Seismic simulation of damaged reinforced concrete school buildings

Abstract

2011 Van Depremi ardından yapılan saha inceleme çalışmaları detaylı ve önemli bilgiler sağlamaktadır. Bu çalışmada, saha inceleme çalışmalarından yola çıkarak Van Merkez İlçesi'nin yakınında bulunan iki düzensiz betonarme okul binası doğrusal olmayan analiz yöntemleri ve azalımlı malzeme modelleri kullanarak modellenmiş, bu iki binada oluşan hasar simüle edilmiştir. İncelenen yapılardan biri bir ilköğretim okulu olup saha ekipleri tarafından çökmüş halde bulunmuştur. Diğeri ise ciddi hasar gören fakat yıkılmamış halde bulunan bir kurs binasıdır. Her iki yapının da kötü mühendislik uygulamaları sebebiyle hasar gördüğü tespit edilmiştir. Yetersiz kesme yük kapasitesi, özensiz işçilik, kalitesiz malzeme kullanımı ve yetersiz kolon boyutları hasarda etkili olan faktörler olarak öne çıkmıştır. Bu tez kapsamında, Illinois Üniversitesi tarafından geliştirilen ZEUS-NL adlı bir doğrusal olmayan analiz yazılımı kullanılarak, itme, uyarlamalı itme ve zaman-tanım aralığı analizleri yapıldı. Donatıların bükülme ve kırılmalarını modellemek için güncellenmiş bir Menegotto-Pinto modeli uygulandı. Kullanılan beton modeli, çevrimsel yükler altında dayanım ve rijitlik seviyesinde azalıma izin vermektedir. Stokastik bir yaklaşım izlenerek analizlerde birbiriyle benzer özellikli 7 deprem kaydı kullanılmıştır. Kayıtlar, bir dizi iterasyon kullanılarak tasarım spektrumuna (Max Sa: 1.0g, Ta: 0.12s, Tb: 0.6s) uyacak şekilde büyütülmüştür.Her iki binanın kayma kapasitesini belirlemek için itme ve uyarlamalı itme yöntemleri kullanılmıştır. Uyarlamalı itme, itme analizine kıyasla daha konservatif bir sonuç üretmiştir. Analizleri sadeleştirme adına, zaman tanım aralığı analizleri yalnızca binaların zayıf yönlerinde gerçekleştirildi. 7 depremin tümünde binaların kesme yük kapasitesi aşıldı. Plastik mafsal gelişimi, her iki binanın birinci ve ikinci katında daha fazla oluştu. Her iki binada da izin verilen % 0,5'lik göreli kat ötelemesi limiti aşıldı. İlk bölüm, 2011'in Van Depremi hakkında tanıtım bilgileri ve bu çalışma için son derece önemli olan literatür taramasını sunmaktadır.İkinci bölüm kuvvetli yer hareketi verileri ve verilerin uygulanabilirliği ile ilgilidir. Kuvvetli yer hareketi simülasyonları, sentetik kayıtlar, PGA ölçeklendirme yöntemleri tartışılmıştır. Van depreminin ve bölgenin sismik durumunun ayrıntıları da bu bölümde paylaşılmaktadır.Üçüncü bölümde, doğrusal olmayan statik ve doğrusal olmayan dinamik analizlerin teorik ve pratik arka planı tartışılmaktadır. Analiz türleri ve bilimsel gerekçeleri tartışılmaktadır.Dördüncü bölüm, malzeme özelliklerini ve yapısal analizde kullanılan malzeme modellerini kapsar. Azalımsal ve klasik modeller ile ileri malzeme modellerinin gelişim süreci ve aralarındaki farklardan bahsedilmektedir.Beşinci bölüm, bu tezin analitik çalışma yöntemlerinin açıklamasıdır. Uygulanan analiz yöntemleri bu bölümde ele alınmıştır.Altıncı bölüm analitik çalışmanın sonuçlarnı paylaşmaktadır. Elde edilen sonuçların yanı sıra, bu bölüm çalışmanın bulgularının incelendiği bir alt başlığı da içermektedir.Yedinci bölüm çalışmanın özetlendiği ve çalışmanın genel sonucunun tartışıldığı bölümdür.

Detailed site investigation studies of 2011 Van Earthquake have provided valuable information about the aftermath of the event. Using the field reports, two irregular reinforced concrete school buildings located near Van, Turkey were examined in this study, in an attempt to predict the possible damage in such buildings by re-creating the scenario digitally using non-linear analysis methods and degrading material models. One of the buildings that were studied was found by the field teams as totally collapsed and the other one with substantial damage. It was evident that both buildings have experienced the consequences of bad engineering practice. Insufficient shear capacity and small column sections coupled with poor workmanship and poor quality materials contributed to the damage.Using ZEUS-NL, a non-linear analysis tool created by the University of Illinois; pushover, adaptive pushover and time-history analyses were conducted. In order to model the buckling and fracture of rebars, a modified Menegotto-Pinto model was implemented. The concrete model that was used degrades in strength and stiffness under cyclic loads. In order to follow a stochastic approach, 7 hazard-compatible earthquake records were used in the analyses. Records were amplified to match the design spectrum (Max Sa: 1.0g, Ta: 0.12s, Tb: 0.6s) by using a series of iterations.Pushover and adaptive pushover methods were useful in order to determine the shear capacity of both buildings. Adaptive pushover produced a more convervative result, governing the shear capacity. For sake of simplicity, time-history analyses were only conducted on the weaker directions of both buildings. In all 7 cases, shear capacity of buildings were exceeded. Plastic hinge development was mostly present in the first and second story of both buildings. Both buildings have exceeded the allowable interstory drift of 0.5%. The first section gives introductory information on the Van Earthquake of 2011 as well as the literature review that was of utmost importance for this study.Second section is about strong ground motion data and their applicability in certain cases. Strong ground motion simulations, synthetic records, PGA-scaling methods are discussed. Seismicity of Van Province is also discussed in this section as well as field investigation reports. In addition, strong ground motion record set that has been used for this thesis study is revealed.Third section discusses the theoretical and practical background of non-linear static and non-linear dynamic analysis. Types of analyses and their scientific reasoning are discussed.Fourth section covers material properties and material models that are used in structural analysis. Differences between degrading and non-degrading models and the history of development of advanced material models are revealed. Fifth section is the explanation of methods of analytical study of this thesis. Analysis methods that were implemented are discussed in this section Sixth section is about results of the analytical study. Aside from the results, this section also contains a discussion of results section where findings of the study are examined.Seventh section is the conclusion where the study is summarized and the overall outcome of the study is discussed.