlinear dynamic analyses for a single seismically isolated building under a single earthquake loading. Thus, the subject program is improved to be able conduct recursive dynamic analyses within the Monte Carlo simulations for the required number of base isolated buildings under the historical ground motions as well as the synthetic pulse-like near-fault ground motion records, which are generated within its own structure.