Geri Dön

Estimations of seismic input energy and inelastic top displacement demand in moment resisting frame type structures

Moment aktaran çerçeve türü yapılarda sismik giriş enerjisinin ve inelastik tepe yerdeğiştirmesi talebinin tahmin edilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 637235
  2. Yazar: FURKAN ÇALIM
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ERCAN YÜKSEL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Deprem Mühendisliği, İnşaat Mühendisliği, Earthquake Engineering, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2020
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 140

Özet

Mevcut deprem yönetmeliklerinde (ASCE/SEI 7, FEMA 356, Eurocode 8, TBDY 2018 gibi) kuvvet esaslı ve yerdeğiştirme esaslı sismik tasarım yöntemleri kullanılmaktadır. Kuvvet esaslı tasarım yönteminde, daha önceden belirlenmiş bina performans hedefi için sistem sünekliği ve malzeme dayanım fazlalığı katsayısına karşı gelen azaltma katsayısı“R”belirlenir. Elastik ivme spektrumu kullanılarak elde edilen elastik deprem kuvvetleri R katsayısı ile küçültülerek tasarım deprem kuvvetleri hesaplanır. Bu azaltma, yapının tasarım deprem kuvvetleri altında doğrusal olmayan davranış göstereceği varsayılarak yapılır. Yapısal elemanların tasarım deprem kuvvetlerini güvenle taşıdığı durumda yeterli sismik tasarım elde edilmiş olur. Yerdeğiştirme esaslı tasarım yönteminde ise, öncelikle yapının kuvvet-yerdeğiştirme ilişkisi hesaplanır. Elde edilen kapasite eğrisi kullanılarak yapının yerdeğiştirme talepleri belirlenir. Yerdeğiştirme taleplerinin yönetmeliklerde verilen limitlerden daha az olduğu durumda yeterli sismik tasarım elde edilmiş olur. Geleneksel sismik tasarım yöntemleri (kuvvet esaslı ve yerdeğiştirme esaslı) depreme ait bazı önemli özellikleri hesaba katmadıkları için güvenilir bir sismik tasarım ortaya koyma konusunda büyük bir eksikliğe sahiplerdir. Özellikle Türkiye gibi depreme sıklıkla maruz kalan ülkelerin yönetmeliklerinde bahsi geçen yöntemlerin kullanılması yerine, bu eksiklikleri bünyesinde barındırmayan yeni bir sismik tasarım yöntemi geliştirilmelidir. Henüz mevcut yönetmeliklerde yer almayan enerji esaslı tasarım yöntemi ise bu yöntemlerin olumlu özelliklerini barındırmasına ek olarak; depremin türü, süresi ve frekans içeriği gibi kuvvet ve yerdeğiştirme esaslı yöntemlerce göz ardı edilen önemli özellikleri de dikkate almaktadır. Böylece enerji esaslı tasarım yöntemi, deprem süresine bağlı kümülatif hasar durumunu da göz ardı etmemesiyle, kuvvet ve yerdeğiştirme esaslı yöntemlere kıyasla daha güvenilir hale gelmektedir. Enerji esaslı sismik tasarım yönteminde, deprem hareketinden kaynaklanan enerji taleplerinin yapısal eleman enerji kapasitelerinden daha az olduğu durumda yeterli sismik tasarım elde edilmiş olur. Tezin birinci bölümünde tezin amacından, literatürde konu ile ilgili daha önce yapılmış çalışmalardan ve tez ile birlikte sunulan hipotezden bahsedilmiştir. Bu yüksek lisans tez çalışması ile; enerji esaslı sismik tasarım yöntemi geliştirilmesi kapsamında kullanılmak üzere, yapıların maruz kaldığı deprem hareketleri altında yapısal elemanlarda oluşacak inelastik tepe yerdeğiştirmesi taleplerinin ve sismik giriş enerjisinin katlar arasında dağıtılmasıyla enerji taleplerinin belirlenmesi için -doğrusal olmayan zaman tanım alanında analiz uygulayarak doğrulaması yapılmış- bir metodoloji geliştirilmesi hedeflenmektedir. Tez kapsamında geliştirilen metodoloji ile yapının sismik enerji ve yerdeğiştirme taleplerinin sadece deprem kaydı ve yapının modal özellikleri kullanılarak hızlı ve doğru değerlere olabildiğince yakın bir şekilde tahmin edilmesi amaçlanmaktadır. Tezin ikinci bölümünde Perform 3D yazılımında oluşturulan sayısal modellerden ve doğrusal olmayan zaman tanım alanında analizlerde kullanılan deprem kayıtlarından bahsedilmiştir. Tezde önerilen metodolojinin kontrolü ve doğrulamasını yapmak amacıyla farklı kat sayılarına sahip moment aktaran iki boyutlu çerçeve sistemler seçilmiştir. Tez içerisinde Manoukas 3-St, Akbas 3-St, Akbas 6-St, SAC-LA 9-St ve SAC-LA 20-St olarak adlandırılan, daha önce literatürdeki bazı çalışmalarda da kullanılmış olan üç katlı bir adet betonarme ve üç, altı, dokuz, yirmi katlı dört adet çelik olmak üzere toplam beş adet moment aktaran çerçeve sistem seçilmiştir. Yapısal elemanların doğrusal olmayan davranışını hesaba katmak için plastik mafsal teorisi kullanılmış ve elemanların her iki ucuna plastik mafsallar tanımlanırken orta kısımları ise elastik tanımlanmıştır. Plastik mafsal uzunlukları, her bir kesit yüksekliğinin yarısı olarak alınmıştır. Deprem kayıtlarının seçimi için öncelikle model çerçevelere statik itme analizi yapılarak kuvvet-yerdeğiştirme kapasite eğrisi elde edilmiştir. Sonrasında ise enerjiyerdeğiştirme kapasite eğrisi hesaplanmış ve her bir model yapıya ait akma enerjisi değerleri elde edilmiştir. Akbas 3-St, Akbas 6-St, SAC-LA 9-St, SAC-LA 20-St çelik çerçeveleri için akma enerjileri sırasıyla 0.156 m2/s2, 0.208 m2/s2, 0.402 m2/s2 ve 0.307 m2/s2 olarak hesaplanmıştır. Akma enerjisinden daha yüksek bir enerji girişine sebep olacak 92 adet deprem kaydı, toplam 1094 deprem kaydı arasından seçilmiştir. Analizler sırasında %5 sönüm oranı kullanılmıştır. Ayrıca kayıtlarda herhangi bir ölçeklendirme yapılmamış, dolayısıyla seçilen deprem kayıtlarının içeriği bozulmamıştır. Seçilen 92 deprem kaydından 32 tanesi uzak deprem karakteristiklerini içerisinde barındıran“ordinary non-pulse-like”, 60 tanesi ise yakın fay depremi karakteristiklerini içerisinde barındıran“pulse-like”kayıtlardır. Yakın fay depremleri genellikle yapılarda daha yüksek sismik taleplerin (taban kesme kuvveti, kat yerdeğiştirmeleri, sismik giriş enerjisi, v.s.) oluşmasına sebep olurlar ve genellikle yüksek PGV (en büyük yer hızı) değerine sahiplerdir. Tez kapsamında önerilen metodolojinin uzak deprem kayıtları için, veya başka bir deyişle PGV değeri daha az olan deprem kayıtları için (PGV ≤ 50 cm/s) çok daha iyi sonuç verdiği görülmüştür. Tezin üçüncü bölümünde bir deprem hareketi sırasında çok serbestlik dereceli sistemlere (ÇSDS) etkiyen maksimum giriş enerjisinin tahmini için önerilen yöntemden bahsedilmiştir. Önerilen yöntemde, kümülatif olarak bina toplam kütlesinin %95'inden daha fazla modal etkin kütleyi sağlayacak sayıda mod kullanılmıştır. Bu bağlamda Manoukas 3-St ve Akbas 3-St çerçeveleri için ikişer mod (sırasıyla %96.58 ve %97.01 kümülatif modal etkin kütle), Akbas 6-St, SAC-LA 9-St, SAC-LA 20-St çerçeveleri için ise üçer mod (sırasıyla %97.10, %97.70 ve %95.16 kümülatif modal etkin kütle) kullanılmıştır. Öncelikle her bir deprem kaydı kullanılarak tek serbestlik dereceli sistemlere (TSDS) ait giriş enerjisi spekturumu oluşturulmuştur. Yapıya ait mod şekli, modal katkı çarpanı ve TSDS için oluşturulmuş giriş enerjisi spekturumu kullanılarak bir formülasyon önerilmiş ve ÇŞDS için maksimum giriş enerjisi tahmin edilmeye çalışılmıştır. Tahmin edilen giriş enerjisi değerleri sonraki bölümlerde önce inelastik tepe yerdeğiştirmesi, sonrasında ise kat yerdeğiştirmelerinin tahmininde kullanılacağı için yapılan tahminlerin gerçek değerlere oldukça yakın olması gerekmektedir. Giriş enerjisi tahmini için 92 adet deprem kaydı kullanılarak elde edilen sonuçlar, doğrusal olmayan zaman tanım alanında analiz sonuçları ile karşılaştırılmış ve Manoukas 3-St, Akbas 3-St, Akbas 6-St, SAC-LA 9-St, SAC-LA 20-St çerçeveleri için rölatif yüzde farklarının aritmetik ortalamaları sırasıyla %38.6, %11.3, %13.6, %11.7 ve %13.9 olarak hesaplanmıştır. Korelasyon katsayıları ise sırasıyla 0.739, 0.974, 0.932, 0.959 ve 0.914 olarak hesaplanmıştır. Bu sonuçlar, çelik çerçeveler için tahminlerin çok yüksek korelasyon derecesi ile, betonarme çerçeve için ise tahminlerin yüksek korelasyon derecesi ile yapıldığını göstermektedir. Giriş enerjisi tahmini için 50 cm/s daha düşük bir PGV değerine sahip 35 adet deprem kaydı kullanıldığında Manoukas 3-St, Akbas 3-St, Akbas 6-St, SAC-LA 9-St, SAC-LA 20-St çerçeveleri için rölatif yüzde farklarının aritmetik ortalamaları sırasıyla %17.1, %5.8, %7.7, %6.0 ve %9.3 olarak hesaplanmıştır. Tezin dördüncü bölümünde moment aktaran çerçeveye etkiyen toplam giriş enerjisinin yapının katları arasında dağıtılmasından bahsedilmiştir. Literatürde giriş enerjisinin katlar arasında dağılımının tahminine yönelik bir çalışma olmazken, histeretik enerjinin dağılımına yoğunlaşılmıştır. Literatürdeki bir çok çalışmada deprem karakteristiklerinden bağımsız olarak yapının sadece modal özellikleri kullanılarak histeretik enerji dağılımının tahmin edilmesine çalışılmış, dolayısıyla her yapı için tek bir enerji dağılım düzeni önerilmiştir. Ancak bu tezde elde edilen doğrusal olmayan zaman tanım alanında analiz sonuçları da göstermiştir ki, enerji dağılımını deprem kaydından bağımsız olarak temsil etmek mümkün değildir. Bu yüzden, bir önceki bölümde önerilen ve her bir deprem kaydına özgü giriş enerjisi spektrumunun kullanıldığı yöntem ile giriş enerjisinin katlar arasında dağılımı düşük rölatif yüzde farkları ile tahmin edilebilmektedir. Giriş enerjisinin yapıların katları arasında dağıtılmasının tahmini için 92 adet deprem kaydı kullanılarak elde edilen sonuçlar, doğrusal olmayan zaman tanım alanında analiz sonuçları ile karşılaştırılmış ve Manoukas 3-St, Akbas 3-St, Akbas 6-St, SAC-LA 9-St, SAC-LA 20-St çerçeveleri için rölatif yüzde farklarının aritmetik ortalamaları sırasıyla %37.0, %15.4, %16.9, %16.5 ve %29.4 olarak hesaplanmıştır. Giriş enerjisi yapıların katları arasında dağıtılmasının tahmini için 50 cm/s daha düşük bir PGV değerine sahip 35 adet deprem kaydı kullanıldığında Manoukas 3-St, Akbas 3-St, Akbas 6-St, SAC-LA 9-St, SAC-LA 20-St çerçeveleri için rölatif yüzde farklarının aritmetik ortalamaları sırasıyla %18.7, %13.1, %12.3, %10.1 ve %19.3 olarak hesaplanmıştır. Tezin beşinci bölümünde ise yapının inelastik tepe yerdeğiştirmesi talebinin tahmini için önerilen yöntemden bahsedilmiştir. Literatürde bulunan ve giriş enerjisi ile tepe yerdeğiştirme arasındaki ilişkiyi gösteren formülasyon, yapının diğer modlarının katkısını da göz önünde bulundurmak için tanımlanan“referans periyot, Tref”kullanılarak güncellenmiş ve tezin üçüncü bölümünde tahmin edilen giriş enerjisi kullanılarak yapının maksimum tepe yerdeğiştirmesi tahmin edilmiştir. Bu yönteme göre, giriş enerjisi ile maksimum tepe deplasmanı arasında ikinci dereceden parabolik bir ilişki elde edilmiştir. Yapının bir deprem hareketi sırasında meydana gelen maksimum tepe yerdeğiştirmesi değeri genel doğrusal olmayan statik prosedürler için bir giriş bilgisi olarak kullanıldığından, bu değerin olabilidiğince az bir rölatif hata ile tahmin edilebilmesi önem arz etmektedir. Tepe yerdeğiştirmesi tahmini için 92 adet deprem kaydı kullanılarak elde edilen sonuçlar, doğrusal olmayan zaman tanım alanında analiz sonuçları ile karşılaştırılmış ve Manoukas 3-St, Akbas 3-St, Akbas 6-St, SAC-LA 9-St, SAC-LA 20-St çerçeveleri için rölatif yüzde farklarının aritmetik ortalamaları sırasıyla %53.1, %18.3, %20.6, %18.8 ve %20.9 olarak hesaplanmıştır. Korelasyon katsayıları ise sırasıyla 0.546, 0.857, 0.849, 0.878 ve 0.883 olarak hesaplanmıştır. Bu sonuçlar, çelik çerçeveler için tahminlerin çok yüksek korelasyon derecesi ile, betonarme çerçeve için ise tahminlerin orta korelasyon derecesi ile yapıldığını göstermektedir. Tepe yerdeğiştirmesi tahmini için 50 cm/s'den daha düşük bir PGV değerine sahip 35 adet deprem kaydı kullanıldığında Manoukas 3-St, Akbas 3-St, Akbas 6-St, SAC-LA 9St, SAC-LA 20-St çerçeveleri için rölatif yüzde farklarının aritmetik ortalamaları sırasıyla %20.9, %15.8, %14.8, %19.8 ve %18.8 olarak hesaplanmıştır. Tez kapsamında önerilen metodoloji ile, sismik giriş enerjisi ve inelastik tepe yerdeğiştirmesi tahminlerini çelik çerçeveler için çok yüksek korelasyon derecesi ile yapmak mümkünken, betonarme çerçeve için tahminler sadece uzak deprem (PGV ≤ 50 cm/s) durumunda çok yüksek korelasyon derecesi ile yapılabilmektedir.

Özet (Çeviri)

Energy-based seismic design (EBSD) methodology has an edge over force-based seismic design (FBSD) and displacement-based seismic design (DBSD) methodologies in many ways. Unlike FBSD and DBSD used in the current seismic design codes, it accounts for the type (near-fault, far-fault, etc.), frequency content, and total duration of the EQ record. Also, it takes the cumulative damage potential of an earthquake excitation into account. A basis for the EBSD was created in the content of this thesis study by proposing a methodology to calculate the seismic demands of a moment resisting frame fast and with an acceptable level of accuracy. Firstly, mass-normalized input energy response spectrum is calculated for SDOF systems using the ground acceleration and velocity response of the structure. Input energies (EI) imparted into each story of a MDOF system are estimated using the suggested formula which uses mode shapes, modal participation factors, and EI/m spectra constructed for SDOF systems. After total EI per unit mass is estimated, maximum inelastic top displacement (δtop) of a MDOF system during a seismic excitation is predicted using the proposed relation between EI/m and δtop. Model frames and EQ records to be used in the application and verification of the methodology were selected and nonlinear time history analyses (NLTHA) were performed on the model frames using Perform 3D software. In order to make sure that the methodology can be applied on moment resisting frames using different materials and with different number of stories, three-story reinforced concrete Manoukas frame, three- and six-story steel Akbas frames, nine- and twenty-story steel SAC-LA frames were selected. For the selection of EQ records, energy-displacement capacity curves were calculated for the model frames using the force-displacement capacity curves that were obtained after running static push-over analyses. 92 EQ records causing a higher energy input to the frames than the yield energy were selected. After seismic demands (input energy demands on story level and inelastic top displacement demand) of the set of 92 EQ records were estimated by the proposed methodology, they were compared with the results of the NLTHA. Relative percentage differences between the predicted and true values were computed. Using all 92 EQ records, arithmetic means of the relative percentage differences in the prediction of total EI/m, story EI, and δtop were computed as 12.6%, 19.5%, 19.6%, respectively for the steel frames and 38.6%, 37.0%, 53.1%, respectively for the RC frame. Using the 35 EQ records with a PGV less than 50 m/s (ordinary non-pulse-like motion), arithmetic means of the relative percentage differences in the prediction of total EI/m, story EI, and δtop were computed as 7.3%, 13.6%, 17.3%, respectively for the steel frames and 17.1%, 18.7%, 20.9%, respectively for the RC frame. It was observed that the methodology yields better results for ordinary type EQ records (PGV ≤ 50 m/s) compared to pulse-like type EQ records. For steel frames, it predicts the seismic demands with a very strong correlation. For RC frame, it predicts the seismic demands with a moderate correlation in the case of pulse-like records, and with a very strong correlation in the case of ordinary non-pulse-like records.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    243733

    Yapıların deprem davranışının enerji esaslı analizi

    Energy based seismic analysis of structures

    BAYKAL HANCIOĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2009

    Deprem MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. ZEKERİYA POLAT

    YRD. DOÇ. DR. MURAT SERDAR KIRÇIL

  2. Tez No

    539571

    Energy based seismic assessment and design

    Enerji esaslı sismik değerlendirme ve tasarım

    FIRAT SONER ALICI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Deprem MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALUK SUCUOĞLU

    PROF. DR. MURAT ALTUĞ ERBERİK

  3. Tez No

    66583

    AVO analizi ile deniz tabanının modellenmesi

    Modelling of the sea floor by AVO analysis

    NESLİHAN OCAKOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Jeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. EMİN DEMİRBAĞ

  4. Tez No

    153411

    Low cycle fatigue effects in the damage caused by the Marmara earthquake of August 17,1999

    Düşük devirli yorulmanın 17 Ağustos 1999 Marmara depreminin hasarları üzerindeki etkileri

    FİKRİ ACAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2004

    İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ.DR. UĞUR POLAT

    PROF.DR. POLAT GÜLKAN

  5. Tez No

    432139

    Yapı stoklarının tam ölçekli modellenmesi ve analizi için sistem geliştirilmesi

    System development for full scale modeling and analysis of building inventory

    HASAN ATMACA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    İnşaat MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ABDURRAHMAN ŞAHİN

Geri Dön