Collapse risk assessment of reinforced concrete buildings subjected to aftershock hazard

Abstract

Meydana gelen depremlerin ardından belirli bir hasar seviyesine ulaşmıs bir binanıngüvenilirliğinin değerlendirilmesi son derece önemli bir husustur. Özellikle yıkıcıdepremlerin ardından yapılacak olan hızlı ve doğru değerlendirmelere bağlı olarak;deprem sonrasında ortaya çıkan barınma ihtiyacını karşılamak, kriz oluşumunu büyükölçüde azaltmak ve binalar için yerinde yapılacak olan incelemeleri daha sağlıklı birşekilde yürütmek mümkün olabilir. Bu hususta, depremin ardından binanın sahipolduğu hasar seviyesinin hızlı bir biçimde belirlenmesi ve sonrasında meydana gelenartçı depremlere bağlı olarak göçme riskinin tutarlı bir şekilde değerlendirilmesi, ilgiliincelemelerde önemli bir yer tutmaktadır.Tez çalışması kapsamında geliştirilen yaklaşımda, belirli bir hasarlı yapı grubuna aitdeprem güvenilirliği değerlendirilmesinin tutarlı bir şekilde yapılması amaçlanmıştır.Çalışma kapsamında betonarme binaların belirli bir ana deprem etkisi altında hasargörmeleri durumunda, maruz kaldıkları artçı deprem tehlikesi altındaki göçmeolasılıkları incelenmiştir. Binanın sahip olduğu göçme potansiyeli üzerinde etkili olanbelirsizlikler dikkate alınarak, güvenilirliklerinin değerlendirilebilmesine yönelik yenive tutarlı bir yaklaşımın öne sürülmüştür.Belirli bir depreme maruz kalan binaların güvenilirliğinin değerlendirilmesi amacıyla,binanın göçme olasılığının temel alındığı bir yaklaşım doğrultusunda tez çalışmasıkapsamında yapılan çalışmalar 3 ana başlık altında toplanmaktadır: (1) artçı depremtehlikesinin değerlendirilmesi, (2) binada ana deprem etkisi altında oluşan hasarseviyesine bağlı göçme kırılganlığının belirlenmesi, ve (3) yapılan analizlere bağlıolarak hasarlı binaların göçme riskinin derecelendirilmesi. Burada belirtilen adımlar,belirli bir ana depreme maruz kalmış farklı taşıyıcı sistem özelliklerine sahip bir gruphasarlı bina modeline uygulanarak, incelenen binaya ait göçme olasılığının depremöncesine göre artışı değerlendirilmiştir.Hasarlı binaların ana deprem sonrasında maruz kaldıkları artçı sarsıntı tehlikesininbelirlenmesi kapsamında öncelikle artçı sarsıntı tehlikesini ortaya koyan faktörlerdeğerlendirilmiştir. Bu faktörlerden birisi, artçı deprem tehlike analizlerindeincelenen bölgenin sismik aktivite seviyesine bağlı olarak artçı deprem oluşumkarakteristiğinin belirlenmesidir. Bu kapsamda, Türkiye'de gözlemlenen artçıdeprem verileri kullanılarak, artçı deprem oluşum sıklığı modellerinin kalibrasyonuyapılmıştır. Türkiye'de geçmiş yıllarda meydana gelmiş olan ana depremlereait artçı deprem sayısının büyüklük ve zamana bağlı değişimi bu kalibrasyonuntemelini oluşturmaktadır. Kalibrasyon çalışmaları sonucunda elde edilen oluşumsıklığı parametreleri, sayısal uygulamalar kapsamında yapılan artçı sarsıntı tehlikeanalizlerinde göz önünde bulundurulmuştur.Yapılan çalışmalar kapsamında geliştirilen yaklaşımlardan birisi, artçı deprem tehlikeanalizlerinde ana depremin hemen sonrasında sahada gözlemlenen Mercalli şiddetideğerinin göz önüne alınabilmesidir. Yapılan bu çalışmalar ve geliştirilen yaklaşımlarile birlikte, hasarlı binaların maruz kaldığı artçı deprem tehlikesindeki değişkenlikseviyesinin azaltılarak daha tutarlı bir şekilde göz önüne alınması hedeflenmiştir.Ana deprem sırasında hasar görmüş binaların, artçı deprem etkisi altındakigöçme kırılganlık seviyelerinin incelenmesinde kullanılan analiz yaklaşımları ve buyaklaşımların kullanıldığı modelleme tekniklerinin seçimi büyük önem taşımaktadır.Binanın göçme kırılganlık seviyesinin temelini oluşturan göçme kapasitesi tahmininietkileyen belirsizlik etkenleri, sonuçlar üzerinde önemli değişkenliklere nedenolmaktadır. Bu etkenlerin analizlerde dikkate alınabilmesi amacıyla literatürdeöne sürülen bir dizi belirsizlik durumu (örneğin; malzeme, sistem, yük, kayıtlararası değişkenliklerden kaynaklanan belirsizlikler) tez çalışması kapsamında gerçekleştirilen analizlerde dikkate alınmıştır. Bunlara ilave olarak, kullanılan sayısalmodelleme yaklaşımlarındaki farklılıkların bina göçme kapasitesi tahmininde yolaçtığı değişkenlik seviyelerinin dikkate alınabilmesi amacıyla bir dizi sayısal analizgerçekleştirilmiştir. Bu analizler doğrultusunda, farklı sonlu eleman modellemeyaklaşımları ile belirlenen göçme kapasitesi tahmin sonuçları ile laboratuvar ortamındasarsma tablası üzerinde test edilmiş gerçek deney ünitelerinden elde edilen sonuçlarkarşılaştırılmıştır. Karşılaştırmalar sonucunda gerçek deney verileri ile analitikmodellere ait belirlenen göçme kapasiteleri arasındaki farklılıklardan kaynaklanandüzeltme faktörleri belirlenmiştir. Düzeltme faktörlerine ait olasılık dağılımmodellerine bağlı olarak, göçme kapasitesi tahmininde başarılı olan modellemeyaklaşımlarının belirlenmesi hedeflenmiştir. Ayrıca, farklı modelleme yaklaşımlarıiçin elde edilen düzeltme faktörlerine ait olasılıksal dağılım parametrelerinin temelalındığı bir yaklaşımla, binaya ait göçme kırılganlık eğrilerinde analitik modelbelirsizliklerinden kaynaklanan değişkenlik seviyesinin göz önüne alınabilmesisağlanmıştır.Seçilen sonlu eleman modeli ve göçme kapasitesi üzerindeki etkili olan belirsizlikdurumlarının dikkate alınması ile, ana deprem etkisi altında belirli bir hasar seviyesineulaşan bina modellerine ait artçı deprem göçme kapasiteleri doğrusal olmayandinamik analizler ile belirlenmiştir. Bu analizler aynı zamanda, binalara ait artçıdeprem göçme kapasitelerinin ana deprem hasarına bağlı olarak değişkenlik seviyeleride ortaya koyabilmektedir. Ayrıca, farklı bina özelliklerinin göçme kapasitesiüzerindeki etkisinin incelenebilmesi amacıyla çalışma kapsamında dikkate alınanreferans modeller için farklı kat adedi ve süneklik kapasite düzeyleri dikkate alınmıştır.Yapılan analizler belirli bir ana deprem hasar seviyesine ulaşmış farklı taşıyıcı sistemözelliklerine sahip binaların artçı deprem göçme kırılganlık eğrilerinin elde edilmesineolanak sağlamıştır. Sonuç olarak, farklı referans modeller için benzer analizleryapılarak hasarlı binaların artçı deprem göçme kırılganlık seviyelerinin dikkate alınanfarklı bina özellikleri ve belirsizlik etkenlerine bağlı olarak değişkenlik seviyeleriortaya konmuştur.Tez çalışması kapsamında hasarlı binaların artçı deprem tehlikesi altında göçmeolasılıklarının belirlenmesine yönelik olarak, olasılık değerlerindeki değişimi belirleyenkritik parametre değerleri için (zemin sınıfı, ana deprem şiddeti, v.b.) sayısalanalizler gerçekleştirilmiştir. Bu analizler neticesinde belirli bir bina grubu için farklı parametrelere bağlı olarak binada hasar nedeniyle artan göçme olasılıklarının seviyesibelirlenmiştir.Sonuç olarak, yukarıda belirtilen hususlar dikkate alınarak yapılan çalışmalar ilegeliştirilen risk değerlendirme yaklaşımının, belirli bir deprem neticesinde hasargörmüş betonarme binaların değerlendirilmesinde kullanılabilecek akılcı ve tutarlı birstrateji olabileceği düşünülmektedir.

Safety evaluation of a building damaged due to an earthquake is an extremelysignificant issue. Especially, handling the sheltering needs of victims after anearthquake, considerable reduction of the crisis effects and more careful investigationson site may be made depending on fast and accurate evaluations after damagedearthquakes. A quick determination of potential damage level of the building afterthe mainshock and consistent evaluation of the collapse risk of the building subjectedto aftershock hazard have important role in related investigations.The aim of this study is the rating of earthquake safety of specific building types basedon a consistent method. An innovative approach is proposed for safety evaluation ofmainshock damaged reinforced concrete buildings that includes explicit modeling ofthe uncertainties of the collapse potentials under aftershock effects.Assessment of safety of buildings subjected to an earthquake by considering thecollapse risk of the structure has three fundamental concepts: (1) aftershock hazardassessment, (2) determination of collapse fragility due to mainshock damage level, and(3) collapse risk rating of damaged buildings. Using these steps for a group of damagedbuilding model, the collapse possibility is evaluated in comparison with undamagedones.To assess the damaged buildings subjected to aftershock hazard, analysis for thefactors that affect the aftershock hazard were considered on a preferential basis.One of these factors is the determination of the aftershock occurrence characteristicsof the investigated region by taking into account the level of seismicity. In thiscontext, aftershock occurrence frequency models were calibrated using the aftershocksequences observed in Turkey. The changes in the numbers of aftershocks, thatobserved after the mainshocks occurred in Turkey, due to the magnitude and the timeelapsed from the mainshock form the basis of calibration process. The evaluatedoccurrence parameters are utilized in the aftershock hazard analyses of the case studies.Additionally, a novel approach is proposed based on using the mainshock intensitiesas macroseismic indicators in aftershock hazard assessment. The aim of the proposedapproach is the assessing of the aftershock hazard in more consistent way by reducingthe level of variability.Collapse probability of a damaged building under an aftershock hazard within athreshold spectral acceleration level is estimated by considering both the aftershockhazard and the collapse fragility characteristics of the building.Analytical assumptions and the modeling techniques utilized in the investigation ofthe collapse fragility of damaged buildings under aftershock hazard have a greatimportance. The uncertainties that affect the collapse capacity of the buildings induce variabilities in analysis results. In scope of the thesis, a set of uncertainty conditionsproposed in literature (i.e., material, system, load, and record-to-record variability) aretaken into consideration. Furthermore, analyses are performed to adopt the variabilitiesdepending on the considered modeling assumptions in collapse capacity evaluations.For this purpose, the collapse capacities evaluated via utilizing the different finiteelement modeling assumptions are compared with the experimental results of structuralmembers tested on shaking tables. Based on the comparison results, the correctioncoefficients between the estimated and the actual collapse capacities are evaluated.Accordingly, the performance of the analytical modeling approaches on collapsecapacity estimations are investigated depending on the probability distributions ofthe correction coefficients. Additionally, the uncertainties induced by the analyticalmodeling assumptions are taken into account in collapse fragility curves by using theprobability distribution parameters of the correction coefficients. The aftershock collapse capacity of mainshock damaged buildings are evaluatedvia nonlinear dynamic analyses and by taking into account the finite elementmodeling assumptions and the uncertainty conditions. These evaluations also provideinformation about the changes in the probability of collapse of the buildings withdifferent levels of mainshock damage. Furthermore, the effects of total number ofstories, and insufficient ductility capacity on building collapse fragility were alsoinvestigated to represent the different building properties.These investigations provide information for the collapse fragility curves of differentstructural systems with a specific mainshock damage level. Consequently, thevariabilities in aftershock collapse fragility curves are evaluated due to the differentstructural characteristics and the uncertainties affecting the collapse capacity.In conclusion, aftershock risk evaluation approach improved by considering theconditions above is expected to be a useful tool for assessing the safety ofearthquake-damaged buildings.