Yer Hareketlerinin Karakteristik Özelliklerinin Binaların Yapısal Enerji Davranışı Üzerindeki Etkileri

Abstract

Mevcut depreme dayanıklı bina tasarımı yönetmelikleri genel olarak dayanım ve kapasitenin belirlenmesine yönelik olarak hesap ivme spektrumu üzerine kurulmuştur ve yer hareketinin süresi veya binanın çevrimsel davranış özellikleri gibi önemli değerlerin sonuç üzerindeki etkisi ihmal edilir. Depreme dayanıklı bina tasarımında enerji yaklaşımı ise yer hareketi süresine bağlı yapısal hasarlar gibi etkileri de göz önüne alabilir ve dayanım veya deformasyon gibi yapısal yanıt değerlerine bir alternatif olarak kullanılabilir. Dolayısı ile enerji esaslı hesap yöntemleri binaların performans analizine alternatif bir çözüm yöntemidir. Yapılarda depreme bağlı enerji dağılımı kavramı yeterince anlaşılabilirse betonarme binalar için özel detaylar geliştirilerek moment çerçevelerinin enerji tüketme kapasitesi arttırılabilir. Bu çalışmada yer hareketi karakteristik özelliklerinin binalardaki enerji girişi ve yayılışı üzerindeki etkileri araştırılmış ve örnek bir çalışma olarak 4 katlı betonarme çerçeve tipi bir yapı modeli üzerinde bir dizi yer hareketi kullanarak bu değişkenler detaylı şekilde incelenmiştir. Çalışmada kullanılan bina modeli daha önceki çalışmalarda gerçek boyutlu olarak imal edilmiş ve 3 boyutlu sarsma masası deneyleri ile test edilmiş bir modeldir. Çalışma kapsamında geliştirilen modelin etkinliği, mevcut test sonuçları ile karşılaştırılarak teyit edilmiştir. Çalışma kapsamında kullanılan yer hareketleri temel olarak 2 grupta toplanmıştır. İlk grup yakın kaynaklı ve ani darbeli karaktere sahip yer hareketleri, ikinci grup ise uzak kaynaklı ve ani darbe karakteri göstermeyen yer hareketleri arasından seçilmiştir. Bu şekilde yer hareketlerinin odak mesafesi, etkili süresi ve şiddeti gibi parametrelere bağlı olarak bina modelindeki enerji girişi ve dağılımı hesaplanarak sonuçlar değerlendirilmiştir. Enerji esaslı bir hesap yöntemi geliştirilmesine ve binaların hasar alma potansiyelinin anlaşılmasına yönelik olarak deprem giriş enerjisinin enerji bileşenleri (kinetik, elastik şekil değiştirme, çevrimsel ve yapısal sönümleme) incelenmiştir. Doğrusal olmayan dinamik analiz sonuçlarına bağlı olarak, deprem kaynaklı enerji girişinin bina katlarına ve yapısal elemanlara dağılımı ayrıntılı olarak hesaplanarak tartışılmıştır.

In current seismic design codes worldwide, the seismic structural design of buildings primarily rely on the strength and displacement capabilities of the structural members. Seismic design of buildings are based on acceleration spectra in order to evaluate strength capacity which does not directly account for the influence of the duration of ground motion or the hysteretic behavior characteristic of the building. The maximum inter-story displacement is the structural response parameter most used for evaluating the inelastic performance of structures. However, it is well-known that the level of structural seismic damage does not depend only on maximum displacement. Previous research and actual seismic disasters has shown that the cumulative damage is a result of numerous inelastic cycles during a ground motion. When a structure enters the inelastic range, deterioration of the hysteretic behavior occurs which can lead to failure of critical elements at deformation levels even below the ultimate deformation capacity of the structure. This damage is majorly affected by duration and called as cumulative damage, while this failure mode is called as lowcycle fatigue. However, most current design methods do not consider effects of lowcycle fatigue. Cumulative damage is commonly related to dissipated hysteretic energy which is a structural response parameter that provides a good evaluation basis for the plastic deformation and damage. In current practice energy has not been used in the evaluation of the earthquake effects on structures and structural members in specific. Nevertheless, energy concept seems to have a great potential in the analysis of seismic demands and for the design of the structural members since energy approach implements strength and displacement characteristics of the structure together. An energy-based approach to seismic design serves as an alternative index to response quantities like strength or deformation to include the duration-related seismic damage effects. Therefore, energy-based seismic design methodology is an alternative tool for the overall performance analysis of buildings. Once the concept of input energy distribution is well understood, energy dissipation capacity of moment resisting frames can be increased by providing special detailing in reinforced concrete buildings. In this study, the effect of ground motion characteristics and the structural properties on the seismic input energy is investigated. Furthermore, on a case study, a 4-story reinforced concrete building model is used for non-linear time history analysis and the relation between ground motion characteristics and energy responses of the building is observed in detail. The building model used in the study is taken from a previous research study, which was about the shaking table tests on a real-size reinforced concrete building model. The building model is pure moment frame on the long direction in the plan and a frame with shear walls on the shorter direction. Although the skake table tests are performed in three dimensions, this study investigates the moment frame direction only. The effectiveness of the analytical model is calibrated by the test results. The ground motion data is basically divided into two sets. The first set includes the ground motion data that shows near fault and impulse type characteristics where the second set represents the ground motion data with far field and non-impulsive characteristics. By using the two sets the seismic energy input and distribution is evaluated according to the seismic characteristics such as rupture distance, effective duration and intensity. This paper aims to examine influences of ground motion characteristics and structural properties on distribution of input energy based on a four-story RC moment resisting frame building using different types of ground motions. For developing an energybased design approach and assessing damage potential of buildings, distribution of earthquake input energy among energy components: kinetic, elastic strain, hysteretic, and structural damping has been investigated. Based on nonlinear analysis results, distribution of the earthquake-induced energy among floor levels as well as among structural components has been evaluated.