Sismik izolatörlerin betonarme konut binasının performansı üzerindeki etkileri

Öz

Çerçeve veya çerçeve ve perde sistemlerin birlikte kullanılması esasına dayanan geleneksel sismik tasarım genellikle yüksek ivmelenmelere ve yüksek göreli kat ötelenmelerine sebep olur. Bunun sonucunda, yapının kendisi temel olarak bozulmadan kalsa bile, yapı içindeki cihazlar zarar görebilir. Binanın kendisinden daha pahalı ekipman içeren binalar için bu durum, tolere edilemez. Bu tür binalarda, yapıyla temeli arasına yerleştirilen izolatörler iyi bir seçim olabilir. Çalışma sismik izolatörler kullanımın tipik bir betonarme konut binasının performansı üzerindeki etkilerinin değerlendirilmesini amaçlamaktadır. Bu kapsamda, 2018 Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği’ne göre tasarlanmış binanın tabanda izolatör bulunması ve bulunmaması durumu göz önüne alınmıştır. Ayrıca farklı tip izolatörlerin talepler üzerindeki etkisinin incelenmesi için ankastre mesnetli geleneksel model ile kurşun çekirdekli kauçuk izolatör veya sürtünmeli sarkaç izolatörlerin farklı kombinasyonlarıyla toplam 5 farklı model oluşturulmuştur. Deprem etkisi altında doğrusal elastik olmayan davranış için, kiriş ve kolon elemanların her iki ucunda plastik mafsallar ile doğrusal elastik olmayan özelliğe sahip izolatörler kullanılmıştır. Yapı modellerinin sismik performansının değerlendirilmesinde doğrusal olmayan zaman tanım alanında dinamik analiz yöntemi kullanılmıştır. İzolatörlü bina modellerinin konvansiyonel modele kıyasla yapı davranışında meydana getirdiği değişiklikler incelenmiştir. Performans değerlendirmesinde periyot değerleri, sismik talepler ve hasar dağılımları göz önüne alınmıştır. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda, izolatörlü binalarda periyot değerindeki artışa bağlı olarak, sismik performans üzerindeki olumlu etkiler açıkça ortaya koyulmuştur. Ayrıca farklı tipteki izolatörlerin birlikte kullanıldığı tasarımların bu sonuçları daha da iyileştirdiği görülmüştür.

Anahtar Kelimeler

• Türkiye bina deprem yönetmeliği (2018)
• Performans analizi
• Zaman tanım alanında dinamik analiz
• Sismik izolatör

The effect of seismic isolation on performance of a residence building

Abstract

Traditional seismic design, based on use of moment frames and shear walls together to increase seismic resistance of structures, often leads to high acceleration or high interstory displacement demands. Although the structure itself remains fundamentally intact, the devices inside the structure can be damaged. This may not be tolerable for buildings with expensive equipment. Seismic isolation may be a good choice for such buildings. This study aims to evaluate the effect of seismic isolation on the performance of a typical residential building designed per 2018 Turkey Building Code. Five different models have been created with traditional model and different combinations of lead core rubber isolator or friction isolators. Beam and column elements are modeled as nonlinear frame elements with lumped plasticity by defining plastic hinges at both ends of beams and columns. Nonlinear behavior of seismic isolators has also been considered. Nonlinear time history analyses are used for performance evaluation of the building with and without seismic isolation. Seismic behavior of conventional and base-isolated buildings was examined. Period values, seismic demands and damage distribution are considered for performance evaluation. The outcomes show that seismic isolation has positive effects to decrease seismic demands. In addition, the improvements in seismic behavior are more obvious when designs different types of isolators are used together.

Keywords

• Turkish building earthquake code (2018)
• Performance evaluation
• Seismic isolation
• Time history analysis

References

1. [1] Matsagar VA, Jangid RS. “Influence of isolator characteristics on the response of base-isolated structures”. Engineering Structures, 26, 1735-1749, 2004.
2. [2] Ordonez D, Foti D, Bozzo L. “Comparative study of the inelastic response of base isolated buodings”. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 32, 151-164,2003.
3. [3] Jangid RS, Kelly JM. “Base isolation for near-fault motions”. Earthquake Engineering and Structural, Dynamics, 30, 691-707, 2001.
4. [4] Hoseini Vaez SR, Naderpour H, Kalantari SM, Fakharian P. “Proposing the optimized combination of different isolation bearings subjected to near-fault ground motions”. 15th World Conference on Earthquake Engineering, Lisboa, Portugal, 24-28 September 2012.
5. [5] Naeim F, Kelly J. Design of Seismic Isolated Structures. 1st Ed. New York, USA, Wiley,1996.
6. [6] JL Almazan, JC De la Llera. “Analytical model of structures with frictional Pendulum isolators”. Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 31, 305-332, 2002.
7. [7] Kelly J. “Tension buckling in multilayer elastomeric bearings”. Journal of Engineering Mechanics, 129(12), 1363-1368, 2003.
8. [8] Sharbatdar MK, Hoseini Vaez SR, Ghodrati Amiri G, Naderpour H. “Seismic response of base isolated structures with LRB and FPS under near fault ground motions”. Procedia Engineering, 14, 3245-3251, 2011.

9. [9] Wu YM, Samali B. “Shake table testing of a base isolated model”. Engineering Structures, 24(9), 203-215, 2002.
10. [10] Ismail M. “Elimination of torsion and pounding of isolated asymmetric structures under near-fault ground motions”. Structural Control Health Monitoring, 22, 1295-1324, 2015.
11. [11] TBDY-2018. “Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği”. Çevre ve Şehircilik Bakanlığı. Ankara, Türkiye, 30364, 2018.
12. [12] Mander JB, Priestley MJN, Park R. “Theoretical stress-strain model for confined concrete”. American Society of Civil Engieering, 114(8), 1804-1826, 1988.
13. [13] İnel M, Özmen Hayri B. “Effects of plastic hinge properties in nonlinear analysis of reinforced concrete building”. Engineering Structures, 28(11), 1494-1502, 2006.
14. [14] SEMAp. “Sargı Etkisi Modelleme Analiz Programı”. Ankara, Türkiye, Tubitak Proje No: 105M024, 2008.
15. [15] Fardis MN, Biskinis DE. Deformation of RC Members, as Controlled by Flexure or Shear. Editor: Shiohara H. Performance-based Engineering for Earthquake Resistant Reinforced Concrete Structures: a Volume Honoring Shunsuke Otani, University of Tokyo, 515-530, Otani, Tokyo, 2003.
16. [16] SAP2000 V-20 CSI. “Integrated Finite Element Analysis and Design of Structures Basic Analysis Reference Manual”. Berkeley, USA, 2020.
17. [17] FEMA P-751. 2009 NEHRP Recommended Seismic Provisions: Design Examples, 751, Chapter 12, Washington DC, USA, 2012.
18. [18] FEMA P-1051. 2015 NEHRP Recommended Seismic Provisions:Design Examples, 1051, Chapter 15, Washington DC, USA, 2016.
19. [19] Erduran E, Dao ND, Ryan KL. “Comparative response assessment of minimally compliant low-rise conventional and base-isolated steel frames”. Earthquake Engineering for Structural Dynamics, 40, 1123-1141, 2010.
20. [20] Ceccoli C, Mazzotti C, Savoia M. “Non-linear seismic analysis of base-İsolated RC frame structures”. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 28, 633-653, 1999.
21. [21] Şengel HS, Erol H, Yavuz E. “Sismik izolasyon tekniği ve kullanışına ilişkin örnek uygulama”. Journal of Engineering and Architecture Faculty of Eskişehir Osmangazi University, 22(2), 166-178, 2009.
22. [22] Ryan KL, Kelly JM, Chopra AK. “Nonlinear model for lead-rubber bearings ıncluding axial-load effects”. Journal of Engineering Mechanics, 131, 1270-1278, 2005.
23. [23] PEER. “PEER Ground Motion Database”. http://peer.berkeley.edu (09.09.2019).
24. [24] Kayhan AH, Korkmaz KA, Irfanoglu A. “Selecting and scaling real ground motion records using harmony search algorithm”. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 31(2011), 941-953,2011.
25. [25] NEHRP. Selecting and Scaling Earthquake Ground Motions for Performing Response-history Analyses, NIST GCR 11-917-15, the NEHRP Consultants Joint Venture for the National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland, USA, 2011.
26. [26] Karakutuk O. Effects of Ground Motion Selection on Seismic Response of Buildings. A thesis Submitted to the Graduate School of Natural and Applied Sciences of Middle East Technical University, Ankara, Turkey, 2015.
27. [27] TC İçişleri Bakanlığı Afet ve Acil Durum Yönetimi Deprem Dairesi Başkanlığı. “Türkiye Deprem Tehlike Haritası”. https://tdth.afad.gov.tr (08.09.2019).
28. [28] Çelik S. Düşük ve Orta Yükseklikteki Binaların Deplasman Taleplerinin Doğrusal Elastik Olmayan Zaman Tanım Alanında Dinamik Analizle Tahmini. Yüksek Lisans Tezi, İnşaat Müh. Bölümü, Pamukkale Üniversitesi, Denizli, Türkiye, 2011.