Yapı-Zemin Etkileşimi Kapsamında Bodrum Kat Sayısının Sismik Davranış Üzerindeki Etkisi

Abstract

Yapı-zemin etkileşimi, özellikle zayıf mühendislik özelliklerine sahip zeminlerde inşa edilen yapılar için kritik bir konudur. Bu çalışma kapsamında, bodrum katlarının, sığ temelli yapıların deprem sırasındaki davranışları üzerindeki etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu doğrultuda, farklı bodrum kat sayılarına sahip orta katlı betonarme binaların (1, 2 ve 3 bodrum katlı) çok katmanlı zemin tabakası üzerindeki dinamik tepkisi incelenmiştir. Çalışmada, yapı-zemin etkileşimi (SSI) dikkate alınarak sonlu elemanlar programı kullanılmış ve doğrudan yöntemle sayısal analizler gerçekleştirilmiştir. Analizler, TBDY 2018 yönetmeliğinde belirtilen üç farklı deprem yer hareket düzeyi için seçilen zemin hareketleri altında, doğrusal olmayan zaman tanım alanında yapılmıştır. Tekrarlı simülasyonlar sonucunda, tepe noktasındaki yatay yer değiştirme değerleri hesaplanmış ve bodrum kat sayısının yanı sıra deprem düzeyi koşullarına bağlı olarak nasıl değiştiği detaylı şekilde incelenmiştir. Elde edilen bulgular, bodrum kat seviyelerinin yapıların genel sismik performansı ve zemin-yapı etkileşimi üzerindeki etkisini ortaya koymaktadır. Çalışmada yapılan karşılaştırmalı değerlendirmeler, deprem yönetmeliklerine uygun olarak bodrum katlı binaların tasarımına ilişkin önemli mühendislik verileri sunmaktadır.

Keywords

• Yapı-Zemin Etkileşimi
• Bodrum Kat Seviyeleri
• Sonlu Elemanlar Modellemesi
• Yatay Yer Değiştirme
• Sismik Performans

Effect of Embedded Substructure Levels on The Seismic Response of Buildings Considering Soil-Structure Interaction

Abstract

Soil-structure interaction (SSI) is a critical consideration, particularly for buildings constructed on weak subsoil with poor geotechnical properties. This study aims to investigate the influence of basement levels on the seismic behavior of shallow-founded structures during earthquakes. To this end, the dynamic response of mid-rise reinforced concrete buildings with varying basement levels (1, 2, and 3 basement floors) was analyzed on a multilayered soil profile. The study incorporates SSI and employs a finite element software, conducting numerical analyses using the direct method. The analyses were performed in the nonlinear time domain under selected ground motions corresponding to three different seismic hazard levels, as defined by the Turkish Seismic Design Code (TBDY 2018). Repeated simulations were carried out to evaluate the lateral displacements at the roof level and examine their variations based on the number of basement floors and the seismic hazard level. The findings highlight the impact of basement levels on the overall seismic performance of structures and soil-structure interaction. The comparative assessments presented in this study provide valuable engineering insights for the design of basement-included buildings in compliance with seismic design codes.

Keywords

• Soil-Structure Interaction
• Basement Levels
• Finite Element Modeling
• Lateral Displacement
• Seismic Performance

References

1. Aydınoğlu N. Zayıf zeminlerde yapılan binalarda dinamik yapı-kazık-zemin etkileşimi için uygulamaya yönelik bir hesap yöntemi. Rapor No: 2011/1. İstanbul: Boğaziçi Üniversitesi Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü, Deprem Mühendisliği Anabilim Dalı; 2011.
2. Lysmer J. Vertical motions of rigid foundations [PhD thesis]. Ann Arbor, MI: University of Michigan; 1965.
3. Richart FE, Whitman RV. Comparison of footing vibration test with theory. J Soil Mech Found Div ASCE 1967;93:143-168.
4. Richart FE, Woods RD. Vibrations of soils and foundations. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall Inc.; 1970.
5. Bielak J. Earthquake response of building-foundation systems. California Institute of Technology 1971;71(4):1-148.
6. Veletsos AS, Meek JW. Dynamic behaviour of building-foundation systems. Earthq Eng Struct Dyn 1978;3(2):121-138. doi:10.1002/eqe.4290030203.
7. Galal K, Naimi M. Effect of soil conditions on the response of reinforced concrete tall structures to near-fault earthquakes. Struct Des Tall Build 2008;17(3):541-562. doi:10.1002/tal.365.
8. Lou M, Wang H, Chen X, Zhai Y. Structure-soil-structure interaction: literature review. Soil Dyn Earthq Eng 2011;31(12):1724-1731. doi:10.1016/j.soildyn.2011.07.008.

9. Abdel Raheem SE, Ahmed MM, Alazrak TM. Soil-raft foundation-structure interaction effects on seismic performance of multi-story MRF buildings. Eng Struct Technol 2014;6(2):43-61. doi:10.3846/2029882X.2014.972656.
10. Scarfone R, Morigi M, Conti R. Assessment of dynamic soil-structure interaction effects for tall buildings: a 3D numerical approach. Soil Dyn Earthq Eng 2020;128:105864. doi:10.1016/j.soildyn.2019.105864.
11. Asadi Ghoozhdi H, Attarnejad R, Masoodi AR, Majlesi A. Seismic assessment of irregular RC frames with tall ground story incorporating nonlinear soil-structure interaction. Structures 2022;41:159-172. doi:10.1016/j.istruc.2022.05.001.
12. Kant R, Al-Agha W, Almorad WA, Thakur MS, Umamaheswari N. Study on seismic performance of reinforced concrete multi-storey building considering soil-structure interaction effect. Mater Today Proc 2022;56:2158-2166. doi:10.1016/j.matpr.2021.11.475.
13. Requena-Garcia-Cruz MV, Bento R, Durand-Neyra P, Morales-Esteban A. Analysis of the soil structure-interaction effects on the seismic vulnerability of mid-rise RC buildings in Lisbon. Structures 2022;38:599-617. doi:10.1016/j.istruc.2022.02.024.
14. El Hoseny M, Ma J, Josephine M. Effect of embedded basement stories on seismic response of low-rise building frames considering SSI via small shaking table tests. Sustainability 2022;14(3):1275. doi:10.3390/su14031275.
15. Pinto FJ, Dashti S, Ledezma C, Abell JA. How do tall buildings affect seismic earth pressures on their basement walls? Soil Dyn Earthq Eng 2023;171:107968. doi:10.1016/j.soildyn.2023.107968.
16. Tehranizadeh M, Barkhordari MS. Effect of peripheral wall openings in basement and number of basement floors on the base level of braced framed tube system. Int J Civ Eng 2018;16:1157-1173. doi:10.1007/s40999-017-0270-z.
17. Zhang X, Far H. Beneficial and detrimental impacts of soil-structure interaction on seismic response of high-rise buildings. Adv Struct Eng 2024;27(0):1-25. doi:10.1177/13694332241255747.
18. Bapir B, Abrahamczyk L, Wichtmann T, Prada-Sarmiento LF. Soil-structure interaction: a state-of-the-art review of modeling techniques and studies on seismic response of building structures. Front Built Environ 2023;9:1120351. doi:10.3389/fbuil.2023.1120351.
19. Bilal O, Fahjan Y. Dinamik yapı-kazık-zemin etkileşimi bağlamında temel gömme derinliğinin spektral tepki üzerindeki etkisi. Pamukkale Univ Muh Bilim Derg 2024;30(1):44-52. doi:10.5505/pajes.2023.05046.
20. Jagan P, Visuvasam JA. Inelastic seismic behaviour of RC buildings with floating columns considering soil-structure interaction. In: Symposium in Earthquake Engineering. Singapore: Springer Nature Singapore; 2022, p. 313-324.
21. Jennings PC, Bielak J. Dynamics of building-soil interaction. Bull Seismol Soc Am 1973;63(1):9-48. doi:10.1785/BSSA0630010009.
22. TBDY. Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği: Deprem Etkisi Altında Binaların Tasarımı İçin Esaslar. Ankara; 2018.
23. Vaish AK, Chopra AK. Earthquake finite element analysis of structure-foundation systems. J Eng Mech Div ASCE 1974;100(6). doi:10.1061/JMCEA3.0001956.
24. Gutierrez J, Chopra AK. A substructure method for earthquake analysis of structures including structure-soil interaction. Earthq Eng Struct Dyn 1978;6:51-69.
25. Emre T. Gediz Grabeni’nin jeolojisi ve tektoniği. Turk J Earth Sci 1996;5(3):171-185.
26. Hakyemez HY, Erkal T, Göktaş F. Late Quaternary evolution of the Gediz and Büyük Menderes grabens, Western Anatolia, Turkey. Quat Sci Rev 1999;18(4-5):549-554. doi:10.1016/S0277-3791(98)00096-1.
27. Emre Ö, Özalp S, Doğan A, Özaksoy V, Yıldırım C, Göktaş F. İzmir yakın çevresinin diri fayları ve deprem potansiyelleri. MTA Rapor No: 10754. Ankara: Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü; 2005.
28. Çetin KO, Altun S, Askan A, Akgün M, Sezer A, Kıncal C, et al. The site effects in Izmir Bay of October 30, 2020, M7.0 Samos earthquake. Soil Dyn Earthq Eng 2022;152:107051. doi:10.1016/j.soildyn.2021.107051.
29. Brinkgreve RJB, editor. PLAXIS user manual. 3D. Delft: Delft University of Technology and PLAXIS; 2002.
30. Lysmer J, Kuhlemeyer RL. Finite dynamic model for infinite media. J Eng Mech Div ASCE 1969;95(4). doi:10.1061/JMCEA3.0001144.
31. Brinkgreve RBJ, Swolfs WM, Engin E. PLAXIS user’s manual. The Netherlands: PLAXIS; 2011.
32. Forcellini D. A 3-DOF system for preliminary assessments of the interaction between base isolation (BI) technique and soil structure interaction (SSI) effects for low-rise buildings. Structures 2024;59. doi:10.1016/j.istruc.2023.105803.
33. Massimino MR, Abate G, Fiamingo A, Pitilakis D. Seismic risk and environmentally friendly solutions: the geotechnical point of view. Lect Notes Civ Eng 2023;322. doi:10.1007/978-3-031-26879-3_1.
34. Kuhlemeyer RL, Lysmer J. Finite element method accuracy for wave propagation problems. J Soil Mech Found Div ASCE 1973;99(5). doi:10.1061/JSFEAQ.0001885.
35. Pinto FJ, Ledezma C, Abell JA, Astroza R, Dashti S. Soil-basement interaction effects on the seismic response of tall buildings with basement levels. Eng Struct 2022;263:114406. doi:10.1016/j.engstruct.2022.114406.
36. METU Report. The October 30, 2020 Izmir-Seferihisar offshore (Samos) earthquake (Mw=6.6): reconnaissance observations and findings. Report No: METU/EERC 2020-03. Ankara; 2020.