Bir kulenin yapısal tasarımı ve deprem performansının incelenmesi
Structural design and evaluation of seismic performance of a tower
Yazar: İLYAS DURAN
Danışman: PROF. DR. KADİR GÜLER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Deprem Mühendisliği ve Afet Yönetimi Enstitüsü / Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering

Özet:
Son yıllarda taleplerin, ekonomik gücün ve teknolojik imkanların artmasıyla birlikte
yüksek yapılara bir yönelim olmuştur. Bu yönelimin bir sonucu olarak hem
mühendislik hem de mimari tasarım açısından bir rekabet oluşmuştur ve yüksek
yapıların anıtsal bir kimliği ortaya çıkmıştır. İnsanoğlunun daha yükseklere çıkma
içgüdüsü ile birlikte kule türü yüksek yapılar önemli etkinlikler için simgesel bir yapı
olarak öne çıkmıştır.
Mevcut tasarım ve uygulama eğilimi, kule türü yüksek yapılarda yanal rijitliğin ana
etmeni olarak betonarme perde duvarlarının kullanılmasını öne çıkarmıştır. Bunun
yanında özel olarak yapıların geometrisine ve servis ihtiyaçlarına göre çerçeve ve
bunun gibi bazı yardımcı yapısal elemanlar ile birlikte de kullanılmaktadır. Bu rol
paylaşımının bir sonucu olarak betonarme perde duvarların yanal etkiler altında
davranışı ve güvenliği, büyük ölçüde yapının davranışını ve güvenliğini
belirlemektedir.
Bir asırı aşkın süredir kullanılan betonarme hesap yöntemleri sonucu, kesit tasarımı
ve davranışları üzerinde ciddi bilgi ve tecrübe birikimi oluşmuştur. Fakat özellikle
kesit yapısı ve yapısal elemanların etkileşimleri arttıkça, yapı davranışı da oldukça
karmaşık hale gelmektedir. Bu nedenle mühendislik pratiğinde yapısal tasarım
gerçek davranışı arayacak şekilde değil, standart ve yönetmeliklerde öngörülen
gerekli yapı güvenliğini sağlayacak şekilde yapılmaktadır. Betonarme perde
duvarların yanal etkiler altında güvenliğinin sağlanabilmesi için kesitlerin eğilme ve
kesme dirençlerini oluşturan mekanizmalar iyi anlaşılmalıdır. Ayrıca bu
mekanizmalara göre detaylandırma yapılırken, başlangıç koşullarının yanında yapısal
elemanların tüm davranış safhaları da göz önünde tutulmalıdır. Bu çalışmada
betonarme perde duvarlarda hem kesit boyutlarının etkisi, hem de belirli kesitlerin
eğilme ve kesme etkileşimi altında yüklerin güvenle aktarılabileceği tasarımlar
araştırılmıştır.
Bu yüksek lisans tez çalışması altı bölümden oluşmaktadır. Bölüm içerikleri
aşağıdaki gibi verilebilir:
Birinci bölümde yapılan çalışmanın amacı, kapsamı ve izlenilen yöntem
belirtilmiştir.
İkinci bölümde betonarme kesitlerde genel kesme davranışı, betonarme perde
duvarlarda kesme davranışı ve kesme güç tükenmesi ile ilgili daha önce yapılan
çalışmalar irdelenmiş ve özetlenmiştir.
Üçüncü bölümde, bu çalışmaya konu edilen ve incelenen yapı tanıtılmıştır. Örnek
yapı, tezin yazarı tarafından yapısal tasarımı ulusal ve uluslararası yönetmeliklere
göre yapılmış ve hali hazırda Antalya'da inşa edilmiş kule türü bir yapıdır.
xx
Dördüncü bölümde, dört farklı betonarme perde duvar kalınlığı için genel yapı
davranışı, betonarme perde duvarların eğilme ve kesme davranışı incelenmiştir. Bu
bölümde yalnızca doğrusal analizler kullanılarak, tüm parametreler değerlendirilerek
toplamda optimum betonarme perde duvar kalınlığı belirlenmiştir.
Beşinci bölümde, kesit boyutları ve donatı detayları belirlenmiş yapının zaman tanım
alanında doğrusal olmayan analizleri gerçekleştirilmiştir. Eğilme ve kesme davranışı
etkileşimi göz önünde tutularak, betonarme perde duvarlarda kesme güvenliği farklı
davranış aşamaları için incelenmiştir.
Altıncı bölümde ise yapılan çalışmaların sonuçları özetlenerek bazı önerilere yer
verilmiştir

Abstract:
In recent years, with increasing economic power, technological opportunities and
demands a tendency has been emerged toward tall buildings. As a result of this
tendency, competition for both engineering and architectural design has come to
fruition, and a monumental identity of high structures has also became clear.
Together with the instinct of ascending to higher levels of human beings, high
buildings have come to the forefront as a symbolic structure for some important
events.
Existing design and application practice, reinforced concrete shear walls are accepted
as the main element of rigidity lateral stiffness. However, some secondary structural
elements are also used according to the geometry of the structures and the service
requirements. As a result of this role sharing, the behavior and safety of reinforced
concrete shear walls under lateral forces determine the behavior and safety of whole
structure.
As a result of the reinforced conrete application which is used for about a century,
we have serious knowledge and experience accumulation on the section behavior.
However, as the interactions of the structural elements increase, the behavior of the
building becomes more complex. For this reason, structural design in practical
engineering is carried out not to seek real behavior exactly, but to provide the
necessary structural safety. Mechanisms that form the bending and shear resistances
of the sections must be well understood in order to ensure the safety of the reinforced
concrete wall. In addition, when detailing shear walls according to these
mechanisms, all the behavioral phases of the structural elements must be considered
in addition to the initial conditions. In this study, the effects of both cross-sectional
dimensions and designs in which sections can safely transfer shear loads under
bending and shear interaction were investigated.
This master thesis work consists of six parts. Section contents can be described as
follows:
In the first part, the purpose, scope and method of study are given. The aim of this
study is to investigate shear design approach for shear wall at tubular plan type and
shear behavior at damaged sections like cracked sections in tension. The scope of
this study is nonlinear behavior and performance evaluation of 115.9 m high tubular
section tower with 10 m diameter.
In the second part, general shear behaviors in reinforced concrete sections, shear
behavior in reinforced concrete walls and shear failure modes have been examined
and summarized.
In the third chapter, the structure that studied is introduced. The sample structure is
115 m high and designed by the author of the thesis and is currently built in Antalya.
The structure has a tubular core wall plan and have 10 m diameter. Thickness of
shear wall is 80 cm for first XX m and 60 cm for remaining part. This study includes 
xxii
a sensitivity analysis for shear wall thickness to achieve optimum structural behavior.
Construction site classified as second earthquake region and Z3-C soil class. In order
to execute nonlinear time-history analysis of structure, original earthquake records
with scale factors which are presented in seismic hazard report of the constructions
site used. Also analysis are executed at directions at 0° and 45° to cover most
inconvenient cases.
In the fourth chapter, general structure behavior, bending and shear behavior of
reinforced concrete shear walls are observed over four different reinforced concrete
wall thicknesses. In this section, using only linear analyzes, all parameters are
evaluated and the most effective working reinforced concrete wall thickness is
determined. All linear analysis go through with 60 cm, 70 cm, 80 cm and 90 cm
shear wall thickness in order to pick most efficient section dimensions. Natural
periods, axial compressive stress, tension reinforcement, shear reinforcement and
lateral displacements vary nearly linearly with shear wall thickness. But increase at
base shear force ratio to mass of structure with 80 cm thickness is optimum with
respect to shear wall thickness.
In the fifth section, nonlinear analyzes of the structure with determined section
dimensions and reinforcement detailing are performed in the time domain. Taking
into account the interaction of bending and shear behavior, shear safety in reinforced
concrete shear walls has been investigated for different behavioral steps. To execute
nonlinear time-history analysis, all shear walls are modelled as fiber section with
expected material properties. Shear behavior of shear wall are considered as elastic
with an effective shear modulus. To assess performans of shear walls in bending,
strains are monitored with respect to specified thresholds in specifications.
To evaluate the performance of tower structure lateral displacement, tension and
compression strains at shear wall, average compressive stress at shear wall sections,
average shear stresses at shear wall sections considered with respect to limits at
specifications. Also in order to evaluate shear safety of shear walls, sliding shear
failure mode of shear wall is investigated. As a result of geometry of structure,
always nearly half of shear walls are exposed to tension in bending behavior. Shear
wall sections which are exposed to tension are considered as vulnerable to sliding
shear failure in absense of axial compression. In this very section, no tension
capacity of concrete, interlocking of aggregates etc. is not considered as a
mechanism to create shear resistance. Only dowel action of longitudinal
reinforcements is liable for shear resistance of shear wall. Combined action of shear
and tension on rebars are monitor at every time step in every shear wall section.
Except only a fractional part of rebars, all longitudinal reinforcements are adequate
for combined tension and shear action.
No nonlinear behavior is considered at steel structure elements of building and all
steel frame structures which placed on top of structure is modelled as elastic frame
element.
In the sixth chapter, the results of the studies are compiled and some
recommendations are given. Sensivity analysis that investigates optimum shear wall
thickness, exhibits that larger sections does not guarantees safe conditions, neither it
does not offer an efficient engineering solutions.
All the lateral deformations values are within the thresholds of specification with
considered shear wall thickness.
xxiii
The sample structure achieves "Life Safety" performance criteria. All shear wall
sections are achieves safety for axial compressive stress level and deformations
levels. Also detailed sections by linear analysis does contain adequate longitudinal
reinforcement for axial tension stress due to earthquake loads. All shear wall sections
has enough section area for principle compressive capacity for shear demand and
enough tranverse reinforcement for principle tension capacity for shear demand.
Only longitudinal reinforcements does provide adequate shear resistance againt
sliding shear failure without any concrete contribution.