Probabilistic performance-based optimum seismic design of reinforced concrete structures

Abstract

Traditional seismic design codes have been developed and used for decades to stipulate the rules for earthquake-resistant design of structures. They are mainly based on the Force-Based Design (FBD) approach and on some linear elastic techniques. The inelastic seismic response of the structure is not directly addressed in the traditional seismic design codes. The initial aim of the current seismic design codes is public safety. In seismic codes, some information is provided regarding the damaged states of structural components, while limited information is provided regarding the damaged states of nonstructural members. In addition, no clear information is provided regarding economic losses and business interruption. The Performance-Based Seismic Design (PBSD) approach, a reliable approach for the seismic design of structures, is capable of providing more detailed information on the performance levels of both structural and nonstructural members and content systems. Some current seismic design codes adapted concepts of the PBSD approach in a deterministic manner, considering uncertainties implicitly. In this study, efforts have been made to develop a Probabilistic Performance-Based Optimum Seismic Design (PPBOSD) methodology for Reinforced Concrete (RC) structures, considering uncertainties explicitly to provide a more practice-oriented approach. It is a powerful seismic design tool that provides structures with economical, robust, and rational design. In addition, structures designed using this approach could satisfy the target performance levels at multi-limit states. For the optimization problem, the objective function is given in terms of minimizing the expected total cost of the structure at a specific intensity level. Pacific Earthquake Engineering Research Center's Performance-Based Earthquake Engineering (PEER PBEE) methodology is used for the performance assessment of the structure. The Endurance Time method is used in the PEER PBEE methodology framework while performing optimization. After the optimum solution is obtained, the Incremental Dynamic Analysis (IDA) method is used to verify the performance levels. The proposed methodology is applied to RC frame buildings with different numbers of stories. OpenSees software is used together with codes written in python for the design and analysis purpose.

Yapıların sismik etkilere karşı tasarımını yapabilmek için geleneksel yapı tasarım kodları uzun bir süredir kullanılmaktadır. Bu kodlar elastik lineer tekniklerle Kuvvet Esaslı Tasarım yaklaşımı izlemektedir. Geleneksel yapı tasarım kodlarında elastik ötesi davranış doğrudan hesaba katılmamaktadır. Mevcut deprem yönetmeliklerinin ilk hedefi kamu güvenliğinin sağlanmasıdır. Yapısal elemanların hasar durumları ile ilgili bilgi sunulsa bile yapısal olmayan elemanların hasar durumları hakkında çok kısıtlı bilgi sunmaktadır. Buna ek olarak ekonomik kayıplar ve işlerdeki kesintiler ile işlerin durmasının doğurduğu etkiler konusunda herhangi bir bilgi sunulmamaktadır. Yapıların sismik etkiler karşısında tasarımı için güvenle kulllanılabilecek Performansa Dayalı Sismik Tasarım (PDST) yaklaşımı yapısal ve yapısal olmayan elemanlar ve yapı içindeki bulunan sistemlerin performans seviyeleri hakkında detaylı bilgi sunabilmektedir. Halihazırda bazı sismik tasarım kodları, PDST yaklaşımını, belirsizlikleri üstü kapalı dikkate alarak deterministik şekilde kullanıma sunmaktadır. Bu çalışmada betonarme yapılar için belirsizlikleri açık bir şekilde hesaba katan ama pratik uygulamaya da olanak sağlayacak, Olasılıksal Performansa Dayalı Optimum Sismik Tasarım (OPDOST) esaslı bir metot geliştirilmiştir. Bu metot, ekonomik, robust ve rasyonel tasarımlar sunabilecek güçlü bir tasarım aracıdır. Ayrıca, çoklu sınır şartlarınında da, hedef performans seviyelerinin yakalanması mümkün olacaktır. Optimizasyon için amaç fonksiyonları beklenen toplam maliyet ve risk seviyelerini düşürmek ve hasar seyivesinin belirlenen hedef seviyesini geçmeme olasılığının güven seviyesini maksimize etmek şeklinde sunulmuştur. Yapıların performans seviyelerinin belirlenmesi PEER PBEE (Pacific Earthquake Engineering Research Center's Performance-Based Earthquake Engineering) yaklaşımı ile yapılmaktadır. PEER PBE analizlerinde Dayanıklılık Süresi Yöntemi (Endurance Time Method) kullanılmıştır. Optimum çözüme ulaşınca artımsal dinamik analiz (IDA) kullanılarak sonuçlar performans açısından kontrol edilmiştir. Önerilen yaklaşımın faklı kat adetlerine sahip betonarme binalara uygulaması gösterilmiştir. Tasarım ve analiz süreçlerinde OpenSees yazılımı python ile yazılmış kodlarla birlikte kullanılmıştır.