Earthquake damage prediction of large-scale structures based on long-term microtremor monitoring and their numerical modeling
Uzun dönem mikrotremor gözlemleri ve sayısal analiz modeline dayalı büyük ölçekli yapılar için deprem hasar tahmini
- Tez No: 952184
- Danışmanlar: PROF. DR. HİROSHİ KAWASE
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Deprem Mühendisliği, Earthquake Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2008
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Kyushu University
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Afet Yönetimi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Deprem ve Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 195
Özet
Kentsel alanlarda deprem afetlerinin önlemesinde en önemli unsur bina hasarlarının nasıl azaltılacağıdır. Bunun için, güçlü yer hareketi nedeniyle binaların maruz kalacağı hasar seviyelerinin nicel olarak nasıl tahmin edileceğinin bilinmesi gerekmektedir. Bu araştırmada, büyük ölçekli rijit yapılar -nükleer santraller-, betonarme yapılar ve yüksek katlı sismik izoleli yapıların hasar tahmini konu edilmiştir. Bu tez çalışması, aşağıda daha ayrıntılı olarak açıklanan dört ana bölümde gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın ikinci bölümü, güçlü yer hareketlerin sismik parametrelerinin bir fonksiyonu olarak Nükleer Enerji Santrali gibi büyük ölçekli rijit ( Large Scale Rigid -LSR- ) yapıların sismik tepkilerine odaklanmaktadır. Sismik parametreler, güçlü yer hareketlerinin dayanım indeksleri olarak PGA (maksimum yer ivmesi), PGV (maksimum yer hızı ), A0 (JMA, Japonya Meteoroloji ajansı, sismik şiddet için ölçüm parametresi) ve PGA*PGV ile temsil edilirken, yapı tepkileri ise kat kesme kuvveti ile temsil edilmektedir. Çalışmanın temel amacı, LSR yapılarının sismik tepkileri ile güçlü yer hareketlerinin dayanım indeksleri veya güçlü yer hareketi parametreleri arasındaki ilişkiyi araştırmak ve gelecekte karmaşık analizlere gerek kalmadan muhtemel hasar seviyesini gösterebilen veya tahmin edilebilmesini sağlayan bir kesme kuvveti indekslerini belirlemektir. Bu amaçla ilk olarak tipik LSR yapılarının analitik modellemeleri yapılarak temel dinamik karakteristikleri yani mod şekilleri, doğal frekansları ve transfer fonksiyonları hesaplandı. İkinci olarak, farklı sismik bölgelerden ve depremlerden toplamda 1000 güçlü yer hareket kayıtları seçilerek, LSR yapılarının doğrusal olmayan doğrusal entegrasyon zaman tanım alanı analizleri gerçekleştirildi. Analiz sonucunda her bir güçlü yer hareketi için LSR yapılarının her bir kat seviyesindeki toplam maksimum kesme kuvveti elde edildi. Doğrusal olmayan doğrusal entegrasyon zaman tanım alanı analizleri için statik ve dinamik sonlu elemanlar analizi kodlarından biri olan SAP2000 bilgisayar programı kullanıldı. Son olarak, LSR yapıların kesme kuvvet indekslerini elde etmek için lineer elemanların kesme kuvveti tepkileri ile yer hareketinin dayanım indeksleri ilişkilendirilerek incelendi. Oluşturulan ilişkilerin regresyon çizgileri kullanılarak, özellikle üst katlar için PGA ve alt katlar için A0 değerlerinin, LSR yapılarının sismik davranışlarının kolay değerlendirilmesi amacıyla kullanılabileceğini ve bir deprem sonrası karmaşık ve zaman alıcı hesaplamalar olmaksızın hasar seviyesinin belirlenmesi için temel indeksler olabileceği bulundu. Bölüm üç, olası yıkıcı depremlerden biri nedeniyle betonarme yapılarda meydana gelebilecek hasar seviyelerini tartışmaktadır. Japonya Merkezi Afet Önleme Konseyi'nce Tokai, Tonankai ve Nankai bölgeleri için altı olası deprem senaryosu bulunmaktadır. Bu çalışmada, yukarıdaki altı senaryodan birini olan ve diğerleri arasında en büyük yer sarsıntısını oluşturabileceği tahmin edinilen Tokai Depremi, Tonankai Depremi ve Nankai Depremi'nin (Tokai-Tonankai-Nankai Depremi) aynı anda meydana geldiği senaryo durumunu ele alindi. Öngörülen senaryo depremin neden olabileceği hasar durumunu elde etmek için doğrusal olmayan davranış analizi modeli kullanılarak betonarme binalardaki hasar seviyeleri hesaplanmıştır. Simüle edilmiş senaryo Toukai Tounankai Nankai Depremi'nde, betonarme binalar için hesaplanan en büyük hasarın Wakayama vilayetinde olduğu bulundu. Günümüzde birçok modern yapı, sismik izolatörler, aktif ve yarı aktif veya pasif sönümleyiciler ile tasarlanmakta ve böylece büyük depremlere karşı dirençli hale gelerek depremden hemen sonra yapının güvenli olarak kullanımı sağlanmaktadır. Bu tip yapıların deprem halindeki davranışları ve performansı ciddi anlamda bu sismik cihazlara bağlı olması beraberinde, kullanılan cihazların yapısal ömürleri göz önüne alındığında ne kadar güvenilir olduğu sorusu ortaya çıkabilir. Çalışmanın dördüncü bölümünde, doğal frekanslarının sıcaklık ve rüzgâr hızındaki değişikliklerle değişimini gözlemlemek için Kyushu Üniversitesi Hastanesi Güney Binasında dokuz ay boyunca yürütülen sürekli mikrotremor izleme çalışmasını tanıtmaktadır. Söz konusu yapı 2001 yılında tamamlanmış olup, İlk 5 katı çelik-betonarme karkaslı (Steel-Reinforced Concrete Frame SRCF) ve üzeri çelik karkaslı (Steel Frame) olmak üzere toplamda 13 katlı ve temel seviyesinde sismik izolasyonlu yüksek bir yapıdır. Üç adet mikrotremor ölçüm cihazı yapının en üst katı, bodrum katı ve izolatör çukuru seviyesine yerleştirilmiş ve Şubat 2007'den başlayarak Aralık 2007'ye kadar olan sürede her iki saatte bir beş dakikalık ölçüm yapılmıştır. Ayrıca izolatör çukuru seviyesinde ve çatı katı seviyesindeki sıcaklıkların yanı sıra rüzgâr hızı da ölçülmüştür. Mikrotremor verileri kullanılarak spektral oranlar hesaplanarak frekans değerleri elde edilmiştir. Sıcaklık arttıkça üst yapının hakim frekansının arttığı gözlemlenirken, sismik izolasyon katında ise bunun aksine yapı hakim frekansı ile sıcaklık ters orantılı olduğu gözlemlenmiştir. Yapı doğal hakim frekansları değerleri, aynı bina üzerinde daha önce yapılmış araştırma sonuçlarıyla da karşılaştırılarak hakim frekansın ortam koşullarıyla (rüzgar hızı ve sıcaklık dalgalanması) olan ilişki korelasyonu da incelenmiştir. Bölüm beşte ise, yukarıdaki bahsedilen izole edilmiş hastane yapısının sayısal modellemesi ve simülasyon analiz sonuçları açıklamaktadır. Bu kapsamda İlk olarak, mevcut yapının projeleri üzerinden tasarım modeli oluşturuldu. Daha sonra, gözlemlenen microtremor verileri ve deprem kaynaklı güçlü yer hareketi kayıtlarından hesaplanan spektral oranlara dayalı olarak, tasarım modeli yapının gerçek özelliklerini içerecek şekilde güncellendi ve oluşturulan model kullanılarak 2005 yılı West-Off Fukuoka depremi (M7.0) için yapılan yapısal davranış analiz sonuçları, yapıda kaydedilen deprem kayıtları ile benzer sonuçlar elde edildi. Son olarak güncellenen model, PGA (maksimum yer ivmesi) 200 Gal (cm/sec/sec) ve üzeri 320 kuvvetli hareket kaydı seçilerek analiz edilmiştir. Seçilen ivme kayıtlarından altı istasyondaki güçlü hareketler için yer değiştirme tepkisi, 70 cm'lik tasarım boşluk payını aştığı belirlenmiştir. Ayrıca, yapının yer değiştirme ve ivme tepkileri güçlü hareket dayanım indeksleri ile ilişkilendirilmiş ve bodrum kat yer değiştirme tepkilerinin PGV ile, bodrum kat ivme tepkilerinin A0 değeri ile çok iyi korele olduğu görülmüştür. Son olarak, Bölüm altıda yapılan araştırma çalışmalarının sonuçları özetlenmiştir. Bu çalışmada konu edilen Nükleer Enerji Santrali gibi büyük ölçekli rijit ( Large Scale Rigid -LSR- ) yapılar, betonarme yapılar (RC) ve sismik izoleli yapılar inceledikten sonra, çoğu durumda LSR ve RC yapıları için PGA (maksimum yer ivmesi) kesme kuvveti indeksinin hasar tahmini için güvenilir bir indeks olduğu ve A0'ın PGA'dan sonra ikincil indeks olarak kabul edilebileceği ve PGA ve A0 indeksleri kullanarak LSR ve RC yapılarının hasar seviyelerini, bir deprem sonrası karmaşık ve zaman alıcı hesaplamalar olmaksızın belirlenebileceği ve ayrıca sismik olarak İzole edilmiş yapılarda ise, PGV (maksimum yer hızı), bu yapılarda kullanılan izolatörlerinde oluşacak maksimum yer değiştirme seviyelerinin tahmini için iyi bir indeks olabileceği bulunmuştur.
Özet (Çeviri)
The most crucial issue in earthquake disaster prevention of an urban area is how to reduce building damages. For that it is necessary to know how to estimate quantitatively the damage levels that buildings would endure due to strong ground motion. Here in this research damage estimation of large-scale rigid structures, such as nuclear power plants, RC structures, and high-rise isolated structures is of main concern. The study was carried out in four main parts, which are described in more details below. Chapter 2 of this study focuses on seismic response of large-scale rigid structures such as a nuclear power plant as a function of seismic parameters of strong motions. Seismic parameters were represented by strength indexes of ground motions such as PGA, PGV, A0 (the measurement parameter for JMA seismic intensity), and PGA*PGV, while structure responses were represented by shear force at each floor. The main objective of the study was to investigate the relationship of seismic responses of LSR structures and strength indeces of ground motions or ground motion parameters and to identify basic shear indexes that can indicate or predict the damage level that we have to expect in future without complex calculations. For this purposes first the basic dynamic characteristic of typical LSR structures, namely, modes, natural frequencies, and transfer functions were calculated. Second, strong motion records were selected from various sites and earthquakes and used as an input motion for Nonlinear Direct Integration Time History Analysis of these LSR structures. Finally, shear force response of linear members were correlated with strength indexes of ground motions in order to obtain shear indexes. The relationship between seismic responses of large-scale rigid structures and strength indeces of ground motions were investigated. We found that the regression lines, especially with PGA for upper floors and A0 for lower floors, can be used for the easy assessment of seismic response and could be the basic indeces for the prediction of damage level of LSR structures without complex calculations. Chapter 3 discusses about damage levels in RC structures which may occur due to one of possible devastating earthquakes. According to the estimations of the Central Disaster Prevention Council there are six possible earthquake scenarios that may outbreak in Tokai, Tonankai and Nankai regions (hereafter Tokai-Tonankai-Nankai region). In this study we considered one of these six scenarios, which might generate the biggest ground shaking among others, that is, when Tokai Earthquake, Tonankai Earthquake and Nankai Earthquake occur simultaneously. The damage levels in reinforced concrete buildings were calculated using nonlinear response analysis model to acquire the destructions which may be caused by the predicted earthquake. We found that in case of the simulated Toukai Tounankai Nankai Earthquake RC buildings in Wakayama prefecture suffer the biggest damages in the area. A lot of modern structures nowadays are designed with seismic isolators and active, semi-active, or passive dampers and are ready to resist large earthquakes and secure the rapid recovery immediately after the earthquake. Now the problem might arise as to how these introduced devices are reliable, considering long term of structural life, because all the behaviors and performance of a structure seriously depend on these seismic devices. Chapter 4 introduces the work on a continuous microtremor monitoring which was conducted for nine months inside the Kyushu University Hospital South Building in order to observe variation of its natural frequencies with changes of temperature and wind velocity. The subjected building was completed in 2001 and is a base isolated 13-story high structure with Steel-Reinforced Concrete (SRC) frames up to 5 stories and Steel frames on top of it. Three microtremor measurement devices were installed to the top floor, the basement floor and the isolator pit level, and were scheduled to measure every two hours for a five minutes measurement since February 2007 up to now, December 2007. Also the temperature at the isolator pit level and at the roof level as well as the wind velocity were measured. Spectral ratios from microtremor data were calculated and their peaks were picked up. It was observed that the predominant frequency of the upper structure increases when the temperature increases. Contrary to this the predominant frequency of the isolated layer decreases when temperature increases. The results were also compared with the results of a previous research on the same building. Correlation of the predominant frequency with ambient conditions (wind velocity and temperature fluctuation) was also studied. Chapter 5 describes about numerical modeling and simulation analysis of the above isolated structure. First, we have succeeded to reproduce the design model. Then, based on the spectral ratios calculated from observed ambient vibration and strong ground motion records, the design model was updated to include the actual properties of the structure, and could successfully simulate the structural behavior to 2005 West-Off Fukuoka earthquake response record. Finally, the model was analyzed for 320 observed strong motion records of more than 200 Gal PGA value. For strong motions at the six stations the displacement response exceeded the design clearance margin of 70 cm. Also, the displacement and acceleration responses of the structure were correlated with the strong motion strength indexes, and it was found that the basement level displacement responses correlate very well with PGV, and the basement level acceleration responses correlate well with A0 value. Finally, Chapter 6 provides a summary and conclusion of the work completed. After studying all LSR structures, RC structures and base isolated structures it can be said that, PGA index in most cases is a good index for damage prediction and A0 can be considered the second good index after PGA for LSR structures and RC structures. Using shear indexes, PGA and A0 we can predict damage level of LSR and RC structures immediately after an earthquake, without any complex calculations. As for the base isolated structures, PGV could be a good index for the prediction of displacement levels of base-isolated structures.
Benzer Tezler
- Kazıkların eksenel ve yatay yük taşıma kapasiteleri
The bearing capacity of piles under axial and lateral loading
NİLAY DURLANIK
- The significance and the contribution of 6+1 traits of writing to the success of the students in writing courses in English language teaching
Yazmanın 6+1 özelliğinin İngilizce öğretiminde yazılı anlatım derslerindeki öğrenci başarısına katkısı ve önemi
ÖZLEM YAZAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2004
Eğitim ve ÖğretimGazi Üniversitesiİngiliz Dili Eğitimi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. PAŞA TEVFİK CEPHE
- Yapı sistemlerinin karekteristik parametrelerinin tanımlanması
Identification of the characteristic parameters of structural systems
BARLAS ÖZDEN ÇAĞLAYAN
- Seismic retrofit of full-scale substandard rectangular RC columns through cfrp jacketing and external steel ties
LP kompozitler ile mevcut betonarme binalardaki dikdörtgen kesitli kolonların dayanım ve sünekliklerinin geliştirilmesi
HAMID FARROKH GHATTE
Doktora
İngilizce
2016
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER İLKİ
- Süneklik düzeyi yüksek merkezi çaprazlı çelik çerçeve sistemlerin deprem performansının değerlendirilmesi
Seismic performance evaluation of special concentrically braced frame systems with high ductility
AHMET ALPEREN ÖRGEV
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER