Seri deprem etkisi altında düzensiz betonarme yapıların sismik performans ve kırılganlık değerlendirmesi

Seismic performance and fragility assessment of irregular RC buildings under seismic sequences

PDF İndir

Tez No: 992853
Yazar: ZEKERİYA SEMİH AYGÜN
Danışmanlar: DOÇ. DR. REŞAT ATALAY OYGUÇ
Tez Türü: Yüksek Lisans
Konular: Deprem Mühendisliği, Earthquake Engineering
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2026
Dil: Türkçe
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

En yıkıcı doğal afetlerden biri olan depremler, insanlık tarihinde hem maddi anlamda hem de manevi anlamda sürekli büyük yıkımlar yaratmış, derin izler bırakmış ve ilerleyen zamanlarda da bu yıkıcı etkilerini sürdürmesi beklenen kaçınılmaz bir gerçektir. Depremler, yalnızca can kayıplarına yol açmamakta olup aynı zamanda ciddi ekonomik krizlere ve toplumun sosyal düzeninin bozulmasına da yol açmaktadır; bu durum depremin etkisinin gelecekte de önemini yitirmeyeceğini açıkça göstermektedir. Geçmişten günümüze kadar geçen sürede, deprem-yapı-zemin etkileşimi konusunda yapılan sismik performansa yönelik bilimsel ve mühendislik temelli yaklaşımlar, tarihsel süreçte sürekli geliştirilmiş; bu da deprem mühendisliği alanında ciddi gelişmelere yol açmıştır. Tarihsel süreçte, hem deprem yönetmeliklerinde ciddi gelişmeler sağlanmış hem de depreme dayanıklı yapı tasarımı üzerine çok sayıda akademik çalışma gerçekleştirilmiştir. Depreme dayanıklı yapı tasarımı kavramının temel felsefesi; yapıların sık meydana gelen küçük ölçekli depremlerde yapının hiç ya da çok az hasar görmesi, orta şiddetteki depremlerde onarılabilir düzeyde hasar alması, nadir gerçekleşen büyük ölçekli depremlerde ise yapının içerisindeki insanların can güvenliğini sağlayacak şekilde göçmeden ayakta kalması prensibine dayanmaktadır. 1994 yılında meydana gelen Northridge ve 1995 yılında meydana gelen Kobe depremleri, yalnızca büyük yıkımlara yol açmakla kalmamış; aynı zamanda performansa dayalı deprem mühendisliği anlayışının temellerinin ortaya çıkmasına sebep olarak, yapıların farklı deprem seviyelerindeki belirli performans kriterlerini karşılaması gerektiği düşüncesini ortaya çıkarmıştır. Bu bağlamda, performansa dayalı deprem mühendisliğinin geçerliliğinin ancak doğrusal olmayan analizler vasıtasıyla sağlanabileceği açıktır. Doğrusal olmayan analiz yöntemlerinin, yapıların deprem etkisi altındaki davranışını daha doğru ve gerçeğe yakın bir şekilde yansıtması, geleneksel doğrusal analiz yöntemlerinin yetersizliklerini ortaya koymuş ve performansa dayalı tasarım yaklaşımının kaçınılmazlığını açıkça gözler önüne sermiştir. Ancak doğrusal olmayan analiz yöntemleri, hesap karmaşıklığı ve analiz süresinin uzunluğu sebebiyle bazı tereddütlere yol açmıştır. Yapıların gerçeğe yakın deprem tasarımı için; bir yandan yapıların rijitlik, dayanım ve süneklik kapasiteleri ile beklenen süneklik taleplerini doğru tahmin edebilen, diğer yandan aşırı karmaşık olmayan bir analiz yöntemine duyulan ihtiyaç ortaya çıkmıştır. Bu tez kapsamında kullanılacak olan yöntemlerden biri olan ve yukarıda bahsedilen iki temel ihtiyacı karşılayan N2 yöntemi ile ilgili çalışmalar 1980'li yıllarda başlamıştır. N2 yönteminin fikri, Saaidi ve Sozen tarafından yayımlanan bir makaleden (1981) ortaya çıkmıştır. Metodun son hali 1996 yılına kadar yapılan bir dizi çalışmalar sonucunda Fajfar ve Gašperšič tarafından ortaya çıkmıştır. N2 yönteminin geliştirilmesindeki temel amaç; özellikle deprem yönetmeliklerinde kullanılan, yapıların doğrusal davranış sergileyeceğini varsayan ancak yapıların gerçek sismik performansını doğru yansıtmayan geleneksel yöntemlerdeki pratikliği ve yapıların gerçek sismik davranışını ancak gündelik kullanımda karmaşık ve zaman alıcı bir yöntem olan doğrusal olmayan zaman tanım alanında analiz yöntemlerinin doğruluğu arasında bir denge kurarak yeterli doğruluk ve pratiklik sağlayan bir yöntemi uygulanabilir kılmaktır. Ancak N2 yöntemi, yüksek mod etkilerinin ihmal edilebilir olduğu yani yalnızca birinci modda titreşen yapıların analizinde güvenilir sonuçlar vermektedir. Bu sebepten ötürü yüksek mod etkilerinin önemli olduğu düzensiz, yüksek, asimetrik yapılarda yeterli doğruluk sağlamayabilir. Bu sınırlamaları aşmak amacıyla, Fajfar ve arkadaşları (2005) tarafından, planda yüksek mod etkilerini dikkate alan ve asimetrik yapılara uygulanabilen genişletilmiş N2 yöntemi önerilmiştir. Daha yakın dönemde ise Kreslin ve Fajfar (2012), yöntemi düşey doğrultudaki yüksek mod etkilerini de dikkate alacak şekilde geliştirmiştir. Yeni ortaya çıkan bu yaklaşımın N2 yöntemine göre farkı hem planda hem de düşeyde üst mod etkilerini dikkate alarak elastik modal analiz ve doğrusal olmayan statik analiz aracılığıyla bulunan düzeltme katsayıları yardımıyla, yüksek mod etkilerinin önemli olduğu yapılarda daha tutarlı sonuç elde edilmesidir. Bu tez kapsamında kullanılacak diğer bir yöntem ise artımsal dinamik analiz yöntemidir. Bu yöntemde, çeşitli ölçeklendirme seviyeleri kullanılarak artırılan deprem yer hareketlerinin, yapının elastik davranışından itibaren göçme aşamasına kadar olan süreçteki yapısal tepkiye olan etkisinin ayrıntılı biçimde incelendiği bir analiz çeşididir. Yöntem kapsamında kullanılan deprem ivme kayıtları çeşitli ölçeklendirme kriterleri kullanılarak kademeli bir şekilde artırılırken deprem kaydının karakteristiği değiştirilmeden genliği büyütülerek depremin şiddet etkisi artırılmıştır. Böylelikle, yapısal performansın farklı deprem yer hareketleri altındaki davranışının değerlendirilmesine olanak sağlanmıştır. Bu tez kapsamında daha önce birçok çalışmaya konu olan düzensiz bir yapı olan Spear yapısına, N2 metodu kullanılarak çatı yer değiştirmeleri ve kat öteleme değerleri elde edilmesi amacıyla statik itme analizi uygulanmış sonrasında ise N2 ve genişletilmiş N2 metodu uygulanmıştır. Spear yapısının kullanılmasındaki temel amaç analizler esnasında kullanılan SeismoStruct programıyla model doğrulamasını sağlamaktır. Daha sonra ise EuroCode 8'e göre farklı düzensizliklere sahip 3 adet yapı için N2 ve genişletilmiş N2 yöntemleri uygulanarak elde edilen sonuçlar, artımsal dinamik analiz yöntemi sonuçlarının verileriyle karşılaştırılmıştır. Spear yapısı 3 katlı olup beton için C16 ve donatı çeliği için S420 malzeme dayanım değerleri seçilmiştir. Spear yapısına ait düzensizlik değerleri Eurocode 8 standartları baz alınarak hesaplanmıştır. Diğer 3 yapı ise 4 katlı olup beton için C16 ve donatı çeliği için S420 malzeme dayanım değerleri seçilmiş olup geleneksel beton modellerinin dışında hem rijitlik hem de dayanımın azaldığı bozulmalı malzeme modelleriyle modellenmiştir. Buradaki temel amaç öncü şok, ana şok ve artçı şokun yer aldığı deprem serilerinde elemanlarda meydana gelen rijitlik ve dayanım bozulumunu doğru bir şekilde modellemektir. Yapıların X ve Y yönündeki düzensizlik parametreleri, EuroCode 8 standartları temel alınarak; her iki yöndeki eksantrisiteler, burulma ve atalet yarıçapları hesaplanarak belirlenmiştir. Yapılara uygulanan artımsal dinamik analizler, yapıların zayıf doğrultusunda gerçekleştirilmiş olup bu analizler sonucunda çatı yer değiştirmeleri, kat ötelemeleri, ana şok ve artçı şok sonrası meydana gelen kalıcı yer değiştirme değerleri belirlenmiş aynı zamanda hem artımsal dinamik analiz eğrileri hem de yapıların kırılganlık eğrileri elde edilmiştir. N2 ve genişletilmiş N2 yöntemi ile elde edilen çatı yer değiştirmeleri ve kat öteleme değerleri ise doğrusal olmayan zaman tanım alanında analiz sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Farklı düzensizliklere sahip yapılara uygulanan artımsal dinamik analizde ise, 11 Mart 2011 tarihinde Japonya'da gerçekleşen, moment büyüklüğü (Mw) 9.0 olan Tohoku depremi ve aynı zamanda bu depremin artçıları olarak değerlendirilen 11 Mart 2011 tarihli moment büyüklüğü (Mw) 7.7 olan deprem, 7 Nisan 2011 tarihli moment büyüklüğü (Mw) 7.1 olan deprem ve 11 Nisan 2011 tarihli moment büyüklüğü (Mw) 7.0 olan depremler kullanılmıştır. Tohoku depremi modern dünya tarihinin en büyük deprem yer hareketlerinden biri olarak kalmayıp aynı zamanda öncü depremler ve artçı depremler olarak bakıldığında oldukça eşsiz bir deprem serisidir. Deprem kayıtlarının seçilmesinde, darbe etkileri, yakın fay etkileri, zemin sıvılaşması gibi parametreler göz ardı edilmiştir. Ayrıca yüzeyden itibaren ilk 30 metrelik zemin profili için kayma dalgası hızı (Vs,30) değeri 360-800 m/s aralığında olan kayıtlar seçilmiştir. Ayrıca tez kapsamında kullanılacak olan kayıtları sınırlandırmak amacıyla maksimum tepe yer ivmesi değerleri (PGA) 0.2g-0.8g arasında seçilmiştir. Tohoku depremine ait ilgili kayıtlar Japonya Meteoroloji Ajansından elde edilmiştir. Kullanılan bu deprem serileriyle beraber, artçı şok ve ana şok sonrası oluşan birikimli hasarın farklı düzensizliğe sahip yapılar üzerindeki etkisi değerlendirilmiştir. Yapı modelleri, SeismoStruct yazılımı kullanılarak modellenmiş olup tezde kullanılan tüm yapısal analizler de bu program aracılığıyla yapılmıştır. Bu analizlerden elde edilen sonuçlar Excel programı ile görsel hale getirilerek değerlendirilmiştir. Tez hakkında genel bir değerlendirme yapıldığında farklı düzensizliklere sahip yapılarda, öncelikle yapının birinci modunu dikkate alan geleneksel N2 yöntemi, ardından yüksek mod etkilerini de dikkate alan genişletilmiş N2 yöntemi yapılara uygulanmıştır. Yapı rijitlik ve dayanımın azaldığı malzeme modeliyle modellenerek, yapının doğrusal davranış aşamasından başlayarak göçmeye kadar tüm yapı tepkisini kesintisiz bir biçimde ortaya koyan artımsal dinamik analiz yöntemi uygulanmış ve yapısal tepkiler, artımsal dinamik analiz eğrileri ve kırılganlık eğrileri elde edilmiştir. Böylece farklı spektral ivme değerlerinde, farklı düzensizliğe sahip yapıların davranışı olasılıksal olarak bulunmuştur. Son olarak, geleneksel N2 ve genişletilmiş N2 yönteminden elde edilen değerler hem zaman tanım alanında analiz hem de artımsal dinamik analiz yöntemlerinde elde edilen değerlerle karşılaştırılmış olup yöntemlerin doğrulukları değerlendirilmiştir.

Özet (Çeviri)

Earthquakes, recognized as one of the most damaging natural catastrophes, have repeatedly caused catastrophic damage and left lasting scars throughout human history. Their devastating effects are not confined to the past; rather, they are anticipated to continue posing significant threats in the future as well. Beyond causing considerable loss of life, earthtquakes also lead to severe economic distruption, widespread financial crises, and profound disturbances in the social fabric of affected communities. This reality clearly underscores the ongoing and future relevance of seismic hazards. Over time, scientific and engineering based approaches focusing on seismic performance, particularly regarding the interaction between earthquakes, structures, and soil, have been continiously develope, leading to substantial advancements in the area of seismic engineering. Throughout history, significant progress has been achieved in both the formulation and enhancement of seismic design codes, as well as in the proliferation of academic research dedicated to the development earthquake resistant building systems. Such efforts have collectively contributed to improving the resilience and safety of the built environment against future seismic events. The fundamental philosophy underlying the concept of earthquake resistant building structural design is based on ensuring that structures are capable of withstanding seismic events of varying intensities with appropriate levels of performance. Specifically, structures are expected to suffer little to no damage during frequent, low intensity earthquakes, experience only repairable damage during moderate earthquakes during rare but severe seismic events, maintain their overall stability without collapsing, thereby safeguarding the lives of occupants. This performance based approach aims to minimize not only human casualties but also the potential for extensive economic and social disruption. The 1994 Northridge earthquake in the United States and the 1995 Kobe earthquake in Japan served as critical milestones in the development of this philosophy. These devastating events not only caused widespread physical destruction and significant loss of life but also underscored the inadequacies of traditional seismic design approaches. In their aftermath, the concept of performance based earthquake engineering began to take shape, promoting the idea that structures should be designed to satisfy distinct performance objectives corresponding to different seismic hazard levels. This paradigm shift emphasized the necessity for a more nuanced understanding of structural behavior under earthquake loading and laid the groundwork for the modern methodologies employed in seismic design and assessment today. It, examines the structural behavior during different earthquake scenarios and the condition of the building after the earthquakes, allowing for the assessment of how well these criteria are fulfilled. In this context, it is evident that the validity of performance based earthquake engineering can only be ensured through nonlinear analyses. The ability of nonlinear analysis methods to give a more precise and realistic representation of structural behavior under seismic actions has exposed significant shortcomings of traditional linear analysis techniques, thus clearly emphasizing the inevitability of adopting a performance based design philosophy. Nevertheless, despite their undeniable advantages in capturing the inelastic response of structures, nonlinear analysis methods have often led to reservations due to their inherent computational complexity, the extensive amount of input data required, and the prolonged analysis times they entail. Within this context, the necessity has arisen for the development and application of an analysis methodology that on the one hand can reliably estimate the stiffness, strength, and ductility capacities of structural systems along with the expected ductility demands under seismic loads, and on the other hand, can adequately address uncertainties in modeling and seismic input data without resulting in an excessively intricate or impractical computational process. Such a methodology is crucial for enabling a more realistic, yet sufficiently efficient, seismic design of structures, thereby bridging the gap between accuracy and practical applicability in engineering practice. The studies related to the N2 method, which is employed within the scope of this thesis to address the two fundamental needs mentioned above, were initiated in the 1980s. The conceptual foundation of the N2 method emerged from the Q-model introduced by Saiidi and Sozen (1981). This Q-model is fundamentally based on two major simplifications: the ''reduction of a multi degree of freedom structural model to an equivalent single degree of freedom model'' and the ''representation of the structure's variable incremental stiffness properties by a nonlinear spring''. In the N2 method, the letter ''N'' denotes ''Nonlinear'', while the number ''2'' signifies the utilization of two different mathematical models. The final form of the method was established by Fajfar and Gašperšič through a series of conducted until 1996. The primary objective behind the development of the N2 method was to create a practical and sufficiently accurate analysis procedure by striking a balance between the simplicity of traditional methods which assume linear elastic structural behavior but fail to accurately reflect the true seismic performance of structures and the higher accuracy yet impractical complexity of nonlinear time history analysis methods. However, the N2 method provides reliable results primarily for structures in which higher mode effects are negligible, rather than for tall, irregular, or asymmetric buildings where such effects are significant. This implies that the method is essentially applicable to structures whose seismic response is predominantly governed by the first mode. Therefore, in the case of irregular, tall, or asymmetric structures where higher mode contributions play a significant role the accuracy of the method may be limited due to its inability to fully capture the impact of the higher mode effects. To overcome these limitations, and extended version of the N2 method was proposed by Fajfar et al. (2005), which incorporates higher mode effects in plan and can ve applied to asymmetric structures. More recently, Kreslin and Fajfar (2012) further developed the method by accounting for higher mode effects in vertical (elevation) direction as well. The major distinction of this newly developed approach compared to the original N2 method lies in its consideration factors derived from elastic modal analysis and nonlinear static (pushover) analysis. This allows for more consistent and reliable results, particularly for structures where higher mode effects are quite important. Another analytical approach adopted within the scope of this thesis is the incremental dynamic analysis method. This method allows a detailed investigation of the structural response to earthquake ground motions that are gradually intensified, covering the entire behavior range from the initial elastic response to the onset of structural collapse. In the ıncremental dynamic analysis procedure, selected ground motion acceleration records are progressively scaled using predefined scaling criteria. During this process, the intensity of the seismic excication is increased by amplifying the amplitude of the records while preserving their original characteristics. In this way, changes in structural performance under different levels of seismic demand and various earthquake ground motions can be systematically examined. Within the scope of this thesis, a static pushover analysis was first applied to the Spear structure, which is an irregular building that has been extensively investigated in previous studies, in order to obtain roof displacement and interstorey drift demands using the N2 method. Based on the data collected, the standart N2 method was used along with the extended N2 method, which is better at taking into account irregularity effects, to measure seismic performance. The results were then compared. The primary reason for selecting the Spear structure was to ensure calibration of the SeismoStruct software used throughout the analyses. Following this stage, the N2 and extended N2 methods were applied to three additional structures exhibiting different types of irregularities as defined in EuroCode 8, and the corresponding results were then compared with those obtained from incremental dynamic analysis. The Spear structure constist of three storeys, and material properties corresponding to C16 concrete and S420 reinforcing steel were adopted. The irregularity indices of the structure were calculated based on the provisions of Eurocode 8. The remaining three structures are four story buildings, for which material properties corresponding to C16 concrete and S420 reinforcing steel were adopted. Unlike conventional concrete models, these structures were modeled using degrading material formulations that account for both stiffness and strength deterioration. The main objeective of this modeling approach is to realistically capture the degradation in stiffness and strength occuring at the element level during earthquake sequences involving foreshocks, mainshocks, and aftershocks. Irregularity parameters in both the X and Y directions were determined in accordance with the provisons of Eurocode 8, with eccentricities, torsional effects, and radii of gyration calculated separately for each direction. Incremental dynamic analyses were performed along the weak structural direction of the buildings. Based on these analyses, roof displacements, interstorey drifts, as well as residual displacements observed after the mainshock and subsequent aftershocks were evaluated. In addition, ıncremental dynamic analysis curves and the corresponding fragility curves of the structures were derived. The roof displacements and interstorey drift demands obtained from the N2 and extended N2 methods were then compared with the results of the nonlinear time history analyses. For the all structures, which exhibit different types of irregularities and were subjected to Incremental dynamic analysis, earthquake records from the 11 March 2011 Tohoku earthquake in Japan, with a moment magnitude (Mw) of 9.0, were utilized. In addition, several strong aftershocks associated with this event were considered, including the Mw 7.7 earthquake on 11 March 2011, the Mw 7.1 earthquake on 7 April 2011, and the Mw 7.0 earthquake on 11 April 2011. The Tohoku earthquake is not only recognized as one of the largest seismic events in modern history, but also represents a rather unique earthquake sequence when evaluated together with its foreshocks and aftershocks. During the selection of ground motion records, factors such as near fault effects, pulse type ground motions, and soil liquefaction were intentionally excluded from consideration. Moreover, records with shear wave velocity values in the upper 30 m of the soil profile (Vs,30) ranging between 360 and 800 m/s were selected. To further limit the set of records used within the scope of the thesis, peak ground acceleration (PGA) values were constrained to the range of 0.2g to 0.8g. The ground motion records corresponding to the Tohoku earthquakes were obtained from the Japan Meteorological Agency. The structural models were developed using the SeismoStruct software, and all structural analyses presented in the thesis were carried out within this platform. The results obtained from these analyses were subsequently processed and visualized using Microsoft Excel in order to facilitate interpretation and evaluation. From a general evaluation of the thesis, it can be observed that for structures exhibiting different types of irregularities, initially applies the conventional N2 method, which only looks at the first vibration mode of the structure, followed by the extended N2 method, which also accounts for higher mode effects, to all structural models. The structures were modeled with a material model that included stiffness and strength degradation. An incremental dynamic analysis was then done to show how the structure's response changes from the elastic range to collapse. Consequently, structural responses, incremental dynamic analysis curves, and fragility curves were derived. This way, the probabilistic behavior structures with different levels of irregularity at different levels of spectral accelerationas was found. Finally, the results from the conventional N2 and extended N2 methods were compared to those from time-history analysis and incremental dynamic analysis to see how accurate the methods were.

Benzer Tezler

Tez No
845849
Deprem bölgelerindeki prefabrike betonarme endüstri binaların yapısal sistemlerinin değerlendirilmesi ve eğimli çatı kirişleri için alternatif tasarımlar
Overview of structural systems of prefabricated/precast concrete industrial buildings in seismic regions and alternative designs for sloped roof beams
SELİN KOCA
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Mimarlık İstanbul Teknik Üniversitesi
Mimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
Tez No
625447
Korozyon etkisi altındaki, mineral katkı ile üretilen kolonların tersinir tekrarlanır yatay yük altındaki davranışlarının araştırılması
Investigation of behavior of reversed recurrent horizontal loads of columns produced by mineral admixture under corrosion effect
MUSTAFA KOÇER
Doktora
Türkçe
2020
İnşaat Mühendisliği Konya Teknik Üniversitesi
İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT ÖZTÜRK
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET RAİF BOĞA
Tez No
485229
Python ve Julia programlarının doğrusal olmayan deprem analizleri ve paralel programlamaya uygunluklarının araştırılması
Applicability of Python and Julia languages to nonlinear seismic analysis of structures and parallel programing
BARIŞ KASAPOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
İnşaat Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BARIŞ ERKUŞ
Tez No
356942
Effect of cyclic loading on connection strength of geosynthetic-reinforced structures
Geosentetik donatılı duvarlarda devirli yüklemenin bağlantı mukavemetine etkisi
GÖRKEM İÇÖZ
Doktora
İngilizce
2014
İnşaat Mühendisliği Boğaziçi Üniversitesi
İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EROL GÜLER
Tez No
650429
Effect of cold joint on compressive and tensile strength of concrete
Soğuk derzin betonun basınç ve çekme dayanımına etkisi
QURAISH QUSAY ALI
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
İnşaat Mühendisliği Van Yüzüncü Yıl Üniversitesi
İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BARIŞ ERDİL
DR. TAHA MOHAMMED JASSAM

Geri Dön