Betonarme çerçevelerde yapı-zemin etkileşiminin lineerolmayan analizler ile incelenmesi

Abstract

Yapı-zemin etkileşimi sonucunda hem zeminin hem de yapının davranışının değiştiği bilinmektedir. Günümüzde uygulanan analizlerde ise sıklıkla yapı-zemin etkileşimi ihmal edilmektedir. Bugüne kadar yapı-zemin etkileşimi konusunda yapılan çalışmalar, yapı-zemin etkileşiminin ihmal edilmesinin doğru olmadığını ve bu ihmalin olumsuz sonuçlar doğurabileceğini göstermiştir.Bu çalışmada yapı-zemin etkileşiminin hem yapının hem de zeminin sismik davranışına etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır. Çalışmada yapı-zemin etkileşiminin bulunduğu yapı-zemin modelleri, yapı-zemin etkileşiminin ihmal edildiği yapı modelleri ve üzerinde yapı bulunmayan zemin modeli oluşturulmuştur. Tüm modeller iki boyutlu olarak ve lineer olmayan malzeme davranışı tanımlanarak OpenSees programı ile modellenmiştir.Zemin modellenirken, deneysel çalışmalar ile özellikleri belirlenen 26 tabakalı zemin modeli kullanılmıştır. Yapı-zemin etkileşimi konusunda literatürdeki çalışmalarda sıklıkla belirli zemin tipi özelliklerinin homojen olarak verilmesi ile oluşturulan zemin modelleri kullanılmaktadır. Fakat bu çalışmada kullanılan zemin modeli ise, zemin tipi özelliklerinin homojen olarak verildiği modellerden farklı olarak, gerçeğe daha yakın sonuçlar vermektedir. Çalışmadaki yapılar 1, 2 ve 3 katlı olarak ve betonarme malzeme seçilerek modellenmiştir. Yapı-zemin etkileşiminin bulunduğu yapı modelleri zeminle beraber modellenmiş ve ivmeler zemin tabanından etki ettirilerek analizler yapılmıştır. Etkileşimin bulunmadığı modeller ise ankastre mesnetli olarak modellenmiş, fakat anakaya ivmeleri doğrudan ankastre mesnetlere etki ettirilmemiştir. Bunun yerine boş zemine tabandan verilen ivmelerin zemin yüzeyinde okunan değerleri ankastre mesnetlere etki ettirilerek analiz yapılmıştır.Literatürde sıklıkla üzerinde durulan 5 farklı bilinen depremin küçük, orta ve büyük ölçekte çoğaltılması ile oluşturulan 15 farklı ivme kaydı kullanılmıştır. Daha doğru sonuçlar elde edilmesi düşünülerek tüm modeller lineer olmayan dinamik analizler ile incelenmiştir.Yapı-zemin etkileşimi araştırılırken modellerde; ivme, ivme tepki spektrumu, taban kesme kuvveti, 1. kat göreli kat ötelenmesi, maksimum çatı deplasmanı ve maksimum moment değerlerinin değişimi incelenmiştir. Çalışmada gerek zemin modelinin gerçeğe yakınlığı, gerekse yapı-zemin etkileşiminin doğrudan tek model üzerinde uygulanmasıyla literatürdeki çalışmalardaki önemli bir eksikliğin giderilmesine katkıda bulunulmuştur. Bu vesileyle, yapı-zemin etkileşiminin yapının sismik davranışına etkisi uygun bir şekilde incelenmiştir.Çalışmanın sonuçları incelendiğinde yapı-zemin etkileşiminin, hem yapı davranışını, hem de zemin davranışını değiştirdiği görülmüştür. Etkileşimin bulunduğu durumda yapı ve zemindeki ivmeler ve ivme tepki spektrumları, yapılardaki taban kesme kuvveti, 1. kat göreli kat ötelenmesi oranları, maksimum çatı deplasmanı ve maksimum moment değerleri farklı sonuçlar vermiştir. Ayrıca, yapı ve zeminde elde edilen sonuçlar, hem yapı uzunluğu hem de etki eden ivmenin büyüklüğüne bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Günümüzde çözümleme kolaylığı açısından yapı-zemin etkileşimi göz ardı edilmekte, fakat bu ihmal sonuçlarda sapmalara yol açabilmektedir. Bu çalışmada bu sapmaların farklı açılardan hangi boyutlara ulaşabildiği incelenmiş, hem yapı hem de zemin davranışı incelenirken yapı-zemin etkileşiminin dahil edilmesinin önemi vurgulanmıştır.

It is known that the behavior of both the soil and the structure changes as a result of the soil-structure interaction. In today's analyzes, soil-structure interaction is often neglected. So far, studies on soil-structure interaction have shown that neglecting the soil-structure interaction is incorrect and can result in negative consequences.In this study, it is aimed to investigate the effect of soil-structure interaction on seismic behavior of both structure and soil. In the study, structure and soil models with soil-structure interaction, structure models without soil-structure interaction, and a soil model without building are created. All models are built using OpenSees software in two dimensions and under nonlinearity condition of material behavior.26 layered soil model whose properties are determined by experimental studies is used when modeling the soil. In the literature on the soil-structure interaction, soil models generated by homogeneous distribution of specific soil type properties are used frequently. However, the soil model used in this study gives a closer result to reality than the models in which the soil type characteristics are given homogeneously. The structures are modeled as 1, 2 and 3 story and having reinforced concrete materials. The structure models with the soil-structure interaction are modeled together with the soil and analyzed by applying the accelerations from the soil floor. Models without interaction are modeled as fixed based, but ground accelerations are not directly applied to fixed bases. Instead, the acceleration values read on the soil surface of the single soil are applied to the fixed bases and analyzed.15 different acceleration records, which are generated by reproduction in small, medium and large scales of 5 different earthquakes frequently considered in the literature, are used. For more accurate results all models were investigated using nonlinear dynamic analyses.While the soil-structure interaction is being investigated in models; acceleration, acceleration response spectrum, base shear force, relative floor displacement of 1st floor, maximum roof displacement and maximum moment values have been investigated. In the study, both the closeness of the soil model to the reality, and the application of soil-structure interaction directly in the single model lead to eliminate an important deficiency in the studies in the literature. In this way, the effect of the soil-structure interaction on the seismic behavior has been appropriately investigated.From the results of the study it was seen that the soil-structure interaction changes the behavior of the building as well as the behavior of the soil. Accelerations and acceleration response spectra of the structure and the ground, base shear force in the structures, 1st floor relative floor displacement rates, maximum roof displacement and maximum moment values gave different results in the case of interaction. In addition, the results obtained on the structure and soil vary depending on both the height of the building and the magnitude of the acceleration. Today, soil-structure interactions are ignored in terms of ease of resolution, but this ignorance may lead to bias. In this study, these bias' extent was investigated from different angles and emphasized the importance of including soil-structure interaction while both soil and structure behaviors are examined.