Performance-Based Seismic Design of Reinforced Concrete Frame Buildings: a Direct Displacement-Based Approach

Abstract

Structures are designed using current seismic design codes which are mostly based on Force-Based Design approach. The initial aim of the current codes is the public safety. However, no clear information are provided regarding economic losses and business interruptions or downtime. Some information about damage states of structural components are provided, but very limited information is given for the damage states of non-structural members and content systems. Performance-Based Seismic Design (PBSD), which is a new concept in seismic design of structures, is a reliable approach capable of providing more detailed information on the performance levels of both structural and non-structural elements. Direct Displacement-Based Design (DDBD) approach, which is one of the available PBSD procedures, is implemented in this study. This approach has been utilized on four reinforced concrete irregular frames which are different in terms of number of stories. Story drift ratios were chosen as deformation limits to define the performance levels for specific earthquake hazard levels. DDBD approach in this study has been utilized in compliance with Turkish Seismic Design Code 2007. Furthermore, capacity design principles were adopted to make sure that plastic hinges occur in beams rather than in columns. After obtaining design internal forces (design moments, shear forces and axial forces), TS500 2003, is utilized to design members. Damage states for each member was determined, and non-linear pushover and time history analysis were carried out using SAP2000 v17.10 to check if story drift ratios meet the ones chosen. The base shear forces and the top displacements, in addition, for each frame were also checked with the ones obtained through DDBD approach.

Yapılar çoğunlukla Kuvvet Tabanlı Tasarım yaklaşımına dayalı mevcut sismik tasarım kodları kullanılarak tasarlanmaktadir. Mevcut sismik tasarım kodlarının ana amacı, kamu güvenliğinin sağlanmasıdır. Ancak, ekonomik kayıplara ve oluşan iş kayıplarına veya yapının kullanım dışı kalma süresine dair net bir bilgi sunmamaktadırlar. Bu kodlar, yapı elemanlarının zarar durumları hakkında bazı bilgiler verilmiş olsalar da, yapısal olmayan elemanlarin ve sistemlerin hasar durumları için ancak çok sınırlı bilgi vermektedirler. Yapıların sismik tasarımında yeni bir kavram olan Performans Esaslı Sismik Tasarım (PEST), hem yapısal ve hem de yapısal olmayan elemanların performans düzeyleri hakkında daha fazla detaylı bilgi sağlayabilecek, güvenilir bir yaklaşımdır. Bu çalışmada, PEST prosedürlerden biri olan Direkt Deplasman Tabanlı Tasarım (DDTT) yaklaşımının uygulanması gösterilmiştir. Bu yaklaşım, kat adetleri farklı, dört düzensiz betonarme çerçevenin tasarımında kullanılmıştır. Belirli deprem düzeylerinde performans seviyelerini tanımlamak için göreli kat ötelenme oranları kullanılmıştır. Bu çalışmada DDTT metodu uygulanmasında, 2007 yılında yayınlanan Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik göz önüne alınmıştır. Ayrıca sünek bir davranış elde etmek amacıyla, plastik mafsalların kolonlardan ziyade kirişlerde oluşmasını temin etmek için kapasite tasarım prensipleri izlenmiştir. Tasarım kesit talepleri (tasarım momentleri, kesme kuvvetleri ve eksenel kuvvetler) hesaplanıp, TS 500 2003 izlenerek, eleman kesitleri tasarlanmıştır. Her bir betonarme çerçeve için hasar durumları tespit edilerek, SAP2000 v.17.10 ticari yazılımı ile yapılan doğrusal olmayan itme ve zaman tanım alanında analizler sayesinde göreli kat ötelenmelerinin, hedeflenmiş oranlari aşmadığının kontrolü gerçekleştirilmiştir. Bu analizler sonucunda elde edilen taban kesme kuvveti ve çatı deplasmanları, DDTT yaklaşımı ile elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılmıştır.