Betonarme yapı sistemlerinin doğrusal olmayan hesabı için bir artımsal analiz yöntemi
Bu çalışmada, betonarme uzay çubuk sistemlerin dış yükler altındaki doğrusal olmayan davranışlarının incelenmesi, taşıma kapasitelerinin bulunması ve deprem performanslarının belirlenmesi amacıyla bir artımsal analiz yöntemi geliştirilmiştir. Yöntemde betonarmenin doğrusal olmayan davranışı ve geometri değişimlerinin denge denklemlerine etkisi gözönüne alınmaktadır. Geliştirilen artımsal analiz yönteminde, doğrusal olmayan şekildeğiştirmelerin plastik kesit adı verilen ve sınırlı plastik şekildeğiştirme kapasitesine sahip olan belirli kesitlerde toplandığı, bunların dışındaki bölgelerde sistemin doğrusal-elastik davrandığı gözönünde tutulmaktadır. Böylece, basit eğilme etkisindeki sistemlere uygulanmakta olan plastik mafsal hipotezi, bileşik iç kuvvet durumunu da kapsayacak şekilde genelleştirilmiş olmaktadır. Ayrıca, plastik kesitlerdeki rijit-plastik davranış modeli, pekleşme ve gevşeme (ani dayanım kaybı) etkilerini içerecek şekilde genişletilmiştir. Doğrusal olmayan analizde, düşey işletme yüklerinin bu yükler için öngörülen bir yük katsayısı ile çar-pımından oluşan belirli değerleri altında, aralarındaki oran sabit kalacak şekilde değişen yatay yüklere göre hesap yapılmaktadır. Uygulanan yöntemde, her plastik kesitin oluşumundan sonra o kesitteki plastik şekildeğiştirmeleri ifade eden plastik şekildeğiştirme parametresinin yeni bir bilinmeyen olarak alınması ve kesitteki iç kuvvet durumunun değişimi ile plastik şekildeğiştirme para-metresi arasındaki bağıntıyı ifade eden yeni bir denklemin denklem takımına ilave edilmesi öngörülmüştür. Önerilen yöntemin pratik uygulamaları için bilgisayar programları hazırlanmıştır. Bu bilgisayar programlarından yararlanarak, betonarme yapı sistemlerinin malzeme ve geometri değişimleri bakımından doğrusal olmayan analizi etkin bir şekilde yapılabilmektedir.
An incremental method for non-linear static analysis of reinforced concrete structures
The use of elastic-plastic analysis and design methods, which consider the non-linear behavior of reinforced concrete as well as the non-linearity caused by geometrical changes, may result in both more realistic and more economical solutions for reinforced concrete structures. Furthermore, by the use of these methods, the earthquake performance of existing reinforced concrete structures can also be evaluated.In this study, an incremental method is developed for the analysis of materially and geometrically nonlinear reinforced concrete structures subjected to factored constant gravity loads and proportionally increasing lateral loads. The classical plastic hinge concept, applicable to the case of simple bending, is extended to cover the case of combined biaxial bending. Also, strain-hardening and strain-softening behaviors are considered.The investigation covers the actual internal force-deformation relationships, the yield conditions and the piecewise linear idealization of non-linear behavior of R/C structural elements. The non-linear behavior models for reinforced concrete and the idealized models used in this study are explained in detail. This investigation is based on three basic assumptions made for reinforced concrete, such asa- plane sections remain plane after bending, b- full bond exists between concrete and reinforcing steel, c- tensile strength of concrete is negligible after cracking.In the incremental analysis method developed herein, the structure is analyzed under factored constant gravity loads and monotonically increasing lateral loads. At the end of the analysis, the lateral load-lateral displacement relationship (capacity curve) is determined under factored gravity loads. When the gravity loads are known, the member axial forces can be easily estimated through the equilibrium equations. Thus, the second-order effects are linearized by calculating the elements of stiffness and loading matrices for the estimated constant axial forces. In this method, the structure is analyzed for successive lateral load increments. At the end of each load increment, the state of internal forces at a certain critical section reaches the limit state defined by the yield condition, i.e. a plastic section forms. Since the yield vector is assumed to be nor-mal to the yield surface, the plastic deformation components may be represented by a single plastic deformation parameter which is introduced as a new unknown for the next load increment. Thus, an equation is added to the system of equations to express the relationship between the change of the state of internal forces and the plastic deformations developed in the last formed plastic section. This equation is linear, because the yield and ultimate capacity surfaces are idealized as composed of planes.Since the system of linear equations corresponding to the previous load increment has already been solved, the solution for the current load increment is obtained through the elimination of the new unknown.In this study, two computer programs a- MKAPA b- IMNOSAhave been developed and coded in Fortran programming language. For the numerical illustration of the method, the non-linear behaviors of two reinforced concrete structural systems are examined in detail. The reinforced concrete frames are analyzed by the second-order, elastic-plastic theory under constant factored gravity loads and monotonically increasing lateral forces. The analyses are carried out by means of the above computer programs. In each analysis, several numerical results, such asa- the second-order limit load (ultimate load carrying capacity), b- base shear versus lateral top displacement diagram, c- total number of plastic sections and the plastic hinge pattern, d- lateral load parameters for the first plastic sections developed in beams and columns are obtained.
___
- Attalla, M.R., Deierlein, G.G. ve McGuire, W., 1995. Spread of plasticity: quasi-plastic hinge approach, Journal of Structural Engineering, ASCE, 120, 2451-2473.
- Aydınoğlu, M.N., (2004). Incremental response spectrum analysis (IRSA) procedure for multi-mode pushover including p-delta effects, 13th World Conference on Earthquake Engineering, Vancouver, B.C., Canada, August 1-6, 1-15.
- Chopra, A.K. ve Goel, R.K., (1999). Capacity demand - diagram methods based on inelastic design spectrum, Earthquake Spectra, 15, 637-656.
- Çakıroğlu, A., Özer, E. ve Girgin, K., (1999). Yield conditions and yield vector for combined biaxial bending of rectangular R/C sections, Proceedings of the Uğur Ersoy Symposium on Structural Engineering, METU Press, Ankara, July 1-2, 121-135.
- Girgin, K., (1996). Betonarme yapı sistemlerinde ikinci mertebe limit yükün ve göçme güvenliğinin belir-lenmesi için bir yük artımı yöntemi, Doktora Tezi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
- Graham, J., (2003). An elastic-plastic (second-order) plane frame analysis method for design engineers, The Structural Engineer, 81, 31-35.
- İrtem, E., (1991). Uzay çubuk sistemlerde ikinci mertebe limit yükün hesabı için bir yük artımı yöntemi, Doktora Tezi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
- Özer, E., (1987). Determination of second-order limit load by a method of load increments, Bulletin of the Technical University of Istanbul, 40, 815-836.
- Powell, G.H. ve Chen, P.F., (1986). 3D Beam-column element with generalized plastic hinges, Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 112, 627-641.