A3 düzensizliği bulunan binaların taşıyıcı sistem davranışlarının incelenmesi ve dilatasyon derzi ile düzensizliğin giderilmesi
Investigation of structural system behavior of structures with A3 irregularity and removal of irregularity with dilatation joint
Yazar: ŞEVKET TAN
Danışman: PROF. DR. TÜLAY AKSU ÖZKUL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
İnsan varlığının başlangıcından bu yana inşaat faaliyetleri yaşamın bir parçası olmuştur.  En başta kötü hava koşullarından ve zararlı canlılardan korunma amaçlı oluşturulan inşaat faaliyetleri zaman içerisinde insanlığın sosyal, kültürel, endüstriyel, eğitim, lojistik vb. alanlarda ihtiyaçlarını karşılaması için her geçen gün   gelişmesini sürdürmektedir. Bu gelişmelerle birlikte artan konfor alanı beklentileri, fiziki koşullar ve ihtiyaçların sağlanabilmesi için oluşturulan yapıların fizik kuralları ve doğal afetlere karşı yeterlilik göstermesi gerekmektedir. Yapıların ayakta kalırken mücadele ettiği dış etkiler arasında deprem kuvvetleri önemli yere sahiptir. Deprem etkileri büyük ölçüde belirsizlikler içerdiğinden ve yapılar üzerindeki etkisinin boyutu kesin olarak öngörülemediğinden yapı kullanıcılarının can güvenliğini koruyabilmek amacıyla depreme dayanıklı yapı tasarımı önem taşımaktadır.
Tüm dünyada yaşanan depremlerden edinilen deneyimler, depreme dayanıklı yapı tasarımlarının mimari tasarım evresinde başladığını ortaya koymaktadır. Bir yapının planı, taşıyıcı sistem için önemlidir. Bazı durumlarda kolon, perde ve kirişlerin yerleştirilmesi mimari planın verdiği olanaklara bağlı kalmaktadır. Bunun yanında yapı malzemelerinin seçimi ve seçilen malzemelerin taşıyıcı sistem üzerindeki etkisi de deprem açısından incelenmelidir.
Deprem yer hareketi, yapısal modelleme ve yapısal eleman davranışlarındaki belirsizlikler yanında analiz ve tasarım yöntemlerindeki yaklaşıklıklar nedeni ile, binanın deprem davranışının öngörülebilir olmasını sağlamak üzere taşıyıcı sistemin olabildiğince sade ve basit olması, deprem etkisi altında tasarımın temel kuralıdır. Yapı planlarının düzenli olması da tasarım esaslarından olmakla birlikte bu durum her zaman mümkün olmamaktadır. Planda ve düşeyde basit ve simetrik olmayan yapı biçimleri, dış cephe boşlukları, yapı döşemelerinde yapılan çıkıntılar ve taşıyıcı sistem davranışının tam olarak öngörülememesi gibi durumlar yapılarda düzensizlik durumları oluşturmaktadır.
Düzensiz yapılar yaşadığımız son depremlerde hasarlara neden olan en temel sorunlardan biri olmuştur. Bu yapıların deprem davranışı düzenli yapılar kadar etkili değildir. Tasarım aşamasındaki planlanan taşıyıcı sistemler arasındaki yük akışı istenilen şekilde olmamıştır. Yapı planlarında çıkıntılar olması durumu TBDY 2018'e göre A3 planda çıkıntı düzensizliği olarak belirtilmiş olup, bu tez çalışması kapsamında A3 düzensizliğine sahip yapıların analizi gerçekleştirilmiş ve yapısal davranışları incelenmiştir. Çalışmada depreme karşı davranışlarındaki olumsuzluklar sebebiyle tasarımından ve yapımından kaçınılan yapılarda oluşan düzensizlik kaynaklı karşılaşılan sorunlar dilatasyon derzi ile yapıların birbirinden ayrılması yöntemi kullanılarak giderilmeye çalışılmıştır.
Bu tez çalışması yedi bölümden oluşmaktadır.
İlk bölümde mühendisliğin gelişimi ile insanların yapılardan beklediği konfor ve görsel beklentilerin arttığı ve bu durumun yapılarda daha özel çözüm gereksinimleri oluşturduğu belirtilmiştir. Giriş kısmı içerisinde çalışmayı oluşturan yapılar hakkında temel bilgiler verilmiştir. İşyeri niteliğinde 10 katlı bir yapının farklı geometrik şekillere sahip durumlarda yapısal incelemelerinden bahsedilmiştir. Analiz sonuçlarının karşılaştırılacağı ve düzensizliğin giderilmesi için dilatasyon derzi yapılabileceği yine bu bölümde belirtilmiştir. Tezin kapsam ve amacı da bu bölümde yer almaktadır. 
İkinci bölümde TBDY 2018'e göre yapısal analizlerde uyulması gereken koşullar ve analiz yöntemleri belirtilmiştir.  Yapının konum, zemin, kullanım sınıfı, kullanım amacı, yüksekliği, performans hedefi ve taşıyıcı sistem seçimine bağımlı olarak değişen tasarım kriterleri açıklanmıştır. Üzerinde çalışma yapılan yapılar için deprem yer hareketi düzeyi, deprem yer hareketi spektrumları, bina kullanım sınıfları ve bina önem katsayıları, deprem tasarım sınıfları, bina performans düzeyleri, taşıyıcı sistem davranış katsayısı ve dayanım fazlalığı katsayısı belirlenmesi konusunda TBDY 2018'de yer alan koşullar açıklanmıştır. Yapıların modellerinin oluşturulması, betonarme eleman yüklemelerinin yapılması, taşıyıcı sistem kesit boyutlarının belirlenmesi, betonarme dizaynlarının yapılabilmesi açısından bu kurallar önem arz etmektedir.
Üçüncü bölümde deprem etkisi altında tasarım yapılacak yapılarda düzensizlik durumları ele alınmış olup, planda ve düşeyde düzensizlik koşulları incelenmiştir. Planda düzensizlik oluşturan A1-Burulma düzensizliği, A2-Döşeme süreksizlikleri, A3-Planda çıkıntılar bulunması düzensizliği açıklanmıştır. Düşeyde düzensizlik oluşturan B1- Komşu katlar arası dayanım düzensizliği (zayıf kat), B2- Komşu katlar arası rijitlik düzensizliği (yumuşak kat), B3- Taşıyıcı sistemin düşey elemanlarının süreksizliği düzensizliği açıklanmıştır. Bu durumlara sahip yapılar için çalışma yapılırken kabul edilebilir ve önlem gerektiren durumlar açıklanmıştır. Yapı davranışını olumsuz etkileyen ve yapılar için uygun olmayan düzensizlik durumları belirtilmiştir.
Dördüncü bölümde farklı geometrik şekilleri olan yapılar için tasarım ve analiz süreci açıklanmıştır. Yapıların sahip olduğu ortak ve farklı özellikler açıklanmıştır. Yapıların betonarme malzeme özellikleri, deprem hesabı kriterleri, zemin özellikleri açıklanmıştır. TBDY 2018, TS500 ve diğer ilgili yönetmeliklerde açıklanan analiz kriterleri bu bölümde belirlenmiş olup, gerekli kontroller yapılarak uygunluklar sağlanmıştır. Taşıyıcı sistem elemanlarına ait ön boyutlandırmalar yapılarak döşeme, kolon ve kirişlerin kesitleri oluşturulmuştur. Yapısal analizin yapılması amacıyla Etabs programı kullanılmış ve tüm yapılar için analiz modelleri oluşturulmuştur. Oluşturulan modeller üzerinde depremli ve depremsiz durum yüklemeleri yapılmıştır. Yüklemelere ait yük kombinasyonları oluşturulmuştur. Eşdeğer deprem yükü ve modal analiz olarak ikiye ayrılan yapısal analiz yöntemlerinden sonuçların daha detaylı incelenebilmesi için modal analiz yöntemi ile çalışmaların yapılmasına karar verilmiştir. TBDY 2018'de belirtilen koşullara göre göreli kat ötelemeleri, planda ve düşeyde görülen düzensizlik durumları için kontroller yapılmıştır. Kare yapı dışındaki tüm yapılarda A3-Planda çıkıntılar bulunması düzensizliği olduğu görülmüştür.
Beşinci bölümde A3-Planda çıkıntılar bulunması düzensizliği olmayan kare yapı ve düzensizlik gösteren artı, L, T, H ve U şeklindeki yapıların yer değiştirme sonuçları, yapı periyotları, x-x ve y-y yönlerinde oluşan taban kesme kuvvetleri hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar için yapılar arasında karşılaştırmalar yapılmış olup düzensizliğin yer değiştirme sonuçlarına etkisi incelenmiştir. Yapılarda oluşan ikinci mertebe etkilerinin TBDY 2018 içerisinde yer verilen sınır koşullara uygunluğu yine bu bölümde incelenmiştir. Düzensizlik miktarının arttığı yapılarda yapı davranışını olumsuz etkileyecek etkiler oluştuğu gözlemlenmiştir. 
Altıncı bölümde düzensizliğin yapılarda dilatasyon yapılarak giderilmesi amaçlanmıştır. Dilatasyon işlemi sonrası yapılarda oluşan iç kuvvetlerde meydana gelen değişiklikler karşılaştırılmıştır. Kolon, kiriş ve döşemelerde oluşan maksimum iç kuvvetler hesaplanarak elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Kolonlarda eksenel kuvvet, kesme kuvveti, burulma momenti ve eğilme momenti sonuçları karşılaştırılmıştır. Kirişlerde kesme kuvveti, eğilme momenti ve burulma momenti sonuçları karşılaştırılmıştır. Döşemelerde ise x-x ve y-y yönlerinde oluşan düzlem içi çekme ve basınç kuvvetleri karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmalar için oluşturulan çizelge ve grafiklerde dilastasyon derzi ile ayırılan yapılarda hesaplanan iç kuvvetlerin azaldığı, taşıyıcı elemanların dayanım kapasitesi kullanım oranının düştüğü gözlemlenmiştir.
Yedinci bölümde çalışmadan elde edilen sonuçlar belirtilmiştir. Farklı geometriler sebebiyle A3-Planda çıkıntı düzensizliği gösteren yapılarda oluşan durumlar incelenmiştir. Kat planlarının düzgün olmadığı yapılarda A3 planda çıkıntı düzensizliği kontrolleri ve deprem yönetmeliği ilgili koşullarının sağlanması son derece önem arz etmektedir. Düzensizliğin ortadan kaldırılması için uygulanan dilatasyon yönteminin yapılar üzerindeki olumlu sonuçları belirtilmiştir. A3 planda çıkıntı düzensizliği oluşturan bloklar arasında oluşturulacak dilatasyonların yapısal elemanlarda oluşan döşemelerde hesaplanan düzlem içi kuvvetleri konusunda olumlu sonuçlar sağladığı gözlemlenmiştir. Düzensizlik kaynaklı yapı elemanlarında oluşan burulma momenti etkilerinin dilatasyon derzi ile yapıların ayırılması sonrasında ciddi oranda azaldığı görülmüştür. Bunun yanında dilatasyon uygulanan yapı elemanlarının genleşme, kısalma, sıcaklık gibi değişimlerden ya da yapının oturduğu zemindeki farklılıklardan dolayı yapılarda doğabilecek hasarları engellediği bilinmektedir.

Abstract:
Construction activities have been a part of life since the beginning of human existence. Construction activities, which were created for the purpose of protection from bad weather conditions and harmful creatures in the first place, are the social, cultural, industrial, educational, logistics, etc. of humanity over time. continues to develop day by day in order to meet the needs in the fields. In order to meet the increasing comfort area expectations, physical conditions and needs with these developments, the structures created should show sufficiency against the laws of physics and natural disasters. Earthquake forces have an important place among the external effects that the structures struggle with while they are standing. Since the effects of earthquakes are largely uncertain and the size of the effect on the structures cannot be predicted precisely, earthquake resistant building design is important in order to protect the life safety of the building users.
Experiences gained from earthquakes all over the world reveal that earthquake resistant building designs begin in the architectural design phase. The plan of a building is important for the load-bearing system. In some cases, the placement of columns, curtains and beams depends on the possibilities given by the architectural plan. In addition, the selection of building materials and the effect of the selected materials on the carrier system should be examined in terms of earthquakes.
Due to the uncertainties in earthquake ground motion, structural modeling and structural element behaviors, as well as approximations in analysis and design methods, the basic rule of design under earthquake effect is that the structural system should be as plain and simple as possible in order to ensure that the earthquake behavior of the building is predictable. Although the regularity of the building plans is one of the design principles, this is not always possible. Situations such as simple and non-symmetrical building forms in plan and vertical, exterior cavities, protrusions on the building floors, and the inability to fully predict the behavior of the carrier system create irregularities in the structures.
Irregular structures have been one of the main problems that caused damage in the last earthquakes we experienced. The earthquake behavior of these structures is not as effective as regular structures. The load flow between the carrier systems planned during the design phase was not as desired. The case of protrusions in the building plans is stated as protrusion irregularity in the A3 plan according to TBDY 2018, and within the scope of this thesis, the analysis of the structures with the A3 irregularity was carried out and their structural behavior was examined. In the study, the problems encountered due to irregularity in the structures that were avoided from design and construction due to the negativities in their behavior against earthquakes were tried to be solved by using the method of separating the structures from each other with the dilatation joint.
This thesis consists of seven chapters.
In the first part, it is stated that with the development of engineering, the comfort and visual expectations that people expect from buildings have increased and this situation creates more special solution requirements in buildings. In the introduction, basic information about the structures that make up the study is given. Structural investigations of a 10-storey building with different geometric shapes are mentioned. It is also stated in this section that the results of the analysis will be compared and that a dilatation joint can be made to eliminate the irregularity. The scope and purpose of the thesis are also included in this section.
In the second part, the conditions and analysis methods to be followed in structural analysis according to TBDY 2018 are specified. Depending on the location, floor, usage class, purpose of use, height, performance target and the choice of carrier system, the design criteria of the building are explained. The conditions in TBDY 2018 for determining the earthquake ground motion level, earthquake ground motion spectra, building usage classes and building importance coefficients, earthquake design classes, building performance levels, structural system behavior coefficient and excess strength coefficient for the structures studied are explained. These rules are important in terms of creating the models of the structures, loading the reinforced concrete elements, determining the cross-section dimensions of the carrier system, and making the reinforced concrete designs.
In the third chapter, the irregularity conditions in the structures to be designed under the influence of earthquakes are discussed and the irregularity conditions in the plan and vertically are examined. A1-Torsion irregularity, A2-Slab discontinuities, A3-Irregularities of protrusions in the plan are explained. B1- Irregularity of strength between adjacent floors (weak floor), B2- Irregularity of stiffness between adjacent floors (soft story), B3- Irregularity of the discontinuity of the vertical elements of the structural system are explained. While working on structures with these conditions, acceptable and precautionary situations are explained. Irregularities that adversely affect the building behavior and are not suitable for the structures are specified.
In the fourth chapter, the design and analysis process for structures with different geometric shapes is explained. Common and different features of the buildings are explained. Reinforced concrete material properties of buildings, earthquake calculation criteria, soil properties are explained. The analysis criteria explained in TBDY 2018, TS500 and other relevant regulations have been determined in this section, and compliance has been ensured by making the necessary controls. Sections of floors, columns and beams were created by pre-sizing the structural elements. Etabs program was used for structural analysis and analysis models were created for all structures. Earthquake and non-seismic loadings were made on the models. Load combinations belonging to the loads were created. It was decided to carry out studies with the modal analysis method in order to examine the results of the structural analysis methods, which are divided into two as equivalent earthquake load and modal analysis, in more detail. According to the conditions specified in TBDY 2018, controls were made for the relative storey drifts, irregularities in the plan and in the vertical. It has been observed that there are protrusions and irregularities in the A3-Plan in all structures except the square structure.


In the fifth chapter, displacement results of plus, L, T, H and U-shaped structures with protrusions in the A3-plan, square structure without irregularity and irregularity, structure periods, base shear forces in x-x and y-y directions were calculated. Comparisons were made between the structures for the results obtained, and the effect of irregularity on the displacement results was examined. The suitability of the second-order effects on the structures to the boundary conditions included in TBDY 2018 is also examined in this section. It has been observed that in buildings where the amount of irregularity increases, there are effects that will adversely affect the behavior of the building.
In the sixth chapter, it is aimed to eliminate the irregularity by dilating the structures. The changes in the internal forces occurring in the structures after the dilatation process were compared. The results obtained by calculating the maximum internal forces in columns, beams and slabs were compared. The results of axial force, shear force, torsion moment and bending moment in the columns were compared. The results of shear force, bending moment and torsion moment in beams were compared. On the other hand, in-plane tensile and compressive forces in the x-x and y-y directions were compared. In the charts and graphs created for comparisons, it has been observed that the internal forces calculated in the structures separated by the dilatation joint have decreased, and the strength capacity utilization rate of the carrier elements has decreased.
In the seventh chapter, the results obtained from the study are stated. Due to the different geometries, the situations that occur in the structures showing irregularity in the A3-Plan were examined. In buildings where the floor plans are not smooth, it is extremely important to control the protrusion irregularity in the A3 plan and to meet the relevant conditions of the earthquake code. The positive results of the dilatation method applied to eliminate the irregularity on the structures are stated. It has been observed that the dilatations to be formed between the blocks forming the protrusion irregularity in the A3 plan provide positive results in terms of the in-plane forces calculated on the floors formed in the structural elements. It has been observed that the torsional moment effects of irregularity welded structural elements are significantly reduced after the separation of the structures with the dilatation joint. In addition, it is known that the dilatation applied structural elements prevent the damages that may arise in the structures due to changes such as expansion, shortening, temperature or the differences in the ground on which the building sits.