Impact of support settlement on the seismic fragility of a substandard RC frame with plan irregularity
Mesnet oturmasının planda düzensizliğe sahip deprem dayanımı yetersiz betonarme çerçevetürü bir binanın kırılganlığı üzerindeki etkisi
- Tez No: 953222
- Danışmanlar: Assoc. Prof. Dr. UFUK YAZGAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- 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: 134
Özet
Planda düzensizliğe sahip standart altı betonarme çerçevelerin deprem etkileri altında ağır hasar alabildikleri geçmiş depremler sonrasında sıkça gözlenmiştir. Mesnet oturmasına maruz kalan standart altı betonarme binalar içinse daha da vahim bir durum sözkonusu olma potansiyeli yüksektir. Sismik aktivitesi yüksek olan bazı bölgelerde, depreme dayanıklı olmayan binalar mevcut yapı stokunun büyük bir bölümünü oluşturmaktadır. Bu tür binalar tipik olarak yetersiz temel dayanım ve rjitliğine sahip oldukları için mesnet oturmalarından önemli ölçüde etkilenmektedirler. Derin kazılar, zemin sıvılaşması ve kötü zemin koşulları gibi durumlar zemin deformasyonuna sebep olur ve dolayısıyla da binaların temelinde farklı seviyelerde oturmalar meydana gelmesine yol açabilmektedir. Farklı oturmalar yüzünden yapısal ve yapısal olmayan elemanlar deprem etkisi olmadığı durumda bile önemli miktarda gerilmelere maruz kalabilir. Bu gerilmeler, yapıların yatay yükler altındaki dayanımının daha da azalmasına sebep olabilmektedir. Bu tezin temel amacı, mesnet oturmasının standart altı betonarme binaların sismik kırılganlığı üzerindeki etkisini araştırmaktır. Farklı oturmanın iç kuvvetleri dağılımı, sismik kapasite ve ek dışmerkezlik seviyesi üzerindeki etkisi de incelenmiştir. Bu çalışmada, örnek vaka analizi için 3 katlı, planda düzensizliği bulunan, mevcut deprem yönetmeliğinde yer alan sünek tasarım kriterlerine göre detaylandırılmamış bir bina modeli göz önüne alınmıştır. İncelemede göz önüne alınan bina kuvvetli kiriş zayıf kolon hasar mekanizmasına sahiptir, düz donatı kullanılarak inşa edilmiştir ve beton dayanımı mevcut yönetmelik kriterlerinin altındadır. Kısacası, göz önüne alınan bina mevcut standart altı binalarda sıklıkla gözlenen kusurlara sahiptir. OpenSees yazılım programında göz önüne alınan binanın sonlu eleman modeli oluşturulmuştur. Sayısal modelde, fiber kesitler ve kuvvet bazlı kolon-kiriş sonlu elemanlar kullanılmıştır. Analiz edilen tüm oturma senaryolarında (X1, Y1 ve X1Y1 aksları için ayrı ayrı oturma durumları), çerçeveye 1 , 2 ve 3 cm oturma miktarları uygulanmıştır. Oturmanın etkisini incelemek için statik analiz, itme analizi ve artımsal dinamik analiz (IDA) gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, oturmaya maruz kalan ve ona en yakın çerçevedeki kolonların oturmadan büyük ölçüde etkilendiğini ortaya koymaktadır. X1, Y1 ve X1Y1 akslarının oturma senaryoları için oturma farkı 3 cm'ye ulaştığında kritik kolonlardaki eksenel kuvvetlerin %42, %70 ve %84 arttığı bulunmuştur. Y1 aksının 3 cm oturduğu durum için, oturmaya maruz kalmış iki kolonda çekme olduğu görülmüştür. Ayrıca, oturmaya maruz kalan çerçevenin zıt yönündeki kirişlerde kesme kuvveti ve eğrilik taleplerinde önemli bir artış gözlenmektedir. Oturma seviyesi arttıkça iç kuvvet taleplerinin de arttığı gözlenmişdir. En yüksek değişimlerin gözlemlendiği X1Y1 aks çiftinin 3 cm oturması durumunda, 6 kiriş plastik mafsal bölgesinde eğriliğin akma eğriliği kapasitesinin aşıldığı görülmektedir. Ama yine de, eklenen taleplere rağmen tüm durumlar için nihai eğrilik ve kesme kuvveti kapasitelerinin aşılmadığı görülmüştür. Oturmanın kesitlerin yerel davranışı üzerindeki etkisine gelince, moment-eğrilik ilişkileri oturmanın dayanım ve eğrilik sünekliğini büyük ölçüde etkilediğini göstermektedir. X1 aksının oturduğu senaryoda, nihai eğrilik kapasitesinin kritik kolon (C3) için %31 azaldığı ve dayanımı daha yüksek olan kolon (C6) için %63 arttığı görülmüştür. Buna karşılık, oturma 3 cm'ye ulaştığında C6 kolonunun akma ve nihai moment kapasitesinde de sırasıyla %12 ve %10 azalma gözlenmiştir. Y1 ve X1Y1 akslarının oturma senaryolarında da benzer gözlemler yapılmıştır. Y1 aksının oturması durumunda, kolon eğrilik sünekliğinin, oturmaya maruz kalan çerçevedeki (Y1) C5 kolonu için %78'e kadar arttığı, ona en yakın çerçevedeki (Y2) C1 kolonu için ise %49'a kadar azaldığı görülmüştür. Ayrıca X1Y1 aks çiftinin 3 cm oturduğu durumundaysa, C5 kolonunda güç tükenmesi eğrilik kapasitesinin %105 arttığı ancak C1 kolonundaysa %42 azaldığı gözlemlenmiştir. Bu çalışmada ayrıca oturmanın taşıyıcı sistem ek dışmerkezlik seviyesine olan etkisi araştırılmıştır. Sonuçlar, oturmaya maruz kalan çerçevelerin taşıyıcı sistem rijitli ğine olan katkısın azaldığına işaret etmektedir. Bu nedenle her bir kat içerisindeki rijitlik dağılımının önemli ölçüde değiştiği görülmektedir. Çalışma kapsamında incelenen oturma senaryolarında, rijitlik merkezinin kütle merkezine doğru kaydığı ve dolayısıyla da ek dışmerkezlik oranının azaldığı görülmüştür. Örnek olarak Y1 aksının 3 cm oturması durumunda, bu oran oturma öncesi durumla kıyaslandlığında %6,5'ten %0,5'e düşmüştür. Statik itme analizi sonuçları, bir çerçevenin belirli bir yönde oturmasının, zıt yönde olan yapı elemanlarında erken bir akma oluşturduğunu göstermektedir. Bu nedenle, oturan aksa dik doğrultuda taşıyıcı sistemin rijitliğinin azaldığı fark edilmiştir. Ayrıca, oturmanın toplam taşıyıcı sistem yer değiştirme kapasitesine etkisinin +Y yönünde daha belirgin olduğu ortaya konmuştur. X1, Y1 ve X1Y1 aks gruplarının oturması senaryolarında yer değiştirme kapasitesinde sırasıyla %21, %25 ve %18'e varan düşüşler görülmüştür. Buna karşılık zayıf yönde (+X) oturmanın deformasyon kapasitesine etkisinin daha az olduğu görülmektedir. Ek olarak, sonuçlar, oturmanın taşıyıcı sistem göçme mekanizmasında da değişmesine neden olduğunu göstermektedir. Deprem etkisine karşı koyacak şekilde inşa edilmemiş betonarme çerçevelerde birçok zaman düşey taşıyıcı sistem elemanlarında yeterli artıklık (redundancy) bulunmamaktadır. Bunun sonucu olarak toptan göçme yalnızca bir kritik kolonun güç tükenmesi kapasitesine ulaşmasıyla bile tetiklenebilmektedir. Analiz sonuçları, çerçevede göçmenin meydana gelmesine yol açan kritik kolonun hangi kolon olduğunun oturma türü ve seviyeseine bağlı olarak değişebildiğini göstermektedir. Özellikle, oturmaöncesi kritik olan kolon üzerindeki eksenel kuvvetin azalması, başka kolonların kritik kolona dönüşmesine neden olmaktadır. Ayrıca, oturma nedeniyle mafsal mekanizması da önemli ölçüde değişebilmektedir. Elde edilen sonuçlar, oturma bölgesi ve yakınındaki kirişlerde oturmaya maruz kalmayan çerçeveye kıyasla daha çok plastik mafsalların oluştuğunu göstermektedir. Sismik kırılganlık eğrileri, incelenen tüm senaryolarda oturma türü ve seviyesinin kırılganlık üzerinde etkisi olduğunu göstermektedirk. Hafif hasar sınır durumu göz önüne alındığında, 1 cm oturma gerçekleştikten sonra binadaki hasarın hafif hasar düzeyini aştığını göstermektedir. Bu sonuç, oturmanın yalnızca düşey yükler altında bile çerçeveyi hafif hasar sınır durumuna getirebildiği anlamına gelir. Ayrıca sonuçlar, oturmanın orta hasar kırılganlık davranışı üzerinde çok az etkiye sahip olduğunu ortaya koymaktadır. Y1 aksının 1 cm, Y1 aksının 2 cm ve X1 aksının 2 cm oturduğu durumlarnda orta hasar medyan kapasitesinin %10 arttığı gözlemlendi. Bu durum, oturma nedeniyle sistemin ek dış merkezliliğinin ve burulma davranışının azalmasının bir soncuu olarak görülebilir. Buna karşılık, ağır hasar sınır durumu medyan kapasitendeki değişimde farklı bir eğilim gözlenmektedir. Çerçeveye 3 cm oturma uygulandığında medyan göçme kapasitesinde %8'e varan azalma görülmüştür.
Özet (Çeviri)
Substandard reinforced concrete (RC) frames are vulnerable when subjected to ground shaking. In some seismically active regions, buildings without sufficient earthquake resistance represent a large portion of the existing building stock. Foundation settlement is induced by factors such as adjacent deep excavations, soil liquefaction, and poor soil conditions. As a result, damage to structural elements immediately reduces the ability of the structures to resist lateral loads. However, engineers tend to overlook this effect in the performance assessment of RC structures. The primary objective of this thesis is to investigate the impact of the support settlement on the seismic fragility of substandard RC buildings. Along the way, the influence of settlement on aspects such as the redistribution of internal forces, the seismic capacity, and the change in the in-plan eccentricity, is studied as well. A 3 story substandard RC building with plan irregularity was considered as the case study building. The case study building had poor seismic resistance, lacked ductile reinforcement detailing, and had a weak column strong beam type of failure mechanism. Moreover, it had plain reinforcement bars and its concrete strength was lower than the strength required in the existing codes. In brief, it had the deficiencies that are common to most of the substandard buildings. The finite element model of the case study frame is created using the OpenSees software framework. Settlement scenarios in which specific axes (X1, Y1, and X1Y1) settle by 1 cm, 2 cm, and 3 cm, are applied to the frame. To study the impact of the settlement, static analysis, pushover analysis, and incremental dynamic analysis (IDA) are carried out. The findings reveal that the columns in the settled frame and in the adjacent frame are greatly influenced by the settlement. Moreover, a significant increase in the shear and curvature demands is observed in the beams that span along the perpendicular direction of the settled frame. The maximums of those changes are observed in the case when two exterior axes (X1Y1) settle by 3 cm. In this case, the axial force surges by 84% for the critical column C3 and the yield curvature capacity is surpassed at six locations along the beams. As for the effect of the settlement on the local behavior of the sections, moment curvature (M-C) analysis findings indicate that the settlement greatly influences the strength and the curvature ductility for the columns in and near the settlement area. As for the pushover analysis, the findings indicate that the settlement of an axes of a frame poses initial stressing and leads to early yielding of the structural members that are in the opposite direction. Therefore, it is noticed that the settlement leads to global stiffness degradation in the perpendicular direction to the settlement. It is observed that the amount of reduction of ultimate roof drift capacity of the frame is sensitive to direction of loading, location of the settlement axes, as well as the settlement amount. It is revealed that the impact of the settlement on the ultimate roof drift capacity is more pronounced when the pushover loading is applied in the +Y direction. The drop reached up to 21%, 25%, and 18% for scenarios X1, Y1, and X1Y1 respectively. On the contrary, it is observed that the impact of the settlement on the deformation capacity in the weak direction (+X) is less. Moreover, the findings suggest that the settlement caused a change in the global failure mechanism. Most often global failure of substandard frames is triggered by failure of one column since the redundancy is very limited. It is observed that the critical column that triggers failure of the frame tends to differ depending on the type and extent of settlement. In particular, the reduction in the axial force demands for the critical columns before any settlement results in them becoming less critical while another column starts becoming the critical column that triggers the initiation of global failure. Further, the hinging mechanism of the frame changes due to settlement as well. The findings show that more plastic hinges are formed in beams that are in and near the settled axis. This is a result of settlement induced strains consuming some major portion of the deformation capacity up to or beyond the yield limit prior to any seismic action. The impact of the settlement on the change in the in-plan eccentricity ratio is also investigated in this study. The findings suggest that the settlement leads to remarkable changes in the stiffness distribution due to reducing of the stiffness contribution of the settled frames. For the studied settlement scenarios, this change in the stiffness distribution resulted in decreasing of the in-plan eccentricity ratio. The center of rigidity (CR) shifted towards the center of mass (CM). As a result, it is found that for Y1 = 3 cm, the direct distance between the CM and CR drops by 40% due to settlement. The computed seismic fragility curves indicate that for all the considered scenarios, seismic fragility of the frame is sensitive to the settlement amount. It is found that 1 cm of differential settlement is sufficient to induce slight damage without any seismic action. As for the moderate damage state, the findings reveal that the settlement caused minimal variations in the median capacity. Meanwhile, marked reductions by up to 8% in the median collapse capacity are observed when the settlement amount reached 3 cm.
Benzer Tezler
- Earthquake risk evaluation in drinking water systems: Example of Teki̇rdağ Marmaraereğli̇si̇ province
İçme suyu sistemlerinde deprem riski değerlendirmesi: Tekirdağ Marmaraereğlisi ilçesi örneği
MUSTAFA BURAK HIZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ FUAT AYDIN
- Afet sonrası kentsel dirençliliğin coğrafi analizi: Battalgazi ilçesi (Malatya) örneği
Geographical analysis of post disaster urban resilience: A case study of Battalgazi district (Malatya), Türkiye
SARA SENGİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
CoğrafyaFırat ÜniversitesiCoğrafya Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ FETHİ AHMET CANPOLAT
- Sepet örgülü ve ahşap iskelet strüktürlü geleneksel Akçakese evlerinin deprem performansının değerlendirilmesi
Evaluation of the seismic performance of traditional Akçakese houses in relation to structural deterioration
ZEYNEP DİKYER
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CANER GÖÇER
- Havalimanı zemin inceleme ve zemin iyileştirmesi
Airport ground inspection and ground improvement
BİLAL ÖZÇELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
İnşaat MühendisliğiSakarya Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AŞKIN ÖZOCAK
- Aşırı yüklemeler altında toprakarme istinat yapılarının tasarımı
Design of mechanically stabilized earth (MSE) walls under excessive loadings
TAHİR YILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN YILDIRIM