Influence of earthquake ground motion characteristics on structural damage and seismic response reduction
Erberik, Murat Altuğ
Influence of earthquake ground motion characteristics on structural damage and seismic response reduction Murat Altuğ Erberik; Supervisor: Haluk Sucuoğlu - Ankara Middle East Technical University 1996 - IX, 117 p. fig. graph., tab. 30.5 cm
Includes references (115-117 p.)
CHAPTER INTRODUCTION 1 General 1 Review of Previous Studies 3 Object and Shape 5 SESMIC RESPONSE ANALSYSIS OF SDOF SYSTEMS 8 General 8 Earthquake Resones of Elastics Systems 9 Equation of Motion 9 Energy Balance 12 Method of Analysis 15 Ealstics Response Spectra 20 Earthquake Response Inelastic Systems 25 Force -deformation relationship 26 Energy Balance 27 Method of Analysis 28 Factors Affecting Inelastic Response 30 Ductility Ratio 30 Normalized Strength Factor 31 Ductility Spectrum for Constant Strength 30 Normalized Strength Factor 31 Inelastic Response Spectra 32 Dutılity Spectrum for Constant Strength 32 Strength Spectrum for Constant Ductility 33 Energy Spectrum fr Constant Ductility 35 Seismic Reponse Reduction Due to Elastic Action 35 Reduction Factor Spectra 37 ESTIMATION OF STRUCTURAL DAMAGE IN INELASTIC SDOF SYSTEMS 42 General 42 General Description of Damage Parameters 43 Damage Index I (Displacement Based Damage) 46 Damage Index 11(Energy Based Damage) 48 Damage Index III (Drift Based Damage) 50 Effect of Damping on Spectral Damage Distrbution 53 DAMAGE EVALUATION OF SDOF SYSTEMS UNDER EARTHQUAKE EXCITATIONS 56 General 56 Damage Spectra for Constant Strength Factor 57 Strength Spectra for Constant Damage 58 Reduction Fcator Spectral for Constant Damage 66 INFLUENCE OF EARTHQUAKE GROUND MOTION CHARACTERISTICS ON SEISMIC RESPONSE REDUCTION AND STRUCTURAL DAMAGE 72 General 72 Ground Motion Sets 72 Response Reduction for Constant Ductility 79 Inelasticity Response Spectra 79 Reduction Factor Spectra 85 Response Reduction for Constant Damage 91 Damage Spectra for Constant Strength 93 Inelastic Strength Spectra for Constant Damage 95 Strength Reduction Factor Spectra for Constant Damage 102 SUMMARY AND CONCLUSIONS 111 REFERENCES 115
'Özet Herhangi bir mühendislik yapısının servis ömrü boyunca karşılaşabileceği en ciddi zorlama muhtemelen bir deprem hareketi olacaktır. Deprem riski yüksek olan bir bölgede bulunan bir yapının tasarımın yaparken, maruz kalacağı yüklerin yapının dinamik karakteristikleri ile deprem hareketinin özellikleri arasındaki etkileşime bağlı olduğu unutulmamalıdır. Bu yüzden, depreme dayanıklı yapı tasarımının en önemli ilkesi, yapının değşik yer hareketi şiddet seviyeleri altında önceden belirlenen bazı kriterlere uygun olarak davranmasıdır. Buna göre, haff ve orta şiddetli depremlerde, yapısal olmayan sistemde ortaya çıkan hasara tolerans gösterilirken, yapısal sistemin hemen hemen hiç hasara uğramaması öngörülmektedir. Daha ender rastlanan şiddetli depremlerde ise yapısal olmayan sistem göçse bile, yapısal sistem yeterli sünekliliği gösterebilmeli ve deprem sonuda ayakta kalabilmelidir. Bir yapının tasarımında elastik davranışı göz önünde bulundurmak, olası bir deprem sonrası yapıda kalıcı bir hasar oluşmasını önlemesine rağmen bu tür bir tasarım için gerekli olan dayanım çok yüksek olacağından ekonomik açıdan uygun bir çözüm olarak kabul edilmez. Bunun yerine yapının elastik ötesi davranış göstermesine, yani bir miktar hasar görmesine izin verilir. Ancak, azaltılmış deprem kuvvetleri ile tasarım yapılırken, yapının maruz kalacağı hasar her zaman kontrol altında tutulmalıdır. Bu da deprem hareketi özelliklerinin yapısal hasar üzerindeki etkilerinin çok iyi bilinmesini gerektirir. Bu çalışma, tek serbestlik dereceli sistemlerde deprem yer hareketi özelliklerinin sismik tepkinin indirgenmesi ve yapısal hasar üzerindeki etkilerini kapsar. İndirgenme faktörü spektrumu, süneklik ve sönümün çeşitli tepki parametrelerinin indirgenmesi üzerindeki etkilerini belirlemek için bir araç olarak kullanılmıştır. Yapısal hasarın değerlendirilmesini ele alırken, ilk önce, çalışmada kullanılmak üzere değişik tepki parametrelerine dayanan üç hasar indisi tanımlanmıştır. Bu hasar indisleri sırasıyla elastik ötesi deplasman, enerji tüketim kapasitesi ve katlar arası yerdeğiştirme faktörüne bağlıdırlar. Yukarıda tanımlanan hasar indisleri kullanılarak sabit dayanım için hasar spektrumu, sabit hasar için dayanım spektrumu ve sabit hasar için indirgenme faktörü spektrumu oluşturulmuştur. Aynı zamanda sönümün spektral hasar dağılımı üzerindeki etkisi de incelenmiştir. Deprem yer hareketlerinin yapısal hasara olan etkisinideğerlendirmek amacıyla 27 değişik deprem yer hareketi, maksimum yer hıznın maksimum yer ivmesine oranı (V/A oranı) ve etkili yer hareketi süresine göre üç gruba ayrılmıştır. Daha sonra, sabit hasar ve sabit dayanım için spektral dağılımlar oluşturulmuş ve bu iki yer hareketi parametresinin hasar üzerinde ne derece etkili olduğu belirlenmeye çalışılmıştır. Sonuç olarak, ilk hasar indisinin yer hareketi parametrelerinde sadece V/A oranına duyarlı olduğu, ikinci indisin ise hem V/A oranından hem de etkili yer hareketi süresinden etkilendiği ortaya çıkmıştır. Bu arada ücüncü indisin sabit hasar altında bir tasarım dayanımı tanımlaması için pek uygun olmadığı tespit edilmiştir. Elde edilen veriler göz önune almacak olursa, hasara dayanan bir sismik tasarımın, günümüzde pek çok deprem şartnamesinde yeralan sünekliğe dayalı sismik tasarımdan daha gerçekçi olduğu soncuna varılmıştır. Abstract This study focuses on the influence of ground motion characteristics on seismic response reduction and structural damage in single degree of freedom (SDOF) systems. In seismic response reduction, reduction factor spectra is used as a tool to assess the effect of ductility and damping on various response parameters. While dealing with the evaluation of structural damage, first three damage indices based on different response parameters are proposed to be used in this study. Then, the behaviour of SDOF systems under earthquake excitation is examined by controlling the structural damage level with the aid of proposed damage indices. The basic tool employed in this damage control based analysis which is believed to constitute the fundamentals of seismic design in the future is the strength factor spectra for constant damage. Finally, the influence of ground motion characteristics on both seismic response reduction and structural damage indices are investigated by using ground motion excitations of different nature. Keywords: Structural damage, damage index, inelastic response spectra, reduction factor spectra, strength spectra for constant damage, ground motion characteristics. '
Structural damage
Yapısal hasar
Inelastic responce spectra
Esnek olmayan tepki spektrası
Influence of earthquake ground motion characteristics on structural damage and seismic response reduction Murat Altuğ Erberik; Supervisor: Haluk Sucuoğlu - Ankara Middle East Technical University 1996 - IX, 117 p. fig. graph., tab. 30.5 cm
Includes references (115-117 p.)
CHAPTER INTRODUCTION 1 General 1 Review of Previous Studies 3 Object and Shape 5 SESMIC RESPONSE ANALSYSIS OF SDOF SYSTEMS 8 General 8 Earthquake Resones of Elastics Systems 9 Equation of Motion 9 Energy Balance 12 Method of Analysis 15 Ealstics Response Spectra 20 Earthquake Response Inelastic Systems 25 Force -deformation relationship 26 Energy Balance 27 Method of Analysis 28 Factors Affecting Inelastic Response 30 Ductility Ratio 30 Normalized Strength Factor 31 Ductility Spectrum for Constant Strength 30 Normalized Strength Factor 31 Inelastic Response Spectra 32 Dutılity Spectrum for Constant Strength 32 Strength Spectrum for Constant Ductility 33 Energy Spectrum fr Constant Ductility 35 Seismic Reponse Reduction Due to Elastic Action 35 Reduction Factor Spectra 37 ESTIMATION OF STRUCTURAL DAMAGE IN INELASTIC SDOF SYSTEMS 42 General 42 General Description of Damage Parameters 43 Damage Index I (Displacement Based Damage) 46 Damage Index 11(Energy Based Damage) 48 Damage Index III (Drift Based Damage) 50 Effect of Damping on Spectral Damage Distrbution 53 DAMAGE EVALUATION OF SDOF SYSTEMS UNDER EARTHQUAKE EXCITATIONS 56 General 56 Damage Spectra for Constant Strength Factor 57 Strength Spectra for Constant Damage 58 Reduction Fcator Spectral for Constant Damage 66 INFLUENCE OF EARTHQUAKE GROUND MOTION CHARACTERISTICS ON SEISMIC RESPONSE REDUCTION AND STRUCTURAL DAMAGE 72 General 72 Ground Motion Sets 72 Response Reduction for Constant Ductility 79 Inelasticity Response Spectra 79 Reduction Factor Spectra 85 Response Reduction for Constant Damage 91 Damage Spectra for Constant Strength 93 Inelastic Strength Spectra for Constant Damage 95 Strength Reduction Factor Spectra for Constant Damage 102 SUMMARY AND CONCLUSIONS 111 REFERENCES 115
'Özet Herhangi bir mühendislik yapısının servis ömrü boyunca karşılaşabileceği en ciddi zorlama muhtemelen bir deprem hareketi olacaktır. Deprem riski yüksek olan bir bölgede bulunan bir yapının tasarımın yaparken, maruz kalacağı yüklerin yapının dinamik karakteristikleri ile deprem hareketinin özellikleri arasındaki etkileşime bağlı olduğu unutulmamalıdır. Bu yüzden, depreme dayanıklı yapı tasarımının en önemli ilkesi, yapının değşik yer hareketi şiddet seviyeleri altında önceden belirlenen bazı kriterlere uygun olarak davranmasıdır. Buna göre, haff ve orta şiddetli depremlerde, yapısal olmayan sistemde ortaya çıkan hasara tolerans gösterilirken, yapısal sistemin hemen hemen hiç hasara uğramaması öngörülmektedir. Daha ender rastlanan şiddetli depremlerde ise yapısal olmayan sistem göçse bile, yapısal sistem yeterli sünekliliği gösterebilmeli ve deprem sonuda ayakta kalabilmelidir. Bir yapının tasarımında elastik davranışı göz önünde bulundurmak, olası bir deprem sonrası yapıda kalıcı bir hasar oluşmasını önlemesine rağmen bu tür bir tasarım için gerekli olan dayanım çok yüksek olacağından ekonomik açıdan uygun bir çözüm olarak kabul edilmez. Bunun yerine yapının elastik ötesi davranış göstermesine, yani bir miktar hasar görmesine izin verilir. Ancak, azaltılmış deprem kuvvetleri ile tasarım yapılırken, yapının maruz kalacağı hasar her zaman kontrol altında tutulmalıdır. Bu da deprem hareketi özelliklerinin yapısal hasar üzerindeki etkilerinin çok iyi bilinmesini gerektirir. Bu çalışma, tek serbestlik dereceli sistemlerde deprem yer hareketi özelliklerinin sismik tepkinin indirgenmesi ve yapısal hasar üzerindeki etkilerini kapsar. İndirgenme faktörü spektrumu, süneklik ve sönümün çeşitli tepki parametrelerinin indirgenmesi üzerindeki etkilerini belirlemek için bir araç olarak kullanılmıştır. Yapısal hasarın değerlendirilmesini ele alırken, ilk önce, çalışmada kullanılmak üzere değişik tepki parametrelerine dayanan üç hasar indisi tanımlanmıştır. Bu hasar indisleri sırasıyla elastik ötesi deplasman, enerji tüketim kapasitesi ve katlar arası yerdeğiştirme faktörüne bağlıdırlar. Yukarıda tanımlanan hasar indisleri kullanılarak sabit dayanım için hasar spektrumu, sabit hasar için dayanım spektrumu ve sabit hasar için indirgenme faktörü spektrumu oluşturulmuştur. Aynı zamanda sönümün spektral hasar dağılımı üzerindeki etkisi de incelenmiştir. Deprem yer hareketlerinin yapısal hasara olan etkisinideğerlendirmek amacıyla 27 değişik deprem yer hareketi, maksimum yer hıznın maksimum yer ivmesine oranı (V/A oranı) ve etkili yer hareketi süresine göre üç gruba ayrılmıştır. Daha sonra, sabit hasar ve sabit dayanım için spektral dağılımlar oluşturulmuş ve bu iki yer hareketi parametresinin hasar üzerinde ne derece etkili olduğu belirlenmeye çalışılmıştır. Sonuç olarak, ilk hasar indisinin yer hareketi parametrelerinde sadece V/A oranına duyarlı olduğu, ikinci indisin ise hem V/A oranından hem de etkili yer hareketi süresinden etkilendiği ortaya çıkmıştır. Bu arada ücüncü indisin sabit hasar altında bir tasarım dayanımı tanımlaması için pek uygun olmadığı tespit edilmiştir. Elde edilen veriler göz önune almacak olursa, hasara dayanan bir sismik tasarımın, günümüzde pek çok deprem şartnamesinde yeralan sünekliğe dayalı sismik tasarımdan daha gerçekçi olduğu soncuna varılmıştır. Abstract This study focuses on the influence of ground motion characteristics on seismic response reduction and structural damage in single degree of freedom (SDOF) systems. In seismic response reduction, reduction factor spectra is used as a tool to assess the effect of ductility and damping on various response parameters. While dealing with the evaluation of structural damage, first three damage indices based on different response parameters are proposed to be used in this study. Then, the behaviour of SDOF systems under earthquake excitation is examined by controlling the structural damage level with the aid of proposed damage indices. The basic tool employed in this damage control based analysis which is believed to constitute the fundamentals of seismic design in the future is the strength factor spectra for constant damage. Finally, the influence of ground motion characteristics on both seismic response reduction and structural damage indices are investigated by using ground motion excitations of different nature. Keywords: Structural damage, damage index, inelastic response spectra, reduction factor spectra, strength spectra for constant damage, ground motion characteristics. '
Structural damage
Yapısal hasar
Inelastic responce spectra
Esnek olmayan tepki spektrası