Sensitivity of the predicted collapse capacity of RC buildings to the utilized finite element modeling approach

Abstract

Günümüzde, sismik yüklemeler altında binaların sahip oldukları göçme kapasitelerinin belirlenmesi, yapı ve deprem mühendisliği alanlarında araştırılan en önemli konular-dan birisidir. Buna bağlı olarak, son yıllarda geliştirilen deprem yönetmeliklerinde binaların kısmi veya toptan göçme durumunun oluşmasının önlenmesine yönelik olarak birtakım koşullar getirilmiştir. Bununla birlikte, yapısal göçmenin tutarlı bir şekilde tahmini günümüzde de mevcut olan bir araştırma alanıdır. Bina göçme limit seviyesi tahmininde yapılan hatalar, meydana gelen depremler neticesinde oluşması muhtemel can ve mal kayıpları gibi çok önemli sonuçlara neden olmaktadır.Betonarme binalara ait sayısal modellerin oluşturulması sırasında farklı varsayımlar göz önünde bulundurulmaktadır. Bu varsayımlar arasında; farklı çevrimsel kesit davranış modelleri, yapısal özellikler (örneğin; dayanım, süneklik, sönüm oranı, malzeme özellikleri gibi) ve yapısal sistemin doğrusal olmayan davranış özellikleri sayılabilir. Sonlu eleman modelleri oluşturulurken dikkate alınan bu varsayımlar, bina göçme kapasitesindeki tutarlılık seviyesinin temelini oluşturmakta ve tahmin edilen göçme kapasitesi seviyesi üzerinde önemli değişkenliklere neden olmaktadır.Tez kapsamında, literatürde sıklıkla kullanılan sonlu eleman modeli yaklaşımlarının bina göçme kapasitesi tahminindeki hassasiyet seviyeleri araştırılmıştır. Analizlerde bina göçme kapasitesinin tahmin edilebilmesi amacıyla, sıklıkla kullanılan ve Vamvatsikos ve Cornell (2002) tarafından geliştirilen artımsal dinamik analiz (IDA) yaklaşımı kullanılmıştır. Çalışma kapsamında tahmin sonuçlarındaki değişkenlik seviyesi, farklı sonlu elman modelleme teknikleri ile oluşturulan betonarme bina modelleri kullanılarak incelenmiştir. Elde edilen göçme kapasite değerleri, laboratuvar ortamında dinamik testlere maruz bırakılan bina modellerine için belirlenen en yüksek talep seviyesi (örnek olarak bina birinci doğal titreşim periyotuna karşılık gelen spektral ivme seviyesi) ile karşılaştırılmıştır.Göz önüne alınan farklı modelleme yaklaşımlarına bağlı olarak elde edilen göçme kapasitelerindeki değişkenlik seviyeleri, gerçekleştirilen hassasiyet analizleri ile ortaya konmuştur. Bu analizler göçme kapasitesi tahmininde önemli etkiye sahip farklı parametreler için gerçekleştirilmiştir: (1) plastik mafsal boyu, (2) viskoz sönüm oranı ve Rayleigh sönümünün rijitlik modeli , (3) ön hasar ve (4) yer hareketi bile¸senleri. Sonuç olarak, analizlerde göz önüne alınan sonlu eleman modeli yaklaşımlarının bina göçme kapasitesi tahmininde son derece önemli bir etkiye sahip olduğu belirlenmiştir. Tez çalışması kapsamında elde edilen sonuçların, kullanılan sonlu eleman modeli yaklaşımına bağlı olarak ortaya çıkan tahmin değişkenlikleri seviyelerinin analizlerde göz önüne alınması hususunda yararlı olacağı amaçlanmaktadır. Analizler kapsamında elde edilen sonuçlar, moment-çerçeve tipi betonarme binalar dikkate alınarak oluşturulmuştur. İlave olarak bu sonuçların, analizlerde kullanılabilecek sonlu eleman modeli seçimleri sırasında yardımcı olması hedeflenmiştir.

Nowadays the evaluation of the collapse capacity of buildings that are subjected to seismic loads is one of the most critical issues in structural and earthquake engineering. Hence, recently the national building codes involve implementations to prevent total or partial collapses during earthquakes. Nonetheless, accurate estimation of the structural collapse still remains a question. The erroneous evaluation of collapse limits can have very detrimental impacts such as loss of occupants' lives, during a strong motion, as well as financial and economic loss.Several critical assumptions are introduced while developing an analytical model of an RC building. These are related to: hysteresis models, structural properties (i.e., strength, ductility, damping ratio, material properties) and the nonlinear behavior of the structural system. The assumptions in finite element modeling form the basis of the collapse capacity estimation accuracy. These assumptions produce biases in the estimated collapse capacity of the buildings.In this study, the sensitivity of the predicted collapse capacity to several finite-element modeling assumptions are investigated. For the estimation of collapse capacity the widely-used incremental dynamic analysis (IDA) method by Vamvatsikos and Cornell (2002) is utilized. In the scope of this study, the level of this estimation bias is investigated by using RC frame building models developed via different finite modeling approaches. Resulting estimates are compared with the highest demand (i.e., spectral acceleration at the fundamental vibration period of the system) exhibited during the dynamic testing of the buildings in structural laboratories.Sensitivity analyses are performed to reveal the variability of the estimated collapse capacities depending on the utilized finite element modeling approach. These analyses are based on the critical parameters that affect the estimated collapse capacity:(1) plastic hinge length, (2) viscous damping ratio and Rayleigh damping stiffness model(3) prior damage and (4) bi-directional and unidirectional seismic excitation effect.Results show that the estimated collapse capacities vary with the utilized finite element model assumptions.The results of this study are expected to be useful for taking into account the probable estimation biases related to the utilized finite element model. The results are applicable for the case of RC moment resisting frame type buildings. Results can provide guidance in selecting the suitable finite element models.