Düşük ve orta yükseklikteki binaların deplasman taleplerinin doğrusal elastik olmayan zaman tanım alanında analizle belirlenmesi

Abstract

Düşük ve orta yükseklikteki betonarme binalar ülkemiz yapı stoğunun oldukça önemli bir bölümünü oluşturmaktadır. Bu nedenle bu binaların sismik değerlendirilmesinde, deplasman taleplerinin bulunması önemli bir yer tutmaktadır. Çalışma kapsamında sözkonusu binalar, 3-B modellenerek doğrusal elastik olmayan zaman tanım alanında analize tabi tutulmuştur. Kullanılan binalar 2, 4 ve 7 katlı olarak modellenmiştir. Bina modellemesinde 1975 ve 1998 Türk Deprem Yönetmeliği ve her bir yönetmelik durumunda iki farklı beton sınıfı durumu ele alınmıştır. Analizlerde İleri Yönlenme etkisine sahip 12, USGS zemin sınıflandırmasına göre A sınıfı zemin üzerinde kaydedilmiş 5 adet, B sınıfı zemin üzerinde kaydedilmiş 9 adet, C sınıfı zemin üzerinde kaydedilmiş 10 adet ve D sınıfı zemin üzerinde kaydedilmiş 5 adet olmak üzere toplam 41 adet gerçek deprem ivme kaydı kullanılmıştır. Çalışmada kullanılan deprem gruplarının ivme spektrumları oluşturulmuş ve Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkındaki Yönetmelik 2007'deki 50 yılda aşılma olasılığı %10 olan benzer zemin sınıfı ivme spektrumları ile karşılaştırılmıştır. D sınıfı zeminler üzerinde bulunan ivme kayıtlarının spektrumları dışında kalan gruplarda elde edilen ortalama spektrum değerlerinin yönetmelik ile uyumlu olduğu görülmektedir. 12 adet 3-B bina modelinin iki asal yönünde uygulanan 41 adet ivme kaydı ile toplam 984 adet zaman tanım alanında doğrusal elastik olmayan analiz yapılmıştır. Analizler sonucunda taban kesme, tepe noktası deplasman ve maksimum göreli kat ötelenme talepleri elde ile maksimum göreli kat ötelenmesinin oluştuğu kat gibi parametreler elde edilmiştir. Analiz sonuçlarından beton sınıfının yatay dayanım ve deplasman taleplerine etkisinin sınırlı olduğu gözlemlenmiştir. Taban Kesme Kuvveti-Tepe Noktası Deplasman grafiklerinden verilen örnekler incelendiğinde 2 katlı binaların çoğunlukla elastik sınırlar içerisinde ya da elastik sınırlara yakın bölgede kaldığı gözlenmiştir. 4 ve 7 katlı modeller elastik olmayan davranış göstermiştir. Taban kesme kuvvetleri değerleri doğrusal elastik olmayan analizde taban kesme dayanımını göstermektedir. Bu açıdan değerlendirildiğinde ABYYHY-1998 ile ABYYHY-1975 yönetmelikleri arasında ciddi boyutta fark olduğu ve 1998 yönetmeliğinde bina dayanımlarının iyileştiği açıktır. Yönetmeliklere kendi içinde bakıldığında da kat sayısı azaldıkça dayanım değerlerinin arttığı görülmektedir. 2 katlı binalardaki dayanım fazlalığında yönetmeliklerde getirilen minimum boyut kriteri ve mühendislerce uygulanan bazı boyut kriterlerinden kaynaklandığı düşünülebilir. Taban kesme kuvvetlerinin PGA ve PGV değerleri ile değişimine bakıldığında 2 katlı modellerin elastik bölgede kalması nedeniyle PGA ve PGV değerleri ile artan bir eğilim göstermektedir. Doğrusal elastik olmayan davranış gösteren 4 ve 7 katlı bina modellerinde dayanım değerlerine ulaşıldığı için PGA ve PGV değerleri ile taban kesme kuvveti arasında bir eğilim söz konusu değildir. Tepe noktası ötelenmesi değerlerinin bina yüksekliğine bölünmesi ile elde edilen tepe noktası ötelenme oranları sonuçları incelendiğinde, 2 katlı binalarda düşük olmakla birlikte 4 ve 7 katlı binalarda benzer değerlerin elde edildiği görülmüştür. 1975 yönetmeliği 4 katlı bina modellerinde tepe noktası ötelenme oranlarının 1975 yönetmeliği 7 katlı binaların ötelenme değerlerinden daha yüksek olduğu görülmektedir. İvme kayıtları arasında tepe noktası ötelenme oranları arasında geniş bir saçılım görülmektedir. PGA değeri büyük olan depremlerin daha büyük tepe noktası deplasman değerleri verdiği açıkça görülmüştür. Maksimum göreli kat ötelenme oranları incelendiğinde, tepe noktası ötelenme oranı için gözlenen sonuçlar görülmektedir. Maksimum göreli kat ötelenme oranı değerlerinin tepe noktası ötelenme oranı değerlerinden yaklaşık %50 daha fazla olduğu görülmektedir. Deprem ve bina özelliklerinin maksimum göreli kat ötelenme oranının gerçekleştiği kat üzerinde etkilidir. Zemin sınıflarının karakteristik periyot değerleri ile bina periyodunun benzerlik gösterdiği durumlarda önemli olduğu açıkça görülmüştür. A sınıfı zeminlerde 2 katlı bina deplasman talepleri ve D sınıfı zeminlerde de 7 katlı bina deplasman taleplerinin göreli olarak yüksek olması resonans durumu ile ilişkisi olarak yorumlanabilir.

Low and mid-rise reinforced concrete (RC) buildings are major part of building stock in Turkey. Thus, seismic displacement demands are essential in seismic evaluation of these buildings. 3-D models of representative buildings are subjected to nonlinear time history analysis. 2-, 4- and 7- story buildings reprsent existing low- and mid-rise RC buildings. 1975 and 1998 Turkish Earthquake Code (TEC) and two different concrete strength for each code are considered. Total of 41 ground motions recorded in past earthquakes in five different groups have been selected for the analysis; 12 records with forward directivity effect, 5 records on Soil Type A, 9 records on Soil Type B, 11 records on Soil Type C and 5 records on Soil Type D according to USGS soil classification. Response spectrum of each group is compared to corresponding spectrum in 2007 TEC using earthquake with %10 probability of exceedance in 50 years, noting that there is no soil type consideration for the records with forward directivity effect. Except Soil Type D, the average spectrum of each group of records is comparable to that of TEC. The representative 12 3-D buildings are subjected to 41 ground motion records in two principal directions resulting in total of 984 nonlinear time history analyses. Base shear, roof displacement, maximum interstory drift demands and the story with maximum interstory drift have obtained from the analysis results. The concrete strength has limited effect in lateral strength and displacement demands of the buildings for the considered cases in this study. Base shear-roof drift plots show that while the 2-story buildings are generally either in elastic region or close to the elastic region, the 4- and 7-story buildings behave as nonlinear. It is well known that the base shear demand in nonlinear response corresponds to the base shear strength. The observed base shear demands clearly indicates that the buildings constructed per 1998 TEC are significantly stronger than those constructed per 1975 TEC. The base shear strength increses as the number of stories decreases within each earthquake code. The higher overstrength factor for the 2-story buildings is mainly due to minimum dimension requirements of code and the well-accepted practice of engineers for minimum dimensions. The correlation of base shear and PGA or PGV illustrates that the base shear of 2-story buildings has an increasing trend as PGA or PGV increases due to elastic behavior. However, the base shear of 4- and 7-story buildings is almost costant due to their nonlinear behavior. The roof drift ratios obtained as roof displacement divided by building height obviously show that the 4- and 7-story buildings have similar roof drift demands while the 2- story buildings have the lowest demands. The displacement demands of 4-story buildings per 1975 TEC are higher than that of the 7-story buildings per 1975 TEC. The scatter is considerably high for the displacement demands of the selected ground motions. It is also clearly observed that the ground motions with higher PGA demand higher displacements. The observations for the maximum interstory drift ratios are similar to that of roof drift ratios. In the current study, it is also observed that the interstory drift demands are approximately 50% higher that the roof drift demands. Ground motion and building parameters have a great infleunce on the location story with maximum interstory drift demand. Soil type has an important effect on displacement demands when characteristic periods of soil and building approache each other. The relatively higher displacement demands of the 2- and 7-story buildings for soil type A and soil type D, respectively are mainly due to closer characteristic periods of soil and buildings.