COMPARISON OF DIFFERENT LOAD PATTERNS FOR PERFORMANCE BASED SEISMIC RESPONSE OF BUILDINGS
Date
2022-01-21
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Modern seismic codes are increasingly using performance-based design methods that
employ nonlinear static (pushover) and dynamic (response history) analyses to
determine more realistic behavior of structures under earthquake loads. Nonlinear
analysis methods consider the inelastic behavior including strength and stiffness
degradation and the dynamic characteristics of the structures. Although the
advancements in computer processing power have made both nonlinear static and
dynamic analyses more accessible to the practicing engineers, relative simplicity of
pushover analyses have made them more popular in engineering practice.
In this thesis, different lateral load patterns commonly used in seismic pushover
analysis are examined and their effects on the global behavior and the performance of
building structures are compared. Buildings are assumed to be made of reinforced
concrete. Three different building heights (3-, 7-, and 10-story) and two different
layouts (regular square layout and irregular L-shape layout with re-entrant corner) are
considered. Effects of infill walls are also studied for buildings with regular layout.
Seismic responses of the buildings are computed using SAP2000 software by four
different analysis methods: (i) linear static analysis using equivalent lateral force
(ELF) method, (ii) linear response history analysis (RHA), (iii) nonlinear static
(pushover) analysis, and (iv) nonlinear response history analysis. In nonlinear
analyses, lumped plastic hinges at the frame element ends are employed. M3 hinges
are used in beam elements and P-M2-M3 hinges are used in column elements. Hinge
properties are determined in accordance with FEMA-356. Seismic loads are calculated
assuming buildings were at a location having a Site Class B (rock) based on ASCE 7-
10. For response history analyses, scaled acceleration records of 1940 El Centro
earthquake are used. Limited studies are also performed to investigate application of
fiber hinges, softer soil conditions (Site Class C), and effects of infill walls in the 7-
story building model with regular layout.
Three different pushover lateral load patterns that are based on uniform acceleration
(UA), fundamental mode (FM) and the method of modal combination (MMC) are
considered. For each analysis method and pushover lateral load patterns, various
response parameters (including performance points, story displacements, story drifts,
plastic hinge locations, etc.) are computed for all models and compared with the results
of other cases. The results have indicated that MMC lateral load pattern in general
have better agreement with nonlinear response history analysis results compared to the
other load patterns. MMC has the advantage of being a relatively simple method to
establish a force pattern that includes the effects of higher modes by combination of
multiple mode shapes. From comparison of the results for buildings with regular and
irregular layouts, it is observed that all three load patterns give somewhat similar
pushover results in regular 3-story buildings and the differences in the results become
more pronounced as the number of stories (or building height) increases and when the
building layout is irregular. Since the higher modes have a greater contribution to the
dynamic response in irregular buildings and taller buildings, the differences between
the pushover and nonlinear RHA results increase in these buildings. MMC load pattern
is considered to be a more appropriate choice as it gives more accurate and reliable
results due to consideration of higher modes. FM load pattern leads to higher story
displacements and drifts in regular buildings and lower story displacements and drifts
in irregular buildings except the 3-story building. MMC load pattern usually leads to
similar or lower story displacements and drifts in all cases when compared to UA load
pattern. Presence of infill walls have increased the pushover capacities of the regular
buildings, increasing the base shear about 15-25 % and decreasing the corresponding
roof displacement about 20-30 % at the performance point.
Description
BİNALARIN PERFORMANSA DAYALI SİSMİK TEPKİSİ İÇİN FARKLI
YANAL YÜK KALIPLARININ KARŞILAŞTIRILMASI
ÖZ: Modern deprem yönetmelikleri, yapıların deprem yükleri altında daha gerçekçi davranışlarını belirlemek için doğrusal olmayan statik (itme) ve dinamik (zaman tanım alanı) analizlerin kullanımını gerektiren performansa dayalı tasarım yöntemlerini giderek daha fazla kullanmaktadır. Doğrusal olmayan analiz yöntemleri, dayanım ve rijitlik azalımı da dâhil olmak üzere yapıların elastik olmayan davranışlarını ve dinamik özelliklerini dikkate alır. Bilgisayarların işlem güçlerindeki gelişmeler doğrusal olmayan statik ve dinamik analizleri tasarım mühendisleri için daha erişilebilir hale getirmiş olsa da itme yöntemlerinin görece daha basit olması onları mühendislik uygulamalarında daha popüler hale getirmiştir. Bu tezde, sismik itme analizinde yaygın olarak kullanılan farklı yanal yük kalıpları incelenmiş, yapıların davranış ve performanslarına etkileri karşılaştırılmıştır. Binaların betonarme olduğu varsayılmıştır. Üç farklı bina yüksekliği (3-, 7- ve 10-katlı) ve iki farklı plan (düzenli kare plan ve düzensiz L-şekli) dikkate alınmıştır. Düzenli binalar için dolgu duvarların etkileri de incelenmiştir. Binaların sismik tepkileri dört farklı analiz yöntemi ile SAP2000 yazılımı kullanılarak hesaplanmıştır: (i) eşdeğer yanal kuvvet yöntemi kullanılarak doğrusal statik analiz, (ii) doğrusal zaman tanım alanında analiz, (iii) doğrusal olmayan statik (itme) analizi ve (iv) doğrusal olmayan zaman tanım alanında analiz. Doğrusal olmayan analizlerde, çerçeve elemanı uçlarındaki toplanmış plastik mafsallar kullanılmıştır. Kiriş elemanlarında M3 mafsalları, kolon elemanlarında P-M2-M3 mafsalları kullanılmıştır. Mafsal özellikleri FEMA-356'ya göre belirlenmiştir. Sismik yükler, binaların ASCE 7-10 yönetmeliğinde tanımlanmış olan B saha sınıfına sahip bir zemin (kayaç zemin) üzerinde olduğu varsayılarak hesaplanmıştır. Zaman tanım alanında analizler için 1940 El Centro depreminin ölçekli ivme kayıtları kullanılmıştır. Fiber (lif) mafsalların, farklı zemin sınıfının (C saha sınıfı) ve dolgu duvarların 7-katlı bina modelin sismik davranışına etkileri için sınırlı çalışmalar da yapılmıştır. Sabit ivme (Sİ), temel mod (TM) ve modal kombinasyon (MK) yöntemlerine dayalı üç farklı itme yanal yük kalıbı dikkate alınmıştır. Her analiz yöntemi ve itme yanal yük modelleri için çeşitli tepki parametreleri (performans noktaları, kat yer değiştirmeleri, kat ötemeleri, taban kesme kuvveti ve plastik mafsal konumları vb.) tüm modeller için hesaplanmış ve karşılaştırılmıştır. Bu çalışmanın sonuçlarına göre, modal kombinasyon yöntemiyle belirlenen yanal yük kalıbının genel olarak, diğer yük kalıplarına kıyasla doğrusal olmayan zaman tanım alanı analiz sonuçları ile daha iyi bir uyuşmaya sahip olduğunu görülmüştür. MK kalıbı çoklu mod şekillerinin birleşimi ile elde edilmiş bir kuvvet kalıbına dayanan görece basit bir yöntem olma avantajına sahiptir. Düzenli ve düzensiz binaların karşılaştırılmasından, üç yük kalıbının da 3- katlı düzenli binalarda genel olarak benzer itme sonuçları verdiği ve sonuçlardaki farkların kat sayısı (veya bina yüksekliği) ve düzensiz binalarda daha belirgin hale geldiği görülmüştür. Yüksek modlar, düzensiz binalarda ve yüksek binalarda dinamik tepkiye daha fazla katkıda bulunduğundan, bu binalarda itme ve doğrusal olmayan zaman tanım alanı analizleri arasındaki farklar artar. MK yük kalıbı daha yüksek modların etkilerini dikkate alabildiğinden ve dolayısıyla daha doğru ve güvenilir sonuçlar verdiği için daha uygun bir seçimdir. TM yük kalıbı, 3-katlı bina dışında düzenli binalarda daha yüksek kat yer değiştirmelerine ve ötelemelerine, düzensiz binalarda ise daha düşük kat yer değiştirmelerine ve ötelemelerine sebep olmuştur. Düzenli binalarda dolgu duvarlar, performans noktasında taban kaymasını yaklaşık %15-25 arttırarak ve karşılık gelen çatı yer değiştirmesini yaklaşık % 20-30 azaltarak düzenli binaların itme kapasitelerini arttırmıştır.
ÖZ: Modern deprem yönetmelikleri, yapıların deprem yükleri altında daha gerçekçi davranışlarını belirlemek için doğrusal olmayan statik (itme) ve dinamik (zaman tanım alanı) analizlerin kullanımını gerektiren performansa dayalı tasarım yöntemlerini giderek daha fazla kullanmaktadır. Doğrusal olmayan analiz yöntemleri, dayanım ve rijitlik azalımı da dâhil olmak üzere yapıların elastik olmayan davranışlarını ve dinamik özelliklerini dikkate alır. Bilgisayarların işlem güçlerindeki gelişmeler doğrusal olmayan statik ve dinamik analizleri tasarım mühendisleri için daha erişilebilir hale getirmiş olsa da itme yöntemlerinin görece daha basit olması onları mühendislik uygulamalarında daha popüler hale getirmiştir. Bu tezde, sismik itme analizinde yaygın olarak kullanılan farklı yanal yük kalıpları incelenmiş, yapıların davranış ve performanslarına etkileri karşılaştırılmıştır. Binaların betonarme olduğu varsayılmıştır. Üç farklı bina yüksekliği (3-, 7- ve 10-katlı) ve iki farklı plan (düzenli kare plan ve düzensiz L-şekli) dikkate alınmıştır. Düzenli binalar için dolgu duvarların etkileri de incelenmiştir. Binaların sismik tepkileri dört farklı analiz yöntemi ile SAP2000 yazılımı kullanılarak hesaplanmıştır: (i) eşdeğer yanal kuvvet yöntemi kullanılarak doğrusal statik analiz, (ii) doğrusal zaman tanım alanında analiz, (iii) doğrusal olmayan statik (itme) analizi ve (iv) doğrusal olmayan zaman tanım alanında analiz. Doğrusal olmayan analizlerde, çerçeve elemanı uçlarındaki toplanmış plastik mafsallar kullanılmıştır. Kiriş elemanlarında M3 mafsalları, kolon elemanlarında P-M2-M3 mafsalları kullanılmıştır. Mafsal özellikleri FEMA-356'ya göre belirlenmiştir. Sismik yükler, binaların ASCE 7-10 yönetmeliğinde tanımlanmış olan B saha sınıfına sahip bir zemin (kayaç zemin) üzerinde olduğu varsayılarak hesaplanmıştır. Zaman tanım alanında analizler için 1940 El Centro depreminin ölçekli ivme kayıtları kullanılmıştır. Fiber (lif) mafsalların, farklı zemin sınıfının (C saha sınıfı) ve dolgu duvarların 7-katlı bina modelin sismik davranışına etkileri için sınırlı çalışmalar da yapılmıştır. Sabit ivme (Sİ), temel mod (TM) ve modal kombinasyon (MK) yöntemlerine dayalı üç farklı itme yanal yük kalıbı dikkate alınmıştır. Her analiz yöntemi ve itme yanal yük modelleri için çeşitli tepki parametreleri (performans noktaları, kat yer değiştirmeleri, kat ötemeleri, taban kesme kuvveti ve plastik mafsal konumları vb.) tüm modeller için hesaplanmış ve karşılaştırılmıştır. Bu çalışmanın sonuçlarına göre, modal kombinasyon yöntemiyle belirlenen yanal yük kalıbının genel olarak, diğer yük kalıplarına kıyasla doğrusal olmayan zaman tanım alanı analiz sonuçları ile daha iyi bir uyuşmaya sahip olduğunu görülmüştür. MK kalıbı çoklu mod şekillerinin birleşimi ile elde edilmiş bir kuvvet kalıbına dayanan görece basit bir yöntem olma avantajına sahiptir. Düzenli ve düzensiz binaların karşılaştırılmasından, üç yük kalıbının da 3- katlı düzenli binalarda genel olarak benzer itme sonuçları verdiği ve sonuçlardaki farkların kat sayısı (veya bina yüksekliği) ve düzensiz binalarda daha belirgin hale geldiği görülmüştür. Yüksek modlar, düzensiz binalarda ve yüksek binalarda dinamik tepkiye daha fazla katkıda bulunduğundan, bu binalarda itme ve doğrusal olmayan zaman tanım alanı analizleri arasındaki farklar artar. MK yük kalıbı daha yüksek modların etkilerini dikkate alabildiğinden ve dolayısıyla daha doğru ve güvenilir sonuçlar verdiği için daha uygun bir seçimdir. TM yük kalıbı, 3-katlı bina dışında düzenli binalarda daha yüksek kat yer değiştirmelerine ve ötelemelerine, düzensiz binalarda ise daha düşük kat yer değiştirmelerine ve ötelemelerine sebep olmuştur. Düzenli binalarda dolgu duvarlar, performans noktasında taban kaymasını yaklaşık %15-25 arttırarak ve karşılık gelen çatı yer değiştirmesini yaklaşık % 20-30 azaltarak düzenli binaların itme kapasitelerini arttırmıştır.
Keywords
civil engineering