Opensees ve seismostruct programlarının doğrusal olmayan deprem analizleri için karşılaştırılması
Comparison of opensees and seismostruct programs for nonlinear earthquake analysis
Yazar: ŞÜKRİYE CEYDA ERGÜL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BARIŞ ERKUŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Deprem Mühendisliği ve Afet Yönetimi Enstitüsü / Deprem ve Yapı Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering

Özet:
Yapı mühendisliğinde şiddetli deprem etkileri altında yapı sistemlerinin davranışını
öngörebilmek tasarım için oldukça önemlidir. Bunun için son zamanlarda performansa
dayalı değerlendirme yaklaşımı ön plana çıkmıştır. Genelde deprem etkisi
altında yapı sistemlerinin performans değerlendirmesinde doğrusal olmayan analizler
kullanılmaktadır. Şiddetli depremler sonucunda yapıların davranışının doğrusal
olmadığı, büyük yer değiştirmeler ve şekil değiştirmeler yaptığı bilinmektedir.
Dolayısıyla yapı sistemlerinin deprem etkileri altında davranışını anlayabilmek için
doğrusal olmayan analizlerin kullanılması daha gerçeğe yakın sonuçlar elde edilmesini
sağlayabilir.
Yapı davranışının doğrusal olmayan modellemesinde, doğrusal olmayan davranış
malzeme bakımından ve geometri bakımından olmak üzere iki sınıfta incelenebilir.
Malzeme bakımından doğrusal olmayan modeller, yığılı ve yayılı plastisite olmak
üzere iki ana gruba ayrılmaktadır. Doğrusal olmayan davranışı en basit şekilde
ifade edebilen modeller, yığılı plastisite modelleridir. Bu modellerde doğrusalsızlık
kuvvet-yer değiştirme (ya da moment-dönme) üzerinden tanımlanır ve genelde yapısal
elemanın belli bir bölgesinde ya da tümünde oluşan doğrusal olmayan davranış, boyutu
sıfır olan doğrusal olmayan bir yay ya da benzeri bir elemanla modellenir. Elemanın
diğer bölgeleri doğrusal olarak modellenir. Kolon, kiriş gibi çubuk elemanlarda,
doğrusal olmayan davranışın elemanların yüksekliği veya uzunluğu boyunca sonlu
uzunluktaki herhangi bir bölgesinde toplandığı kabulü yapılır.
Yayılı plastisite modellerinde ise doğrusalsızlık genelde malzeme gerilme-birim
şekil değiştirme ilişkileri üzerinden tanımlanır. Bu ilişkiler sürekli bir ortamda
tüm ortam için kullanılabilir. Sürekli ortam analizlerinden farklı olarak, fiber
modellerde kesit bazında analizler yapılabilir ve genelde inşaat mühendisliğinde tüm
yapı analizlerinde kullanılan yayılı plastisite yaklaşımı budur. Fiber modeller çubuk
elemanlar için sonlu-elemanlar yöntemi kullanılarak ya da perde duvar elemanları için
daha basit çoklu-yay modeli olarak tanımlanabilir. Yığılı plastisite modellerine göre
analizler, daha çok işlem ve buna bağlı olarak zaman gerektirir. Buna rağmen, bu
modellerin deneysel çalışmalar ile yapılan karşılaştırmalarda gerçek davranışı oldukça
iyi yansıtabildikleri görülmüştür. Genellikle kolon, kiriş gibi çubuk elemanlarda daha
basit olan yığılı plastisite modelleri kullanılırken, perde elemanlarda yayılı modeller
tercih edilmektedir.
Halihazırda, bilimsel çalışmalarda ve mühendislik uygulamalarında birçok doğrusal
olmayan analiz programı kullanılmaktadır. Bu programlarda karşılaşılan en önemli
zorluklardan birisi programların kullandığı modellerin, analiz yöntemlerinin karmaşık
matematiksel ve fiziksel teoriler üzerine kurulu olmasıdır. Program yöntemlerini ve
çıktılarını anlamak için aynı yaklaşımlar ile modellenmiş yapıların analizini farklı programlarda yaparak karşılaştırmak faydalı olmaktadır ve bu yönde çeşitli çalışmalar
mevcuttur. Bu çalışmada ise OpenSees ve SeismoStruct programları karşılaştırılması
hedeflenmiştir. Sonuç olarak bu tezin amacı OpenSees ve SeismoStruct programlarının
doğrusal olmayan deprem analizleri için incelenmesi ve karşılaştırılması, malzeme ve
eleman modellerinin, analiz yöntemlerinin ve sürelerinin incelenmesidir.
Tezde doğrusal olmayan davranış, malzeme bakımından doğrusal olmayan davranışı
içermektedir ve geometrik doğrusalsızlık incelenmemiştir. Yığılı plastisite modeli
olarak doğrusal olmayan davranışın eleman uç noktalarına toplandığı varsayımı
yapılarak dönme yaylarından yararlanılmıştır. Yayılı plastisite modeli olarak ise
çubuk-fiber elemanlar kullanılmıştır. Çubuk-fiber elemanı eleman uzunluğu boyunca doğrusal olmayan davranışın söz konusu olduğu bir davranış modelidir.
Yapı sistemleri olarak üç adet betonarme yapı sistemi incelenmiştir. Bunlar
konsol kolon, tek katlı tek açıklıklı ve çok katlı çok açıklıklı yapı sistemleridir.
Modellemelerde kullanılan beton ve çelik malzeme modelleri detaylı şekilde
incelenmiştir. Bu malzeme modellerinin gerilme-şekil değiştirme ilişkileri, doğrusal
olmayan davranışın modellenmesinde kullanılmıştır.
OpenSees ve SeismoStruct programlarında konsol kolon, tek katlı tek açıklıklı ve çok
katlı çok açıklıklı yapı sistemlerinin her biri için statik itme analizleri ve doğrusal
olmayan zaman-tanım alanında dinamik analizler gerçekleştirilmiştir. OpenSees
programında, fiber modellerin kullanıldığı analizlerde elemanlar 'nonlineer beam
column element' olarak modellenmiştir. Moment-dönme yaylarının kullanıldığı
doğrusal olmayan analizlerde ise 'zero length element' kullanılmıştır. Moment-dönme
yayları kullanılmış kesitin yay dışında kalan diğer kısımları elastik eleman olarak
tanımlanmıştır. Yapı sisteminin elemanlarını oluşturan kolon ve kiriş kesitleri için
moment eğrilik ilişkileri XTRACT programı ile elde edilmiştir.
Tezin birinci kısmında genel bilgiler ve tezin amacı, kapsamı, içeriği yer almaktadır.
İkinci kısımda yapı sistemini oluşturmada kullanılan malzemelerin davranışları
detaylı şekilde incelenmiş ve teorik kısmına yer verilmiştir. Üçüncü kısımda
yapı sistemlerinde doğrusal olmayan davranış teorilerine yer verilmiş, histeretik
modeller açıklanmıştır. Devamında doğrusal olmayan analiz yöntemlerinin teorileri ve
kullanılacak olan doğrusal olmayan statik itme analizi ve doğrusal olmayan dinamik
zaman-tanım alanında analizler ve bunların içerisinde kullanılan hesap yöntemleri
açıklanmıştır. Dördüncü bölümde tüm araştırmaların sayısal örneklere ve analizlerine
ve kullanılan iki ayrı analiz programının karşılaştırmalarına yer verilmiştir. Beşinci
kısımda ise karşılaştırılmaların değerlendirilmesi ve yorumlanmasını içeren sonuç
kısmıdır.
Moment-dönme yay modelli yapılarda statik itme ve zaman-tanım analizleri sonucu
elde edilen taban kesme kuvveti-yer değiştirme ilişkilerinin OpenSees ve SeismoStruct
programlarında karşılaştırılmaları sonucunda iki programın da tüm yapı tipleri
için oldukça yakın sonuçlar verdiği görülmüştür. Fiber elemanlı modellerde
tüm yapılarda iki analiz tipi için bazı farklılıklar oluştuğu görülmüştür. Bu
farklılığın malzeme modellerindeki farklılıktan, fiber tanımlamasından ve sönümleme
matrisinden kaynaklandığı düşünülmektedir.
Sonraki yapılacak çalışmalar için bazı öneriler sunulabilir. Tez kapsamında geometri
açısından doğrusal olmayan davranış göz önüne alınmamıştır. Daha gerçekçi davranış
elde etmek için geometri bakımından ve malzeme bakımından doğrusal olmayan davranışların birlikte göz önüne alındığı analizlerin incelenmesi faydalı olabilir.
Ayrıca, perde duvar gibi farklı eleman tiplerinin incelenmesi, üç boyutlu modellerin
incelenmesi düşünülebilir.

Abstract:
In structural engineering, it is important to predict the structural response under severe
earthquake effects. For this reason, performance-based assessment is being used in the
recent years. Generally, non-linear analyzes are used in the performance analysis of
structural systems under the effect of earthquake. It is known that the behavior of the
structures is not linear and causes large displacements and deformations as a result of
severe earthquakes. So that, the use of nonlinear analyzes to model nonlinear behavior
of structural systems can provide to more realistic results.
In nonlinear modeling and analysis of of structures, nonlinear behavior is classifed
into two: material and geometry nonlinearity. For material nonlinearity, two main
modelling approach can be considered distributed plasticity and lumped plasticity.
The simplest models are lumped plasticity models, where nonlinearity is defined by
force-deformation response of the component (or moment-rotation). Lumped models
for frames concentrate the inelastic deformations to the ends of the element as rigid
plastic hinges or nonlinear spring elements. Other regions of the element are modelled
linearly.
In distributed plasticity models, nonlinearity is generally defined by material
stress-strain relationships. These relationships are available for the entire body in a
continuous deormable body. Unlike a continuum analysis, cross-sectional analysis
can be performed on so-called fiber models, and this is the spread plasticity approach
that is generally taken in structural engineering, except component analysis. Fiber
models can be defined in the context of finite element method for frame elements or
as more simpler multi-spring models for shear wall elements. Analyses according to
the distributed plasticity models require more processing and therefore more time. On
the other hand, it is observed thatn these models can reflect the actual behavior when
compared to experimental studies in comparison to lumped plasticity models. Usually,
lumped plasticity models are used in frame elements such as columns and beams, while
spread plasticity models are preferred in shear wall elements in practical engineering.
At present, many nonlinear analysis programs are used in scientific studies and
engineering applications. One of the most important difficulties encountered in these
programs is that the models used by the programs and the analysis methods are
based on complex mathematical and physical theories. In order to understand the
methods and outcomes of the program, it is useful to compare the analysis of the
structures that are modeled with the same approaches in different programs and there
are several studies in this direction. In this study, it is aimed to compare OpenSees
and SeismoStruct programs. As a conclusion, the aim of this thesis is to examine and
compare OpenSees and SeismoStruct programs for nonlinear earthquake analysis, to
examine material and element models, analysis methods and durations.
In the thesis, nonlinear behavior includes nonlinear behavior in terms of materials
and geometric nonlinearity has not been studied. It is assumed that the nonlinear
behavior of the lumped plasticity model is concentrated at the element end points and
the springs are used. Fiber elements are used as distributed plasticity model. The
nonlinear behavior of the fiber model is present along the length of the element.
This thesis include three type structure model. These are cantilever column system,
single story single span reinforced system and multi story and multi span reinforced
system. The models of concrete and steel materials used in the modeling are examined
in detail. The stress-strain relationships of these material models are used to model
nonlinear behavior.
In the OpenSees and SeismoStruct programs, static pushover analysis and nonlinear
dynamic time-history analyses are performed for each of the cantilever column,
single-storey single-span and multi-storey multi-span structure systems. In the
OpenSees program, the elements are modeled as 'nonlinear beam column elements'
in the analysis using fiber models. In the nonlinear analyzes using moment-rotation
springs, 'zero length element' is used. For frame elements with moment-rotation
springs, the body of the frame element is modelled lineraly. Moment-curvature
relationships for the column and beam sections are obtained by XTRACT program.
In the first part of the thesis, general information about thesis and the object, scope and
content of the thesis are given. In the second part, the behavior of the materials used
in structure system is examined in detail and the theoretical part is given. In the third
part, nonlinear behavior theories are used in structural systems and hysteretic models
are explained. Then, the theories of nonlinear analysis methods are given including
nonlinear static pushover analysis and nonlinear time-history analyses. In the fourth
chapter, numerical examples and analyzes and comparisons are given. The programs
that are compared are OpenSees and SeismoStruct. The fifth part is the conclusion.
As a result of the comparison of the base shear force-displacement relations obtained
in static pushover and time-history analysis in the moment-rotation hinge model
structures in the OpenSees and SeismoStruct programs, it is observed that programs
give results that are very close to each other. Some differences in the results from
two programs are observed for the structures with fiber elements. This difference is
considered be due to differences in material models, fiber definitions and damping
matrix.
Some recommendations can be given for the future studies. In the scope of this thesis,
Geometric nonlinearity is not included in the scope of this thesis. To evaluate the
programs for a more realistic nonlinear behavior, geometric and material nonlinearity
may be considered simultaneously. In addition, examination of different types of
elements such as shear walls and three-dimensional models can be considered.