Investigation of structural health monitoring of a high rise building

Abstract

High-rise buildings must be designed bearing in mind the possibility of an earthquake in earthquake-prone megacities such as Istanbul. Additionally, the health of the existing high-rise buildings must be constantly controlled before, during, and after an expected earthquake. The structural health monitoring system is used to observe the dynamic conditions of existing structures and their behavior during the earthquake. In addition to system identification techniques, structures can also be examined through their mathematical models. Therefore, the models of the existing structures need to including existing masonry infill walls and soil-structure interaction, which influence the real behavior of the structures. The main aim of this thesis is to build a correlation between dynamic properties from on-site measurements and finite element analysis of the high-rise building by correcting the FE model of the building based on the investigation of SHM of the building. For this purpose, the study was carried out on a high-rise building in Fikirtepe, Istanbul. A system to monitor the building for twenty-four hours a day over seven days was installed. Moreover, the finite element model of the building is modeled with the package program, ETABS v16.0.0. The study was conducted on the response of the building during the earthquake that struck southwest of Istanbul in the Marmara sea, Silivri deficits, on Sept 26, 2019. Ambient vibration records of the building are examined by the frequency domain decomposition. With the method, the natural periods and mode shapes of the building are obtained. As a result of the analysis carried out before and after the earthquake, it is found that the building has a linear behavior during the earthquake. Additionally, the response of the building during the earthquake is investigated through acceleration-time history. The transfer functions are obtained by using Fourier Transform and power spectral density method. The predominant period, model shapes, and damping ratio are calculated according to field measurements. Peak values of acceleration, velocity, and displacement time history of the building on the 16th floor are determined during the earthquake. Fourier Transform and Wavelet Transform methods are used to find these values. The results of the experimental test are compared with the analysis results of the package program, SeismoSignal. In addition to the experimental study, the mathematical model of the building is created. The building is modeled based on the design phase. When the dynamic properties of the model are defined, it is observed that it does not match the field test results accurately. The finite element model which correlates the identified modal results of the building is developed. Infill walls and soil-structure interaction, which are ignored during the design phase of the building, are included in the model. The earthquake input motion taken from field measurement is performed for the building by linear time history analyses. The results are compared with the results of the in-situ measurement. It is observed that the corrected finite element model better represents the behavior of the existing building than the design values in the linear stage. In this study, it is shown that modeling the structure with real parameters such as infill walls and soil-structure interaction is significant in the determination of the model dynamics and the behavior of the structure during the earthquakes.

Yüksek binalar, İstanbul gibi deprem eğilimli mega şehirlerde deprem olasılığı göz önünde bulundurularak tasarlanmalıdır. Aynı zamanda inşası tamamlanmış yapıların sağlığının sürekli olarak kontrol edilmesi gerekmektedir. Yapı sağlığı izleme sistemleri var olan yapıların mecvut güvenlik durumlarını ve olası bir deprem sırasındaki davranışını gözlemlemek için kullanılır. Sistem tanılama yöntemlerinin yanı sıra, yapı matematiksel modeli aracılığı ile de incelenebilir. Bunu takriben mevcut yapıların davranışını etkilen dolgu duvarlar ve yapı zemin etkileşiminin matemetiksel modele yansıtılması gerekmektedir. Bu tez çalışmasının temel amacı, yerinde alınan kayıtlar aracılığı ile bulunan yüksek katlı yapının dinamik özellikleri ile bu yapının sonlu elemanlar analizi arasında bir korelasyon oluşturmaktır. Bu amaç doğrultusunda İstanbul Fikirtepe'de bulunan çok katlı bir bina üzerinde çalışmalar yapılmıştır. Bu binanın yedi gün yirmi dört saat izlenmesini sağlayacak bir sistem binaya yerleştirilmiştir. Ayrıca bu binanın sonlu elemanlar modeli, paket program yardımıyla oluşturulmuştur. Çalışma, 26 Eylül 2019 tarihinde Mw=5.8 olan ve Silivri açıklarında gerçekleşen depremin bu bina üzerindeki etkileri üzerinden sürdürülmüştür. Yapının çevresel titreşim kayıtları frekans tanım aralığında ayrıştırma tekniği ile incelenmiştir. Bu metot ile yapının doğal periyotları ve mod şekilleri bulunmuştur. Deprem öncesi ve sonrası alınan kayıtlar incelenmiştir. Yapılan analizler sonucunda, yapının deprem sürecince doğrusal davranış sergilediği bulunmuştur. Ek olarak, binanın depreme verdiği tepki sadece ivme kaydı aracılığı ile incelenmiştir. Fourier Transformu ve güç spektral yoğunluğu metotları kullanılarak transfer fonksiyonları oluşturulmuştur. Yapının baskın periyodu ve sönüm oranları hesaplanmıştır. Deprem süresince, yapının en üst katındaki ivme, hız ve yer değiştirme tepe değerleri bulunmuştur. Bu değerleri bulabilmek için Fourier ve Wavelet Transformu metotları kullanılmıştır. Yapılan analizlerin sonuçları, paket program olan SeismoSignal analiz sonuçları ile kıyaslanmıştır. Numerik çalışmanın yanı sıra, yapının matematiksel modeli de oluşturulmuştur. Tasarım aşaması temellerine dayanarak yapı modellenmiştir. Bu modelin dinamik karakterizasyonu yapıldığında nümerik sonuçlarla örtüşmediği görülmüştür. Yapının, nümerik analiz sonuçlarını yansıtabilecek analitik modelin kurulabilmesi için sonlu elemanlar modeli düzeltilmiştir. Yapının tasarım aşamasında göz ardı edilen dolgu duvarlar ve yapı-zemin etkileşimi modele dahil edilmiştir. Güncellenmiş sonlu eleman modeli üzerine Marmara depreminde zemin seviyesindeki ivmeölçerden alınan ivme-zaman kaydı uygulanmıştır. Yapının doğrusal zaman tanım aralığında analizi yapılmıştır. Analiz sonuçları, sahada ölçülen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Düzeltilmiş sonlu elemanlar modelinin yapının gerçek davranışını daha iyi yansıttığı görülmüştür.