A STUDY ON MODELING SOIL-STRUCTURE INTERACTION EFFECTS IN BUILDINGS
Date
2022-02-14
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Soil-structure interaction is usually not considered in the design of most buildings in
civil engineering practice. Based on the assumption that these effects reduce the base
shear (and the overall earthquake load) for most building structures and soil conditions
due to period lengthening, omission of soil-structure effects is in general considered
to be conservative and the buildings are designed as fixed base structures. This
assumption does not hold for certain building structures and soil conditions (e.g.,
massive structures, tall buildings, and structures on soft soil).
In this thesis, soil-structure interaction effects in buildings are studied using relatively
simple models prepared by a general-purpose structural analysis software (SAP2000).
A symmetrical, 6-story, 6-bay reinforced concrete moment resisting frame is
considered for both two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) building
models. Seismic responses of three different building structures (with varying
dynamic characteristics) on three different homogeneous, elastic soil mediums are
computed and compared with the responses of the corresponding fixed base models.
Soil-structure interaction effects are modeled by two approaches: (i) using soil springs
representing the soil impedance functions (substructure method), and (ii) modeling the
soil medium directly along with the structure and the foundation (direct analysis
method). Two types of foundation are considered in the models: footing foundation
(i.e., isolated footings) and raft foundation. ASCE 7-10 acceleration response spectra
are determined based on the soil properties and used to examine the seismic response
of the models considered. A limited study is also performed by time-history analyses
using an actual earthquake ground acceleration record (1940 El Centro).
Analyses of 2D and 3D models showed the well-known period lengthening effect of
soil-structure interaction clearly. The results of this study indicate that spring models
based on soil impedance functions that are widely used in practice lead to a lesser
period lengthening effect compared to direct models. Similarly, by examining the base
shear, story displacement, story drift, and foundation settlement results, it is observed
that the soil-structure interaction effects were more significant in the direct models
compared to the spring models.
Description
ZEMİN-YAPI ETKİLEŞİMİNİN BİNALAR ÜZERİNDEKİ ETKİLERİNİN
MODELLENMESİ ÜZERİNE BİR ÇALIŞMA
ÖZ: Zemin-yapı etkileşimi, inşaat mühendisliği uygulamalarındaki çoğu binanın tasarımında genellikle göz önüne alınmaz. Zemin-yapı etkileşiminin bina doğal periyodunun uzamasına sebep olmasından dolayı taban kesme kuvvetinin (ve bina üzerindeki toplam deprem yükünün) azaldığı varsayılarak, çoğu bina yapıları ve zemin koşulları için bu etkileşimin ihmal edilmesi daha güvenli sayılır ve binalar zemine ankastre mesnetlenmiş olarak tasarlanır. Bu varsayım, bazı bina yapıları ve zemin koşulları (ağır yapılar, gökdelenler, ve yumuşak zemin gibi) için geçerli değildir. Bu tezde binalardaki zemin-yapı etkileşimi, genel amaçlı bir yapısal analiz yazılımı (SAP2000) ile hazırlanmış görece basit modeller kullanılarak çalışılmıştır. İki boyutlu (2B) ve üç boyutlu (3B) bina modelleri için simetrik, 6 katlı, 6 açıklıklı moment dayanımlı betonarme bir çerçeve kullanılmıştır. Üç farklı homojen elastik zemin üzerinde üç farklı binanın (farklı dinamik karakteristiklere sahip) sismik tepkileri hesaplanmış ve zemine ankastre modellerin tepkileriyle karşılaştırılmıştır. Zemin-yapı etkileşimi iki farklı yaklaşımla modellenmiştir: (i) zemin empedans fonksiyonlarını temsil eden mesnet yayları kullanarak (altyapı yöntemi) ve (ii) zeminin üst yapı ve temel ile birlikte doğrudan modellenmesi (doğrudan analiz yöntemi) ile. Modellerde tekli temel ve radye temel olmak üzere iki tür temel dikkate alınmıştır. Modellerin sismik tepkileri zemin özelliklerine göre belirlenen ASCE 7-10 ivme spektrumları kullanılarak hesaplanmıştır. Gerçek bir deprem yer ivmesi kaydı (1940 El Centro) kullanılarak zaman tanımlı analizler ile de sınırlı bir çalışma yapılmıştır. 2B ve 3B modellerin analiz sonuçları, zemin-yapı etkileşiminin binanın doğal periyodunu uzatma etkisini net bir şekilde göstermiştir. Bu çalışmada, uygulamada yaygın olarak kullanılan zemin empedans fonksiyonlarına dayalı, zeminin mesnet yayları ile temsil edildiği modellerde (yay modelleri) binanın doğal periyodunu uzatma etkisinin doğrudan analiz modellerine göre daha az olduğu gözlemlenmiştir. Benzer şekilde, taban kesme kuvveti, kat yer değiştirmesi, kat ötelemesi ve temel oturması sonuçları incelendiğinde, doğrudan analiz modellerinde zemin-yapı etkileşiminin, yay modellerine göre daha yüksek hesaplandığı görülmüştür.
ÖZ: Zemin-yapı etkileşimi, inşaat mühendisliği uygulamalarındaki çoğu binanın tasarımında genellikle göz önüne alınmaz. Zemin-yapı etkileşiminin bina doğal periyodunun uzamasına sebep olmasından dolayı taban kesme kuvvetinin (ve bina üzerindeki toplam deprem yükünün) azaldığı varsayılarak, çoğu bina yapıları ve zemin koşulları için bu etkileşimin ihmal edilmesi daha güvenli sayılır ve binalar zemine ankastre mesnetlenmiş olarak tasarlanır. Bu varsayım, bazı bina yapıları ve zemin koşulları (ağır yapılar, gökdelenler, ve yumuşak zemin gibi) için geçerli değildir. Bu tezde binalardaki zemin-yapı etkileşimi, genel amaçlı bir yapısal analiz yazılımı (SAP2000) ile hazırlanmış görece basit modeller kullanılarak çalışılmıştır. İki boyutlu (2B) ve üç boyutlu (3B) bina modelleri için simetrik, 6 katlı, 6 açıklıklı moment dayanımlı betonarme bir çerçeve kullanılmıştır. Üç farklı homojen elastik zemin üzerinde üç farklı binanın (farklı dinamik karakteristiklere sahip) sismik tepkileri hesaplanmış ve zemine ankastre modellerin tepkileriyle karşılaştırılmıştır. Zemin-yapı etkileşimi iki farklı yaklaşımla modellenmiştir: (i) zemin empedans fonksiyonlarını temsil eden mesnet yayları kullanarak (altyapı yöntemi) ve (ii) zeminin üst yapı ve temel ile birlikte doğrudan modellenmesi (doğrudan analiz yöntemi) ile. Modellerde tekli temel ve radye temel olmak üzere iki tür temel dikkate alınmıştır. Modellerin sismik tepkileri zemin özelliklerine göre belirlenen ASCE 7-10 ivme spektrumları kullanılarak hesaplanmıştır. Gerçek bir deprem yer ivmesi kaydı (1940 El Centro) kullanılarak zaman tanımlı analizler ile de sınırlı bir çalışma yapılmıştır. 2B ve 3B modellerin analiz sonuçları, zemin-yapı etkileşiminin binanın doğal periyodunu uzatma etkisini net bir şekilde göstermiştir. Bu çalışmada, uygulamada yaygın olarak kullanılan zemin empedans fonksiyonlarına dayalı, zeminin mesnet yayları ile temsil edildiği modellerde (yay modelleri) binanın doğal periyodunu uzatma etkisinin doğrudan analiz modellerine göre daha az olduğu gözlemlenmiştir. Benzer şekilde, taban kesme kuvveti, kat yer değiştirmesi, kat ötelemesi ve temel oturması sonuçları incelendiğinde, doğrudan analiz modellerinde zemin-yapı etkileşiminin, yay modellerine göre daha yüksek hesaplandığı görülmüştür.
Keywords
civil engineering