Inelastic seismic response analysis and design of torsionally coupled systems

Abstract

Yapısal sistemlerde yük taşıyan elemanların simetrik olmayan dağılımı veya düzgün olarak dağıtılmamış kat kütleleri sebebiyle burulma davranışı sık olarak görülmektedir. Düzenli binalarla karşılaştırıldığında kütle yerleşimi ya da taşıyıcıyı sisteme bağlı düzensizliği olan planda asimetrik yapılar deprem kuvvetleri altında oldukça farklı davranış göstermektedirler. Kapasite tasarımı prensiplerini uygulamayı amaçlayan modern depreme dayanıklı tasarım kodları, yer hareketleri sırasında belli bir miktar elastik ötesi deformasyon kapasitesini (süneklik) sağlamayı hedeflemektedir. Burulmalı sistemlerin doğası gereği, dinamik hareket esnasında kat planında farklı yerlerde bulunan yük taşıyıcı elemanların maksimum tepkileri farklı zamanlarda oluşmaktadır. Bu durum da genellikle elemanların üzerinde kat içinde değişen farklı süneklik taleplerine neden olmaktadır. Sonuç olarak, sismik kodların amaçladığı hedefe aykırı şekilde, birbirinden farklı deformasyon talepleri aynı kattaki yapısal elemanlarda gözlenmektedir. Depreme dayanıklı tasarım standartlarının hedeflediği tek bir süneklik değerinin burulmalı sistemlerin gerçek davranışını yansıtmadığı düşünülmektedir.Önerilen tez çalışması bu durumu araştırmayı amaçlamaktadır. Tek katlı asimetrik planlı tipik bir yapısal sistem, kapsamlı bir parametrik çalışma ile incelenmektedir. Çalışmadan, `Asimetrik Davranış Spektrumları` ve `Eşit Süneklik Spektrumları` olarak isimlendirilen iki spektral araç üretilmiştir. Bu spektrum setleri çok katlı yapıların sismik performanslarını tasarım aşamasında kestirmek ve değerlendirmek için kullanılabilecek araçlar olarak sunulmaktadır. Buna ek olarak, `Optimal Dayanım Dağılım Metodu` isminde bir yöntem burulmalı sistemlerin tasarımlarında kullanılmak için geliştirilmiştir. Bu yöntemde Eşit Süneklik Spektrumları kullanılarak burulmalı sistemlerde en uygun dayanım dağılımı hedeflenmekte ve yapının planı boyunca deprem etkisi altında gözlenen süneklik taleplerinin dengesizliği azaltılmaya çalışılmaktadır. Önerilen bu metodun ortaya koyduğu performans üç farklı asimetrik planlı yapı sistemi üzerinde incelenmiş ve bu yapıların sismik performanslarında meydana gelen iyileşmeler kapsamlı olarak incelenerek sunulmuştur.

Torsional coupling due to irregular placement of load resisting members and/or uneven mass distribution along a story plan is a very common phenomenon in structural systems. Unsymmetrical-plan buildings with stiffness and/or mass asymmetry behave considerably different compared to regular buildings when they are subjected to earthquake-induced forces. Modern earthquake resistant design related code provisions that employ capacity design principles aim to achieve a certain amount of ductility in the structural systems while they undergo earthquake excitation. Due to torsional coupling present in asymmetric structures, load-resisting members located at different positions along the plan attain their maximum responses at different times under ground motion excitations. This usually results in unbalanced inelastic demands on members along a story. Consequently, varying ductility demands occur at these members, which are in contrast to the code provisions that utilize a single ductility target. Therefore, following code provisions that aims for a global ductility demand among all structural members can not represent the behaviour of these types of buildings properly. The proposed thesis study aims at investigating this problem. A comprehensive parametric study on a typical single story, torsionally stiff asymmetric-plan system is conceived. The results obtained are utilized to compile `Unsymmetrical Response Spectra` and `Uniform Ductility Spectra`, which are proposed as assessment and preliminary design tools for estimating the seismic performance of multi-story asymmetric structures. Furthermore, `Optimal Strength Distribution Method` is proposed for use in the design of torsionally coupled systems. This optimal strength distribution, which is determined by utilizing the Uniform Ductility Spectra, is expected to reduce the inherent ductility imbalance in asymmetric systems. The performance of the proposed method is evaluated on three different multi-degree of freedom asymmetric structures and improvements in the seismic response of these systems are evaluated in detail.