Eşdeğer deprem yükü ve mod birleştirme yöntemlerinin çok katlı betonarme bir yapıda kıyaslanması
Comparing of equivalent seicmic load method and mode superposition method on multi-story reinforced concrete building
Yazar: MEHMET ALİ İŞSEVER
Danışman: DOÇ. DR. TURGUT ÖZTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Betonarme yapılar = Reinforced concrete structures ; Deprem analizi = Earthquake analysis ; Mod süperpozisyon yöntemi = Mode superposition techniques ; Yüksek yapılar = High structures

Özet:
Yaşanan depremler sonucu karşılaşılan can ve mal kayıpları, deprem riski olan bölgelerde deprem yönetmeliklerinin oluşturulması zorunluluğunu ortaya koymuştur. Bu doğal afeti en düşük hasarla atlatmak için yaşanılacak depremde yapının maruz kalacağı deprem yüklerini en gerçekçi şekilde yapıya etkitmek deprem yönetmelikleri için önemli bir konudur. Bu sebepten deprem bölgelerinde yapılacak yapılarda yapıya etkiyen deprem yükünün hesap yönteminin seçimi önemlidir. Bu yüklerin hesaplanmasında ulusal ve uluslararası standartlar lineer ve nonlineer olmak üzere çeşitli yöntemeler sunmaktadır. Bu yöntemlerden sisteme uygun olanının belirlenmesi, deprem yükünün hesabı ve yapı elemanlarına dağıtılması önemlidir. Aksi takdirde elde edilen sonuçlar olması gerekenden farklı sonuçlar verecektir. Deprem yönetmeliğimizde deprem yükü hesap yöntemleri, uygulanabilecekleri yapısal sistemlerle birlikte verilmiştir. Bu hesap yöntemler; eşdeğer deprem yükü yöntemi, mod birleştirme yöntemi ve zaman tanım alanında hesap yöntemidir.Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik 2007'de verilen deprem yükü hesap yöntemlerinden, Eşdeğer Deprem Yükü Yöntemi bugüne kadarki deprem yönetmeliklerimizde yer alan bir yöntemdir. Bu yöntemle yapıya etkitilecek olan yük; yapının bulunduğu, yönetmeliğimizde tanımlanan deprem bölgesi ve zemin koşulları, yapının dinamik özellikleri, kütle dağılımı ve yapının deprem anındaki önemi gibi değişkenler dikkate alınarak yaklaşık olarak hesaplanır. Bu yük yapıya statik bir yük olarak dağıtılır. Mod birleştirme yönteminde ise, dinamik bir yöntem olup maksimum iç kuvvetler ve yer değiştirmeler, binada yeterli sayıda doğal titreşim modunun her biri için hesaplanan maksimum katkıların istatiksel olarak birleştirilmesi ile elde edilir. Yapı sisteminin davranışının, her bir serbest titreşim modunun deprem hareketine olan cevabının ayrı ayrı elde edilmesinden sonra birleştirilmesi ile bulunabileceği esasına dayanır. Deprem yönetmeliğimizde önerilen bir başka çözüm yöntemi ise Zaman Tanım Alanında Çözümdür. Bu yöntemde daha önceden kaydedilen veya yapay yollarla üretilen deprem kayıtları kullanılır. Çözümde doğrudan integrasyon ile dinamik analiz yapılır.Yüksek lisans tezi olarak sunulan bu çalışmada; dört farklı deprem bölgesinde ve dört farklı zemin sınıfında, deprem yönetmeliğimizde verilen eşdeğer deprem yükü yöntemi ve mod birleştirme yöntemi 15 katlı bir yapı üzerinde incelenmiştir.Yedi bölüm halinde sunulan çalışmanın birinci bölümünde, konunun tanıtılmasına yer verilmiştir.İkinci bölümde Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik (2007) hakkında gerekli bilgiler verilmiştir.Üçüncü bölümde Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik(2007), Eurocode8(2004) ve International Building Code(2009)yönetmeliklerinin deprem yükü hesap yöntemlerinin seçimi ve bu yöntemlerin uygulanmasına değinilmiştir.Dördüncü bölümde, incelenecek olan betonarme yapı hakkında genel bilgiler verilmiştir.Beşinci bölümde, ETABS analiz programı ile yapının 4 farklı deprem bölgesi için hem eşdeğer deprem yükü yöntemine hem de mod birleştirme yöntemine göre analizi açıklanmıştır.Altıncı bölümde ise, bütün deprem bölgeleri ve zemin sınıfları için ETABS programından elde edilen analiz sonuçlarının karşılaştırması yapılmıştır.Yedinci bölümde ise, sonuçlar değerlendirilerek öneriler verilmiştir.

Abstract:
Considerable losses of life and properties as a result of the destruction caused by the earthquakes necessitated new earthquake and construction regulations for the earthquake zones. In order to reduce the damages caused by this natural disaster, the earthquake and construction regulations give importance to the precise calculation of the force of earthquakes affecting the buildings. Thus, it is important to choose the appropriate methods to calculate the force of earthquakes that affect the buildings, which are referred as seismic load calculation methods.National and international standards present different linear and nonlinear methods to calculate the seismic load. However, choosing the appropriate method, calculating the seismic load and distributing it over structural elements have important consequences, since different methods would yield different results from that of the appropriate one. Turkish seismic code outlines the seismic load calculation methods in accordance with the structural systems/elements on which these methods can be used. These methods include Equivalent Seismic Load Method, Mode Superposition Method and Time Increment Methods.Equivalent Seismic Load Method, which is included both in Turkish seismic code of 2007 and in our earlier seismic and building codes, is a widespread seismic calculation method. It is sometimes referred as semi-dynamic or semi-static method. According to this model, the force that will affect the building is calculated approximately by using following parameters: the seismic property of the area, local soil conditions, the dynamic features of the structure, mass distribution and function of the building, and finally the significance of the structure during the earthquake. The earthquake force is applied to the building as a static load.Mode Superposition Method, on the other hand, is a dynamic method. According to this method, in order obtain the maximum internal forces and displacements, the maximum contributions of each adequate vibration modes are calculated and then these contributions are combined statistically. This calculation method is based on the assumption that behavior of structure can be calculated by combining the responses of each independent mode vibration to the earthquake move, which are obtained separately.Yet another method included in our seismic code is Time Increment Methods. In this method, earthquake time history, which is recorded by previous earthquakes or obtained by simulations, is used. The calculation of this method is analyzed dynamically with direct integration.This thesis investigates the equivalent seismic load and mode superposition methods, which are used in building and seismic codes, with a fifteen-floor concrete reinforced building in four earthquakes zones and four soil classes. The building under consideration consists of a basement floor, a ground floor and 13 official stories. It is designed as an apartment. The ground floor, basement floor and official stories are three-meter height. The ground floor is surrounded by 30-cm rigid shear walls.The structural model of the building is analyzed using three-dimensional ETABS program. The building is modeled as three-dimensional frame system. Columns and beams are modeled as one-dimensional frames, and slaps are modeled as membrane elements. Shear elements are modeled as two-dimensional shell elements and are separated into meshes in accordance with finite elements rationale. The design is realized by assigning rigid planar diaphragm at all floor levels.In ETABS program, the natural of vibration periods of the building are found by using dynamic analysis. After that, two different methods are used to determine the section effects under loads: equivalent seismic load and mode superposition methods. The results of these different methods are compared for four earthquakes zones and four soil classes.In these analyses, load combinations are assigned to the structural elements according to Turkish Standards (TS) 500. In addition, the requirements of D.B.Y.B.H.Y 2007 for the load combinations such as additional dimensional contributions are used. Thus, 64 seismic load combinations are constructed to be applied to the building. Since the building is symmetric in two directions, combinations with 0.9 G are not used, leaving 16 seismic load combinations to be used.This study is presented in seven chapters. The first chapter introduces the research topic and explains the research design.The second one gives detailed information about the Turkish seismic code of 2007. Furthermore, this chapter also gives information about the scope of the seismic code, the irregularities defined in the seismic code, the restrictions for story drifts, second-order effects and earthquake joints, and soil conditions.The third chapter explains the choice of seismic load calculation methods, and calculation steps as discussed in Turkish Seismic Code (2007), Eurocode (2004) and Uniform Building Code (2009).The fourth chapter gives general information on the concrete reinforced tall story building, which will be examined in the next chapter.The fifth chapter explains the equivalent seismic load and mode superposition method analyses done for all earthquake zones and soil classes by focusing on Z2 soil class and second degree earthquake zone in detail. For this analysis, ETABS program is used.In the sixth chapter, the results that are obtained by using equivalent seismic load and mode superposition methods for earthquakes zones and soil classes obtained by the ETABS program for each method are compared.In the final chapter, the results are evaluated and suggestions are offered. One of the findings of this comparison is that when seismic base shear force values are compared the values obtained by using mode superposition method are 10 percent smaller than the values obtained by using equivalent seismic load method.When irregularities are examined, it is found that the values calculated by using equivalent seismic load method are higher than those obtained by using mode superposition method. In addition, this difference does not change according to earthquake zones and soil classes.Moreover, all internal forces calculated by using equivalent seismic load method are higher than the forces calculated by using mode superposition method. This difference is more significant in columns in comparison to the shear walls.