Mevcut betonarme bir binanın deprem performansının zaman tanım alanında doğrusal olmayan hesap yöntemi ile belirlenmesi, güçlendirme önerileri ve maliyet analizi
Determination of the performance analysis of an existing reinforced concrete building using time history analysis with nonlinear methods, reinforcement recommendations and cost calculation
Yazar: MUSTAFA EMRE TURAN
Danışman: PROF. DR. KONURALP GİRGİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Betonarme = Reinforced concrete ; Deprem = Earthquake ; Güçlendirme = Strengthening ; Maliyet = Cost ; Performans = Performance ; Sargılı betonarme = Confined reinforced concrete ; Yapılar = Buildings ; Yapısal güçlendirme = Structural empowerment

Özet:
Deprem, yer kabuğu içinde beklenmedik bir anda meydana gelen kırılmalar nedeniyle ani olarak ortaya çıkan titreşimlerin dalgalar halinde yayılarak geçtikleri ortamları sarstığı bir doğa olayıdır. Depremler oluşum süreçleri ve etki mekanizmaları bağlamında tahmin edilemez ve önlenemeyen doğa olaylarıdır. 
Ülkemiz tektonik konumu itibariyle dünyanın en etkin deprem kuşaklarından birinin üzerinde yer almaktadır. Geçmiş yıllarda ülkemizde birçok yıkıcı deprem olduğu bilinmektedir. Son yıllarda gerçekleşen 17 Ağustos 1999 Gölcük, 12 Kasım 1999 Düzce, 23 Ekim 2011 Van depremleri, gelecek yıllarda oluşabilecek şiddetli depremlerin birer örneği niteliğindedir. Ülkemizin %92'sinin deprem bölgeleri içerisinde bulunması ve mevcut yapıların çoğunun yeterli denetim altında standartlara uygun inşa edilmemiş olması, muhtemel büyük bir deprem için ciddi bir risk teşkil etmektedir. Bu bağlamda, mevcut yapıların deprem performanslarının değerlendirilmesi ve gerekli tedbirlerin alınması önem arz etmektedir.
İnşaat mühendisliği alanında son yıllarda yapılan araştırma ve geliştirmelerin teknolojiyle entegre edilmesi, yeni yöntem ve standartların ortaya çıkmasını sağlamıştır. Güncel deprem haritalarının oluşturulması bu gelişmelerden biridir. Mevcut veya yeni yapıların deplasman esaslı hesap ve değerlendirmesi için doğrusal analiz yöntemleri kullanmak yerine yapıların deprem davranışını daha gerçekçi yansıtabilen doğrusal olmayan analiz yöntemlerinin kullanılması da önemli bir standart haline gelmiştir. Bu bağlamda mevcut yapıların günümüz standart ve esaslarına uygun şekilde kontrollerinin sağlanması, mevcut güncel yönetmeliğimizin belirlediği şartları sağlamadığı takdirde gerekli önlemlerin alınması son derece önemlidir.
Yüksek lisans tezi kapsamında, 1 Ocak 2019 tarihi itibari ile yürürlüğe giren Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018 uyarınca mevcut bir yapının deprem performansı değerlendirmesi yapılmıştır. Deprem performansı değerlendirmesinde TBDY-2018 (Bölüm 15)'de bulunan deprem etkisi altında mevcut bina sistemlerinin değerlendirilmesi ilişkin kurallar esas alınmıştır. Mevcut kurallar ve hesap esasları doğrultusunda, zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz yöntemi kullanılarak bodrum kat dahilinde 5 katlı betonarme bir yapının deprem performansı değerlendirmesi yapılmıştır. Mevcut yapı için seçilmiş deprem verileri kullanılarak gerçekleştirilen analizler sonucunda yapının yönetmelikçe belirtilen şartları sağlamadığı tespit edilmiştir. Bu doğrultuda mevcut yapı için iki farklı güçlendirme çalışması TBDY-2018 (Bölüm 15.10)'da bulunan betonarme binaların güçlendirmesine ilişkin esaslar takip edilerek gerçekleştirilmiştir.
Birinci bölümde, tez çalışmasının girişi ve mevcut tezin amacı hakkında genel bilgiler verilmiştir.
İkinci bölümde, doğrusal olmayan davranış ile ilgili genel açıklamalara ve detaylara yer verilmiştir. Doğrusal olmayan davranışın modellenmesi kapsamında malzeme ve sistem davranış modelleri ile ilgili bilgiler verilmiştir. Mevcut tezde kullanılan, zaman tanım alanında doğrusal olmayan hesap yöntemine ilişkin bilgiler verilmiştir.
Üçüncü bölümde, mevcut yapının genel bilgileri ve teknik özelliklerinden bahsedilmiştir. Mevcut yapının, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği TBDY-2018 yaklaşımı ile özellikleri belirlenmiş ve analiz kapsamında gerekli olan kriterler incelenmiştir. Yapının bulunduğu bölge özelinde geçmişte gerçekleşen deprem kayıtları tespit edilmiş ve mevcut yapı analizlerinde kullanılacak sahaya özgü deprem kayıtları seçilmiştir.
Dördüncü bölümde, mevcut yapının deprem performans analizi bilgisayar programı yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Mevcut yapının doğrusal olmayan hesap modeli için uygulanan adımlar detaylı olarak belirtilmiştir. Beton ve çelik malzemelerinin doğrusal olmayan davranış modelleri belirlenmiştir. Mevcut yapının taşıyıcı sistem elemanlarının davranış modelleri tanımlanmıştır. Kolon ve kiriş elemanların davranış modelleri oluşturulması kapsamında yığılı plastik davranış modeli seçilmiş ve eleman açıklık uçlarına plastik mafsallar ETABS programı kullanılarak atanmıştır. Betonarme perde elemanlar için ise doğrusal olmayan davranış modeli olarak yayılı plastik davranış modeli kullanılmıştır. Zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz için seçilen ölçeklendirilmiş on bir adet deprem kayıtları dik iki doğrultuda olacak şekilde ETABS analiz programına tanımlanmıştır. Mevcut betonarme sistem elemanlarının etkin kesitlik rijitlikleri ve izin verilen şekil değiştirme sınırları yönetmelikteki esaslar takip edilerek belirlenmiştir. Gerçekleştirilen analizler sonucunda, taşıyıcı elemanlar için plastik dönme ve plastik şekil değiştirmeler kullanılarak elemanların hasar bölgeleri tespit edilmiştir. Analiz sonucunda elemanların kesme kuvveti dayanımlarını belirlemek adına kesme kuveti kontrolleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar kapsamında mevcut yapının Kontrollü Hasar (KH) performans düzeyine uygun olmadığı tespit edilmiş ve güçlendirme kararı alınmıştır.
Beşinci bölümde, yönetmelikteki esaslar temel alınarak iki farklı güçlendirme yöntemi belirlenmiştir. Belirlenen güçlendirme seçenekleri mevcut yapı modeline uygulanmış ve dördüncü bölümde gerçekleştirilen analizler, güçlendirilmiş mevcut yapı modelleri için de tekrar edilmiştir. Güçlendirilmiş mevcut yapının taşıyıcı elemanları eğilme güvenliği ve kesme güvenliği kontrolleri kapsamında incelenmiştir. Güçlendirme sonrası mevcut yapının deplasman değerleri kontrol edilmiş ve yapının deplasman rijitliğini sağladığı görülmüştür. Bu bilgiler ışığında uygulanan güçlendirme teknikleri, mevcut yapının yönetmelikçe uygun görülen performans düzeyini sağladığı görülmüştür. Ayrıca bu iki güçlendirme yönteminin güvenlik, uygulanabilirlik ve ekonomik yönden karşılaştırılması yapılmıştır.
İlgili çalışmanın altıncı bölümünde, iki farklı seçilen güçlendirme işlemleri için yaklaşık maliyet analizi, piyasa araştırması yapılarak ve aynı zamanda "İnşaat Birim Fiyatlarına Esas İşçilik – Araç ve Gereç Rayiç Listeleri" baz alınarak hesaplanmıştır. Mevcut betonarme yapının, günümüz şartlarına uygun olarak aynı mimari özelliklere sahip bir şekilde inşa edilmek istenildiği durumda maliyet analizi belirlenmiştir. Güçlendirme işlemlerinin maliyetleri ve mevcut binanın yeniden inşası için çıkan maliyetler birlikte yorumlanmıştır.

Abstract:
An earthquake is a natural phenomenon in which sudden vibrations occur due to unexpected ruptures in the earth's crust, spreading in waves and shaking the environments they pass through. Earthquakes are natural events that cannot be predicted and prevented in terms of their formation processes and impact mechanisms. Our country is located on one of the most effective earthquake zone in the world due to its tectonic position. It is known that there were many destructive earthquakes in our country in the past years. The 17 August 1999 Gölcük, 12 November 1999 Düzce, 23 October 2011 Van earthquakes, which took place in recent years, are examples of severe earthquakes that may occur in the coming years. The fact that 92% of our country is located in seismic zones and most of the existing structures are not built in accordance with the standards under adequate supervision poses a serious risk for a possible major earthquake. In this context, it is important to evaluate the earthquake performance of existing structures and to take the necessary precautions. The integration of recent research and development in the field of civil engineering with technology has led to the emergence of new methods and standards. The creation of current earthquake maps is one of these developments. Instead of using linear analysis methods for the displacement-based calculation and evaluation of existing or new structures, the use of non-linear analysis methods that can more realistically reflect the earthquake behavior of structures has also become an important standard. In this context, it is extremely important to ensure that the existing structures are controlled in accordance with today's standards and principles, and to take the necessary measures if they do not ensure the conditions determined by our current current regulation. Within the master's thesis, earthquake performance evaluation of an existing structure was made in accordance with the Turkish Building Earthquake Regulation 2018, which came into force as of January 1, 2019. While evaluating the earthquake performance, the rules regarding the evaluation of existing building systems under the earthquake effect in TBDY-2018 (Chapter 15) were taken as basis. In the context of the existing rules and calculation principles, the earthquake performance of a 4-storey reinforced concrete structure, including the basement, was evaluated by using the non-linear analysis method in the time history. As a result of the analyzes carried out using earthquake data selected for the existing structure, it has been determined that the structure does not ensure the conditions specified in the regulation. In this direction, two different strengthening works for the existing structure were carried out by following the principles regarding the reinforcement of reinforced concrete buildings in TBDY-2018 (Chapter 15.10).
In the first chapter, general information about the introduction of the thesis and the aim of the current thesis are given.
In the second part, general explanations and details about nonlinear behavior are given. Within the scope of modeling nonlinear behavior, information about material and system behavior models is given.
In the third chapter, general information and technical features of the existing structure are mentioned. The features of the existing structure were determined with the Turkish Building Earthquake Code TBDY-2018 approach and the criteria required for the analysis were examined. Earthquake records of the past, specific to the region where the building is located, were determined and site-specific earthquake records were selected to be used in current structure analyses.
In the fourth chapter, the earthquake performance analysis of the existing building was carried out with the help of a computer program. The steps applied for the non-linear computation model of the existing structure are given in detail. Nonlinear behavior patterns of concrete and steel materials were determined. In addition, the behavior models of the structural system elements of the existing structure have been defined. Within the scope of creating behavior models of column and beam elements, a stacked plastic behavior model was selected and plastic hinges were assigned to the element opening ends using the ETABS program. For reinforced concrete shear elements, the diffuse plastic behavior model was used as the nonlinear behavior model. Eleven scaled earthquake records selected for nonlinear analysis in the time history are defined in the ETABS analysis program in two perpendicular directions. The effective section stiffnesses and allowable strain limits of the existing reinforced concrete system elements are determined by following the principles in the regulation. As a result of the analyzes carried out, the damage areas of the elements were determined by using plastic rotation and plastic deformations for the carrier elements. As a result of the analysis, shear force controls were carried out in order to determine the shear force strength of the elements. Within the scope of the results obtained, it was determined that the existing structure was not suitable for the Controlled Damage performance level and the decision to strengthen was taken.
In the fifth chapter, two different strengthening methods were determined based on the principles in the regulation. The determined retrofitting options were applied to the existing building model and the analyzes carried out in the fourth chapter of the related thesis were repeated for the reinforced existing building models. The bearing elements of the reinforced existing structure were examined within the scope of bending safety and shear safety controls. After the reinforcement, the displacement values of the existing structure were checked and it was seen that the structure provided the displacement rigidity. It has been seen that the strengthening techniques applied together with this information provide the performance level approved by the regulation of the existing structure.
In the sixth part of the related study, cost analysis was carried out for two different selected reinforcement processes. In addition, these two methods were compared in terms of safety, applicability and economy.