Development of a computer program for analysis and linear seismic performance evaluation of frame type reinforced concrete buildings according to TSC-2018
Betonarme çerçeve türü binaların analizi ve TBDY 2018'e göre doğrusal yöntemler ile performans değerlendirilmesi için bir yazılım geliştirilmesi
- Tez No: 682900
- Danışmanlar: PROF. DR. ERCAN YÜKSEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 174
Özet
Bu çalışma kapsamında betonarme çerçeve türü binaların statik analizini ve TBDY 2018'e göre doğrusal yöntemler ile deprem performans analizini gerçekleştiren STATERA isimli bir yazılım geliştirilmiştir. Yazılım matris yerdeğiştirme yöntemini kullanarak oluşturulmuştur. STATERA ile deprem yükleri, hesap modelinin serbest titreşim analizi sonucunda belirlenen dinamik karakteristiklere (mod periyotları ve şekilleri, modal katkı çarpanları, etkin modal kütleler ve modal kütle katılım oranları) bağlı olarak hesaplanmaktadır. Bu amaçla bir Python modülü geliştirilip yazılıma entegre edilmiştir. STATERA'nın geliştirilmesinde farklı veri yapı türleri ve Python kütüphanelerinden faydalanmıştır. Hesap modelinin geometrisinin doğrulanması için, geometrik bilgileri görselleştiren bir modül de geliştirmiştir. Geliştirilen yazılım, malzeme ve kesit özelliklerinin kolayca tanımlanabilmesi, düzlem ve uzay çerçeve türü sistemlerin analizinin yapılabilmesi, çubuk elemanlara farklı rijitlik çarpanlarının atanabilmesi ve farklı yükleme ve süperpozisyon durumlarının tanımlanabilmesi gibi özelliklere sahiptir. STATERA'da ölü ve hareketli düşey yüklerin yanı sıra eşdeğer deprem yükü yöntemi ile spektrum analizinden elde edilen deprem yükleri kullanılarak birçok deprem yükleme durumu oluşturulabilmektedir. Farklı amaçlar için kullanılacak yük birleşimleri tanımlandığında, belirtilen çarpanlar dikkate alınarak yükleme durumlarının yerdeğiştirme ve iç kuvvet sonuçları birleştirilmektedir. Betonarme döşemelerin büyük düzlem içi rijitliklerini temsil etmek amacıyla rijit diyaframlar istenilen kat döşemelerinde tanımlanabilmektedir. Rijit diyafram tanımlanmasında, kirişlerin eksenel rijitlik çarpanlarına büyük değer atanması ve döşeme düzlemindeki düğüm noktalarının kütle merkezine rijit çubuklar ile bağlanması yaklaşımı izlenmektedir. Döşeme düzlemindeki düğüm noktalarını bağlayan rijit çubuklar, kütle merkezi tarafında rijit düğümlü ve diğer tarafta ise mafsallı olarak tanımlanmaktadır. Bu yaklaşıma dayanan analiz sonuçları ile SAP2000 yazılımı sonuçları arasında küçük farklılıklar gözlemlenmiştir. SAP2000 yazılımında rijit diyafram tanımında kullanılan rijit çubuklar rijitlik matrislerine kısıtlama uygulanarak indirgenmektedir. Dolayısıyla karşılaştırılan iki yazılımda rijit diyafram kavramı farklı yaklaşımlar ile temsil edilmektedir. Rijit diyaframsız modellerde ise her iki yazılımın aynı analiz sonuçlarını verdikleri bölüm 5'te gösterilmiştir. TBDY 2018'in 15. bölümünde verilen ve doğrusal yöntemlere dayanan performans analizinin ilk adımında düşey yüklerle birlikte deprem etkilerini içeren yük bileşimleri tanımlanmaktadır. Bunun ardından, düğüm noktalarının yerdeğiştimeleri ve dönmeleri hesaplanmaktadır. Sonra çubuk elemanlarının uçlarında oluşan plastik dönmeler, bu çubukların akma dönmeleri ve şekildeğiştirmiş eksen dönmelerine bağlı olarak hesaplanmaktadır. Daha sonra çubukların plastik dönmeleri, TBDY 2018'e göre hesaplanan plastik dönme sınırları ile karşılaştırılmakta ve her bir elemanda, hasarı en fazla olan kesit elemanın hasar durumunu belirlemektedir. STATERA'ya moment eğrilik analizi dahil edilmediği için plastik mafsal özellikleri, plastik dönme sınır değerleri ve kesitlerin moment kapasiteleri önceden hesaplanmakta ve veri dosyasında tanımlanmaktadır. TBDY 2018'in 15.5.3 maddesinde tanımlanan ve performans analizinde kullanılan doğrusal analiz yöntemlerinin uygulama koşullarının üçü STATERA tarafından otomatik bir şekilde kontrol edilmektedir. Söz konusu üç koşul, son kat hariç farklı katlarda eleman kesitlerinin etki/kapasite oranları (EKO) esas alınarak kontrol edilmektedir. Performans analizi sonunda tüm elemanlarda hesaplanan EKO değerleri, kontrol sonuçları ve diğer sonuçlar farklı Excel dosyalarına yazılmaktadır. Tanımlanan her yük birleşimi dikkate alınarak her katın kirişleri ve kolonlarında oluşan birim plastik dönmeler ve hasar durumları grafikler halinde gösterilmektedir. Bir kesitin birim plastik dönmesi, oluşan plastik dönmenin göçme öncesi plastik dönme sınır değerine bölünerek hesaplanmaktadır. Doğrusal yöntemler ile performans analizi sonuçlarının irdelenmesi için, üç katlı betonarme çerçeveli bir okul binası ve bir fabrika binasının analizleri gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçlar bölüm 5'te sunulmuştur. İncelenen okul binasında, spektral ivme değerleri büyük olduğu için ve deprem yükü azaltma katsayısı 1 alındığı için deprem yükleri görece büyük bulunmuştur. O nedenle genel hasar düzeyi yüksek bulunmuştur. İncelenen binaların her ikisinde en büyük plastik dönmelerin zemin kat kolonlarının alt uçlarında oluştuğu gözlemlenmiştir. Tipik kesit sayısı az olan fabrika binasının kiriş ve kolon elemanlarında EKO değerleri ile birim dönmeler arasında güçlü bir korelasyon bulunmuştur. Bir kesitin birim dönmesi yerdeğiştirmiş eksen dönmesinin akma dönmesi ile plastik dönme kapasitesinin toplamına bölünmesi ile elde edilmektedir. Okul binasının sadece kolonlarında EKO değerleri ile birim dönmeler arasında güçlü bir korelasyon bulunmuştur. Bu kolonlarda her EKO değeri ilgili kesme kuvveti ile ölçeklendirilmiştir. Buna karşın, okul binasının kirişlerinde EKO değerleri ile birim dönmeler arasında güçlü veya orta bir korelasyon bulunamamıştır. Sonuç olarak, bir kata ait elemanların EKO değerleri, bu elemanlarda oluşacak genel hasar düzeyini belirlemekte önemli bir gösterge olabilmektedir. Bu çalışmada, elemanların plastik dönmeleri düğüm noktalarında hesaplanmıştır. Plastik dönmelerin daha gerçekçi bir şekilde hesaplanması için, plastik mafsalların düğüm noktalarından uygun uzaklıklarda tanımlanması mümkün olabilmektedir. Bu yaklaşımın uygulanması özellikle ankastre mesnetli kolonlarda önem taşımaktadır. Elemanların akma dönmeleri θy=Φy×Ls/3 bağıntısı ile hesaplanmıştır. Φy akma eğriliği ve Ls elmanın kesme açıklığıdır. TBDY 2018, kiriş ve kolon elemanlarda Ls=L/2 alınmasına izin vermektedir. Ancak eğilme rijitliği büyük olan kolonlarda Ls kolon boyunun yarısından daha büyük olabilmektedir. Bu durumda, Ls eleman açıklığının yarısı alındığında akma dönme değeri beklenen değerden küçük çıkmakta ve dolayısıyla plastik dönme değeri büyümektedir. Bu yüzden Ls nin moment/kesme kuvveti oranı olarak hesaplanması daha uygun olabilecektir. Yapılan çalışma sonucunda, TBDY 2018'in belirlediği uygulama koşullarının sağlanması şartı ile doğrusal yöntemler ile yapılan performans analizi, beklenen hasar düzeyinin ve plastik davranışın yüksek olmadığı, düşey elemanların uygun bir şekilde modellendiği ve mantıklı kabuller yapılan binalarda tutarlı sonuçlar verebilmektedir. Başka bir deyişle, doğrusal yöntemlere dayanan bu yaklaşım, binaya etkiyen deprem yüklerinin görece küçük olduğu ve/veya binanın yatay yük taşıma kapasitesinin görece büyük olduğu taşıyıcı sistemlerde uygulanabilmektedir. Belirtilen bu koşullar, eski yönetmeliklere göre tasarlanan binaların önemli bir kısmında geçerli olmayabilir. Bu yüzden, beklenen hasar düzeyinin yüksek olduğu durumda veya deprem yüklerinin kapasiteye göre görece büyük olduğu binalarda deprem performansının belirlenmesinde doğrusal olmayan statik veya dinamik hesap yöntemlerinin uygulanmasının daha güvenli olacağı görüşüne ulaşılmıştır.
Özet (Çeviri)
A computer program called STATERA was developed in the course of this thesis for structural analysis and seismic performance evaluation of frame type reinforced concrete buildings according to TSC-2018. The matrix displacement method was employed to perform structural analysis in STATERA. Since the lateral seismic loads generated by this program rely on free vibration results and modal properties, a python module was integrated into STATERA to obtain the required modal properties used in determining seismic loads. In STATERA, it is possible to easily define concrete materials and rectangular frame sections, assign different types of distributed loads, analyze 3D as well as 2D frame systems, and assign frame end releases and stiffness multipliers. In addition to dead and live gravity load cases, STATERA allows to select and run several automatic seismic load cases, with or without accidental eccentricity, using the lateral forces of equivalent seismic load method and spectrum analysis. When load combinations are defined, quantities such as displacements and internal forces obtained for the specified load cases, are linearly added considering the specified load case factors. To represent the high in-plane stiffness of reinforced concrete slabs, rigid diaphragms can be assigned to floor levels. The rigid diaphragm in STATERA is numerically approximated by connecting the floor joints to the center of mass with rigid frames. The joints of rigid frames near the mass center are rigid, while these rigid frames have moment releases on the other ends. This numerical approximation leads to a slight error in the analysis results when compared with SAP2000 as the latter program uses constraints for assigning rigid diaphragms. However, it was proven in chapter 5 that for systems without rigid diaphragms, the results of the two programs are identical. The results of modal and static analyses calculated by STATERA were compared and verified using SAP2000 for the two case studies. The seismic performance analysis by linear methods, proposed in chapter 15 of TSC-2018, involves applying combinations of gravity and seismic loads. Then plastic rotations are calculated based on the chord rotations and yield rotations of the sections where plastic hinges are defined. This procedure is basically a simple nonadaptive method where plastic rotations are obtained based on the linear analysis results and nonlinear sectional properties. Afterwards, the damage states of elements are determined by comparing the plastic rotation demands with the plastic rotation limits defined according to TSC-2018. The damage state of a section is defined by the extent at which the section deforms plastically relative to the allowed plastic rotation limit. The damage state of each element is determined by its most damaged section. Since the moment curvature analysis is not included in the program, plastic hinge properties and plastic rotation limits are defined manually. The applicability of linear methods in performance assessment can be also automatically checked and reported considering the conditions given in TSC-2018, section 15.5.3. Three of these conditions rely on determining demand/capacity ratios (DCRs) of element sections in different stories excluding the top story as specified by TSC-2018. To test the algorithm of performance analysis using linear methods, a three-story reinforced concrete school building and a factory building were investigated, and the results are presented in chapter 5. In the case of school building, the seismic force demand is high since spectral acceleration values were relatively high and the seismic load reduction factor was taken 1 as specified by TSC-2018. Consequently, the damage level was generally high, and it was observed in both case studies that the greatest plastic rotations were obtained at the bottom ends of ground story columns. Moreover, it was observed in the factory building that there is a strong correlation between DCRs and unit rotations of beams and columns. In the school building, however, fairly strong correlations in columns were obtained depending on the damage levels of columns. Based on these observations, it can be concluded that DCRs of column elements, can be an indicator of the general damage level of these elements. Plastic rotations of elements were calculated at zero and one relative distances from joints. To obtain more realistic values for plastic rotations, it is recommended, especially for columns with fixed supports, to define plastic hinges at reasonable nonzero distances from the ends. Yield rotations of beam and column elements were calculated as θy = Φy.Ls /3 where Φy is the yield curvature and Ls is the shear length. TSC-2018 allows to take Ls as half the element length. However, in the case of a column with high lateral stiffness, the value of Ls can be much greater than half the element length. Taking Ls as half the element length leads to relatively small yield rotations values and thus the plastic rotations would have higher values. This last case is critical when the confinement effect is neglected in moment curvature analysis of rigid columns. It is more convenient to calculate Ls by dividing the section's moment by its shear force. As a conclusion, performance assessment by linear methods is convenient in buildings where the levels of damage and plastic behavior are not expected to be high. In other words, this approach can be applied when the seismic force demand is somewhat small and/or the building's lateral load carrying capacity is relatively high which might not be the case for most residential buildings designed according to older design codes. For buildings where the expected levels of damage are high relative to the lateral load capacity, it is more convenient and reliable to apply adaptive nonlinear static methods or nonlinear dynamic procedures for investigating the seismic performance.
Benzer Tezler
- Konik sürtünme diskli varyatörün sonlu elemanlar metodu ile analizi
Başlık çevirisi yok
SERKAN YÜRÜK
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SERDAR TÜMKOR
- Betonarme yapılarda daha güçlü kolon tasarımının lineer olmayan sistem davranışına etkisi
Effects of strong column- weak beam design on non-linear beha vior of reinforced concrete frame structures
M.GÜNHAN AKSOYLU
- Yapı sistemlerinin dinamik dış etkiler altındaki davranışlarının incelenmesi
Başlık çevirisi yok
YAVUZ DURGUN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiYapı Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERKAN ÖZER
- Betonarme yapı sistemlerinin sismik tasarımı için açık kaynaklı bilgisayar programının geliştirilmesi
Development of open source computer program for seismic design of reinforced concrete building systems
ENES BULUT
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Deprem MühendisliğiGebze Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET ANIL DİNDAR
- Matlab programının doğrusal olmayan deprem analizleri için paralel programlamaya uygunluğunun araştırılması
Applicability of Matlab language to parallel programming for nonlinear seismic analysis of structure
FATİH YILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BARIŞ ERKUŞ