SOIL-STRUCTURE INTERACTION EFFECT ON DESIGN OF REINFORCED CONCRETE STRUCTURES

Abstract

During the design of reinforced concrete structures, soil-structure interaction is neglected with the assumption of fixed base columns usually considering the subsoil as a rigid medium. However, subsoil is a medium that deforms under load from the structure, exposed to stress and generates a reaction against the effects suffered. In this study, effects of soil-structure interaction on design of reinforced concrete structures are investigated. For this purpose, an 8-storey frame previously examined in the literature is considered. The effect of subsoil under the structure is considered using Winkler and Modified Vlasov Model in addition to rigid soil-structure assumption. An interface is developed by authors to use SAP2000 software with MATLAB simultaneously for the analysis. In this way, SAP2000 software gains the ability of the analysis of mat foundation using Modified Vlasov model. Periods, base shear forces, column axial forces, column bending moments and column longitudinal reinforcement ratios are compared for rigid soil-structure, Winkler and Modified Vlasov Models. In the end of study, it is observed that soil-structure interaction has a significant effect on the structural design of reinforced concrete structures

Keywords

• Design of reinforced concretesStructures, Elastic foundation, OAPI, Soil-structure interaction

YAPI ZEMİN ETKİLEŞİMİNİN BETONARME YAPILARIN TASARIMINA ETKİSİ

Abstract

Betonarme yapıların tasarımı sırasında genellikle temel zemini rijit bir ortam olarak dikkate alınarak tabanda kolonların ankastre olduğu kabulü ile yapı-zemin etkileşimi ihmal edilmektedir. Oysaki zemin, üst yapıdan aktarılan yükler altında şekil değiştiren, gerilmelere maruz kalan ve maruz kaldığı etkilere karşı tepki oluşturan bir ortamdır. Bu nedenle zemin etkileri dikkate alınmadan yapılan bir üst yapı tasarımının eksik kalabileceği söylenebilir. Bu çalışmada, yapı-zemin etkileşiminin betonarme yapıların tasarımına etkisi incelenmektedir. Bu amaçla daha önce literatürde incelenmiş olan 8 katlı bir yapı örneği dikkate alınmıştır. Yapının oturduğu zemin, rijit yapı-zemin kabulünün yanında Winkler ve Geliştirilmiş Vlasov Modelleri de kullanılarak modellenmiştir. Sayısal sonuçlar SAP2000 paket programı ile MATLAB’te kodlanan bir yazılımın eş zamanlı kullanılmasıyla elde edilmiştir. Bu sayede SAP2000 paket programına kendi içerisinde var olmayan Geliştirilmiş Vlasov Modeli ile çözüm yapma kabiliyeti kazandırılmıştır. Çözümden elde edilen periyot, taban kesme kuvveti, kolon normal kuvvetleri, kolon eğilme momentleri ve kolonların boyuna donatı oranları her bir zemin modeli için karşılaştırılmıştır. Çalışmanın sonunda yapı-zemin etkileşiminin betonarme yapıların tasarımına etkisinin ihmal edilemeyecek düzeyde olduğu görülmüştür

Keywords

• Betonarme yapı tasarımı, Elastik zemin, OAPI, Yapı-zemin etkileşimi

References

1. Selvadurai APS. Elastic Analysis of Soil-Foundation Interaction, Amsterdam: Elsevier Scientific Publishing Company, 1979.
2. Nadjai A, Johnson D. Elastic Analysis Of Spatial Shear Wall Systems with Flexible Bases, The Structural Design of Tall Buldings, Cilt. 5, 1996, s.55-72.
3. Mısır İS, Özden G, Kahraman S. Temel-Zemin Yaylarının Alansal Etkileşimi ve Yapı Davranışına Etkisi, Deprem Sempozyumu, Kocaeli, Türkiye, 2005, s.1064-1073.
4. Rashed YF. A Boundary/Domain Element Method for Analysis of Building Raft Foundations, Engineering Analysis with Boundary Elements, Cilt. 29, 2005, s.859-877.
5. Kahraman S, Mısır İS, Özden G. Sabit ve Değişken Yatak Katsayısı Yaklaşımlarının Yapı Davranışına Etkisi, Altıncı Ulusal Deprem Konferansı, İstanbul, Türkiye, 2007, s.217-228.
6. Karabörk T. Yapı-Zemin Etkileşimi Dikkate Alınarak Betonarme Yapıların Doğrusal Olmayan 3 Boyutlu Dinamik Analizi, Yapı Teknolojileri Elektronik Dergisi, Cilt. 5, No. 1, 2009, s.25-36.
7. Korkmaz KA, Demir F. Yapı-Zemin Etkileşiminin Yapıların Deprem Davranışına Etkileri, Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, cilt. 3, No. 1, 2012, s.12-17.
8. Hamarat MA, Çalık KÜH, Orakdöğen E. Seismic Analysis of Structures Resting on Two Parameter Elastic Foundation, 15 WCEE, Lizbon, 2012.

9. Thangaraj DD, Ilamparuthi K. Interaction Analysis of MAT Foundation and Space Frame for Non Linear Behaviour of the Soil, Bonfring International Journal of Industrial Engineering and Management Science, Cilt. 2, No. 4, 2012, s.33-40.
10. Derdiman MK. Farklı Özelliklere Sahip Zeminlerin Betonarme Yüksek Yapılarda Yapı Salınım Periyoduna Etkisi, Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, cilt. 13, 2013, s.9-15.
11. Frydrysek K, Janco R, Gondek H. Solution of Beams, Frames and 3D Structures on Elastic Foundation Using FEM, International Journal of Mechanics, Cilt. 4, No. 7, 2013, s.362-369.
12. Ionescu A, Calbureanu M, Negru M. Boussinesq Method in Seism Analysis of a Building Structure Using ANSYS Program, WSEAS International Conference, Vouliagmeni, Atina, Yunanistan, 2013, s.198-201.
13. Ahmed M, Mohamed MH, Mallick J, Hasan MA. 3D-Analysis of Soil-Foundation- Structure Interaction in Layered Soil, Open Journal of Civil Engineering, cilt. 4, 2014, s.373-385.
14. Avcıoğlu O, Orakdöğen E. Vlasov Zeminine Oturan Yapıların Zaman Tanım Alanında Analizi, Pamukkale Üni. Müh Bilim Dergisi, Cilt. 21, No. 3, 2015, s103-108.
15. SAP2000. Integrated Finite Elements Analysis and Design of Structures, Berkeley: Computers and Structures, Inc., 2008.
16. MATLAB. The Language of Technical Computing, Natick: The Mathworks, 2009.
17. Özgan K. Geliştirilmiş Vlasov Modelini Kullanarak Elastik Zemine Oturan Kalın Plakların Sonlu Elemanlar Yöntemiyle Analizi ve Etkin Zemin Derinliğinin Belirlenmesi, Doktora Tezi, Trabzon: Karadeniz Teknik Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, 2007.
18. Hamarat MA. İki Parametreli Zemin Üzerine Oturan Yapı Sistemlerinin Dinamik Analizi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul: İstanbul Teknik Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, 2012.
19. Kılıçer S, Özgan K, Daloğlu AT. Radye Temellerin Vlasov Yöntemiyle Modellenmesi, Zemin Mekaniği ve Temel Mühendisliği 2.Özel Konulu Sempozyumu: Teori ve Uygulamada Zemin-Yapı Etkileşimi, Antalya, Türkiye, 24-25 Nisan, 2014, s.151-156.
20. Girgin SC, Mısır S, Özden G, Kahraman S. Yapı Zemin Etkileşiminin Yapısal Tasarımdaki Rolü, DEÜ Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi, Cilt. 10, No. 1, 2008, s.27-37.
21. DY-2007. Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik, Ankara: Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, 2007.
22. TS500-2000. Betonarme Yapıların Tasarım ve Yapım Kuralları, Türk Standartları Enstitüsü, 2000.
23. Doğangün A. Betonarme Yapıların Hesap ve Tasarımı, 10. baskı İstanbul: Birsen Yayınevi, 2013.