Zemin yapı etkileşiminin mevcut binaların sismik performansı üzerindeki etkileri

Abstract

Sismik etkiler altında yapı davranışının, zeminin varlığından doğrudan etkilendiği bilinmektedir. Ancak zemin deformasyonlarının ve temel dönmelerinin ihmal edildiği ankastre mesnet kabulü yapıların tasarımı ve değerlendirmesi aşamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Gerçekleştirilen çalışmanın amacı zemin yapı etkileşiminin düşük ve orta yükseklikteki yapıların davranış özelliklerine olan etkilerinin ve ankastre mesnet kabulünün geçerliliğinin araştırılmasıdır. Bu amaçla 1975 ve 1998 Afet Yönetmeliklerine göre tasarlanan 2, 4 ve 7 katlı altı farklı üç boyutlu bina modeli ve farklı rijitliklere sahip 4 zemin tipi kullanılarak bina zemininin modellendiği ve ankastre kabul edildiği durumlar için zaman tanım alanında doğrusal elastik ve doğrusal elastik olmayan analizler gerçekleştirilmiştir. Analizlerde kesme dalgası hızı 750 m/s’den büyük olan zeminler üzerinde kaydedilen yedi farklı gerçek ivme kaydı kullanılmıştır. Doğrusal elastik olmayan yapı-zemin ortak model analizlerinde en gerçekçi yaklaşım olarak kabul edilen doğrudan yöntem (direct method) kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde doğrusal elastik davranış kabulünün yapıldığı yapı modelleri için zemin deformasyonları ve temel dönmelerinin yapıya etkiyen talepleri önemli ölçüde azalttığı ancak bu etkilerin doğrusal elastik olmayan yapı modelleri için oldukça karmaşık bir hal aldığı görülmektedir. İvme kaydının frekans içeriği, zemin tipi ve yapı dinamik özelliklerine bağlı olarak binaya etkiyen talepler artıp azalabilmektedir. Büyük göreli ötelenmelere neden olan ivme kayıtları için zemin davranışının dikkate alınması ile rölatif deplasman taleplerinin yaklaşık %20’ye kadar artabildiği değerlendirilmektedir. Tüm modeller için yapıya etkiyen talepler zemin rijitliğinin artması ile beklendiği gibi azalmaktadır. Doğrusal elastik ankastre modeller için T/Tmean oranının birbirine yaklaşması ile taleplerin büyük ölçüde artış gösterdiği gözlemlenmiştir. Dinamik büyütme etkilerinin talepler üzerinde çok etkili olması nedeniyle doğrusal elastik ankastre bina modellerinin dinamik analizlerde kullanılması önerilmemektedir. İvme kayıtlarının ortalamaları alınarak elde edilen sonuçlar karşılaştırıldığında doğrusal elastik olmayan ankastre modellerin kabul edilebilir seviyede talep tahmininde bulunduğu görülmektedir. Ancak ivme kayıtlarının karakteristik özelliklerine bağlı olarak benzer çatı deplasman talepleri altında dahi zemin-yapı ortak modeli ve ankastre mesnet yaklaşımları arasında kat seviyesinde ve katlar arasında davranış farlılıkları görülebilmektedir. Bu nedenle en gerçekçi yaklaşımın doğrusal elastik olmayan üç boyutlu bina modellerinin kullanıldığı zemin-yapı ortak modelinin olduğu sonucuna varılmaktadır.

Itis well known that seismic behaviour of structures is directly influenced by existence of soil. However, the fixed base assumption which neglects soil deformations and the rotations at the base of foundation is widely used for both design stage and performance assessment of structures. The aim of this study is to evaluate the effect of soil structure interaction on seismic behaviour of low and mid -rise buildings and to investigate the validity of the fixed base assumption. For this purpose, six different building models including 2, 4 and 7-story designed per the pre-modern and modern Turkish Earthquake Codes (1975 and 1998 TEC) are used considering four different soil layers with different stiffness. Time- history analyses are performed for both the fixed base assumption and soil structure interaction cases. Seven different ground motion records recorded on soils with shear wave velocity greater than 750 m/s are used. Linear and nonlinear behaviours of superstructure models are also taken into account for comparison. Direct approach is used for modelling of soil-structure system. The findings indicate that while soil deformations influence the seismic demands of structure in positive way for linear models, these effects are more complex for nonlinear models. Seismic demands may increase or decrease depending on the frequency content of ground motion record, soil type and dynamic properties of superstructure model. The evaluation of obtained results showed that the consideration of soil structure interaction may increase seismic displacement demands up to 20% for stronger ground motions with higher demands. Seismic demands tend to decrease for all building models with stiffer soil layers as expected. Linear models with the fixed base assumption extremely overestimates the seismic demands when the building period (T) and mean period of ground motion records (Tmean) get closer. Thus the linear fixed base assumption is inappropriate for dynamic analysis due to high sensitivity of dynamic amplification and the use of fixed base linear models may cause inaccurate seismic demand estimates. Nonlinear models with fixed base assumption provide reasonable demand estimates when the average demands of ground motion records are considered. However, damage state of structural members and their locations may vary even under similar roof displacement demands.