Mevcut binaların doğrusal olmayan yerdeğiştirme istemleri ile ampirik ifadelerin karşılaştırılması
Comparison of inelastic displacement demands of existing RC buildings and proposed empirical relation
Yazar: YASEMİN ÇETİN
Danışman: DOÇ. DR. BEYZA TAŞKIN AKGÜL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Son yıllarda yeryüzünde meydana gelen şiddetli depremler ve bu depremler sonucunda oluşan ağır hasar ve can kayıpları nedeni ile deprem bölgelerinde bulunan mevcut veya bu bölgelerde yapılması planlanan yapıların, deprem etkilerini karşılayacak kapasiteye sahip olması önem kazanmıştır. Alp-Himalaya deprem kuşağında yer alan ülkemizde meydana gelen depremler, mevcut yapılarda yoğun hasara yol açmış ve deprem konusunda genel bir önlemin alınmasını gerektirmiştir. Mevcut yapıların deprem etkisi altında davranışlarının incelenmesi, yapıların uygun performansı gösterip göstermeyeceğinin değerlendirilmesi ve tasarım aşamasındaki yapılarda ne gibi önlemler alınacağı konusunda çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalar sonucunda depreme dayanıklı yapı tasarımı felsefesi geliştirilmiştir.
Depreme dayanıklı yapı tasarımının felsefesi, yapının, göçme meydana gelmeden deprem şiddetini karşılayabilecek kapasiteye sahip olmasına dayanmaktadır. Yapının sahip olduğu kapasitenin hesaplanmasında doğrusal olmayan elastik yöntemlerin uygulanması ile yapının davranışı gerçeğe yakın olarak belirlenebilmektedir. Bu çalışmaların devamında yapıların doğrusal olmayan yerdeğiştirme istemlerinin yapı kapasitesinin belirlenmesi açısından önemi anlaşılmıştır.
Depreme dayanıklı yapı tasarımında hesap işlemlerinin kolaylığı ve hızı da uygulamanın hızlanması açısından önemli olmaktadır. Uzun hesap adımları ile yapılan doğrusal elastik olmayan yöntemlerin, daha kısa ve kolay bir yöntemle çözülmesi yönünde çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Son yıllarda yapılan çalışmalar sonunda yapının sahip olduğu doğrusal olmayan yerdeğiştirme isteminin, yapının elastik titreşim periyodu ve süneklik faktörü ile doğal titreşim periyodu ve akma dayanımı azalım katsayısı arasında fonksiyonel bir ilişki olduğu anlaşılmıştır.
Bu araştırmanın temel amacı, mevcut yapıların, depreme dayanıklı yapı tasarımı felsefesine göre incelenmesi ve sahip oldukları kapasitelerinin belirlenmesinde uzun hesap adımları yerine kullanılabilecek ampirik formüllerin yakınsaklığının araştırılmasıdır. Bu amaç doğrultusunda 4 adet mevcut bina, üretilen 7 adet yapay yer hareketi etkisi altında doğrusal olmayan analiz yapılarak yapıların doğrusal olmayan yerdeğiştirme istemleri, ampirik formül ile elde edilen doğrusal olmayan yerdeğiştirme istemleri ile karşılaştırılmıştır.
Binaların yer hareketleri etkisinde göstereceği davranışın gözlemlenebilmesi için üretilen 7 adet yapay yer hareketi için TARSCTHS programı kullanılmıştır.
Yapıların modellenmesinde DRAIN-2DX programı kullanılarak düzlem çerçeve şeklinde modellenen binalara üretilen 7 adet yapay yer hareketi altında doğrusal olmayan analizler yapılmıştır. Aynı zamanda yapılara birinci doğal mod şekilleri oranında artan yükler etkitilerek artımsal itme analizi yapılmıştır.
Önceki bir çalışmada elde edilen ampirik formüller kullanılarak doğrusal yer değiştirme istemleri, yapıların dayanım azaltma katsayısı, doğal titreşim periyoduna göre hesaplanmıştır.
Mevcut binaların, hem analiz sonucunda elde edilen veriler ile hem de ampirik formüller ile hesaplanan doğrusal olmayan yerdeğiştirme istemleri karşılaştırılmıştır. Elde edilen doğrusal olmayan yer değiştirme istemleri arasındaki fark sonucunda, yapıların sahip oldukları periyot ve süneklik değerlerinin ampirik formüller üzerinde etkisi olduğu ve değerlerin yakınsaklığını etkilediği görülmüştür.

Abstract:
In recent years, several earthquake ground motions occur all around the world cause severe damages and loss of life. To prevent deaths and decrease collapsing of structural elements, behaviors of buildings that exist in and around earthquake region or structures that are planned to be built in these areas have started to be investigated.
Many strong earthquakes occur in Turkey because of being on Alpine-Himalayan seismic zone. Those earthquake motions caused extensive damage to existing buildings. This has brought forth the need for general measures. Various studies have been conducted to ascertain what measures would be taken at the design stage of the assessment and how existing buildings respond to earthquake motions. As a result of examination of the structural behavior under the influence of the earthquake, earthquake resistant design philosophy has been developed.
Earthquake resistant building design philosophy is based on having enough capacity to satisfy horizontal earthquake forces without any collapse on structural elements. This building design philosophy leads to the development of a large number of alternative seismic design remarks based more on deformation capacity than strength. Studies show that structural and non-structural damages that occur under earthquake ground motions is caused by lateral displacement. It has been seen that lateral displacement effects the capacity and behavior of structures. Thus, the estimation of lateral displacement demand has a primary importance to determine structure`s capacity.
The sufficient capacity for structures can be determined by using linear and nonlinear analysis methods. Despite linear analysis method, non-linear analysis results are closer to real behavior of existing reinforced concrete buildings under the earthquake ground motions. This fact caused researches to study more about nonlinear analysis methods and their results to determine the capacity of structures.
After several studies about nonlinear analysis methods and structural response, it has been seen inelastic displacement demand of structure is an important parameter to determine the capacity of structure.
Furthermore, computational complexity of non-linear analysis method is a significant factor for applicability of this process. Although it gives realistic result, nonlinear analysis method has many calculation steps that require substantial amount of time. Because of that, there have been numerous researches about reducing analysis time. Recent studies indicate that the inelastic displacement demands of structure has a mathematical relationship between three structure parameters; elastic period, response reduction factor and ductility demands.
The main purpose of this research is analyzing existing reinforced concrete buildings according to earthquake resistant building design remark. Also investigating the convergence of inelastic displacement demands of structures that are obtained both by using proposed empirical expressions and nonlinear analysis method is another goal of this study.
For this purpose, four existing reinforced concrete buildings from Istanbul, Turkey, have been investigated under the effects of seven artificial earthquake ground motions. Existing buildings have been modeled for nonlinear analysis method by a software as a 2D frame model.
Models have been analyzed under artificial ground motions which was also generated by a simulation software. Also empirical expressions have been used to estimate inelastic displacement demands. By using both methods, inelastic displacement demands have been calculated and compared.
TARSCTHS programming has been used to produce seven artificial earthquake ground motions to observe the behavior of structures under earthquake effects. TARSCTHS is a ground motion simulation program that generate artificial time history of ground acceleration by taking into account the possible earthquake magnitude and using estimated epicenter distance or specifying the duration. According to the data from existing buildings, the ground type is Z2. Therefore, the artificial earthquakes have been generated using TARSCTHS in accordance with the characteristics of the Z2 ground type at the Turkish Earthquake Codes -2007. Also, with TARSCTHS software a tripartite elastic response spectra of the artificial earthquakes have been generated and used to determine spectral regions and separating periods.
Existing reinforced concrete buildings have been modeled as a 2D assemblage of nonlinear elements in DRAIN-2DX program for x and y axes of structures. By using DRAIN-2DX, structures have been analyzed by nonlinear methods under 7 artificial earthquake ground motions.
Structures have been effected by artificial earthquake ground motions from both x and y directions separately. Under artificial earthquake ground motions, maximum displacement of top of the buildings and base shear force that correspond to maximum displacement have been calculated by using nonlinear analysis method.
Moreover, a static pushover analysis has been applied to the models by using increasing effects at the rate of first natural periods of structures. By using static pushover analysis method, yield displacement and base shear force that correspond to the displacement is obtained.
Furthermore, maximum elastic base shear force and corresponding displacement have been calculated by using MUTO calculation method. After obtaining all those data, inelastic displacement demands of existing reinforced concrete buildings have been estimated.
In addition, empirical expressions offered in a previous study have been used to calculate the inelastic displacement demands of structures by using response reduction factor and elastic natural period. These empirical expressions for estimating the inelastic deformation demands of existing structures and the performance displacement were obtained by applying nonlinear static procedures as defined in the Turkish Earthquake Resistant Design Code-2007. As a result of the study, a form of an empirical relation was selected and empirical relations for estimating the non-linear deformation ratios were established.
In this study, determined empirical expression have been used to calculate inelastic displacement demands for each existing buildings for both x and y directions. The proper constant for these expressions have been chosen according to the ground type of buildings. inelastic displacement demands have been estimated from the natural period of existing structures and spectral regions of artificial ground motions,
Finally, inelastic displacement demand results of both empirical expressions and nonlinear analysis method have been compared. As a result, a disparity between the results of these methods have been determined. This disparity is proposed to be caused by the effect elastic natural periods and ductility demands of existing reinforced concrete buildings have on accuracy of inelastic displacement demands of structures. It has been seen that having insufficient rigidity and long elastic natural periods cause different inelastic displacement demand values.
In further studies, the structures that have short natural period can be analyzed. With these studied, inelastic displacement demand values of short natural period structures that are calculated by empirical expressions, can be compared to the structures that have long natural periods. With the research of short natural period structures, it can be determined if inelastic displacement demand results of structures that are in acceleration sensitive region are more accurate than the ones in velocity sensitive region.