Bayesian estimation of maximum drift ratio from combined visual and measurable damage indicators: Rc bridge pier case study
Görsel ve ölçülebi̇li̇r hasar göstergeleri̇ni̇n bi̇rli̇kte kullanılmasıyla maksi̇mum göreli̇ kat ötelemesi̇ oranının bayes yöntemi̇ i̇le tahmi̇ni̇: Betonarme köprü ayağı örneği̇
- Tez No: 1021284
- Danışmanlar: PROF. DR. UFUK YAZGAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Deprem Mühendisliği, Earthquake Engineering
- Anahtar Kelimeler: Deprem mühendisliği, Earthquake engineering
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Hasar görmüş bir yapının hasar seviyesinin doğru değerlendirilmesi, gelecekte meydana gelebilecek sismik olayların belirsizliği nedeniyle büyük önem taşımaktadır. Ana depremi ayakta atlatmış ve ciddi hasar oluşmadığı düşünülen yapılarda, kalan sismik dayanımda kritik seviyede azalma meydana gelmiş olabilir. Bu nedenle, söz konusu yapıların hasar durumunun doğru biçimde tespit edilmesi, olası artçı depremler karşısında can ve mal güvenliğinin sağlanması açısından kritik bir gerekliliktir. Yapısal elemanlar, deprem ivmesinin büyüklüğüne, süresi ile kaynağa olan uzaklığına bağlı olarak yer hareketi esnasında elastik deformasyon kapasitelerini aşan tepe deformasyonlarla karşılaşabilir. Bu tepe deformasyonlarının yapının kalıcı sismik performansı üzerinde belirleyici bir etkiye sahip olduğu bilinmektedir. Kolon, kiriş ve perde duvarların maruz kaldığı kalıcı hasar sonucunda yapının rijitlik ve dayanım kapasitesinde önemli ölçüde azalma meydana gelir. Bu azalma, yapının genel sismik performansını doğrudan etkilemekte ve yapının olası artçı depremlere karşı sergileyeceği davranış üzerinde belirleyici bir rol oynamaktadır. Ana deprem sonrasında can güvenliği açısından hasar tespit çalışmalarının hızlıca tamamlanması önemlidir. İlk aşamada uzman bir ekip tarafından hızlı hasar tespit süreci gerçekleştirilir. Bu süreçte beton dökülmesi, çatlak oluşumu ve donatı burkulması gibi hasarlar gözlemlenerek kayıt altına alınır. Hafif ölçüm aletleri bu aşamada kullanılabilmekle birlikte hızlı tespit genel itibarıyla görsel incelemeye dayanmaktadır. Hızlı tespit sonucunda sınırlı kullanım kararı verilen yapıların güçlendirilmesi ya da çökme riskinin değerlendirilebilmesi için daha kapsamlı bir inceleme yapılması zorunlu hale gelmektedir. Detaylı inceleme yöntemleri genel olarak tahribatlı ve tahribatsız olmak üzere iki ana başlık altında ele alınabilir. Tahribatlı yöntemlerde yapısal elemana müdahale edilerek numune alınmakta ve alınan bu numuneler laboratuvar ortamında analiz edilmektedir. Tahribatsız yöntemlerde ise yapısal elemana herhangi bir zarar verilmeksizin, dışarıdan uygulanan sensör sistemleri aracılığıyla yapının incelenmesi mümkün kılınmaktadır. Detaylı inceleme kapsamında yapının kalıcı yer değiştirmesi, doğal frekansındaki değişimler ve titreşim mod şekillerindeki dönüşümler ayrıntılı biçimde değerlendirilebilmektedir. Literatürde bugüne kadar bir dizi alternatif yöntemin kullanımı ve etkinliği çeşitli çalışmalarla ortaya konulmuş olsa da her metodun kendine özgü avantajları ve eksiklikleri bulunmaktadır. Bu eksiklikleri en aza indirmeyi hedefleyerek farklı hasar tespit yöntemlerinin bir arada uygulanmasını ve sonuçlarının bütüncül bir bakış açısıyla değerlendirilmesini ele alan çalışmaların sayısı literatürde oldukça kısıtlı kalmaktadır. Bu tez çalışmasının amacı, gözlemsel hasar verileri ile aletsel ölçüm tabanlı hasar göstergelerini bir araya getirerek olasılıksal bir çerçevede yapının kalan sismik kapasitesi üzerinde doğrudan belirleyici bir role sahip olduğu bilinen maksimum göreli öteleme oranının Bayes yöntemi ile tahmin edilmesidir. Hasar verici bir deprem olayının ardından yapının mevcut durumuna ilişkin hiçbir ön bilginin bulunmadığı varsayımı altında, çalışma kapsamında malzeme belirsizlikleri ve yer hareketi değişkenliği de dahil olmak üzere başlıca belirsizlik kaynakları tanımlanmıştır. Sistem analizinde kullanılmak üzere bu belirsizlikler doğrultusunda rassal dağılımlı değişkenler tanımlanmış ve Monte Carlo simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Örnek çalışma olarak Kaliforniya Ulaştırma Dairesi (Caltrans) deprem yönetmeliğine göre tasarlanmış bir köprü ayağı modeli seçilmiştir. Referans alınan çalışma, bu köprü ayağı üzerinde gerçekleştirilen sarsma tablası deneyini kapsamakta olup sonuçlar, her bir yer hareketi uygulamasının ardından çekilen fotoğraflarla birlikte raporlanmıştır. Bu deneysel sonuçlar daha sonra sayısal modelin doğrulanmasında kullanılmıştır. Köprü ayağı 7.31 metre boyunda ve 1.22 metre çapında olup ankastre kolon olarak modellenmiştir. Sistem modellemesinde Open System for Earthquake Engineering Simulation (OpenSees) sürüm 3.7.0 kullanılmıştır. Simülasyonlar kapsamında doğrusal olmayan zaman tanım alanında analizler gerçekleştirilmiştir. Doğrusal olmayan analiz yapılabilmesi amacıyla kesitler fiber modellemesi ile tanımlanmıştır. Ardından eleman oluşturulması için yığılı plastiklik modellemesini esas alan beamWithHinges elemanı sisteme tanımlanmıştır. Yapıların deprem sonrası hasar tespiti sürecinde, birçok zaman mühendisler yapıya ilişkin detaylı malzeme dayanımı ve ivme kaydı bilgisine sahip olmadan hasarın düzeyini kestirmek zorundadır. Bu gerçeklikten hareketle, mevcut çalışmada da ilgili köprü modelinin detaylı malzeme ve deprem ivmesi bilgisinin olmadığı kuramsal durum göz önüne alınmıştır. Bu doğrultuda, malzeme ve yer hareketi belirsizlikleri tanımlanmıştır. Malzeme belirsizliği çerçevesinde, yapının projesinde tanımlanmış olan dayanım, şekil değiştirme, kütle ve sönüm parametreleri rassal dağılımlı sayı setlerine dönüştürülmüştür. Yer hareketi belirsizliğinin ele alınmasında ise yapıda gözlemlenen hasar örüntüsü bir başlangıç noktası olarak kabul edilmiş; köprünün en az tasarım düzeyi deprem şiddetinde bir yer hareketine maruz kaldığı varsayımı benimsenmiştir. Bu varsayım doğrultusunda PEER veri tabanından söz konusu şiddete yakın karakteristiklere sahip 15 adet yer hareketi kaydı özenle seçilmiştir. Her bir kayıt için azalım ilişkilerinden yararlanılarak logaritmik medyan ve standart sapma değerleri hesaplanmış; elde edilen bu istatistiksel dağılım kullanılarak her deprem kaydına özgü ölçekleme katsayısı setleri türetilmiş ve ilgili yer hareketi kayıtlarına uygulanmıştır. Tüm belirsizlik parametrelerinin OpenSees modeline işlenmesinin ardından toplam 450 adet zaman tanım alanında Monte Carlo simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu tez çalışmasının temel amacı, birden fazla hasar göstergesinin birlikte dikkate alındığı durumlarda, yapısal hasar değerlendirmesinin doğruluğunda meydana gelen iyileşmeyi ortaya koymaktır. Bu doğrultuda, görsel hasar göstergeleri ile ölçülebilir hasar göstergeleri ele alınmış ve Bayesian bir çerçeve içerisinde analiz edilmiştir. Ölçülebilir hasar göstergeleri olarak kalıcı ötelenme oranı ve periyot uzaması seçilmiş ve analizlerde kullanılmıştır. Yapılan analizlerde, modelde dikkate alınan belirsizlik türlerinden hangisinin daha etkili olduğunu belirlemek amacıyla ek incelemeler gerçekleştirilmiştir. Malzeme belirsizliği kapsamında, farklı beton ve donatı özelliklerine ait olasılıksal dağılımlar tanımlanmış ve bu doğrultuda simülasyonlar yürütülmüştür. Yer hareketi belirsizliği için ise seçilen deprem kayıtları, kuvvetli yer hareketi azalım denklemlerinden elde edilen medyan değere uyacak şekilde ölçeklenmiş; ayrıca, deneysel olarak ölçülen tepe yer ivmesi değerine karşılık gelecek biçimde yeniden ölçeklendirme uygulanmıştır. Referans alınan çalışmada hem görsel hem de ölçüm tabanlı hasar göstergelerine ait veriler mevcuttur. Bu çalışma kapsamında gerçekleştirilen OpenSees simülasyonlarından elde edilen kalıcı göreli kat ötelemesi ve periyot uzaması değerlerinin, ana deprem sonrasındaki gerçekçi yapısal durumu olabildiğince doğru biçimde yansıtması hedeflenmiştir. Bu hedefe ulaşmak amacıyla yer hareketi kaydının sona ermesinin ardından analiz 10 saniyelik bir duraklama süresiyle sönümlenmesi akabinde sisteme 300 saniye boyunca çok düşük genlikli beyaz gürültü uygulanmıştır. Düşük genlikli beyaz gürültü sürecinde kaydedilen ivme verileri Welch yöntemi aracılığıyla güç spektral yoğunluğu analizine tabi tutulmuş; buradan elde edilen sonuçlar doğrultusunda sistemin baskın frekansı ve nihai periyodu belirlenmiştir. Sisteme beyaz gürültü uygulanmasının temel gerekçesi, yapısal elemanın hasar sonrası sergilediği modal periyodların kıyaslamasını gerçekçi şekilde elde etmektir. Çalışmanın temel amacı, sistemin maksimum ötelenme oranının tahmin edilmesi olduğundan, önsel olasılık dağılımı olarak hiçbir hasar bilgisine koşullanmadan elde edilmiş maksimum ötelenme oranı olasılık dağılımı oluşturulmuştur. Modelleme kaynaklı belirsizlikleri ve hataları dikkate alabilmek amacıyla, maksimum yer değiştirme, kalıcı ötelenme oranı ve periyot uzaması sonuçlarına rastgele değişkenler oluan tanımlanmış düzeltme katsayıları uygulanmıştır. Önsel olasılık dağılımı incelendiğinde, maksimum ötelenme oranına ait dağılımın mod değerinin %1 olduğu görülmektedir. Koşullu olasılık güncellemesinin ilk aşaması, yalnızca görsel hasar göstergelerinin dikkate alınmasıyla gerçekleştirilmiştir. Referans alınan çalışmada, tasarım düzeyi deprem sonrasında elde edilen görseller incelendiğinde, sistemde kabuk betonu dökülmesinin başladığı gözlemlenmiştir. Bu bulgu, Bayesian koşullu olasılık çerçevesinde değerlendirilmiş ve görsel hasar göstergesine koşullu maksimum ötelenme oranı incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde, yalnızca önsel olasılık dağılımı dikkate alındığında maksimum ötelenme oranının ağırlıklı olarak %0–2 aralığında yoğunlaştığı görülmektedir. Buna karşılık, koşullu olasılığın uygulanmasıyla birlikte bu yoğunluğun %2–4 aralığına kaydığı tespit edilmiştir. İkinci aşamada, maksimum ötelenme oranının görsel hasar göstergesi ve kalıcı ötelenme oranına koşullu olarak tahmin edilmesine dayalı bir güncelleme gerçekleştirilmiştir. Önsel dağılımın medyanı 1.21 iken, sonsal dağılımın medyanı 3.16'ya yükselmiş ve gerçek değer olan 4.93'e belirgin şekilde yaklaşarak %161 oranında bir iyileşme sağlanmıştır. Bu artış, görsel hasar göstergeleri ile ölçülebilir hasar göstergelerinin birlikte kullanılmasının hasar değerlendirmesi açısından önemli bir iyileşme sağladığını ortaya koymaktadır. İkinci aşamaya ek olarak, kalıcı ötelenme oranı yerine periyot uzaması kullanılarak aynı analiz süreci tekrarlanmıştır. Bu kapsamda, maksimum ötelenme oranının görsel hasar ve periyot uzamasına koşullu tahmini incelenmiştir. Sonuçlar değerlendirildiğinde, periyot uzaması kullanıldığında da sonsal medyan değeri, önsel dağılıma kıyasla %124 oranında artarak 2.72'ye yükselmiş ve gerçek değere belirli ölçüde yaklaşmıştır. Her ne kadar bu artış önemli bir iyileşmeye işaret etse de, kalıcı ötelenme oranı kullanılarak elde edilen sonuçlara kıyasla daha düşük kalmaktadır. Bu karşılaştırma, maksimum ötelenme oranının tahmininde kalıcı ötelenme oranının daha etkili bir gösterge olduğunu ortaya koymaktadır. Son aşamada, görsel hasar, kalıcı ötelenme oranı ve periyot uzaması birlikte değerlendirilmiştir. Önceki güncelleme adımlarında olduğu gibi, maksimum ötelenme oranı tahmininin daha da iyileşerek referans değerde ölçülen değere yaklaştığı gözlemlenmiştir. Mod değerinin %2.5 seviyesine ulaştığı ve bunun, önsel olasılık dağılımına kıyasla %150 oranında bir iyileşmeye karşılık geldiği belirlenmiştir. Medyan değerler karşılaştırıldığında ise, sonsal dağılımın medyanının %3.41 seviyesine ulaştığı ve bunun önsel dağılıma kıyasla yaklaşık %181 oranında bir artışa karşılık geldiği görülmüştür. Son olarak, hangi belirsizlik türünün daha etkili olduğunu belirlemek amacıyla yapılan analizlerde, sistemin davranışının ağırlıklı olarak yer hareketi belirsizliğinden etkilendiği gözlemlenmiştir. Buna karşılık, malzeme belirsizliğinin maksimum ötelenme oranı tahmini üzerinde sınırlı bir etkiye sahip olduğu ve belirgin bir değişime yol açmadığı belirlenmiştir. Tez çalışması kapsamında, bir köprü ayağı sistemi üzerinde olasılıksal bir yaklaşım kullanılarak maksimum ötelenme oranının tahmini incelenmiş ve birden fazla hasar göstergesinin birlikte değerlendirildiği bir çerçeve oluşturulmuştur. Elde edilen sonuçlar, görsel hasar, kalıcı ötelenme oranı ve periyot uzamasının birlikte kullanılması durumunda tahmin doğruluğunun belirgin şekilde arttığını göstermiştir. Özellikle koşullu olasılık güncellemeleri ile tahminlerin referans değerlere daha fazla yaklaştığı gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Damage assessment of a structure following a damaging event plays a critical role in evaluating its safety. This decision-making process becomes particularly critical in the context of aftershock sequences. Even ductile reinforced concrete (RC) structures that successfully survive the mainshock may have sustained significant damage that compromises their ability to withstand subsequent events. The numerous real-life examples of buildings collapsing during aftershocks highlight the consequences of improper damage assessment. It is well established that the maximum deformations experienced during a damaging event are directly related to the extent of damage sustained by the structure. Exhibited maximum displacements, alter the stiffness and strength, both of which govern the structure's overall response capacity and its ability to resist future seismic demands. Following a damaging event, often experienced teams conduct initial inspection based on visual damage indicators. This first evaluation can also be referred to as a rapid assessment technique. After the rapid assessment, structures that are deemed unsafe for continued use require a more detailed engineering evaluation to decide whether they should be repaired or demolished. In such cases, the structural properties are thoroughly investigated through visual and measurable damage indicators. Visual damage indicators include observed cracks, spalling, and reinforcement damages in structural members. In addition, measurable damage can be more comprehensively evaluated through parameters such as residual displacement, period shift, stiffness change and cumulative energy dissipation. There are numerous damage indicators as well as damage assessment techniques available in the literature. Although many techniques have been proposed, there is a very limited number of studies that combine multiple damage assessment techniques for a more comprehensive evaluation. In this thesis, the objective is to perform structural damage assessment by integrating both visual and measurable damage indicators. A probabilistic framework is adopted in which visual damage indicators are jointly considered with residual drift ratio and period elongation to estimate the maximum drift ratio exhibited by the structure. Within this framework, the major uncertainties affecting the system are explicitly incorporated, namely material uncertainty and ground motion excitation uncertainty. As a case study, a ductile RC bridge model designed and constructed according to the California Department of Transportation (Caltrans) guidelines is selected. The bridge model had been tested on a shaking table, and the results were reported along with photographs taken at the end of each ground motion excitation in 2015. These experimental results are then used for the validation of the key components of the numerical model utilized in this thesis. The numerical modelling is carried out using the Open System for Earthquake Engineering Simulation (OpenSees) version 3.7.0, and nonlinear time history analyses are conducted as a part of the simulations. In the model, a fiber section approach is adopted in combination with a with a distributed plasticity model using a plastic hinge integration scheme. The tested model is assumed to represent a ductile structure to be assessed for the level of damage after a damaging earthquake. It is assumed that the maximum drift demand during the earthquake was unknown, and was to be inferred based on the identifiable damage indicators. Considering the probabilistic approach adopted in this study, both material properties and the ground motion excitation are introduced into the system as uncertain parameters. This is very often the case in post-earthquake damage assessment since detailed material properties and the ground motion at the site of the damaged structure is typically unavailable. Monte Carlo simulations are employed to propagate the related uncertainties through the analyses. From the resulting data, a Bayesian inference method is applied, and four distinct cases of conditional probability distributions of maximum displacement, are evaluated. The first case considers conditioning only on visual damage indicators. The second probability distribution is conditioned on visual damage combined with residual drift, the third on visual damage combined with period elongation, and the fourth considers all parameters together. Furthermore, the relative contributions of material uncertainty and ground motion uncertainty are examined to identify which source governs the damage assessment results. It is observed that the estimated probability distribution of the maximum drift ratio improves when it is conditioned on the visual damage indicators. The mode of the distribution systematically increases. When measurable damage indicators are subsequently incorporated alongside the visual damage indicator, a further improvement in the maximum drift ratio estimation is observed. Here, residual drift and the period elongation are jointly referred to as measurable indicators. Comparing the two measurable indicator cases, conditioning on visual damage combined with residual drift yields a 161% increase in the median compared to the prior estimation, whereas conditioning on visual damage combined with period elongation results in a 124% increase in the median. Based on these results, it can be concluded that residual drift has a greater effect on damage assessment as compared to period elongation. The primary objective of this study is to demonstrate that the most accurate estimation of the maximum drift ratio is achieved when both the visual damage indicators, residual drift ratio and the period elongation are considered together. Comparing the median values of the distribution, the maximum drift is 1.21% in the prior probability, whereas when all indicators are considered together, it increases to 3.41%, corresponding to nearly a 181% improvement in the estimation. Regarding the uncertainty analysis, separate simulations were conducted for material and ground motion uncertainties following the same procedure. Ground motion uncertainty is found to be the most influential parameter in the analysis. The findings of this study, demonstrated on a bridge pier system using a probabilistic approach, show that post-earthquake damage assessment can be performed more accurately by combining the visual damage indicators with measurable indicators, namely residual drift ratio and period elongation, compared to assessments based on a single indicator.
Benzer Tezler
- Meteorolojik verilerin ısıl değerlendirilmesi ve bilgisayarda simülasyonu
Başlık çevirisi yok
KAYA SARICALI
- Multistage repeated inspection allocation with initially unknown defective probabilities
Başlık çevirisi yok
İNCİ PEKGÜLEÇ
- Kesikli parametreli homojen markov zincirleri ile iç göçlerin incelenmesi
The Examination of internal migration by discrete parameter homogeneous markov chains
ZEYNEP OKUR
Yüksek Lisans
Türkçe
1990
İstatistikGazi Üniversitesiİstatistik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SALİH ÇELEBİOĞLU
