Yapı-zemin dinamik etkileşimi

Abstract

ÖZET Anahtar Kelimeler: Yapı-Zemin Dinamik Etkileşimi, Sonsuz Küçük Hücreli Sonlu Elemanlar Yöntemi, Serbest Zemin Hareketi, Dinamik Analiz Bu çalışmanın amacı; zemin-yapı dinamik etkileşimi probleminin deprem hesabını, zaman tanım alanında iki boyutlu uzayda sonlu elemanlar tekniğini, altsistem yaklaşımı içinde kullanarak yapmaktır. Bu amaçla zemin-yapı ortak sistemi, birbirlerini etkileşim arakesiti ile ayıran yakın bölge ve uzak bölge olmak üzere iki parçaya bölünmüştür. Yakın zemin bölgesi sonlu elemanlar tekniği ile modellenmiştir. Böylece; zeminle ilgili her türlü geometrik, mekanik ve bünyesel süreksizliklerin gözönüne alınabilmesi, yapı temelinin zemine bağlantısı ve rijitliği ile ilgili herhangi bir kısıtlamanın olmayışı, kurulan hareket denkleminin frekanstan bağımsız olması nedeniyle zaman tanım alanında adım adım integrasyon tekniğinin uygulanabilmesi, adım adım integrasyon işlemi içinde her türlü lineer olmayan ve elasto-plastik zemin ve üstyapı davranışının göz önüne alınabilmesi sağlanmıştır. Uzak zemin bölgesinin lineer elastik davranış gösterdiği varsayımından hareketle, bu ortam, etkileşim arakesitinde yer alan düğüm noktalan serbestlik derecelerinde, birim darbe yükü davranışı olarak modellenmiştir. Uzak zemin bölgesinin birim darbe yükü davranış matrisleri, sonsuz küçük hücreli sonlu elemanlar kullanılarak elde edilmiştir. Geliştirilen yöntemin yapı-zemin ortak sistemlerine uygulanmasını göstermek ve etkileşimin önemini vurgulamak amacıyla, sayısal çözümler yapılmıştır. Yapı-zemin dinamik etkileşimini içeren deprem hesaplarında elde edilen sonuçlar; (i) zemin ortamının ve üstyapının dinamik özelliklerine bağlı olmaları yanında, gözönüne alınan depremin gelişigüzel karakterine ve özellikle frekans içeriğine bağlı olarak da değişkenlik gösterdiği; (ii) yumuşak zeminler üzerinde inşa edilen kısa periyottu yapılarda rölatif yapı yerdeğiştirmesi ve toplam taban kesme kuvvetlerinin, rijit zemin varsayımına dayanan yöntemlerle hesaplanan değerlerin üstünde kaldığı; (iii) üstyapının temele göre basıklığım ifade eden geometrik narinlik oram düşük yapılarda etkileşim kuvvetleri kısa periyotlarda, sonsuz rijit zemin durumuna göre daha yüksek değerler aldığı; (iv) zemin kayma dalgası hızı arttıkça yapı-zemin etkileşiminin üstyapı için yararlı hale geldiği vurgulanmıştır. XXVII

Keywords : Soil-Structure Interaction, Consistent Infinitesimal Finite Element Cell Method, Free-Field Motion, Dynamic Analysis In this study, a new numerical procedure is proposed for the analysis of two- dimensional dynamic soil-structure interaction. The interaction force-displacement relationship is calculated by using the consistent infinitesimal finite element cell method. Assembling the interaction force-displacement relationship of the unbounded soil medium with the equation of motion of the structure leads to the basic equations of the total dynamic system. As a result, irregular bounded medium material inhomogeneities can be processed and nonlinearity of soil can be consistently taken into account. To verify the studies, a two dimensional, plain strain, soil structure interaction system is solved in time domain. The analysis procedure performed in three steps as; first, seismic free-field input motion along the interaction horizon is determined. This is achieved by the analysis of unexcavated virgin soil in the absence of the structure. Then, assuming the far-field to be linear, dynamic boundary conditions along the interaction horizon are defined by calculating the unit- impulse response matrix of the far-field in time domain. In the third step, the analysis of the soil structure system under the action of free-field input motion determined in the first step, subject to the dynamic boundary conditions determined in the second step, is carried out. The results obtained are; (i) besides the geotechnical nature of the soil and dynamic structural properties, the random characteristics of the earthquakes may be an important contributing factor in soil structure interaction analysis; (ii) for the extremely stiff and stocky buildings constructed on relatively soft soil conditions, the calculated relative displacements and base shear forces are greater in values than the fixed-base structural systems; (iii) the building aspect ratio plays a key role in soil structure interaction effects; and (iv) as the shear wave velocity of the soil medium increases, the effects of soil-structure interaction considered beneficial for seismic response of the structures. XXVIII