Evaluation of effective stiffness procedures in seismic design of reinforced concrete frames

Abstract

This study investigates the success of the effective stiffness procedures defined for the design of reinforced concrete frames in seismic design regulations. The emphasis will be on the effort to model success relations. The origins of the effective stiffness approach could be identified in the effort to use the equal displacement rule for seismic design purposes. The equal displacement rules dictate that if a system's effective stiffness at the sustained drift levels could be identified, the linear and nonlinear system deflection demands are approximately equal. The nonlinear displacement response of a system could be obtained using this "estimated" stiffness value at the sustained displacement levels from the elastic analysis of the system. Hence, there is no consensus about defining the effective stiffness, and different approaches exist for its calculation. In this study, the effective stiffness approaches of the Turkish Earthquake Code (2018), Canadian Standards Association Design of Concrete Structures (CSA A.23.3-14), New Zealand Concrete Structures Standard (NZS3101-2006), Eurocode 8 (EN 1998-3), Building Code Requirement for Structural Concrete of American Concrete Institute (ACI318-19) and Sozen's Method are investigated in terms of effort in their execution to the success of the result. In order to provide a comparison in reference to measured values, the evaluation is based on the shaking table tests of a ten-story-three-bay reinforced concrete frame model. The numerical analysis is performed using the OpenSees platform. The model is formed by defining nonlinear rotational springs at the element ends. The effective stiffness definitions are performed per each regulation, and the results are compared with the test results. Also, a suite of ground motions is selected, and time history analyses are performed using each effective stiffness approach. Results are compared in terms of the maximum and envelope drift levels of the frames obtained by each approach.

Bu çalışma, sismik tasarım yönetmeliklerindeki betonarme çerçevelerin tasarımı için tanımlanan etkin rijitlik yöntemlerinin başarısını incelemeyi amaçlamaktadır. Çalışmadaki öncelikli hedef incelenen yönetmeliklerin bu konuda ne denli başarılı olduklarını ortaya koymaktır. Etkin rijitlik yaklaşımı esas olarak eş yer değiştirme kuralını sismik tasarım amaçları için uyarlarken tanımlanmıştır. Eş yer değiştirme kuralı, bir sistemin ulaştığı maksimum öteleme seviyelerindeki etkin rijitliğinin tanımlanabilmesi halinde aynı sistemin doğrusal ve doğrusal olmayan modellerindeki yer değiştirme taleplerinin yaklaşık olarak eşit olacağını belirtmektedir. Böylelikle bir sistemin doğrusal olmayan ötelemesinin hedef öteleme seviyelerindeki "etkin rijitlik" değeri kullanılarak sistemin elastik analizinden elde edilebileceği ortaya çıkmıştır. Ancak, etkin rijitliğin nasıl tanımlanacağına dair bir fikir birliği yoktur ve farklı yaklaşımlar mevcuttur. Bu çalışmada, Türk Deprem Yönetmeliği (2018), Kanada Beton Yapı Tasarım Standardı (CSA A23.3-14), Yeni Zelanda Beton Yapı Tasarım Standardı (NZS3101-2006), Avrupa-8 Yönetmeliği (Eurocode 8- EN1998-3), Amerikan Yapısal Beton Yönetmeliği (ACI318-19) ve Sozen Metodu tarafından tanımlanan etkin rijitlik yaklaşımları incelenmiştir. Sonuçları bir referans değer ile karşılaştırmak amacıyla, on katlı üç açıklıklı bir sarsma tablası deneyler serisinin çerçeveleri tanımlanan yöntemler ile incelenmiştir. Analizler, OpenSees açık platformundaki analiz modülleri kullanılarak yapılmıştır. Doğrusal olmayan sayısal model, eleman uçlarında yığılı plastisite yaklaşımıyla oluşturulmuştur. Her yönetmelik için etkin rijitlik tanımlarına göre analizler yapılmış ve deney sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Ayrıca, Türk Deprem Yönetmeliğinde yüksek sismik bir bölgeyi temsil eden bir deprem seti seçilmiş ve zaman tanım alanında analizler yapılmıştır. Sonuçlar, maksimum ve zarf ötelenme seviyeleri açısından incelenmiştir.