Analytical Study on Seismic Strengthening of Existing Reinforced Concrete Buildings by Implementation of Energy Absorbers

Abstract

When an earthquake phenomenon occurs, it destroys the weak members of the RC buildings, therefore, the damages during severe earthquakes stimulate nonlinear behavior of the structure. The structural and nonstructural damages caused by earthquakes are essentially due to the lateral acceleration and displacements. Accordingly, seismic load evaluation is significant for seismic design assessment and performance. One of the considerable challenges is to establish the optimal design to retrofit existing buildings against the effect of predicted earthquakes with minimal disturbance of the existing structure and the residents in a short time. This research presents an analytical study of an energy dissipation system for seismic strengthening of existing Reinforced Concrete RC building. The proposed analytical study was conducted to investigate the implementation of SHARK energy absorber to the bracing system of existing building located in high seismic zones of Turkiye. The proposed system, which aims to provide high protection of the structure during severe ULS earthquakes, long-term reliability against wear and fatigue problems, high redundant safety level, easy visual inspection, and easy to replace at low cost along with preventing earthquake damages by controlling the maximum inter-story drifts. The SHARK system performs as a bilinear hysteretic device which consists of fixation plates and a dissipative core that dissipates the energy by a series of hysteretic lamellas. To investigate the performance of the proposed design and configuration nonlinear time history analyses NLTHA was carried out by applying a pair of 11 selected earthquake records on 8- Story RC buildings. The main investigated parameters which are (i) Displacement, (ii) Inter Story Drift Ratio, acceleration, and Input Energy are studied according to the different configurations of energy dampers. The obtained results of SHARK damper implementation and the absorbed seismic energy showed that the seismic responses of the strengthened structures were significantly higher than the original structures. The maximum displacement and drift reduction values of the strengthened buildings are between 70% and 80% in comparison with their original buildings. Further The maximum acceleration reduction values of the strengthened buildings are between 4% and 20% in comparison with their original buildings. The levels of input energy decreased considerably the reduction is on average about 64% and 70%, as a result the structure was able to resist various earthquakes events.

ÖZ: Bir deprem meydana geldiğinde betonarme binaların zayıf elemanlarına hasar verir, bu nedenle şiddetli depremler sırasında oluşan hasarlar yapının doğrusal olmayan davranışını tetikler. Depremlerin neden olduğu yapısal ve yapısal olmayan hasarlar, esas olarak yanal ivme ve yer değiştirmelerden kaynaklanmaktadır. Bundan dolayı sismik yük değerlendirmesi hem sismik tasarım değerlendirmesi ve hem de bina performansı için önemlidir. Önemli zorluklardan biri, mevcut yapıları ve içlerindeki sakinleri en kısa sürede ve minimum düzeyde rahatsız ederek, öngörülen depremlerin etkisine karşı mevcut binaları güçlendirmek için en uygun tasarımı oluşturmaktır. Bu araştırma, mevcut bir betonarme binanın sismik etkilere karşı güçlendirilmesi için yenilikçi bir enerji sönümleme sisteminin (SHARK) analitik çalışmasını sunmaktadır. Önerilen analitik çalışma, Türkiye'nin depremselliği yüksek bölgelerinde bulunan mevcut binaların çapraz sistemine SHARK adı verilen enerji sönümleyicilerinin uygulamasını araştırmak için yapılmıştır. Önerilen sistem, maksimum katlar arası ötelenmeleri kontrol altında tutarak, şiddetli depremlerde yapının yüksek düzeyde korunmasını, aşınma ve yorulma sorunlarına karşı uzun süreli güvenilirlik, yüksek yedek güvenlik seviyesi, kolay görsel denetim ve düşük maliyetle değiştirilmesinin yanı sıra deprem hasarlarını da önlemeyi amaçlamaktadır. SHARK sistemi, sabitleme plakalarından ve enerjiyi bir dizi histeretik levha ile dağıtan ve enerjiyi tüketen çekirdekten oluşan çift doğrusal bir histeretik cihaz olarak çalışmaktadır. Önerilen tasarım ve konfigürasyonun performansını araştırmak için doğrusal olmayan zaman tanım alanı analizleri (NLTHA), 8-katlı betonarme binalara seçilen bir çift 11 deprem kaydı uygulanarak gerçekleştirilmiştir. Araştırılan ana parametreler enerji sönümleyicilerin yerleştirilme konfigürasyonlarına bağlı olarak (i) Yer Değiştirme, (ii) Katlar Arası Ötelenme Oranı, ivme ve Girdi Enerjisidir.SHARK sönümleyici uygulamasının elde edilen sonuçları ve emilen sismik enerji, güçlendirilmiş yapıların sismik tepkilerinin orijinal yapılara göre önemli ölçüde daha yüksek olduğunu göstermiştir. Güçlendirilen yapıların maksimum deplasman ve ötelenme azaltma değerleri orijinal yapılarına göre %70 ile %80 arasındadır. Ayrıca Güçlendirilen binaların maksimum ivme azaltım değerleri orijinal binalarına göre %4 ile %20 arasındadır. Girilen enerji seviyeleri önemli ölçüde azaldı, azalma ortalama olarak yaklaşık %64 ve %70'dir, bunun sonucunda yapı çeşitli deprem olaylarına dayanabildi.