Dalga yayılımının yüksek binaların sismik davranışına olan etkilerinin sayısal olarak incelenmesi

Abstract

Bu tez, yüksek binalarda dalga yayılma olgusunun temel fiziğinin sayısal yorumlanması üzerinedir. Tezin başlıca amacı, dalga yayılımının yüksek binaların sismik dinamik tepkisi üzerindeki etkilerini sayısal modeller geliştirerek irdelemektir. Çalışmayı gerçekleştirebilmek için iki ana unsur vardır: Birincisi dalganın seçimi ve ölçeklendirilmesi, ikincisi ise dalganın yayılacağı yapının modellenmesidir. Tez kapsamında esas olarak dikkate alınan dalga sismik bir dalgadır. Deprem yer hareketinin ölçeklendirilmesinde, depremin yatay bileşeni düşey bileşenine göre daha kapsamlı bir şekilde çalışılmıştır. Bu nedenle tezde, sismik yer hareketinin düşey bileşeninin ölçeklendirilmesine yoğunlaşılmış ve bunun için bir denklem önerilmiştir. Önerilen denklem, doğrusal olmayan bir regresyon analizinin sonucunda elde edilmiştir. Dalganın yayılacağı yapılar için idealleştirilmiş ve uygulamadaki taşıyıcı sistemleri temsil eden yüksek bina modelleri seçilmiştir. Gerçekleştirilen çalışmada, 300 m yüksekliğinde temsili sürekli bir mega kolondan ve ayrık perde duvardan oluştuğu kabul edilen iki yüksek yapı dikkate alınmıştır. Bu yapıların tabanına; enine ve boyuna doğrultularda dalga benzeri bir yarım sinüs darbesi şeklindeki dalga uygulanmıştır. Bu yapı modelleri üzerinde dalga yayılımını fiziki olarak görselleştirmek için, uygulamada doğrusal ve doğrusal olmayan analiz yapabilen yazılımların etkinliği araştırılmıştır. Daha sonra, çekirdek perde duvar ve çerçeve taşıyıcı sisteme sahip 46 katlı yüksek bina dikkate alınmıştır. Bu binanın tabanına enine ve boyuna doğrultularda sismik dalgalar uygulanmıştır. Binanın tabanından tepisine kadar dalgaların yayılımı, çekirdek perde duvar üzerinde ve çerçeve sistem üzerinde ayrı ayrı irdelenmektedir. Dikkate alınan yüksek bina taşıyıcı elemanlarındaki kesit etkileri (eksenel kuvvet, kesme kuvveti, eğilme momenti) ve göreli kat ötelenmesi dalga yayılımının dikkate alındığı ve ihmal edildiği durumlar için ayrı ayrı belirlenmiştir. Yapılan çalışmaları başlıca üç ana gurupta toplamak mümkündür. Bunlar: (1) Sismik yer hareketinin düşey bileşeninin ölçeklendirilmesi, (2) Yüksek yapılarda dalga yayılmasının sayısal olarak modellenerek irdelenmesi. (3) Yüksek binaların açık ve kapalı dinamik tepki analizleri için Rayleigh Sönümündeki kütle ve rijitlik kısımlarının etkinlikleri ve bunların dikkate alınma şekillerinin irdelenmesidir. Diğer taraftan, çalışmada söz konusu dinamik analizleri gerçekleştirmede karşılaşılacak sorunlar da irdelenmektedir. Dinamik davranışta yüksek modların etkisi ve sönüm etkisi gibi hususlar da irdelenmektedir. Ayrıca analizler dalga yayılımını dikkate alarak ve ihmal ederek gerçekleştirildiğinden elde edilen bulgulardan dalga yayılımı açısından aradaki farklar karşılaştırılmalı olarak irdelenmektedir.

A numerical interpretation of the basic physics of wave propagation through tall structures is presented. The main purpose of the thesis is to numerically investigate the impact of seismic wave propagation on the dynamic response of high rise buildings. The specified goal is achieved by two key steps as follows: (1) the selection and scaling of the wave, and (2) the selection of the high rise structural model. The selection and scaling of the horizontal seismic component has been addressed in detail, meanwhile the selection and scaling of vertical seismic ground motion has been less of a concern. Therefore, as part of the conducted work herein, the scaling factor of vertical ground motion has been evaluated for different ground motion parameters and using a nonlinear regression analysis, a power equation is proposed to scale the vertical seismic ground motion. To visualize the essential physics of wave propagation phenomenon, two idealized models as a continuous mega column and a discrete core wall of 300m height each are proposed. A half sine pulse like wave is applied as a transverse wave as well as a compression wave which is supposed to propagate along the height of the considered models. The reliability of the nonlinear design and analysis packages to accurately detect the physics of wave propagation phenomenon is approved. Thereafter, the impact of earthquake wave propagation on the dynamic response of a 46 story high-rise building with a core shear wall and a frame system is investigated in transverse as well as the longitudinal directions. The axial force, shear force, bending moment, and the inter-story drift are evaluated considering wave propagation and ignoring it. It is possible to categorize the studies in three main groups as (1) Scaling of the vertical component of seismic ground motion, (2) Numerical interpretation of wave propagation in high-rise structures. (3) Investigate the efficiency of Rayleigh damping model for the higher mode shapes considering the wave propagation procedure for high rise buildings. The pure impact of considering wave propagation procedure on the dynamic response of high rise buildings has been addressed as well. The more important is to scrutinize the modeling process and the consideration of wave propagation phenomenon; and to investigate the challenges that may be encountered within this type of analysis procedure.