Büyük açıklıklı betonarme yapıların deprem performansının zaman tanım alanında doğrusal olmayan yöntemle belirlenmesi ve viskoz sönümleyiciler ile güçlendirilmesi
Earthquake performance assessment of long span reinforced concrete structures using nonlinear dynamic time history analysis and seismic retrofitting with viscous dampers
Yazar: ALİ RIZA YIKILMAZ
Danışman: DOÇ. DR. ABDULLAH NECMETTİN GÜNDÜZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering

Özet:
Özellikle aktif fay kuşağında yer alan mevcut yapı sistemlerinin deprem performanslarının belirlenmesinde, değerlendirme yöntemlerinin seçimi önemli bir unsur olmaktadır. Yapı sistemlerinin deprem etkisi altında dinamik karakterlerine göre seçilecek olan bu değerlendirme yöntemleri, doğrusal ve doğrusal olmayan yöntemler olarak iki gruba ayrılmaktadır. Bu yöntemler, elastik ve elastoplastik yapısal malzeme davranışlarını esas almaktadır. Malzemenin doğrusal yani elastik olduğu kabulü ile seçilen hesap yöntemleri, belirli bir tasarım depremi etkisi altında taşıyıcı sistem elemanlarının taşıma kapasitelerinin belirlenmesine yönelik yürütülen çalışmalardır. Diğer taraftan malzemenin doğrusal olmadığı yani elastoplastik malzeme davranışlarını esas alan hesap yöntemleri, belirli bir tasarım depremi etkisi altında yapısal malzemelerde oluşacak olan uzama/kısalma taleplerinin belirlenmesine yönelik yürütülen çalışmaları kapsamaktadır.
Deprem bölgelerinde yer alan mevcut yapı sistemleri ile ilgili ikinci bir konu, performans değerlendirmeleri sonucunda tespit edilen yapısal yetersizliklerin giderilmesi yani dayanım yetersizliği tespit edilen mevcut yapı sistemleri için uygun güçlendirme yöntemlerinin belirlenmesidir. Son yirmi yıldır yapısal teknoloji uygulamalarının gelişmesiyle birlikte, hem yapı sistemlerinin tasarımında hem de mevcut yapıların sismik güçlendirilmelerine yönelik çalışmalarda, pasif kontrol sistemlerinin kullanımı yaygınlaşmaya başlamıştır. Bu pasif kontrol sistemlerinden viskoz sönümleyiciler, paslanmaz çelikten imal edilen silindirik boru ve bu borunun başlıklarında bulunan paslanmaz çelik pistonlardan oluşmaktadır. Yapı sistemlerinin deprem etkisi altında maruz kaldığı hız istemleri, viskoz sönümleyicilerin her iki ucunda bulunan pistonlarda farklı iki basınç oluşturmaktadır. Sönümleyicilerin her iki ucunda oluşan bu basınç farkı, silikon esaslı yağ sayesinde oluşmakta ve bu fark ısı enerjisine dönüştürülmektedir. Böylece sistemin maruz kaldığı deprem enerjisinin bir kısmı sönümlenebilmektedir.
Bu çalışma kapsamında, taşıyıcı sistemi genel olarak perde sistemlerle teşkil edilmiş, birbirlerinden dilatasyon hatlarıyla ayrılmış mevcut betonarme yapı bloklarının ve bu blokların bir bütün olarak uzantısı olan yaklaşık 60 m uzunluğundaki betonarme kabuk sistemin deprem performansı belirlenmiştir. Yapı sisteminin deprem performansının belirlenmesinde, sistemin dinamik özellikleri de göz önüne alınarak, zaman tanım alanında doğrusal olmayan hesap yöntemi kullanılmıştır.
Yapı sisteminin sismik performans değerlendirmesinde, ilk olarak taşıyıcı sistem elemanların kesit özelliklerine göre ve yapısal malzemelerin elastoplastik davranış gösterdiği yani malzemelerin doğrusal olmadığı yöntem kullanılarak, taşıyıcı elemanlar için yönetmelikçe öngörülen kesit hasar sınırlarına dayanarak, plastik mafsal tanımları belirlenmiş ve bu mafsallar analiz modellerinde tanımlanmıştır. İkinci aşamada ise, yapı sisteminin dinamik karakterine, bölgenin sismolojik ve geoteknik özelliklerine uygun olarak seçilmiş yer hareketi kayıtları tespit edilmiştir. Seçilen yer hareketi kayıtlarının %5 sönüm oranlı ivme spektrumları çıkarılmış ve bu spektrum eğrileri, yapı sistemi hâkim periyoduna göre belirlenen eşleştirme aralığında, bölgenin depremselliği de göz önüne alınarak yönetmelikçe belirlenen %5 elastik tasarım ivme spektrumuna göre ölçeklendirilmiştir. Seçilen yer hareketi kayıtlarının tasarım ivme spektrumuna göre ölçeklendirilmesi, yönetmelikçe belirtilen şartlar doğrultusunda yapılmıştır.
Yapı sistemi üzerinde yürütülen sismik performans değerlendirmesi sonuçları iki ana alt başlıkta özetlenmiştir.
•	Yapı blokları taşıyıcı sistemleri genel olarak yeterli yanal dayanıma sahip değildir. Blokların perde sistemler ile teşkil edilmesi nedeniyle, özellikle planda kısa doğrultuda teşkil edilen perde sistemler, bu deprem doğrultusunda oluşacak olan taban kesme kuvvetinin %95'ine maruz kalmaktadır. Bu denli yüksek oran, bu perde sistemleri başlıklarında kapasitelerinin üzerinde aşırı çekme-basınç talepleri oluşturmaktadır. Bu istemler, söz konusu perde başlıklarında "GB" performans seviyesinde plastik mafsalların oluşmasına neden olmaktadır. Sonuç olarak özellikle Blok 4 ve Blok 5 yapı sistemlerinde meydana gelen plastik mafsallar, sistemin performans seviyesini "GB" bölgesine düşürmektedir.
•	Yaklaşık 60 m uzunluğundaki betonarme kabuk sistemin yapı bloklarına bağlantısının mafsallı olması nedeniyle, bu sistemin herhangi bir yatay rijitliği bulunmamaktadır. Bu durum, göz önüne alınan deprem etkileri altında kabuk uç yerdeğiştirmelerinin yüksek mertebelerde seyretmesine neden olmaktadır. Ayrıca kabuk elemanların birbirleri ile bağlantılarının olmaması nedeniyle, bu elemanlar birbirlerinden bağımsız ve yüksek periyotlu salınımlar yapmaktadır.
Çalışmanın son bölümünde ise, betonarme kabuk sistemin incelenen deprem etkileri altında yerdeğiştirme istemlerinin azaltılması adına güçlendirme yöntemi üzerinde durulmuştur. Bu yöntemde, kabuk elemanlarının her iki uç noktalarına konsol bir sistem olarak çalışan perde sistemler yerleştirilmiştir. Yerleştirilen konsol perde sistemleri üzerine gelecek olan hız istemlerinin azaltılması adına, bu perde sistemleri ile kenar kabuk elemanların bağlantısı dört adet viskoz sönümleyiciler ile yapılmıştır. Viskoz sönümleyicilerin yerleştirilmesindeki esas amaç, göz önüne alınan deprem etkileri altında kabuk uç sistemi hız istemlerinin azaltılmasıdır. Böylece konsol perde sistemler daha az yanal kuvvete maruz kalacak ve bu elemanlar daha ekonomik boyutlarda tasarlanacaktır. 
Kullanılan dört adet viskoz sönümleyicilerin dinamik karakterlerini ifade eden matematiksel değişkenler, kabuk sisteminin yanal doğrultudaki hâkim periyodu göz önüne alınarak ve uç sistemde yaklaşık %50 oranında bir sönümün öngörülmesiyle, deneme yanılma yöntemi ile tespit edilmiştir. Kabuk sistemin viskoz sönümleyiciler ile güçlendirilmesi kapsamında son bölümde ise, sistemin göz önüne alınan deprem hareketleri altında enerji talepleri ve kapasiteleri belirlenmiştir. Bu enerji değerlendirmeleri sonuçlarına göre tüm yer hareketi kayıtlarında kabuk sistemin enerji kapasitesi, deprem hareketi enerji taleplerinin üzerinde kalmaktadır.

Abstract:
It's always crucial to select assessment methods for the determination of seismic performance of existing structural systems located on an active fault zones. Selected in compliance with their dynamic characteristics under the effect of an earthquake on structural systems, these assessment methods can be classified into two groups. The methods are based on elastic and elasto-plastic structural material behavior. Calculation methods which are selected by considering that the material is linear, i.e. elastic, are the studies conducted for determination of capacities of load-bearing system elements under the effect of seismic loads. On the other hand, calculation methods based on elasto-plastic material behavior – i.e. material is nonlinear- consist of the studies conducted for determination of demands for elongation/shortening which will take place in structural materials under the effect of a seismic design.
Another key point regarding the existing structural systems located on seismic zones is compensation of structural inadequacy identified as a result of performance assessment, which means determination of retrofitting methods eligible for existing structural systems with resistance inadequacy. In the last two decades, with the development of practices in structural technology, use of passive control systems for both designing structural systems and studies for seismic retrofit of existing structures has started to be common. As one of the passive control systems, viscous dampers involve stainless steel cylindrical pipes and pistons on the head of these pipes. Velocity responses to which structural systems exposed under the effect of an earthquake create two different pressures on the pistons located on both ends of viscous dampers. The pressure difference created on both ends of dampers occurs due to silicon-based oil and can be transformed into thermal energy. Thus, a part of the seismic energy to which the system is exposed can be damped.
Within the scope of this study, seismic performance of existing reinforced concrete blocks separated by expansion joints and whose load-bearing system is made of shear wall systems, and approximately 60 m long reinforced concrete shell system as a whole extension of these blocks is determined. 
For determination of the seismic performance of the structural system, nonlinear time history analysis method is used regarding the dynamic characteristics of the system. For the assessment of seismic performance of the structural system, at first, definition of plastic hinges are specified and these hinges are defined at analysis models in terms of the section characteristics of load-bearing system elements and by using the method in which structural materials present elasto-plastic behavior, i.e. these materials are nonlinear, and on the basis of section damage limits for load-bearing elements estimated by regulations. 
In the second process, ground motion records selected in accordance with the dynamic characteristics of the structural system and seismological and geotechnical characteristics of the region are identified. 
With 5% damping ratio, acceleration spectrum of selected ground motion records are registered and these spectral curves are scaled according to defined 5% elastic design acceleration spectrum by the regulations within the predefined matching range with respect to the first natural period of the structural system, regarding the seismicity of the region. The selected ground motion records are scaled in accordance with the acceleration spectrum design with regards to the requirements defined by regulations.
The results of the seismic performance assessment conducted on the structural system are summarized under two main sub-headings:
•	Load-bearing systems of structural blocks generally have inadequate lateral resistance. Particularly the shear wall systems formed in the short direction in the plan are exposed to 95% of the base shear force since the blocks are constructed with shear wall systems. Such a high rate creates excessive tension-compression responses at these shear wall system headings over their own capacity. These responses lead to the formation of plastic hinges on shear wall headings mentioned above at collapse performance level. The plastic hinges formed in the structural systems of Block 4 and 5 reduce the performance of the system to the collapse level.
•	Since the connection between nearly 60 m long reinforced concrete shell system and structural blocks is designed by hinges, the system doesn't have any lateral stiffness. This results in the shell end to move in high levels under the estimated effects of an earthquake. Additionally, shell elements swing independently at high levels since they don't have connection among each other.
The last chapter of this study focuses on the retrofitting method to reduce response on displacement of reinforced concrete shell system under analyzed effects of an earthquake. In this method, shear wall systems are placed on both end points of shell elements working as a cantilever shear wall systems. These shear wall systems and edge shell elements are connected with four viscous dampers to reduce the velocity response which will be placed on the cantilever shear wall systems. The main objective of placing viscous dampers is to reduce velocity response of the shell end system under the effect of an earthquake. Thus, the cantilever shear wall systems will be exposed less lateral force and the elements will be designed with a lower cost.
Variables defining dynamic characteristics of the four viscous dampers used are determined via trial and error method with the estimation of approximately 50% damping on the shell system, regarding the first natural lateral period of the system. In the last chapter, energy demands and capacities under the estimated earthquake motion of the system within the scope of retrofitting the shell system with viscous dampers are evaluated. According to the results of these energy assessments, energy capacity of the shell systems is above the demands on earthquake motion energy in all ground motion records.