Opensees ve seismostruct programlarının doğrusal olmayan deprem analizleri için karşılaştırılması

Abstract

Yapı mühendisliğinde şiddetli deprem etkileri altında yapı sistemlerinin davranışınıöngörebilmek tasarım için oldukça önemlidir. Bunun için son zamanlarda performansadayalı değerlendirme yaklaşımı ön plana çıkmıştır. Genelde deprem etkisialtında yapı sistemlerinin performans değerlendirmesinde doğrusal olmayan analizlerkullanılmaktadır. Şiddetli depremler sonucunda yapıların davranışının doğrusalolmadığı, büyük yer değiştirmeler ve şekil değiştirmeler yaptığı bilinmektedir.Dolayısıyla yapı sistemlerinin deprem etkileri altında davranışını anlayabilmek içindoğrusal olmayan analizlerin kullanılması daha gerçeğe yakın sonuçlar elde edilmesinisağlayabilir.Yapı davranışının doğrusal olmayan modellemesinde, doğrusal olmayan davranışmalzeme bakımından ve geometri bakımından olmak üzere iki sınıfta incelenebilir.Malzeme bakımından doğrusal olmayan modeller, yığılı ve yayılı plastisite olmaküzere iki ana gruba ayrılmaktadır. Doğrusal olmayan davranışı en basit şekildeifade edebilen modeller, yığılı plastisite modelleridir. Bu modellerde doğrusalsızlıkkuvvet-yer değiştirme (ya da moment-dönme) üzerinden tanımlanır ve genelde yapısalelemanın belli bir bölgesinde ya da tümünde oluşan doğrusal olmayan davranış, boyutusıfır olan doğrusal olmayan bir yay ya da benzeri bir elemanla modellenir. Elemanındiğer bölgeleri doğrusal olarak modellenir. Kolon, kiriş gibi çubuk elemanlarda,doğrusal olmayan davranışın elemanların yüksekliği veya uzunluğu boyunca sonluuzunluktaki herhangi bir bölgesinde toplandığı kabulü yapılır.Yayılı plastisite modellerinde ise doğrusalsızlık genelde malzeme gerilme-birimşekil değiştirme ilişkileri üzerinden tanımlanır. Bu ilişkiler sürekli bir ortamdatüm ortam için kullanılabilir. Sürekli ortam analizlerinden farklı olarak, fibermodellerde kesit bazında analizler yapılabilir ve genelde inşaat mühendisliğinde tümyapı analizlerinde kullanılan yayılı plastisite yaklaşımı budur. Fiber modeller çubukelemanlar için sonlu-elemanlar yöntemi kullanılarak ya da perde duvar elemanları içindaha basit çoklu-yay modeli olarak tanımlanabilir. Yığılı plastisite modellerine göreanalizler, daha çok işlem ve buna bağlı olarak zaman gerektirir. Buna rağmen, bumodellerin deneysel çalışmalar ile yapılan karşılaştırmalarda gerçek davranışı oldukçaiyi yansıtabildikleri görülmüştür. Genellikle kolon, kiriş gibi çubuk elemanlarda dahabasit olan yığılı plastisite modelleri kullanılırken, perde elemanlarda yayılı modellertercih edilmektedir.Halihazırda, bilimsel çalışmalarda ve mühendislik uygulamalarında birçok doğrusalolmayan analiz programı kullanılmaktadır. Bu programlarda karşılaşılan en önemlizorluklardan birisi programların kullandığı modellerin, analiz yöntemlerinin karmaşıkmatematiksel ve fiziksel teoriler üzerine kurulu olmasıdır. Program yöntemlerini veçıktılarını anlamak için aynı yaklaşımlar ile modellenmiş yapıların analizini farklı programlarda yaparak karşılaştırmak faydalı olmaktadır ve bu yönde çeşitli çalışmalarmevcuttur. Bu çalışmada ise OpenSees ve SeismoStruct programları karşılaştırılmasıhedeflenmiştir. Sonuç olarak bu tezin amacı OpenSees ve SeismoStruct programlarınındoğrusal olmayan deprem analizleri için incelenmesi ve karşılaştırılması, malzeme veeleman modellerinin, analiz yöntemlerinin ve sürelerinin incelenmesidir.Tezde doğrusal olmayan davranış, malzeme bakımından doğrusal olmayan davranışıiçermektedir ve geometrik doğrusalsızlık incelenmemiştir. Yığılı plastisite modeliolarak doğrusal olmayan davranışın eleman uç noktalarına toplandığı varsayımıyapılarak dönme yaylarından yararlanılmıştır. Yayılı plastisite modeli olarak iseçubuk-fiber elemanlar kullanılmıştır. Çubuk-fiber elemanı eleman uzunluğu boyunca doğrusal olmayan davranışın söz konusu olduğu bir davranış modelidir.Yapı sistemleri olarak üç adet betonarme yapı sistemi incelenmiştir. Bunlarkonsol kolon, tek katlı tek açıklıklı ve çok katlı çok açıklıklı yapı sistemleridir.Modellemelerde kullanılan beton ve çelik malzeme modelleri detaylı şekildeincelenmiştir. Bu malzeme modellerinin gerilme-şekil değiştirme ilişkileri, doğrusalolmayan davranışın modellenmesinde kullanılmıştır.OpenSees ve SeismoStruct programlarında konsol kolon, tek katlı tek açıklıklı ve çokkatlı çok açıklıklı yapı sistemlerinin her biri için statik itme analizleri ve doğrusalolmayan zaman-tanım alanında dinamik analizler gerçekleştirilmiştir. OpenSeesprogramında, fiber modellerin kullanıldığı analizlerde elemanlar 'nonlineer beamcolumn element' olarak modellenmiştir. Moment-dönme yaylarının kullanıldığıdoğrusal olmayan analizlerde ise 'zero length element' kullanılmıştır. Moment-dönmeyayları kullanılmış kesitin yay dışında kalan diğer kısımları elastik eleman olaraktanımlanmıştır. Yapı sisteminin elemanlarını oluşturan kolon ve kiriş kesitleri içinmoment eğrilik ilişkileri XTRACT programı ile elde edilmiştir.Tezin birinci kısmında genel bilgiler ve tezin amacı, kapsamı, içeriği yer almaktadır.İkinci kısımda yapı sistemini oluşturmada kullanılan malzemelerin davranışlarıdetaylı şekilde incelenmiş ve teorik kısmına yer verilmiştir. Üçüncü kısımdayapı sistemlerinde doğrusal olmayan davranış teorilerine yer verilmiş, histeretikmodeller açıklanmıştır. Devamında doğrusal olmayan analiz yöntemlerinin teorileri vekullanılacak olan doğrusal olmayan statik itme analizi ve doğrusal olmayan dinamikzaman-tanım alanında analizler ve bunların içerisinde kullanılan hesap yöntemleriaçıklanmıştır. Dördüncü bölümde tüm araştırmaların sayısal örneklere ve analizlerineve kullanılan iki ayrı analiz programının karşılaştırmalarına yer verilmiştir. Beşincikısımda ise karşılaştırılmaların değerlendirilmesi ve yorumlanmasını içeren sonuçkısmıdır.Moment-dönme yay modelli yapılarda statik itme ve zaman-tanım analizleri sonucuelde edilen taban kesme kuvveti-yer değiştirme ilişkilerinin OpenSees ve SeismoStructprogramlarında karşılaştırılmaları sonucunda iki programın da tüm yapı tipleriiçin oldukça yakın sonuçlar verdiği görülmüştür. Fiber elemanlı modellerdetüm yapılarda iki analiz tipi için bazı farklılıklar oluştuğu görülmüştür. Bufarklılığın malzeme modellerindeki farklılıktan, fiber tanımlamasından ve sönümlemematrisinden kaynaklandığı düşünülmektedir.Sonraki yapılacak çalışmalar için bazı öneriler sunulabilir. Tez kapsamında geometriaçısından doğrusal olmayan davranış göz önüne alınmamıştır. Daha gerçekçi davranışelde etmek için geometri bakımından ve malzeme bakımından doğrusal olmayan davranışların birlikte göz önüne alındığı analizlerin incelenmesi faydalı olabilir.Ayrıca, perde duvar gibi farklı eleman tiplerinin incelenmesi, üç boyutlu modellerinincelenmesi düşünülebilir.

In structural engineering, it is important to predict the structural response under severeearthquake effects. For this reason, performance-based assessment is being used in therecent years. Generally, non-linear analyzes are used in the performance analysis ofstructural systems under the effect of earthquake. It is known that the behavior of thestructures is not linear and causes large displacements and deformations as a result ofsevere earthquakes. So that, the use of nonlinear analyzes to model nonlinear behaviorof structural systems can provide to more realistic results.In nonlinear modeling and analysis of of structures, nonlinear behavior is classifedinto two: material and geometry nonlinearity. For material nonlinearity, two mainmodelling approach can be considered distributed plasticity and lumped plasticity.The simplest models are lumped plasticity models, where nonlinearity is defined byforce-deformation response of the component (or moment-rotation). Lumped modelsfor frames concentrate the inelastic deformations to the ends of the element as rigidplastic hinges or nonlinear spring elements. Other regions of the element are modelledlinearly.In distributed plasticity models, nonlinearity is generally defined by materialstress-strain relationships. These relationships are available for the entire body in acontinuous deormable body. Unlike a continuum analysis, cross-sectional analysiscan be performed on so-called fiber models, and this is the spread plasticity approachthat is generally taken in structural engineering, except component analysis. Fibermodels can be defined in the context of finite element method for frame elements oras more simpler multi-spring models for shear wall elements. Analyses according tothe distributed plasticity models require more processing and therefore more time. Onthe other hand, it is observed thatn these models can reflect the actual behavior whencompared to experimental studies in comparison to lumped plasticity models. Usually,lumped plasticity models are used in frame elements such as columns and beams, whilespread plasticity models are preferred in shear wall elements in practical engineering.At present, many nonlinear analysis programs are used in scientific studies andengineering applications. One of the most important difficulties encountered in theseprograms is that the models used by the programs and the analysis methods arebased on complex mathematical and physical theories. In order to understand themethods and outcomes of the program, it is useful to compare the analysis of thestructures that are modeled with the same approaches in different programs and thereare several studies in this direction. In this study, it is aimed to compare OpenSeesand SeismoStruct programs. As a conclusion, the aim of this thesis is to examine andcompare OpenSees and SeismoStruct programs for nonlinear earthquake analysis, toexamine material and element models, analysis methods and durations.In the thesis, nonlinear behavior includes nonlinear behavior in terms of materialsand geometric nonlinearity has not been studied. It is assumed that the nonlinearbehavior of the lumped plasticity model is concentrated at the element end points andthe springs are used. Fiber elements are used as distributed plasticity model. Thenonlinear behavior of the fiber model is present along the length of the element.This thesis include three type structure model. These are cantilever column system,single story single span reinforced system and multi story and multi span reinforcedsystem. The models of concrete and steel materials used in the modeling are examinedin detail. The stress-strain relationships of these material models are used to modelnonlinear behavior.In the OpenSees and SeismoStruct programs, static pushover analysis and nonlineardynamic time-history analyses are performed for each of the cantilever column,single-storey single-span and multi-storey multi-span structure systems. In theOpenSees program, the elements are modeled as 'nonlinear beam column elements'in the analysis using fiber models. In the nonlinear analyzes using moment-rotationsprings, 'zero length element' is used. For frame elements with moment-rotationsprings, the body of the frame element is modelled lineraly. Moment-curvaturerelationships for the column and beam sections are obtained by XTRACT program.In the first part of the thesis, general information about thesis and the object, scope andcontent of the thesis are given. In the second part, the behavior of the materials usedin structure system is examined in detail and the theoretical part is given. In the thirdpart, nonlinear behavior theories are used in structural systems and hysteretic modelsare explained. Then, the theories of nonlinear analysis methods are given includingnonlinear static pushover analysis and nonlinear time-history analyses. In the fourthchapter, numerical examples and analyzes and comparisons are given. The programsthat are compared are OpenSees and SeismoStruct. The fifth part is the conclusion.As a result of the comparison of the base shear force-displacement relations obtainedin static pushover and time-history analysis in the moment-rotation hinge modelstructures in the OpenSees and SeismoStruct programs, it is observed that programsgive results that are very close to each other. Some differences in the results fromtwo programs are observed for the structures with fiber elements. This difference isconsidered be due to differences in material models, fiber definitions and dampingmatrix.Some recommendations can be given for the future studies. In the scope of this thesis,Geometric nonlinearity is not included in the scope of this thesis. To evaluate theprograms for a more realistic nonlinear behavior, geometric and material nonlinearitymay be considered simultaneously. In addition, examination of different types ofelements such as shear walls and three-dimensional models can be considered.