Yapı-zemin dinamik etkileşim probleminin zaman tanım alanında incelenmesi
Analysis of the structure-soil dynamic interaction problem in the time domain
Yazar: SONER GENCER
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ GÜLÇİN TEKİN ÖZKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekanik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Yapı-zemin dinamik etkileşim (SSDI) problemi genelde yapı, temel ve temeli çevreleyen zeminin dış yükler altında birbirleriyle olan ilişki ve davranışlarını inceler. Bu anlamda yapı-zemin dinamik etkileşim problemini incelemek, zemin mekaniği, yapı mekaniği, yapı dinamiği, malzeme bilimi  ve deprem mühendisliği gibi birçok disiplinin bir arada çalışmasını gerektirir. SSI konusunda geçmişten günümüze birçok çalışma yapılmıştır. Yapılan çalışmalarda zemin-yapı etkileşim problemi genel anlamda alt sistem ve doğrudan çözüm olmak üzere iki tür yaklaşımla değerlendirilmiştir. Bu yaklaşımlar ise problemin tanımına göre çeşitli çözüm yöntemleriyle ele alınmıştır.  Bu çalışmada, rijit bir temel bloğu üzerinde oturan tek serbestlik dereceli sönümlü bir üst yapının sismik etkiler altında zemin ile etkileşim problemi incelenmiştir.  Yapı-zemin etkileşimini araştırmak için zeminde ayrık eleman modeli kullanılmıştır. İncelenen sistemin 1940 El Centro (Imperial Valley) depremi (M_w=6.9) etkisindeki dinamik davranışı incelenmiştir. Zemin üzerindeki temel bloğunda, yatay ötelenme serbestliği, dönme serbestliği ve ek dönme serbestliği olmak üzere üç serbestlik  tanımlanmıştır. Analizlerde yumuşak-katı kil (ZE), çok katı kil (ZD), zayıf kaya (ZC) ve orta-sağlam kaya (ZB) olmak üzere dört farklı zemin grubu dikkate alınmıştır. Analiz sırasında zeminde malzeme sönümünün olmadığı ve zeminin mekanik özelliklerinde bir değişimin gerçekleşmediği varsayılmıştır. Hareket denklemleri doğrudan zaman alanında elde edilmiş, denklemlerin çözümü için sayısal çözüm yöntemlerinden biri olan merkezi sonlu farklar (CFD) yöntemi kullanılmıştır. Yapı-zemin dinamik etkileşim problemi, kontrol edilen her bir zemin grubu için temel bloğu kalınlığı ve taban alanı ile yapı yüksekliğindeki değişimlere göre zaman tanım alanında hesaplanmıştır. Sonuçların yer değiştirme ve ivme tepki spektrumları üzerindeki etkisi tartışılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Yapı-zemin dinamik etkileşimi, ayrık eleman model, merkezi sonlu farklar yöntemi, tepki spektrumu.

Abstract:
The dynamic structure-soil interaction (SSDI) problem generally examines the relationship and behaviour of the structure, foundation and the soil surrounding the foundation under external loads. In this sense, examining the dynamic structure-soil interaction problem requires many disciplines such as soil mechanics, structural mechanics, structural dynamics, material science and earthquake engineering to work together. Many studies have been conducted on SSI from past to present. In the studies carried out, the soil-structure interaction problem was generally evaluated with two types of approaches: subsystem and direct solution. These approaches have been addressed with various solution methods according to the definition of the problem. In this study, the interaction problem of a single degree of freedom damped superstructure fixed on a rigid foundation block with the ground under seismic effects is examined. To investigate the structure-soil interaction, soil is modelled with discrete element model. The dynamic behaviour of the system is examined under the effect of 1940 El Centro (Imperial Valley) earthquake with magnitude M_w=6.9 is examined. Three freedoms are defined in the foundation block resting on the soil: horizontal translational and two rotational freedoms. Four different soil groups are considered in the analysis: soft-solid clay (ZE), very solid clay (ZD), soft rock (ZC) and hard rock (ZB). During the analysis, it is assumed that there is no material damping in the soil and no change in the mechanical properties of the soil. The equations of motion are obtained directly in the time domain, and one of the numerical solution methods which is called the central finite difference (CFD) method is used to solve the equations. The dynamic soil-structure interaction problem is analysed in the time domain according to the changes in the foundation block thickness and basement area and building height for each controlled soil group.  The effects of the results on the displacement and acceleration response spectra are discussed.
Keywords: Structure-soil dynamic interaction, discrete element model, central finite difference method, response spectrum.