Yüksek binalarda düşey yer hareketinin etkisi
Effects of vertical ground motions on tall buildings
Yazar: ALİ ÇOPUROĞLU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ZEYNEP DEĞER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Deprem Mühendisliği ve Afet Yönetimi Enstitüsü / Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering

Özet:
Depremler iki yatay ve bir düşey bileşenden oluşmaktadır. Fakat düşey yer bileşeninin etkisi, yatay yer bileşenlerinin etkisinden daha az dikkate alınmaktadır. Bunun sebebi, genellikle düşey yer hareketi değerinin yatay bileşen değerinden daha küçük olmasıdır. Diğer bir sebep ise yapıların düşeyde daha rijit olmasıdır. Deprem yönetmeliklerinin bir kısmı düşey yer bileşenlerini hesaplara dahil etmeyip, yalnızca yatay bileşenleri dikkate almaktadır. Düşey yer hareketinin etkisini çeşitli varsayımlarla hesaplara katan deprem yönetmelikleri de mevcuttur. Türkiye'de Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik düşey yer bileşenin etkisini tamamen ihmal ederken, ASCE 7, ASCE 41 ve Eurocode 8 gibi yönetmelikler düşey yer bileşenlerinin etkisini çeşitli koşullarla hesaplara katmışlardır. ASCE7-10'un güncel versiyonu olan ASCE 7-16 ve Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği içerisinde düşey bileşen hesabı için düşey elastik tasarım spektrumu bulunmaktadır.
Farklı deprem yönetmelikleri incelenerek, depremin düşey bileşeninin hesaplara katılım şekilleri gösterilmiştir. Tasarım ve deprem hesabında kullanılacak olan spektrumların farklı yönetmeliklere göre oluşturulması incelenmiştir.
Araştırma içerisinde kullanılan bina, Los Angeles, ABD'de bulunduğu varsayılarak tasarlanmıştır. Bina çekirdek perde ve betonarme çerçeveden oluşan dual sisteme sahiptir. Yapı zemin altında 4 bodrum kat ve  42 normal kattan oluşmaktadır. Normal kat yüksekliği 2.97 cm'dir. 
Bina kütlesi her katta o katın kütle merkezine etki edecek şekilde modellenmiştir. Yapının kule kısmında katlar rijit diyafram olarak tanımlanmıştır. Bodrum katlardaki döşemelerde sonlu ağ yöntemi kullanılmıştır. Zemin etkisi ihmal edilerek rijit temel tanımlanmıştır. İkinci mertebe etkileri göz önüne alınmıştır. Yapıda Rayleigh sönümleme modeli kullanılmıştır.
Yapının  tasarımı, Los Angeles Tall Buildings Structural Design Counsil tasarım ilkeleri kullanılarak iki aşamadan oluşmaktadır. Birincisi, servis deprem düzeyine yükler uygulananarak, yapısal elemanların elastik sınırlar içerisinde kalmasına göre tasarım boyutlandırılması yapılmıştır. İkinci aşamada ise yüksek şiddetli deprem düzeyinde, elemanların göçme öncesi şartları sağlamalarına göre tasarım yapılmıştır.
Yapıda perdelerin modellemesinde fiber elemanlar kullanılmıştır. Betonda Mander modeli göz önüne alınmıştır. Bağ kirişleri elastik çubuk olarak idealleştirilip, ortasında kayma mafsalı olduğu düşünülmüştür. Kiriş ve kolon gibi çerçeve elemanlar elastik çubuk olarak idealleştirilmişlerdir. Elastik çubukların uçlarında dönme mafsalları tanımlanmıştır. Etkin eğilme rijitlikleri kullanılmıştır.
3 farklı deprem düzeyi için deprem kayıtları seçilmiştir. Bu deprem düzeyleri SLE, DBE ve MCE'dir. Bu deprem kayıtlarına ait magnitüd, faya olan mesafe, maksimum ivme değerleri gösterilmiştir.
Perform 3D programı kullanılarak doğrusal olmayan analizler gerçekleştirilmiştir. Bu analizlerde depremin düşey bileşeninin etkisi araştırılmıştır. Analizlerde taban kesme kuvvetleri, göreli kat öteleme oranları, kat deplasmanları, perde eksenel kuvvetleri ve kolonlardaki eksenel yükler incelenmiştir.
Depremin düşey bileşeninin taban kesme kuvvetleri üzerinde etkisinin az olduğu görülmüştür. Göreli kat öteleme oranlarında düşey yer hareketinin etkisiyle belirgin değişimler meydana gelmemiştir. Düşey yer hareketinin etkisinin, kat deplasmanlarına az etki ettiği görülmüştür.  Kat deplasmanı hesaplamalarında depremin yalnızca yatay yer bileşeninin kullanılabileceği belirtilmiştir. Düşey yer hareketinin etkisiyle perdelerin eksenel yüklerinde artışlar meydana gelmiştir. Kolonlarda farklı deprem düzeylerinde, düşey yer hareketinin etkisiyle eksenel yüklerde artışlar meydana gelmiştir.
Farklı deprem yönetmeliklerine göre düşey yer hareketinin hesaplamaları yapılıp, taban kesme kuvveti ve kat öteleme oranlarına göre karşılaştırmaları yapılmıştır. SLE deprem düzeyinde, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği'ne göre oluşturulan spektrumun yaklaşık hesap yöntemleri ve zaman tanım alanında yapılmış analizlerin sonuçlarına göre daha küçük kat ötelemesine sahip olduğu görülmüştür. DBE deprem düzeyinde Eurocode 8 ve Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği'ne göre oluşturulmuş spektrumların benzerlik gösterdiği görülmüştür. MCE deprem düzeyinde ASCE, TBDY spektrumları ve zaman tanım alanında yapılmış analiz sonuçları benzerlik göstermiştir. SLE ve DBE deprem düzeyinde taban kesme kuvvetlerinde yaklaşık yöntem ve zaman tanım alanında yapılan analiz sonuçları benzerlik göstermiştir. MCE deprem düzeyinde ise ASCE ve TBDY değerlerinin, yaklaşık hesap ve zaman tanım alanında analiz sonuçlarına göre daha yüksek değerlere sahip olduğu görülmüştür.
Tezin birinci bölümünde tezin amacı, tezin kapsamı ve konu ile ilgili daha önce yapılmış çalışmalar açıklanmıştır.
Tezin ikinci bölümünde Deprem Bölgelerinde yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik, Uniform Building Code, Eurocode 8, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği ve ASCE 7-16'ya göre düşey yer hareketinin etkisi gösterilmiştir.                                       
Tezin üçüncü bölümünde tez kapsamında üzerinde çalışılan binaya ait modellemeler ve kabuller açıklanmıştır. Analizlerde kullanılacak deprem kayıtlarının seçimi gösterilmiştir. Doğrusal olmayan analizlerle taban kesme kuvvetleri, göreli kat öteleme oranları ve kat deplasmanları, perde eksenel yükleri, kolon eksenel yükleri bulunmuştur.
Dördüncü bölümde farklı deprem yönetmeliklerine göre düşey yer hareketinin hesabı yapılmıştır. Farklı deprem yönetmeliklerine göre kat öteleme oranları ve taban kesme kuvvetleri gösterilmiştir.
Tezin beşinci bölümünde analizlerden elde edilen sonuçlar yorumlanmıştır.

Abstract:
Earthquakes occur in three dimensions: two horizontal and one vertical. But the effects of vertical ground motions on buildings have been less of concern than the effects of horizontal ground motion. This is often essentially due to the misbelief that both the amplitude of the vertical ground motion is smaller than the horizontal ground motion which the building is stiffer within the vertical direction than within the horizontal direction. Building codes around the world, in concert with this general conviction, have given less consideration to the impacts of vertical ground motions in buildings . The vertical component of the earthquake is not taken into account either by little emphasis  by some earthquake codes or by design guidelines. Turkish code DBYBHY (2007), which was used untill 2018 in Turkey, the effect of the vertical components of the earthquake was ignored. 
Although the results of the recent studies indicate that the vertical impact of the earthquake is great effect, the vertical component of the earthquake is neglected besides the horizontal component. In this thesis, it has been studied on whether vertical earthquake loads should be included in the analysis and how analytical models should be influenced by various methods. 
In the study which investigated the vertical effect in high-rise reinforced concrete buildings, it was also stated how different codes take into account vertical component of earthquake. For the different earthquake hazard levels, which are designed according to the performance based design principle, only the horizontal component of ground motion effect and the horizontal ground motion effects together with the vertical ground motion are taken into consideration and compared. 
By examining the different earthquake codes, how vertical component of the earthquake is taken into account are shown. It is explained that the spectra to be used in the design and earthquake calculations are shaped according to codes.
The building used in the thesis was designed assuming that it was located in Los Angeles, USA. The dual system building had 42 stories above the ground and 4 stories below the ground. Building has typical story height of 2.97 m. The building has dual system consisting of core wall and special moment frame. 
The mass was lumped at the center of mass of each floor above ground level. Above the ground, the floors are defined as rigid diaphragms. Finite element mesh is used in the floors below the ground. 
Rigid foundation is defined by neglecting the ground effect. P-Delta effects are considered. Rayleigh damping model was used in the structure.
Building was designed using LATBSDC guidelines for two performance levels: serviceability and collapse prevention. Building initially designed for serviceability level forces then was revised to comply with MCE level forces.
Nonlinear vertical fiber elements representing the expected behavior of the concrete and steel were used to model the core wall. The concrete stress-strain relationship was based on the modified Mander model for confined concrete. The coupling beams were defined as elastic beam elements with a nonlinear displacement shear hinge at the mid-span of the beam. The moment frame beams were defined as elastic beam elements with nonlinear rotation hinges with rigid end zones at each end. The moment frame columns were defined as elastic column elements with plastic hinges with rigid end zones at each end.
Earthquake records were selected for 3 different earthquake levels. These earthquake levels are SLE, DBE and MCE. Magnitude, distance to fault and maximum acceleration values of these earthquake records and mechanism of fault are shown. Nonlinear analysis were performed using Perform 3D. In these analysis, the effect of the vertical component of the earthquake was investigated. In the analysis, base shear forces, relative displacement ratios, floor displacements, core wall axial forces and axial loads in the columns were examined.
It was observed that the vertical component of the earthquake had little effect on the shear forces. There were no significant changes in the relative displacement ratios due to the effect of vertical ground motion. The effect of vertical ground motion on floor displacements was found to be low. It is stated that only horizontal ground motion of the earthquake can be used in floor displacement calculations. With the effect of vertical ground motion, axial loads of the core walls increased. Axial loads increased due to the effect of vertical ground motion at different earthquake levels in the columns.
In the first part of the thesis, the aim of the thesis, the scope of the thesis and the previous studies about the subject are explained.
In the second part of the thesis, the effect of vertical ground motion acording to DBYBHY, Uniform Building Code, Eurocode 8, TBDY and ASCE 7-16 is shown.
In the third part of the thesis, the modeling and assumptions of the building in thesis are explained. The selection of earthquake records to be used in the analysis is shown. Base shear forces, relative displacement rates and floor displacements, core axial loads, column axial loads were found by nonlinear analysis.
In the fourth section, vertical ground motion is calculated according to different earthquake codes. Floor displacement rates and base shear forces according to different earthquake codes are shown.
The results obtained from the analysis were reviewed in the fifth chapter of the thesis.