Free Vibration Analysis of Frame Systems with Soil Structure Interaction

Öz

In this study, the change of periods of planar frames by considering the soil-structure interaction is examined. For this aim, 5 different soil classes which representing in Turkey seismic code are considered. In this study, the suitability of using simplified methods for free vibration analysis of structure-soil interaction was investigated. Free vibration analysis of a typical frame system was carried out with four different approaches for five different soil classes and the results were compared. In the first model, the soil was modeled with shell elements using SAP2000 software. In the second model, SAP2000 was used again, but the soil was represented by equivalent columns. In the third model, the frame and shell are modeled with the equivalent shear beam approach. Lateral stiffness matrices and  mass matrices of  this model were created by the help of  SCILAB software and periods were obtained. The fourth model is based on the assumption that the structure and soil are uniform throughout  the building  height and soil  layers.In the fourth model, a practical equation in the literature was applied to the sample and the natural vibration periods were obtained for five different soil classes. At the end of the study, the results were evaluated. 

Anahtar Kelimeler

• Frame systems,soil-structure interaction,shell element,equivalent column,shear beam

Çerçeve Sistemlerin Yapı Zemin Etkileşimli Serbest Titreşim Analizi

Öz

Bu çalışmada, düzlem çerçevelerin periyotlarındaki değişim yapı zemin etkileşimi dikkate alınarak incelenmiştir. Bu amaçla Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği’nde yer alan zemin sınıflarını temsil eden 5 farklı zemin sınıfı dikkate alınmıştır. Çalışmada basitleştirilmiş yöntemlerin bu tür sistemlerin serbest titreşim analizinde kullanılmasının uygunluğu araştırılmıştır. Tipik bir çerçeve sistemin serbest titreşim analizi beş farklı zemin sınıfı için dört farklı yaklaşımla yapılarak sonuçlar karşılaştırılmıştır. Birinci modelde SAP2000 yazılımı kullanılarak zemin kabuk elemanlarla modellenmiştir. İkinci modelde gene SAP2000 kullanılmış ancak zemin eşdeğer kolonlarla temsil edilmiştir. Üçüncü modelde ise çerçeve sistem ile zemin eşdeğer kayma kirişi yaklaşımı ile modellenmiştir. Bu modele ait yatay rijitlik matrisleri ve kütle matrisleri SCILAB paket programı yardımıyla oluşturularak periyotlar elde edilmiştir. Dördüncü model ise yapı ve zeminin yapı yüksekliği ve zemin tabakaları boyunca üniform olduğu kabulüne dayanmaktadır. Dördüncü modelde literatürde yer alan pratik bir bağıntı çalışmada ele alınan örneğe uygulanarak doğal titreşim periyotları farklı beş zemin sınıfı için elde edilmiştir. Çalışmanın sonunda elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Çerçeve sistem,yapı zemin etkileşimi,kabuk eleman,eşdeğer kolon,kayma kirişi

Kaynakça

1. [1] Wolf, J.P. ,” Dynamic soil-structure interaction”, Prentice Hall, Englewood Cliffs,(1987).
2. [2] Wolf, P. J., “Classification of analysis methods for dynamic soil-structure interaction, Second International Conference on Recent Advances in Geotechnical Earthquake Engineering & Soil Dynamics ,Missouri University of Science and Technology Scholars' Mine ,1821-1832,(1991).
3. [3] Nadjai, A., Johnson, D., Lyness, F. J., (1999)“Soil–structure interaction in tall buildings by a discrete force method”, Proc. Instn Civ. Engrs Structs & Bldgs, 134(1),9-18,(1999).
4. [4] Mylonakis G. , Gazetas, G. ,“Seismic soil structure interaction: beneficial or detrimental”, Journal Of Earthquake Engineering, 4( 3), 277-301.(2000)
5. [5] Massumi, A. ve Tabatabaiefar, H.R., “A Criterion for considering soil-structure interactıon effects in seismıc design of ductile rc-mrfs according to Iranıan codes” , The 14 th World Conference on Earthquake Engineering, Beijing, China.(2008)
6. [6] García, A. J., “Soil structure interaction in the analysis and seismıc design of reınforced concrete frame buildings”, The 14 th World Conference on Earthquake Engineering, Beijing, China ,(2008).
7. [7] Kausel, E., “ Early history of soil-structure interaction”, Soil Dynamics and Earthquake Engineering ,30, 822-832,(2010).
8. [8] Mahmoudpour, S., Attarnejad, R., Behnia, C., “Dynamic analysis of partially embedded structures considering soil-structure interaction in time domain”, Mathematical Problems in Engineering, (2011).

9. [9] Kraus, I. ve Džakić, D., “Soil-structure interaction effects on seismic behaviour of reinforced concrete frames” 5.SE-EEE Conference,Croatia.(2013)
10. [10] Tabatabaiefar, R.H., Fatahi B,“Idealisation of Soil–structure system to determine inelastic seismic response of mid-rise building frames”,Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 66, 339–351. (2014)
11. [11] Venanzi, I., Salciarini D., ,Tamagnini C.,”The effect of soil-foundation-structure interaction on the wind-induced response of tall buildings, Engineering Structures ,79 ,117-130 .(2014)
12. [12] Bilotta, E., Sanctis D. L., Laora D. R., D’onofrio, A., Silvestri, F., “Importance of seismic site response and soil–structure interaction in dynamic behaviour of a tall Ge´otechnique,65(5),391–400. (2015).
13. [13] Tabatabaiefar, R.H. ve Clifton, T. “Signifıcance of considering Soil-Structure interaction Effects On seismic design of unbraced buildıng frames resting on soft soils”, Australian Geomechanics,51(1),(2016).
14. [14] Kabtamu, G.H., Peng, G., Denghong, C., D., “Dynamic analysis of soil structure interaction effect on multi story rc frame”, Open Journal of Civil Engineering, 8, 426-446, (2018).
15. [15] Bap B. Z. ,Kollár P.L,”Effect Of Resonance in Soil-Structure Interaction For Finite Soil Layers”, Periodica Polytechnica Civil Engineering, 62(3),738-747,(2018) .
16. [16] Penava, D., Ivan Kraus, I., Petronıjevıć, M., Schmıd, G. Dynamic Soil-Structure Analysis Of Tower-Like Structures Using Spectral Elements”,Gradevinar ,25(3),(2018)
17. [17] Anwar, N., Uthayakumar, A., Najam F. A. “Significance Soil-Structure Interaction in Seismıc Response of Buildıngs”, Ned Unıversıty Journal Of Research-Specıal Issue On Fırst South Asıa Conference On Earthquake Engıneerıng (Sacee'19),(2019).
18. [18] Arias,H.,Jaramillo,J.D.”Base Shear Determination Using Response-Spectrum Modal Analysis of Multi-Degree-of-Freedom Systems with Soil–Structure Interaction” ,Bulletin of Earthquake Engineering,17(4),3801-3814,(2019).
19. [19] Aydınoğlu,N.” Üstyapı-zemin ortak sisteminin deprem hesabı”,Doktora tezi,İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,(1977)
20. [20] Livaoğlu R., Doğangün A., “Farklı taşıyıcı sisteme sahip ayaklı depoların zemin sınıflarına göre dinamik davranışlarının irdelenmesi”, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 7(3), 70-77,(2003).
21. [21] Çağlar, N., Garip, Z., Ş., Yaman, Z., D., “Deprem etkisindeki betonarme yapılarda yapı-zemin etkileşimi”, Deprem Sempozyumu ,Kocaeli,1089-1096, (2005).
22. [22] Mısır, İ., S., Özden, G., Kahraman, S., “Temel-zemin yaylarının alansal etkileşimi ve yapı davranışına etkisi”, Deprem Sempozyumu ,Kocaeli,1064-1073, (2005).
23. [23] Karabörk, T., Deneme, Ö., İ., Bilgehan, R., P., “Temeli izole edilen yapılarda dinamik yapı-zemin etkileşimi”, Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 26(1), 77-87,(2010).
24. [24] Geneş, M. C., Doğanay, E., Bikçe, M., Kaçın, S., (2011) “Soil-structure interaction in rc frame buildings from strong-motion recordings”, KSU Mühendislik Dergisi, 14(1),(2011).
25. [25] Siyahi, B., Çetin, K. O., Bilge H. T. “Geoteknik deprem mühendisliği açısından zemin - temel - yapı etkileşimine kritik bakış”, Türkiye Mühendislik Haberleri, 484,41-50, (2013).
26. [26] Derdiman, M., K., “Farklı özelliklere sahip zeminlerin betonarme yüksek yapılarda yapı salınım periyoduna etkisi”, Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 13, 9-15,(2013).
27. [27] Çaycı, B., T., İnel, M., “Mevcut betonarme binalarda zemin yapı etkileşiminin sismik davranış üzerindeki etkileri”, 3. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı, İzmir, (2015).
28. [28 ]Garip, Z., Ş., “Yumuşak kat düzensizliği olan betonarme binalarda yapı zemin etkileşimi”, 5th International Symposium on Innovative Technologies in Engineering and Science, Bakü ,1036-1045,(2017).
29. [29] Çetinkaya, M. Y., Çelebi, E., Kırtel, O., “Yapı-temel-zemin sismik etkileşim probleminin Adapazarı bölgesi için empedans fonksiyonları yardımıyla analizi”, Politeknik Dergisi, 20 (2) , 325-332,(2017).
30. [30] Kılıçer, S., Özgan, K., “Deprem yükü etkisindeki betonarme yapıların tasarımında yapı-zemin etkileşiminin incelenmesi”, Doğ Afet Çev Derg, 4(1), 1-10,.(2018).
31. [31] Avcı, Y., Yazgan, U., “Zemin-yapı etkileşimli sistemlerde en büyük doğrusal olmayan yer değiştirme oranı”, Gazi Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 34(3),1527-1537,(2019).
32. [32] TBDY 2018, “Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği”, AFAD, (2018).
33. [33] Tezcan, S. ,Durgunoğlu ,T. (2000). “Jeofizik etütlerin zemin büyütme analizindeki önemi e örnekler,Jeofizik,14,43-60, (2000).
34. [34] SAP2000, "Evaluation Version", Computers and Structures, (2018).
35. [35] Taranath B.S., “Reinforced concrete design of tall buildings”, CRC Press, (2009).
36. [36] Murashev, V., Sigalov, E., and Baikov, V. N., “Design of reinforced concrete structures”, Mir Publishers, Moscow, (1976).
37. [37] Bilyap,S.,” Betonarme yüksek yapılarda perde çerçeve sistemlerinin yatay kuvvetlere göre hesabı”Ege Üniversitesi Matbaası,İzmir,(1979).
38. [38] Ertutar,Y.,” Betonarme yüksek yapılarda yatay yük etkisi” Dokuz Eylül Üniversitesi Yayınları,İzmir,(1995).
39. [39] SCILAB, Open Sources Software for Numerical Computations, https://www.scilab.org/fr.
40. [40] Kiefer,A., Leger,P.,”Semi-continuum seismic analysis of soil–building systems”, Engineering Structures,21,332-340,(1999).
41. [41] The MathWorks Inc. MATLAB 7.0 (R14SP2). The MathWorks Inc., (2005).