Field testing and model updating of typical RC buildings for damage identification

Abstract

Ülkemizde, mevcut bina stoğunun büyük bir kısmı betonarme yapılardan oluşmaktadır. Çoğunluğu 1990 öncesi inşa edilmiş olan bu betonarme yapıların önemli miktarı güncel tasarım standartlarının gerekliliklerini karşılamamaktadır. Bu yapıların çoğunluğu yasal olarak mühendislik hizmeti almış yapılar olmasına rağmen, resmi denetim mekanizmalarının bulunmaması nedeniyle sadece güncel tasarım standartlarını değil, yapıldıkları dönemde yürürlükte olan standartların da gerekliliklerini karşılamamaktadır. Dolayısı ile, bu binalarda dayanımı düşük beton, yetersiz enine donatı detayı vb. gibi temel yapısal zayıflıklar vardır ve herhangi bir deprem etkisi altında önemli bir risk oluşturmaktadır. Bu sebeplerle, deprem sonrasında mevcut yapıların durum değerlendirmesi, binanın kalan ömründeki performansının belirlenmesinde çok önemlidir. Günümüzde, büyük bir deprem sonrasında binaların durum değerlendirmesi görsel incelemeye dayanarak gerçekleştirilmektedir. Binaların mevcut durumu hakkında karar vermek için gerekli ve pratik bir yöntem olmasına ragmen, bazı hasarların görsel inceleme yoluyla tespit edilememe durumu olabilir. Örneğin, elemanlarda bulunan içsel çatlaklar veya bindirme donatısının sıyrılması gibi hasarlar, görsel inceleme ile farkedilemeyebilir, ancak binanın yük taşıma kapasitesi üzerindeki etkileri hayati olabilir. Bu açıdan bakıldığında, Yapısal Tanılama (St-Id) metodları ile elde edilen binanın titreşim karakteristikleri, binaların mevcut durumu hakkında önemli bilgiler sağlayabilir. Bu tez çalışması kapsamında, tipik betonarme yapılarda dinamik karakteristiklerin yapısal sismik hasarla değişimi sayısal olarak ortaya koyulmuştur. Bununla beraber, tipik betonarme binalar için otomatik hasar tespit algoritması sunulmuştur. Bu amaçla, önce, tipik mevcut betonarme yapıların dinamik özelliklerinin farklı derecede ve tipte yapısal hasarla beraber değişimini incelemek için bir dizi saha testi gerçekleştirilmiştir. Saha çalışması kapsamında, yarı-statik tersinir tekrarlı yatay yükleme döngüleri öncesinde ve sonrasında ve bazı hasar düzeylerinde zorlanmış titreşim testleri yapılmıştır. Testler, iki adet üç katlı tam ölçekli betonarme yapıda, 3 adet hidrolik yük veren kullanılarak yapıların x doğrultusunda, tersinir tekrarlı yatay yer değiştirme adımları şeklinde gerçekleştirilmiştir (Test binaları TB-1 ve TB-2). Titreşim testleri ise, eksantrik kütleli sarsıcı ile zorlanan yapının titreşim cevabının ivmeölçerler ile toplanması şeklinde gerçekleştirilmiştir. Test binalarından TB-1, 1990'lı yıllarda inşa edilmiş ve 2013 yılında Kentsel Dönüşüm yasası kapsamında boşaltılmış gerçek bir binanın parçasıdır. Mevcut yapı stoğundaki tipik betonarme yapıların aksine, test binası TB-1, güçlü kolon-zayıf kiriş mekanizmasına sahiptir. Bu sebeple, mevcut yapı stoğunu daha iyi temsil etmesi açısından, bir bina (test binası TB-2) zayıf kolon-güçlü kiriş mekanizmasına sahip olacak şekilde tasarlanarak test binası TB-1 ile aynı alanda inşa edilmiştir. Tıpkı mevcut yapı stoğundaki birçok binada olduğu gibi, her iki test binasında da düşük dayanımlı beton, düz donatı, yetersiz enine donatı detayı gibi eksiklikler mevcuttur. Saha çalışmalarının sonunda, yapısal frekansların ve sönüm oranlarının, yapısal hasarın akma sınırının ötesine geçmediği yükleme adımlarında, artan hasarla beraber ciddi mertebede değiştiği, akma sınırının ötesinde ise, artan hasarla beraber akma öncesinde sergilediği belirgin değişimi göstermediği ortaya konulmuştur. Saha çalışmalarının akabinde, test sonuçlarını kullanarak otomatik hasar tespit algoritması içeren model-esaslı MATLAB tabanlı bir program yazılmıştır (Model Updating Program: MUP). Sonlu eleman modeli (FEM) güncellemesine dayanan program, deneysel olarak elde edilen frekans davranış fonksiyonu (FRF) ile sonlu eleman modelinden elde edilen FRF (bundan sonra analitik FRF olarak bahsedilecek) arasındaki farkı mimimize edecek parametreleri tekrarlı olarak değiştirerek hasar tespiti yapılmasına olanak tanımaktadır. İki-adımlı otomatik hasar tespit algoritması, test binalarının hasarsız durumunu temsil etmesi için (başlangıç modeli) SAP2000'de kurulan yapı sonlu eleman modelinin güncellenmesi ile doğrulanmıştır. Daha detaylı anlatmak gerekirse, algoritmanın ilk adımında sonlu eleman modelinin rijitlik ve kütle matrisleri güncellenerek analitik FRF'in frekans bileşenleri, deneysel olarak elde edilen FRF'in (bundan sonra deneysel FRF olarak bahsedilecek) frekans bileşenleri ile örtüştürülmeye çalışılmıştır. Algoritmanın ikinci adımında ise, sönüm oranı değerleri güncellenerek, analitik FRF ile deneysel FRF, fonksiyonların büyüklük bileşenleri açısından örtüştürülmüştür. Bu güncelleme işlemi MUP tarafından, analitik FRF ve deneysel FRF arasındaki farkı ifade eden hata fonksiyonunu minimuma indirene kadar, önceden seçilmiş parametrelerin tekrarlı olarak değiştirilmesi şeklinde yapılmıştır. Sonuç olarak, ilk etapta kurulan başlangıç modelleri güncellenerek, yapıların hasarsız durumunu temsil eden 'referans model' elde edilmiştir. Bu işlemin akabinde, yapıların başlangıç modellerinin güncellenmesi işlemi ile tanıtılan ve doğrulanan iki-adımlı hasar tespit algoritması, yarı-statik testlerle erişilmiş hasarın otomatik olarak tespiti işlemine adapte edilmiştir. Hasar tespiti, bir önceki adımda elde edilen ve yapıların hasarsız durumunu temsil eden referans modele ait analitik FRF ile çeşitli hasar seviyelerinde (test binası TB-1 için %1.5 birinci kat yatay öteleme oranında, test binası TB-2 için %0.5, %1.0, %1.5, %2 ve %3 birinci kat yatay öteleme oranlarında) deneysel olarak elde edilmiş FRF'ler arasındaki farkın, tüm hasar seviyeleri için ayrı ayrı minimuma indirilmesi şeklinde gerçekleştirilmiştir. Test binalarının kolon-kiriş kesit özelliklerine bakılarak yapılan hızlı bir değerlendirme ve mühendislik tecrübesi ile, algoritmada değiştirilecek parametrelerin eleman başlangıç ve sınır koşullarında rijitlik değişimini temsil edecek şekilde seçilmesine karar verilmiştir. Dolayısı ile kolon ve kiriş uç bölgelerine eleman-uç yayları atanmış ve bu yaylara ait rijitliklerin tekrarlı değiştirilmesi ile algoritmanın ilk adımı tamamlanmıştır. Bu adımda güncellenen modelde sönüm parametreleri tekrarlı olarak değiştirilerek hasar tespit algoritmasının ikinci adımı da tamamlanmıştır. Bu sayede, yapısal hasarın varlığı, yeri ve mertebesi otomatik bir algoritma ile tespit edilmiştir. Hasarın varlığı, yeri ve mertebesini tespit edebilen bu tür bir algoritma, literatürde 3. seviye hasar tespiti olarak sınıflandırılmıştır. Bu sınıflandırmaya göre 1. seviye, hasar varlığının tespitini, 2. seviye hasar varlığının ve yerinin tespitini, 3. seviye hasar varlığının, yerinin ve mertebesinin tespiti sağlayabilmektedir. Otomatik hasar tespiti algoritmalarında ulaşılması istenen nokta ise, hasarın varlığının, yerinin ve mertebesinin tespitine ek olarak, hasar gören yapının kalan servis ömrünün de tespit edilebilmesi yönündedir. Dolayısı ile bu çalışmada, 3. seviye hasar tespiti, bu şekilde tam ölçekli betonarme yapılar için ilk olarak sunulmuştur. Geleneksel titreşim tabanlı hasar tespit algoritmalarından farklı olarak ayrıca, test binası TB-1 üzerinde yapılan analitik bir çalışma ile, yapının hasar gördükten sonraki kullanım düzeyi ile ilgili bilgiye erişilebilmesini sağlayan pratik bir algoritma, ilk kez sunulmuştur. Söz konusu analitik çalışma kapsamında, ilk olarak test binası TB-1'e ait doğrusal olmayan yapı modeli Perform-3D yapısal analiz programında kurulmuştur. Akabinde yapının saha testlerinde maruz kaldığı tersinir tekrarlı yatay yükleme patronu, söz konusu yapısal analiz programında simüle edilmiştir. Yarı-statik saha testleri sonucunda ulaşılan hasar ile uyumlu sonuçlar veren doğrusal olmayan yapı modeli esas alınarak, hasarlı ve hasarsız durumlar için titreşim verileri üretilmiştir. Dahası, hasar tespit algoritması, saha testlerini temsil eden bilgisayar simülasyonundan elde edilen bu verilere uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlar, doğrusal olmayan modele uygulanan performansa dayalı değerlendirme (ASCE 41-13) sonuçları ile kıyaslanmış ve uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. Bu sayede, yapı elemanlarının performans düzeyleri belirlenmiştir. Söz konusu bu analitik çalışma ile, hem hasar tespit algoritmasının doğruluğu bir kez daha test edilmiş hem de 4. Seviye hasar tespiti yapabilmek konusunda ciddi bir ilerleme kaydedilmiştir. Yapının hasarlı durumuna ait titreşim cevabı kulanılarak, elemanlardaki hasar, doğrusal olamayan dönme değeri cinsinden ifade edilmiş, ve böylece hasarın seviyesi ile ilgili uluslararası kodlarda belirtilen limitler, titreşim tabanlı hasar tespiti için kullanlabilir hale gelmiştir. Tez kapsamında gerçekleştirilmiş literatür çalışmasına dayanarak belirtilmelidir ki, artan yapısal hasarla dinamik karakteristiklerin değişimi, bu boyutta betonarme yapılar için ilk olarak ortaya koyulmuştur. Ayrıca, titreşime dayalı hasar tespiti için doğrusal olmayan moment-dönme esaslı hasar ölçütlerinin kullanılması önerisinin, mühendisler için pratik ve sonuç odaklı değerlendirme aracı olduğuna inanılmaktadır. Deneysel ve analitik sonuçlar, betonarme yapılarının durum değerlendirmesi için titreşime dayalı yöntemlerin kullanılmasının önemini ortaya koymaktadır. Bu sebeple, sonuçların, daha farklı tipte ve boyutta yapıda doğrulanması önem arz etmektedir.

A great portion of existing building stock of Turkey consists of reinforced concrete (RC) structures. A significant amount of these RC structures, which were constructed several years ago, do not satisfy the requirements of the modern seismic design codes. Although majority of these structures are legally engineered structures, even some of them are not, due to the lack of an official control mechanism, these structures mostly do not fulfil the requirements of the seismic design codes, which were in force during their contruction time. Accordingly, these buildings have basic structural weaknesses such as low concrete strength, insufficient reinforcement detail, etc. and represent a significant risk in case of any seismic action. Thereby, the condition assesment of the existing structures after an earthquake is crucial for determining the residual performance of the building. Up to the present, condition assessment of the buildings after a major earthquake has been immediately carried out based on visual inspection. Although this is a required and an essential method for making decision the current situation of the buildings, some damages could not be identified through visual inspection. For example, internal cracking or slip of the lap-splice can be hidden from view, however, their effects on the load bearing capacity of the building can be crucial and vital. From this point of view, the vibration signiture of the building, which is obtained through St-Id methods, can provide significant information about the condition of the buildings. In this dissertation, it is aimed to present an automated damage identification algorithm through field testing and model updating of typical RC buildings. For this purpose, first, a series of field testing was carried out for quantifying the influence of different types and extents of structural damage on the dynamic characteristics of typical existing RC buildings. In the context of the field testing, vibration-based tests were performed before and after quasi-static reversed lateral loading cycles as well as at certain damage levels. Since the test buildings (the buildings TB-1 and TB-2) are representative of large number of substandard RC buildings, the test results would be useful for the seismic performance assessment of existing RC buildings. At the end of the field tests, it was found that the modal frequencies decreased, and the modal damping ratios increased significantly up to the elastic limit. However, the progressing of damage beyond the elastic limit was not accompanied with a similar significant change in the modal frequencies and the modal damping ratios. Furthermore, despite a significant degradation in lateral load bearing capacity, as approximately 20%, induced by quasi-static lateral loading at around 3% lateral d.r., no intensified structural damage could be observed by visual inspection in case of building TB-2. However, the forced vibration test results presented that the modal frequencies and the damping ratios changed due to lateral loading in comparison with its undamaged state. These findings indicate a serious risk about the missing the structural damages during visual inspections after earthquakes. Hence, utilization of dynamic testing accompanying with visual inspection could be a promising method for more realistic assessment of structural damages after seismic events. Second, an automated damage identification algorithm was proposed using the results of the experimental study. A model based automated algrorithm relies on the updating of Finite Element Model (FEM) of the test buildings was introduced. Different than the majorty of the damage identification methods introduced in literature, two existing RC structures accompanied with different extend of damage were considered. By means of the presented damage identification algorithm, first the initial FEM of the buildings were successfully updated via changes stiffness, unit weight and damping parameters and the baseline model, which was taken as reference for damage identification, were obtained. Subsequently, the revision in the two-step algorithm in terms of updating the damping parameters provided to obtain the mathematical description of the buildings. Significantly, curve fitting clearly became a useful and practical part of the model updating algoritm and found to be a promising tool in case of the dynamic measurements including noisy components. Followingly, the FRF based model updating algorithm, which was introduced by updating the initial FEM of the buildings, was adopted for damage detection, localization and quantification using experimentally collected data from the building TB-1 and TB-2. At the end of the application of algorithm, it was found that the first step of the algorithm (Step 1) provided a successful damage detaction, localization and quantification process. Although the second step (Step 2) also provided to match the experimental FRFs and FEM FRFs in terms of their amplitudes, it is basically have not any contribution for Level 3 damage identification purpose. Subsequently, the damage identification algorithm was computed by considering a simplified FEM of the test building TB-2 to examine the efficiency of utilizing a simple model. At the end of the process, a damage detection was provided in terms of story level not member level. Although this can not be classified as a Level 3 damage identification since it did not address the damage location, it could be a practical and rapid approach for assessing a multi-story building ater earthquake. Third, the Level 3 damage identification method was extended in order to predict the serviceability of the structure after damage. For this purpose, the nonlinear model of the building TB-1 was established, and the model was then subjected to the same lateral loading reversals with the quasi-static tests. Following to calibrating the nonlinear model with regard to experimental base shear force-1st story drift relationship, a set of dynamic data was generated from the model for both undamaged and damaged case. After verifying the dynamic results obtained from field tests (and updated ones) and estimated through generated signal are matching, the performance based assessment results of the building, which were obtained using ASCE 41-13, were compared with the vibration based damage identification results. By this way, the damage identification algorithm was not only examined in terms of efficiency and validity, but also extended to investigate the residual capacity of damaged structures. Most importantly, an additional step for algorithm was suggested so that nonlinear moment-rotation based damage state of the member can be obtained through vibration data. Based on the literature survey, variation of dynamic characteristics with respect to increasing seismic structural damage and followingly a damage identification process was for the first time presented for the full-scale RC structures. Furthermore, the utilization of nonlinear moment-rotation based damage criteria for vibration based damage detection could provide practical and result-oriented assessment tool for engineers. Both experimental and analytical results present the importance of utilization of the vibration based methods for condition assessment of RC structures.