Multiple earthquake effect on steel structures
Artçı depremlerin çelik yapılardaki etkisi
- Tez No: 953787
- Danışmanlar: DOÇ. DR. KADİR ÖZAKGÜL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 105
Özet
Bu tez çalışmasında, çelik moment taşıyıcı çerçevelerin anaşok–artçı (Mainshock–Aftershock, MS-AS) deprem dizileri altındaki sismik performansı kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Bu çalışmanın özgün yönü, art arda gerçekleşen birden fazla depremin yapı performansına olan etkisinin gerçekçi senaryolarla modellenerek incelenmesidir. Günümüzde yapıların tasarımı ve analizi sadece tek bir depremin etkisi göze alınarak yapılıyor, ancak gerçek hayatta yapılar artçı depremlere maruz kaldığı için birikimli hasarları göz ardı ediliyor. Bu nedenle bu çalışmada, sadece anaşok değil, birden fazla artçı şokun ardışık şekilde yapıya uygulanması ile ortaya çıkan yapısal davranışlar detaylı bir şekilde analiz edilmiştir.Bu amaç doğrultusunda, düşük, orta ve yüksek katlı yapı davranışlarını temsil etmek amacıyla SAC Joint Venture projesi kapsamında tanımlanmış olan 3, 9 ve 20 katlı çelik moment taşıyıcı çerçeve sistemler seçilmiştir. Bu yapıların seçim nedeni, Gupta ve Krawinkler (1999) tarafından detaylı olarak modellenmiş ve Los Angeles gibi yüksek sismik risk taşıyan bölgelerdeki tipik ticari ofis binalarını temsil eden güvenilir ve literatürde yaygın olarak kabul gören modeller olmalarıdır. Yapıların yükleme tanımları, kesit özellikleri, malzeme dayanımları (kirişler için A36, kolonlar için A50 çeliği) ve düşey yükler (ölü ve hareketli yükler) Gupta ve Krawinkler'in çalışmasına sadık kalınarak oluşturulmuştur. Modelleme doğruluğunu sağlamak amacıyla, her bir yapının ilk üç doğal periyodu ve bu modlara karşılık gelen kütle katılım oranları, orijinal SAC Joint Venture raporundaki değerlerle karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma, SAP2000 ortamında oluşturulan 3, 9 ve 20 katlı yapı modellerinin dinamik özelliklerinin kaynak dokümantasyon ile uyumlu olduğunu doğrulamak için gerçekleştirilmiştir. Özellikle birinci mod periyodu ve yatay kütle katılım oranı, yapının temel sismik davranışını belirlemede kritik rol oynadığı için doğrulamada öncelikli değerlendirme kriteri olmuştur. Modal analiz sonucunda elde edilen veriler modellenen yapıların konfigürasyonları referans rapordaki sonuçlara çok yakın olduğu tespit edilmiştir dolayısıyla modelleme konfigürasyonların doğru olduğu ispat edilmiştir. Yapıların sismik davranışlarını gerçekçi bir şekilde değerlendirmek amacıyla, yapay yerine gerçek deprem kayıtları kullanılmıştır. Çalışmada kullanılan altı yer hareketi kaydı; Chi-Chi, Coalinga, Friuli, Imperial Valley, Mammoth Lakes ve Northridge depremlerine aittir. Bu deprem kayıtlari hem yakın fay hem de uzak fay özelliklerini kapsayacak şekilde seçilmiştir. Bu kayıtların seçilmesindeki amaç ise deprem kayıtlarının farklı sismik özelliklerin çelik moment çerçevelerdeki etkisini araştırmaktır. Gerçek kayıtların tercih edilme nedeni, frekans içeriği, zemin etkileri ve bazı kayıtlarda görülen pulse benzeri kuvvetli hareketlerin yapay kayıtlarla yeterince temsil edilememesidir. Yer hareketlerinin sınıflandırılması ve ölçeklendirilmesi, ASCE/SEI 41-13 standartlarına uygun olarak yapılmıştır. Bu yaklaşım, artçı dizilerinin ve çoklu deprem etkilerinin yapı davranışına etkilerini daha doğru ve güvenilir bir şekilde ortaya koymak için gerekli temeli sağlamaktadır. Bu yapılar, gerçek zemin hareketi kayıtları ile modellenmiş ve SAP2000 yazılımı kullanılarak doğrusal olmayan zaman tanım alanı analizlerine tabi tutulmuştur. Kullanılan zemin hareketleri hem yakın-fay hem de uzak-fay karakteristiklerini yansıtmakta olup, farklı deprem etkilerinin yapılar üzerindeki farklarını ortaya koymayı amaçlamıştır.Tezde öncelikli olarak güçlendirilmemiş (orijinal) yapıların anaşok ve anaşok–artçı dizilerine verdikleri tepkiler analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, artçı depremlerin özellikle kısa ve orta yükseklikteki yapılarda önemli ölçüde katlar arası ötelenme oranlarını artırdığını ve taban kesme kuvvetlerinde ciddi yükselmelere neden olduğunu göstermiştir. Bu durum, yapıların sadece ilk depremden değil, art arda gelen depremlerden de etkilenerek hasar biriktirebildiğini ve bu hasarların yapısal davranış üzerinde ciddi sonuçlar doğurabildiğini ortaya koymuştur. Özellikle plastik mafsal oluşumlarının artçı depremlerle birlikte zamanla yoğunlaştığı ve bazı bölgelerde göçme düzeyine ulaşan mafsalların meydana geldiği gözlemlenmiştir.Bu bulgular doğrultusunda, yapıların sismik dayanımını artırmak amacıyla güçlendirme senaryoları geliştirilmiştir. Merkezi çapraz elemanlar (X-brace) yapının moment aktaran çerçevelerinin dış açıklıklarına yerleştirilerek, yapının rijitliği ve enerji tüketim kapasitesi artırılmıştır. Güçlendirilmiş yapıların analiz sonuçları, katlar arası ötelenme oranlarında belirgin düşüşler sağlandığını ve güçlendirme sonucunda yapının daha rijit bir davranış sergilediği görülmüştür. Güçlendirme sayesinde yapının deprem etkilerine karşı daha kontrollü bir davranış sergilediği ve enerji sönümleme kapasitesinin arttığı sonucuna varılmıştır.Tez kapsamında ayrıca“genişletilmiş özel durum”olarak adlandırılan bir analiz senaryosu geliştirilmiştir. Bu senaryoda, Mammoth Lakes depremi esas alınarak 3, 9 ve 20 katlı yapılara anaşok sonrasında sırasıyla birden beş adede kadar artçı deprem yüklemesi gerçekleştirilmiştir. Bu analizle, artçı deprem sayısı arttıkça yapının nasıl bir tepki verdiği gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, maksimum göreli kat ötelenmesi ve taban kesme kuvveti büyük artışlar tespit edilmiştir, ancak üçüncü artçı depremden sonra bu artışlar stabilize olmuştur. Bu durum, yapının hasar kapasitesinin bir noktada doygunluğa ulaştığını ve iç kuvvetlerin yeniden dağılarak sistemin daha fazla hasar almasını önleyebileceğini göstermektedir.20 katlı yapıların analizinde ise, yüksek kat sayısının sağladığı enerji dağılımı ve sünek davranış özellikleri sayesinde yapının daha fazla artçı depreme dayanabildiği gözlemlenmiştir. Plastik mafsalların sayısı arttığı halde, çökme öncesi seviyesindeki mafsal oluşumları sınırlı kalmıştır dolayısıyla yüksek yapının sismik davranışı kontrol altına tutulmuştur. Bu bulgu, yüksek katlı yapıların art arda gelen depremlere karşı görece daha dayanıklı olabileceğini ortaya koymaktadır.Sonuç olarak, bu çalışma çoklu deprem etkilerinin yapı davranışı üzerindeki etkilerini kapsamlı şekilde ortaya koymuştur. Anaşok etkisine göre tasarlanmış bir yapının, artçı depremler sonucunda maruz kalacağı ilave taleplerin göz ardı edilmemesi gerektiği vurgulanmıştır. Aynı zamanda, bu çalışma güçlendirme uygulamalarının yapı performansını ciddi ölçüde artırabileceğini ve artçı deprem etkilerini azaltabileceğini göstermektedir. Elde edilen tüm bulgular, performansa dayalı tasarım yaklaşımlarının geliştirilmesi ve yönetmeliklerin bu doğrultuda güncellenmesi gerektiğine işaret etmektedir.Bu tezin sonuçları özellikle deprem riski yüksek bölgelerde yapılacak olan veya mevcut çelik moment taşıyıcı çerçeve sistemlerin daha güvenli ve dayanıklı bir şekilde yapılması veya güçlendirilmesi için önemli bir katkı sağlayacaktır. Gelecekte yapılacak çalışmalarda, farklı malzeme türleri, yapı türleri ve zemin koşullarının da etkisi göz önünde bulundurularak benzer analizlerin yapılması önerilmektedir.Özellikle 3 katlı yapı, artçı depremlerden sonra en yüksek katlar arası ötelenmeleri (%5'e varan) göstermiş ve CP seviyesinde plastik mafsallar gelişmiştir. Bu durum, artçı depremlerin yapı üzerindeki etkisinin ihmal edilemeyecek seviyede olduğunu ve ciddi hasar birikimine yol açabileceğini ortaya koymuştur.9 katlı yapı ise daha dengeli bir davranış sergilemiş, plastik mafsallar yapının yüksekliği boyunca daha homojen dağılmış, ancak Coalinga ve Imperial Valley gibi bazı kayıtlar önemli deformasyon artışlarına neden olmuştur. 20 katlı yapıda ise artçı etkiler daha sınırlı kalmış, maksimum ötelenmeler genellikle %2'nin altında düşmüştür, CP seviyesinde mafsallar nadiren oluşmuştur. Bu durum, yüksek yapıların çok modlu davranışı nedeniyle enerjiyi daha yaygın şekilde dağıtabilmesinden kaynaklanmaktadır.3, 9 ve 20 katlı binalarda artçı depremlerin etkisi dahil edildikten sonra taban kesme kuvveti artmıştır. Özellikle Northridge ve Coalinga kayıtları altında, taban kesmeleri bazı modellerde iki katına çıkmıştır. Bu artış, yapının rijitliğinin artçı etkilerine daha duyarlı hale geldiğini göstermektedir. Bununla birlikte, bu kuvvet artışı, yapısal stabilitenin bozulmasına doğrudan yol açmamış; sistemin sünek kapasitesi ve enerji tüketim özellikleri sayesinde denge korunmuştur.Güçlendirme senaryolarında, dış açıklıklara yerleştirilen X-brace elemanları ile yapıların yatay rijitliği artırılmış, bunun sonucunda taban kesme kuvvetlerinde artış meydana gelmiş ancak maksimum drift değerleri büyük ölçüde azalmıştır. Örneğin, 3 katlı yapıda Coalinga kaydı altında %4.5 seviyelerinde ölçülen maksimum drift oranı, güçlendirme sonrası %1.5 seviyesine düşmüştür. 9 katlı yapıdaki iyileşme de belirgindir; retrofitted MS-AS durumlarında tüm kayıtlar için %2 sınırının altına inilmiştir ve plastik mafsal oluşumu büyük ölçüde Immediate Occupancy (IO) seviyesinde kalmıştır. Bu da, uygulanan güçlendirme yönteminin sadece deformasyonları sınırlamakla kalmayıp, aynı zamanda yapısal elemanların hasar düzeyini de önemli ölçüde azalttığını göstermektedir. Bu sonuçlar, çelik yapılarda güçlendirme amacı ile ilave edilen X çaprazların, yapıların artçı depremlere karşı dayanamını artırmak için etkili bir yöntem olduğu göstermektedir. Güçlendirme sonrası yapının yatay rijitliği arttığı için deprem etkilerine karşı daha fazla kuvvet mobilize olmuş ve bu durum taban kesme kuvvetlerinde artışa yol açmıştır. Ancak bu artış, yapı davranışının daha kontrollü hale gelmesini sağlamıştır.Tezin özel kısmını oluşturan genişletilmiş artçı senaryosunda, yapıların sadece bir değil, ardışık olarak 2, 3, 4 ve 5 artçı depreme maruz kalmaları durumları modellenmiştir. Bu analizler özellikle Mammoth Lakes depremi için gerçekleştirilmiş olup, her eklenen artçı depremle birlikte yapıdaki hasarın nasıl bir değişim gösterdiği gözlemlenmiştir. 3 katlı yapıda, MS-2AS sonrası drift ve taban kesme kuvvetleri ciddi şekilde artarken, 3. artçıdan sonra bu artış eğilimi yavaşlamış ve hasar dağılımı belirli bir düzeyde sabitlenmiştir. Bu durum, yapının mevcut kapasitesine ulaştığını veya yapısal sistemin iç kuvvetleri yeniden dağıtarak daha fazla hasar birikimini sınırladığını göstermektedir. Sonraki artçı depremler, sistemin davranışını belirgin ölçüde değiştirmemiş, bu da yapıdaki hasarın bir plato seviyesine ulaştığına işaret etmiştir. Plastik mafsal oluşumları da benzer bir eğilim göstermiştir. 9 ve 20 katlı modellerde CP seviyesinde mafsal sayısının sabit kalması, yapının dayanım kapasitesinin belirli bir düzeyde sabitlenmiş olabileceğine işaret etmektedir. Özellikle 20 katlı yapıda MS-5AS senaryosunda dahi yaygın bir göçme düzeyine ulaşılmamış, bu da yüksek katlı sistemlerin ardışık depremlere karşı daha toleranslı olabileceğini göstermektedir. Bu kapsamlı analizler sonucunda ulaşılan temel sonuç, yapıların anaşok sonrası ayakta kalmasının yeterli olmadığını, artçıların birikimli etkisinin performans düzeylerini zorlayabileceğidir. Yalnızca anaşok senaryolarıyla yapılan değerlendirmeler, gerçek deprem riskini küçümseyebilir. Bu bağlamda hem analiz hem de tasarım aşamasında artçı depremlerin dikkate alınması gerektiği vurgulanmaktadır. Ayrıca, X çaprazlı basit güçlendirme stratejilerinin bile yapı performansını önemli ölçüde iyileştirebildiği görülmüştür. Güçlendirme uygulamaları, özellikle kısa ve orta katlı yapılarda hem ötelenme taleplerini düşürmekte hem de plastik mafsal oluşumlarını sınırlandırarak yapının göçme riskini azaltmaktadır.Sonuç olarak, bu tez çalışması çok katlı çelik moment taşıyıcı çerçevelerin gerçekçi ve ardışık deprem senaryoları altında nasıl performans gösterdiğine dair kapsamlı bir değerlendirme sunmakta ve performansa dayalı tasarım kriterlerine katkıda bulunmaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis provides an extensive investigation into the seismic performance of steel moment-resisting frames that undergo mainshock-aftershock (MS-AS) sequences, while also considering the impact of several aftershocks and retrofitting options. Nonlinear time history analysis was invoked to assess 3-, 9-, and 20-story SAC buildings modelled and analyzed with real ground motion records that represent either near-fault or far-fault ground shaking. The intended novelty was the realistic modelling of sequential earthquake events (including extended aftershocks) to be able to quantify their cumulative structural damage effects. The analysis began by assessing the original (non-retrofitted) frames subjected to either mainshock-only and MS-AS sequences. The most important observation was that aftershocks could influence interstory drift ratios and base shear demands. This was especially significant in the short and mid-rise structures. Damage accumulation is considered the evolution and distribution of plastic hinges. Of the three frames, the 3-story frame experienced the most significant increase in terms of drift and hinge damage due to aftershocks, while the 20-story building was the most stable relative to overall behavior in the early stages of the MS-AS sequences. Seismic resilience can be improved through retrofitting methods that rely on concentric braces in exterior bays of moment-resisting frames. The retrofitted frames showed a considerable improvement in performance. While it was anticipated that base shear would increase to be consistent with the additional lateral stiffness found in the retrofitted frames, the maximum interstory drifts were considerably decreased. The data demonstrates that retrofitting to achieve seismic resilience will significantly reduce damage and improve the overall structural performance under repeated seismic loading and aftershocks. In the extended special case, the 3-, 9-, and 20-story buildings were subjected to up to five consecutive aftershocks following a mainshock, with the sequences derived from the Mammoth Lakes earthquake. The analysis revealed that structural responses (i.e. maximum drift and base shear) vastly increased after the first and second aftershocks, however, structural response plateaued after the third aftershock, with only marginal additional drift or damage observed with subsequent events. This plateau indicates an upper bound for the damage state for the structure, or redistribution of internal forces within the system, which likely precluded further damage or drift. Notably, while the number of plastic hinges appeared to increase for the 20-story model, the number of CP-level hinges did not increase proportionally, which suggests that tall buildings are tolerant when subjected to sequential earthquakes. These results signify the importance of including aftershock sequences and cumulative seismic demand in the seismic design and assessment of structures. Even if designers only consider the loads from a mainshock on their designs, it is easy to suspect that they potentially underestimate the actual risk of seismic loading, and this study has shown that seismic load in the presence of aftershocks for previously designed and built structures is far from negligible. Additionally, this study shows that retrofitting involves planning simple designs and that retrofitting enhances deformation and damage control, ensuring safety during multiple earthquake events. To conclude, this study contributes to understanding the realistic structural behavior of steel moment-resisting frames subjected to sequential earthquakes. The inclusion of the aftershock effect in the design and retrofitting of steel buildings is essential to achieve a safer and resilient structure.
Benzer Tezler
- Doğrusal olmayan itme analizi yöntemi ile performans seviyesi belirlenen çelik bir yapının yapısal analizi
Structural analysis of a steel frame model analysed by nonlinear push over analysis based on performance based design criteria
DUYGU ALTINAĞAÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BARLAS ÖZDEN ÇAĞLAYAN
- Çelik kiriş-kolon birleşimlerinin düşük tekrarlı yorulma davranışına yükleme hızının etkisi
Effect of loading rate on low cycle fatigue behaviour of steel beam-to-column connections
ÖVÜNÇ TEZER
Doktora
Türkçe
2013
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ ERDOGAN UZGİDER
- Mevcut betonarme yapıların deprem performanslarının belirlenmesi ve viskoz akışkanlı sönümleyiciler ile güçlendirilmesi için artımsal analize dayalı bir algoritma
An algorithm based on incremental analysis to evaluate performance and retrofit with viscous dampers of existing reinforced conrete structures
YAVUZ DURGUN
Doktora
Türkçe
2013
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERKAN ÖZER
- İki parametreli zemine oturan betonarme yapıların doğrusal olmayan hesabı ve görsel tabanlı bir bilgisayar yazılımı
Nonlinear analysis of reinforced concrete structures on two-parameter soil model and visual computer software
ONUR AVCIOĞLU
Doktora
Türkçe
2015
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ENGİN ORAKDÖĞEN
- Çok katlı yapılarda üniform olmayan burulma etkilerinin hesabı için bir yöntem
A method to determine the effects of nonuniform torsion on multistory buildings
TUNCAY AYDOĞUŞ
Doktora
Türkçe
2014
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YUSUF ALPAY ÖZGEN