Yüksek betonarme binaların zaman tanım alanında lif model kullanarak şekil değiştirmeye dayalı doğrusal olmayan analizi
Time history deformation based nonlinear analysis of tall reinforced concrete buildings using fiber model
Yazar: RIZA TORKAN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA KARAŞAHİN
İstanbul Gelişim Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Potansiyel olarak, önemli depremlerin yaşanabileceği bir sismik bölgede bulunuyoruz. Bu nedenle, Hayat kaybıyla sonuçlanabilecek yıkıcı etkilere karşı korunmak önemlidir. Bu amaçla yapılacak en iyi şeylerden biri, depreme dayanıklı yapılar inşa etmektir. Özellikle, depreme karşı yapıların performansını belirlemek için oldukça farklı yöntemler kullandıktan bu karmaşıklığın incelenmesi önem göstermektedir. Depremlere karşı yapıların güvenliğini sağlamak için doğrusal olmayan davranışların dikkate alındığı bir taşıyıcı sistem kurulması gereklidir. (Zhang, R. 2019).  Bu konu, TBDY2018 (Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018) tarafından özellikle yüksek binalar için zorunlu hale getirilen bir yöntemdir. Doğrusal olmayan modelleme, yapıların deprem altında gerçekçi bir şekilde davranışını anlamak için önemlidir. Bu modelleme ile deprem sırasında yapıların malzeme liflerinde oluşacak uzama ve kısalmaları hesaba katarak ayrıntılı bir şekilde analiz edilmesini gerektirir. Bu analizler, ikinci mertebe etkilerini de dikkate alarak, malzeme ve geometri açısından doğrusal olmayan çözümlere dayanır. 
 Bu çalışma, yüksek binaların deprem performansını değerlendirmek için, OpenSees yazılımı kullanılarak yeni bir yöntem geliştirmektedir. Özellikle, bu çalışmanın amacı, TBDY2018 kapsamında, yapıların doğrusal olmayan davranışlarının dikkate alındığı bir analiz yaklaşımı kullanılmıştır. Bu, yapıların gerçek deprem etkilerine daha gerçekçi bir şekilde tepki göstermesini sağlamaktadır. Analizlerde, geçmiş depremlerden elde edilen toplam 22 adet deprem ivme kaydı kullanılmış ve bu kayıtlar yönetmelikte belirtilen ölçekleme koşullarına göre ölçeklendirilmiştir. Bu, yapıların performansının daha doğru ve gerçekçi bir şekilde değerlendirilmesini sağlamaktadır. Çalışmada, TBDY2018'de belirtilen yapı performans seviyelerinin sağlanması için gerekli olan tasarım ve değerlendirme yaklaşımları incelenmiştir. Böylece, can ve mal kaybını önlemek için yapıların depreme karşı güvenliğinin sağlanmasında yardımcı olmaktadır. Bu yöntem, yapıların depreme karşı güvenliğinin artırılmasına katkı sağlayabilir. 
Üçüncü bölümde çelik ve beton yapıların davranışı ve özellikleri detaylı olarak ele alınmıştır. Burada, özellikle lif modelinin elastik ötesi davranışı ve çözüm yöntemleri üzerinde durulmaktadır. Bu yöntemler deplasmana dayalı rijitlik ve kuvvete dayalı esneklik olarak adlandırılmakta olup çatlaklar ve diğer hasar durumları bunlara bağlı olarak incelenmiştir. Dayanıklılığa dayalı yapı modeli basit bir hesaplama asasına sahip olsa da, sonlu eleman yaklaşımını kullanması gerekmektedir. Sonlu eleman yaklaşımında, diferansiyel denklem serilerinin çözümü için Newton-Raphson tekniği kullanılmaktadır. Ancak, bu yaklaşımın uygulanması daha karmaşık analizler gerektirmektedir. Yerel deprem yönetmeliklerine ve standartlara uyulması da önemlidir, çünkü her ülkenin deprem riski ve yapısal gereksinimleri farklı olabilir. Daha açıklayıcı olması için, özellikle lif modelinin elastik ötesi davranışının nasıl gözlendiği ve çözüm yöntemlerinin veri analizi aşamasında nasıl ele alındığı konusunda detaylı bilgi verilmiştir. Ayrıca, dayanıklılığa dayalı modelin eleman modifiye şeklinin nasıl daha basitleştirildiği ve mevcut sonlu eleman programlarının neden genellikle dayanım temelli modelleri kullandığı hakkında açıklama yapılmıştır. (Rao, S. S. 2019).
TBDY 2018 kapsamında, yeni binaların tasarımında şekildeğiştirme performansı dikkate alınmaktadır. Tasarım Deprem Sınıfı, Bina Kullanım Sınıfı ve Tasarım Deprem Sınıfları tanımlanmış ve binaların hesaplanması ve değerlemesi ile ilişkilendirilmiştir. Buna göre, betonarme binaların 'Deprem Tasarım Sınıfı'na uygun inşa edilmesinde bazı performans hedefleri ve değerleme ile tasarım yaklaşımları sunulmuştur. Yeni binalarda, bina tasarımı ve değerleme teknikleri ele alınmış, doğrusal olmayan çözüm tekniği detaylı bir şekilde açıklanmıştır. Doğrusal olmayan davranış modellerinin terimleri tanıtılmış ve performans seviyelerine karşılık gelen deformasyon sınırları, çelik ve betonun özelliklerine göre belirtilmiştir. TBDY 2018 kapsamında yeni binaların tasarımında şekildeğiştirme performansı, tasarım kriterleri, hesaplama yöntemleri ve doğrusal olmayan davranış modelleri detaylı olarak ele alınmıştır.
İnşa edilecek binada, Bodrum kat sayısı ve zemin özellikleri, deprem yüklerini önemli ölçüde etkiler. Tasarımda plastik mafsal oluşan kesimlerinde kısımlarında aktif rijitlik momentinin kullanılmasıyla moment azaldıkça performansında düşüş yaşanacağı da bilinmektedir. Bununla birlikte, TBDY 2018'deki yönetmelikte perde gerilme değerinin önemli olduğu ifade edilmektedir. Ancak tasarımda etkin çatlamış kesit rijitlikleri kullanılmakta ve rijitlik azaldığı için deprem kuvvetlerinde de azalma olmaktadır. Fakat çatlamış kesit rijitliklerinin kullanılması ötelemeleri artırdığı için sınır değerlerin sağlanması zorlaşmaktadır. Bu durumda daha büyük kolon kullanmak veya etriye aralıklarını azaltarak kolonun sünekliğini artırmak gerekebilir. Düşey yüklerden dolayı, normal kuvvet etkisi fazla olan kolonların boyutları artırılmıştır. Bu bağlamda, ölçekleme işlemleri için belirlenmiş olan değiştirilmiş koşullar bahsedilmiştir olup, bu koşulların geliştirilmiş program tarafından nasıl uygulandığı gösterilmiştir. Betonarme binaların 'Deprem Tasarım Sınıfı'na uygun inşa edilmesinde bazı performans hedefleri ve değerleme teknikleri kullanılır. Doğrusal olmayan çözüm teknikleri de detaylı bir şekilde açıklanmıştır. Performans seviyelerine karşılık gelen deformasyon sınırları, çelik ve betonun özelliklerine göre belirtilmiştir. Zemin özellikleri (sertlik, sönümleme) yapının sismik performansını önemli ölçüde etkiler ve bu etkilerin dikkate alınmış. Yeni binaların tasarımında, temel özellikleri, yapısal sistem özellikleri, performans hedefleri, malzeme özellikleri ve toprak-yapı etkileşimi gibi faktörlerin detaylı bir şekilde ele alınmış. (O'Reilly, G. J. 2018).
SAP2000 ve STA4CAD programına yüklenen ölçeklenmiş ivme ile zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz yapılarak maksimum deplasman bulunmuş ve 𝜔2 ile çarpılarak spektral ivme değeri elde edilmiştir. Ölçekleme programından elde edilen spektral ivme değeri ile SAP2000'den elde edilen spektral ivme değeri gösterilmiştir ve yaklaşık olarak aynı olduğu gösterilmiş. 25 katlı betonarme bir binanın mod birleştirme yöntemiyle tasarımı yapılmış ve kesit ile donatıları belirlenmiştir. Her iki program (SAP2000 ve STA4CAD programı) ile binanın doğrusal olmayan dinamik analizi yapılmış ve uç deplasmanlarının zamana göre değişimi karşılaştırılmıştır. Tasarım sonucu elde edilen kesit ve donatılar kullanılarak, OpenSees programı ile TBDY2018 kapsamında şekildeğiştirmeye göre analiz ve değerlendirmesi yapılmıştır. Analizlerde ölçeklendirilmiş 22 adet deprem ivme kaydı kullanılmış ve her bir deprem kaydı için beton ve donatı çeliğindeki uzama ve kısalma değerleri TBDY2018'deki sınır değerlerle karşılaştırılmıştır. Sonuçlar değerlendirilerek her iki durum için yapı performansı kıyaslanmış ve önerilerde bulunulmuştur.

Abstract:
Potentially, we are located in a seismic zone where significant earthquakes can occur. Therefore, it is important to guard against devastating effects that can result in loss of life. One of the best things to do for this purpose is to build earthquake-resistant structures. In particular, it is important to study this complexity since it uses quite different methods to determine the performance of structures against earthquakes. To ensure the safety of structures against earthquakes, it is necessary to install a carrier system, in which non-linear behavior is taken into account. (Zhang, R. 2019). This topic is a method made mandatory by TBDY2018 (Turkish Building Earthquake Regulation 2018) especially for tall buildings. Nonlinear modeling is important for understanding the realistic behavior of structures under earthquakes. This modeling requires detailed analysis of structures during earthquakes, taking into account the elongation and shortening that will occur in the material fibers. These analyses are based on non-linear solutions in terms of materials and geometry, taking into account second-order effects. 
This study develops a new method to evaluate the earthquake performance of tall buildings using OpenSees software. In particular, the aim of this study was to use an analysis approach within the scope of TBDY2018, in which the non-linear behaviors of the structures were taken into account. This allows the structures to react more realistically to the actual earthquake effects. In the analyses, a total of 22 earthquake acceleration records obtained from past earthquakes were used and these records were scaled according to the scaling conditions specified in the regulation. This enables a more accurate and realistic evaluation of the performance of the structures. In the study, the design and evaluation approaches required to ensure the building performance levels specified in TBDY2018 were examined. Thus, it helps to ensure the safety of buildings against earthquakes in order to prevent loss of life and property. This method can contribute to increasing the safety of buildings against earthquakes. 
The behavior and properties of steel and concrete structures are discussed in detail in the third section. Here, the focus is particularly on the inelastic behavior of the fiber model and solution methods. These methods are called displacement-based rigidity and force-based flexibility, and cracks and other damage situations are examined accordingly. Although the strength-based structural model has a simple calculation base, it needs to use the finite element approach. In the finite element approach, the Newton-Raphson technique is used to solve differential equation series. However, the application of this approach requires more complex analyses. It is also important to comply with local earthquake codes and standards, because the earthquake risk and structural requirements of each country may be different. For more explanation, detailed information is given, especially on how the inelastic behavior of the fiber model is observed and how the solution methods are considered in the data analysis stage. In addition, an explanation is given on how the element modification form of the strength-based model is simplified and why existing finite element programs generally use strength-based models. (Rao, S. S. 2019).
Within the scope of TBDY 2018, shapeshifting performance is taken into account in the design of new buildings. Design Earthquake Class, Building Use Class, and Design Earthquake Classes are defined and associated with the calculation and valuation of buildings. Accordingly, some performance goals and valuation and design approaches are presented in the construction of reinforced concrete buildings in accordance with the 'Earthquake Design Class'. In new buildings, building design and valuation techniques are discussed, non-linear solution technique is explained in detail. The terms of nonlinear behavior models are introduced and the deformation limits corresponding to the performance levels are specified according to the properties of steel and concrete. Within the scope of TBDY 2018, deformation performance, design criteria, calculation methods and nonlinear behavior models were discussed in detail in the design of new buildings.
In the building to be built, the number of basement floors and ground characteristics significantly affect earthquake loads. It is also known that with the use of active stiffness moment in the parts of the sections consisting of plastic joints in the design, there will be a decrease in performance as the moment decreases. However, in the regulation in TBDY 2018, it is stated that the curtain stress value is important. However, effective cracked section stiffness is used in the design and as the rigidity decreases, there is a decrease in earthquake forces. However, since the use of cracked section stiffness increases the translations, it becomes difficult to achieve the limit values. In this case, it may be necessary to use a larger column or to increase the ductility of the column by reducing the stirrup intervals. Due to the vertical loads, the size of the columns with a high normal force effect has been increased. In this context, the modified conditions set for scaling operations are mentioned and it is shown how these conditions are implemented by the developed program. Some performance targets and valuation techniques are used in the construction of reinforced concrete buildings in accordance with the 'Earthquake Design Class'. Nonlinear solution techniques are also explained in detail. The deformation limits corresponding to the performance levels are specified according to the properties of steel and concrete. Soil properties (hardness, damping) significantly affect the seismic performance of the structure, and these effects have been taken into account. In the design of new buildings, factors such as basic features, structural system characteristics, performance targets, material properties and soil-structure interaction are discussed in detail. (O'Reilly, G. J. 2018).
With the scaled acceleration loaded into SAP2000 and STA4CAD program, the maximum displacement was found by nonlinear analysis in time domain and the spectral acceleration value was obtained by multiplying by 𝜔2. The spectral acceleration value obtained from the scaling program and the spectral acceleration value obtained from SAP2000 are shown and shown to be approximately the same. A 25-storey reinforced concrete building was designed by mode coupling method and its sections and reinforcements were determined. Nonlinear dynamic analysis of the building was performed with both programs (SAP2000 and STA4CAD) and the variation of end displacements with respect to time was compared. By using the sections and reinforcements obtained as a result of the design, analysis and evaluation were made according to the displacement within the scope of TBDY2018 with OpenSees program. In the analyses, 22 scaled earthquake acceleration records were used and for each earthquake record, the strain and shortening values in concrete and reinforcing steel were compared with the limit values in TBDY2018. The results are evaluated and the structural performance for both cases are compared and recommendations are made.