Seismic performance evaluation of existing reinforced concrete buildings using simplified displacement-based approach

Abstract

While evaluating the seismic performance of existing buildings according to TBC2018, a difficulty and complexity arouses in estimating the rotations that occur at both ends of the load carrying elements under seismic forces. Therefore, in this study, it is aimed to develop a reliable method for estimating the seismic performance of reinforced concrete (RC) buildings using simplified displacement-based formulations. Within the scope of this study, 4 RC buildings having same symmetrical floor plan but with varying number of stories, different material strengths were designed, and 3 existing RC buildings were taken into consideration. All the 7 buildings were modeled using common structural analysis software like SAP2000v20, Sta4CADv14.1, İdeCADv10 and ProtaStructure2022 and linear seismic performance analysis were performed. The data obtained as a result of the analysis were processed into the displacement-based formulations created within the framework of this study to determine the damage state of the columns and associated seismic performance of the existing RC buildings considering the general principles and rules given in TBC2018. It was determined that the compatibility between the column damage conditions determined according to the proposed method and the column damage status determined as a result of the hand calculation made according to the calculation principles specified in TBC2018 was 100% in both principal directions. In addition, it is found that the results found from the proposed method were conservative and generally compatible with the results obtained from the common structural analysis software.

Keywords

• Nonlinear method
• Reinforced concrete
• Building
• Displacement
• Shear force

Mevcut betonarme binaların deprem performanslarının basitleştirilmiş deplasman tabanlı bir yaklaşımla değerlendirilmesi

Öz

Mevcut binaların deprem performanslarının belirlenmesinde deprem etkisiyle elemanların her iki ucunda oluşan dönmeleri tahmin etmek zor ve karmaşık bir iştir. Dolayısıyla bu çalışmada deprem etkisiyle eleman uçlarında oluşan göreli kat ötelemeleri temelli daha basit formülasyonlar ile bina performansının tahmin edilmesinde güvenilir bir yöntem geliştirilmesi amaçlanmıştır. Çalışma kapsamında farklı kat adetine, farklı malzeme dayanımlarına ve aynı plana sahip düzgün geometride olan 4 adet betonarme bina tasarlanmış, ayrıca 3 adet mevcut betonarme bina ele alınmıştır. 7 adet bina yaygın olarak yapısal analizler için kullanılan SAP2000 v20, Sta4CAD v14.1, İdeCAD v10 ve ProtaStructure2022 programları ile modellenerek doğrusal performans analizleri yapılmıştır. Analizler sonucunda elde edilen veriler TBDY2018’de mevcut binaların deprem performanslarının belirlenmesi amacıyla verilen deprem hesabına ilişkin genel ilke ve kurallar çerçevesinde, oluşturulan deplasman temelli formülasyonlara işlenmiş ve incelenen binalardaki kolonların hasar durumları belirlenmiştir. Önerilen yönteme göre belirlenen kolon hasar durumları ile TBDY2018’de belirtilen hesap ilkelerine göre yapılan el hesabı sonucu belirlenen kolon hasar bölgeleri arasındaki uyumun her iki asal yönde de %100 olduğu belirlenmiştir. Ayrıca önerilen yöntemin ele alınan diğer statik paket programlardan elde edilen sonuçlara nazaran bina performansının tespitinde daha güvenli tarafta kalmasının yanı sıra incelenen paket programlarla da genel olarak uyumlu olduğu söylenebilir.

Anahtar Kelimeler

• Doğrusal olmayan yöntem
• Betonarme
• Bina
• Deplasman
• Kesme kuvveti

References

1. [1] Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik. “T.C. Bayındırlık ve İskân Bakanlığı”, Ankara, Türkiye, 26454, 2007.
2. [2] Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği. “Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı”. Ankara, Türkiye, 30364, 2018.
3. [3] Mpampatsikos V, Nascimbene R, Petrini L. “A critical review of the R.C. frame existing building assessment procedure according to eurocode 8 and Italian seismic code”. Journal of Earthquake Engineering, 134(12), 1818-1828, 2008.
4. [4] Serimer G. Betonarme Binaların Performans Düzeylerinin Farklı Yazılımlar Kullanılarak İncelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara, Türkiye, 2008.
5. [5] Kuyucular A, Kandak ÖÖ. “Statik-betonarme tasarım için Türkiye’de kullanılan ticari paket yazılımların farklı sonuçları”. X. Akademik Bilişim Konferansı, Çanakkale, Türkiye, 30 Ocak-1 Şubat 2008.
6. [6] Gelibolu İS. Sta4CAD Paket Programı İle SAP2000 Analiz Programının Mod Birleştirme Yöntemi Kullanarak Karşılaştırılması. Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi, Adana, Türkiye, 2008.
7. [7] Sırlıbaş C. Sta4CAD Farklı Tipteki Betonarme Yapıların Sta4cad Ve Etabs Programları İle Çözülmesi ve Sonuçların Karşılaştırılması. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul, Türkiye, 2013.
8. [8] Shirinov J. Betonarme Binaların Performans Düzeylerinin Farklı Yazılımlar Kullanılarak İncelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Aydın Üniversitesi, İstanbul, Türkiye, 2016.

9. [9] Karayer A, Severcan MH. “Farklı tip betonarme yapıların paket programlar ile analizi ve karşılaştırılması”. Black Sea Journal of Engineering and Science, 1(2), 41–50, 2014.
10. [10] Kolak MN. Çok Katlı Yapıların Farklı Paket Programlar İle Deprem Performanslarının İncelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi, Elazığ, Türkiye, 2018.
11. [11] Sta4-CAD. Versiyon 14.1. Sta Bilgisayar Mühendislik Müşavirlik Ltd. Şt., İstanbul, Türkiye, 2015. http://www.sta4.net/ (01.06.2023).
12. [12] ProtaStructure2022. “Versiyon 6.0.512. Prota Yazılım”. Ankara, Türkiye, 2014. https://www.protayazilim.com/protastructure (01.06.2023).
13. [13] İdeCAD. Versiyon 10. “İde Yapı”. Bursa, Türkiye, 2014. https://www.idecad.com.tr/ (01.06.2023).
14. [14] SAP2000. Version 20. “Structural Software for Analysis and Design, Computers and Structures”. Inc, USA. https://www.csiamerica.com/products/sap2000 (01.06.2023).
15. [15] Mander JB, Priestley MJN, Park R. “Observed stress-strain behavior of confined concrete”. Journal of Structural Engineering, 114(8), 1804-1826, 1998.
16. [16] Ersoy U, Özcebe G. “Moment-curvature relationship of confined concrete sections”. Teknik Dergi/Technical Journal of Turkish Chamber of Civil Engineers, 9(DEC), 5549–553, 1998.
17. [17] Federal Emergency Management Agency. “Improvement of Nonlinear Static Seismic Analysis Procedures”. Washington (DC), FEMA-440. 2005.
18. [18] Applied Technology Council. “Seismic evaluation and retrofit of concrete buildings”. Vols. 1 and 2. California, SSC96-01, 1996.
19. [19] Bae S, Bayrak O. “Plastic hinge length of reinforced concrete columns”. ACI Structural Journey, 105(3), 290-300, 2008.
20. [20] Baker ALL. Ultimate Load Theory Applied To The Design Of Reinforced And Prestressed Concrete Frames. 1st ed. London, England, Concrete Publications Ltd, 1956.
21. [21] Mortezaei A.“Plastic hinge length of RC columns under the combined effect of near-fault vertical and horizontal ground motions”. Periodica Polytechnica Civil Engineering, 58(3), 243-253, 2014.
22. [22] Paulay T, Priestley MJN. Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings. 1st ed. New York, USA, John Wiley and Sons, 1992.
23. [23] Corley WG. “Rotational capacity of reinforced concrete beams”. Journal of the Structural Division, 92(ST5), 121-146, 1966.
24. [24] Park R, Priestley MJN, Gill WD. “Ductility of squareconfined concrete columns”. Journal of Structural Division, 108(ST4), 121-146, 1982.
25. [25] Inel M, Ozmen HB. “Effects of plastic hinge properties in nonlinear analysis of reinforced concrete buildings”. Engineering Structures, 28 (2006), 1494-1502, 2006.
26. [26] Betonarme Yapıların Tasarım ve yapım Kuralları. “T.C. Bayındırlık ve İskân Bakanlığı”. ICS91.080.40, Ankara, Türkiye, 2000.