Betonarme taşıyıcı sistemlerin tasarımında maliyet optimizasyonu için çelik sistemlerin kullanılması
The usage of steel structural systems to optimize the total cost of reinforced concrete structural systems
Yazar: VEYSEL KONUK
Danışman: PROF. DR. FETHİ KADIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bu yüksek lisans tezinde, betonarme binalarda çelik sistem kullanımının bina üst yapı maliyetleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Türkiye'de betonarme yapılara etki eden hakim yatay yük depremdir. Deprem yükü ne kadar artarsa onu taşıyan perde ve çerçeve sistemlerin kesit ve donatıları o kadar artacaktır. Donatı miktarı ise yapı maliyetine etki eden birincil etkendir. Bu nedenlerden dolayı betonarme bir binayı daha ekonomik hale getirmek için yapı ağırlığını azaltmak elzemdir. 

Betonarme, ağır ve ucuz bir kompozit malzemedir. Buna mukabil çelik ise mukavemeti yüksek, hafif fakat pahalı bir malzemedir. Öyleyse; betonarme binalarda çelik taşıyıcı eleman kullanımının, çeliğin pahalılığına rağmen taşıma gücü ve hafifliğinden yararlanılarak bina toplam maliyeti üzerinde avantaj sağlayabileceği düşünülmüştür. Konvansiyonel betonarme taşıyıcı sistemlerle projelendirme aşamasında olan bir betonarme ofis binasının üst yapısı, bazı taşıyıcı sistemlerinin yerine çelik sistemler kullanarak kümülatif maliyetteki değişiklikler hesaplanarak karşılaştırılmıştır. 

Taşıyıcı sistemlerinin tamamı betonarmeden oluşturulmuş referans model olan Model A, betonarme kirişli plak döşemeler, kiriş, kolon ve perdelerden oluşturulmuştur. Statik hesabı yapılarak boyutlandırılmış ve taşıyıcı eleman tipleri ağırlıklarının bina toplam ağırlıklarına göre yüzdeleri belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre betonarme taşıyıcı eleman tiplerinin üst yapı taşıyıcı sistem ağırlığına oranları yaklaşık olarak bulunmuştur. Elde edilen veriler ışığında betonarme döşemeler yerine tasarlanacak çelik döşeme sistemi kullanımının bina ağırlığını azaltarak maliyet avantajı sağlayabileceği düşünülmüştür. Bu nedenle Model A'daki betonarme döşeme sistemi yerine çelik döşeme sistemi kullanılarak Model B oluşturulmuştur. Çelik döşeme sistemi, kompozit kirişlerle oluşturulduğunda maliyet ve ağırlık bakımından binaya katkıda bulunamayacağı açıktır. Bunun yerine tezdeki öncelikli amacın yapı maliyetlerine pozitif etki edilmesi olduğundan diyafram kabulünü bu aşamada ihmal ederek sadece çelikten bir sistem oluşturulması yönünde bir karar verilmiştir. Bu sistem tek doğrultuda yerleştirilen çelik kirişler, çelik kirişlerin üst başlıklarına oturtulan çelik ızgaralar ve ızgaralara outran çelik levhalardan oluşmaktadır.

Çelik sistemlerin kullanılabileceği bir başka nokta ise perdelerdir. Çelik yapılarda çaprazlar, yapının rijitliğini sağladığı için perde vazifesi görür. O halde betonarme perdeler yerine betonarme çerçevelerin çelik çaprazlarla takviye edilerek perdelere dönüştürülebilineceğinden ve bu noktada maliyet, mimari ve tasarım avantajları sağlayabileceğinden dolayı betonarme çerçeve ve çelik çaprazların oluşturduğu bir hibrit sistem kullanılmasına karar verilmiştir. 

Model A'da bulunan betonarme perde sistemi yerine kullanılacak hibrit perde sistemi hakkında yapılan araştırmalar incelenmiştir. Çelik çaprazların yeni yapılacak betonarme binalarda kullanımının ve bu konudaki araştırmaların sınırlı olduğu ve mevcut yapıları güçlendirmek üzere çerçeve içlerine uygulandığı anlaşılmıştır. Kullanılacak olan çelik çapraz tipinin belirlenmesi için yapılan araştırmalarda eksentrik çaprazların kullanımı uygun görülmüştür. Bu tür çaprazların taşıyıcı sistem davranış katsayısı, taşıma gücü bakımından avantajlıdır. Model C'de eksentrik çaprazlar betonarme çerçeve içlerine uygulanarak betonarme perdeler yerine kullanılmış ve modeller oluşturulmuştur. Çelik döşeme ve çaprazların birlikte aynı binalar üzerinde uygulandığı durumu görmek için Model D'de ise eksentrik çaprazlı betonarme çerçevelerden oluşan perde sistemleriyle birlikte çelik döşeme sistemi oluşturulmuştur. 

Bütün modeller aynı mimari, malzeme kalitesi ve lokasyon özelliklerine sahiptir. Bina x-doğrultusunda 26, y-doğrultusunda 18 metre boyuta sahip olup Aydın ilinde ofis binası olarak kullanılacaktır. Kullanılan bütün betonarme ve yapısal çelik elemanlarının süneklik düzeyi yüksektir. Statik analizler, ETABS 2016 programında Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik (2007)'e göre yapılmıştır. Ayrıca modellerin yönetmelikte belirtilen kontrollerin ve çözümlerin yapılabilmesini kolaylaştırmak için her bir model Prota Structure 2019 programında da ayrıca modellenerek çözülmüş olup toplam deprem yükü ve periyotları ETABS sonuçları ile karşılaştırılarak doğrulukları teyit edilmiştir. Betonarme elemanlar, 2007 Deprem Yönetmeliği'ne ve TS 500'e göre boyutlandırılmıştır. Sabit yükler, kirişli plak döşeme sisteminde ve çelik döşeme sisteminde eşit kabul edilmiştir. Hareketli yükler ise TS 498'e göre belirlenmiştir. Çelik elemanlar, AISC 360-10 yönetmeliğine göre tasarlanmıştır.

Sonuçlara göre Model A ile Model B karşılaştırıldıklarında; çelik döşemeler binayı %21 hafifletmiştir. Yapı toplam maliyetinin referans modele göre maliyetlerinin ciddi oranda arttığı görülmüştür. Bu sistemin tesisat yolları konusunda avantajları bulunmakla birlikte imalat zorluğu, yangına karşı koruma maliyeti, ses ve ısı izolasyonu gibi negatif yönleri de bulunmaktadır. 

Model C ve Model A karşılaştırıldıklarında bina ağırlığınde ciddi bir değişim yoktur. Bununla birlikte Model C'deki çelik çaprazların sağladığı asıl avantaj, yapının enerji sönümleme yeteneğini arttırdığı için, deprem yükleri nedeniyle oluşan taban kesme kuvvetini anlamlı bir şekilde azaltmasıdır. Sonuç olarak da daha az deprem yüküne maruz kalan binaların deprem yükü taşıyan bütün taşıyıcı elemanlarında kesit ve donatı tasarrufu sağlanmıştır. Kümülatif maliyete bakıldığında ise betonarme çerçeve ve çelik çapraz ile perde sistemi oluşturulan binanın betonarme perdeli bina ile neredeyse aynı maliyete sahip oldukları görülmüştür. Model A'dan farklı olarak çelik döşeme sistemi ve eksentrik çelik çaprazlı perde sistemine sahip model olan Model D ise genel olarak Model B ve Model C'nin Model A'ya kattığı avantaj ve dezavantajları taşımaktadır.

Çelik çaprazların betonarme perdelere göre sağladığı bazı ikincil avantajlar vardır: Bunlar; mimariye esneklik kazandırması, iklimlendirme ve aydınlatma maliyetlerini uzun vadede düşürmesi, istendiği takdirde çelik çaprazlara sönümleyicilerin yerleştirilebilinmesi ve istenildiğinde kapı, pencere, havalandırma vs. boşluğu bırakabilinmesi olarak sıralanabilir. Ayrıca inşaat süresini kısaltarak avantaj sağlayabilirler. Dezavantajları ise imalatlarında hassasiyet gerektirmesi ve yangın dayanımı için ekstra maliyete ihtiyaç duymalarıdır. Betonarme çerçeve ve çelik çaprazlardan oluşturulmuş perdeler, konvansiyonel olarak üretilen apartman tipi binalara sağlayacağı yukarıda bahsedilen avantajlarından dolayı üzerlerinde daha ileri araştırmalar yapmaya değer bir konudur.

Abstract:
In this thesis, the effect on the total cost when steel structural systems are used instead of the reinforced concrete (RC) structural systems on an RC building has been investigated and the solutions have been recommended according to the results. Turkey has seismic zones. Also, there are many RC structures which composes of the vast majority of the buildings in Turkey constructed without having engineering services. In order to protect the people and the economy from the earthquake's destructive effect, the urban renewal is needed immediately. In last two years, the construction business in Turkey is affected negatively from the economic recession. This lead the structural engineers to ask how the buildings can be designed cheaper. Therefore, in this thesis, the answer how an RC building can be designed cheaper has been searched .

The main lateral loading which affects to RC buildings is eartquake loads. The more eartquake loading causes to need the more sections and reinforcements of eartquake resistant members such as column, frame and shear walls. And, especially the reinforcements in this members cause to make the building more expensive. Second, the more vertical loading also causes to need the more sections and reinforcements. There are three types of verticle loads; dead, architectural loads and live loads. The dead load is composed of self-weight of the structure. The architectural loads are applied to the slabs from looking the architectural slab detail plans. And, the live load can only be taken from the TS 498. The only load which can be reduced on an RC building is the dead load. Because of that, in order to reduce the total cost of the building to make the structural system lighter is necessity. 

The structural steel material is more appropriate for using with the RC structural members than the others. The concrete is a cheap material rather than the steel. On the contrary, steel has more bearing capacity by comparison with the RC when it comes to self weight. It can be taken advantageous of usage of steel structural systems on RC buildings. To research that if it is advantageous, upper structure of an RC office building which is in design stage has been projected using the different structural systems and total costs have been compared.

The Model A is completely designed using the RC structural members. Thats are slabs, beams, columns and shear walls. The model has been analysed under vertical loadings and lateral eartquake loading in accordance with the related codes. The result showed that the proportions of the components in proportion to the self weight of the structure: slabs are %59, beams are %19, shear walls are %15 and columns are %7 weightly. As it can be seen from the results , slabs are main mass sources of the building. Because of that, first, RC slabs are changed to steel slab systems. 
The Model B is composed of steel slabs systems, RC beams, shear walls and columns. The system is composed of the steel plate, steel grating and steel beams. This type of slab is generally used in industrial buildings. If it can make the RC buildings cheaper, the system ben be used as a component of the RC structures. According to analytic calculations 3.175 mm (1/8 in) steel plates, 3/4x3/16 (19-W-4 Series, Non-Serrated) gratings and IPE 220 open-web expanded beams are used while creating the steel slab system respectively.

In Model C instead walls, RC frames with steel braces (a kind of shear wall) are used. The vast majority of RC buildings on earthquake zone are designed using the shear walls in Turkey so that they gain ability of resisting to lateral earthquake forces. These walls play an active role on behavior of the buildings under the forces. According to the Turkish Earthquake Code 2007 (TEC 2007) while the buildings are designed with shear walls which carry the lateral forces and do not have openings on, they are recommended to have strength reduction factor as 6. In order to lower the total cost of the construction, the system which is composed of steel braces with RC frames can be used instead of the RC shear walls. That can reduce the amount of the concrete, the reinforcements, the formwork and the labor costs of them. Therefore, the Model C is composed of the RC slabs, beams columns and shear wall which is composed of the RC frame and a steel brace. There are some kind of steel braces such as chevron, X, eccentric and knee etc. In order to choose the brace type, the academic research is needed. At the end of the research, eccentric brace is choosen because of their behaviour parameters and energy consumption capabilities in despite of collapsing type. Therefore, the Model C have eccentric braced RC frames as shear walls. The Model D has two differences in comparison with the Model A: steel slab systems and eccentric braced RC frames. 

Every model has same architectural projects, material quality and is in same location. The building have a rectangle plan which is 26 meters in direction x and 18 meters in direction y. There are four axis which have six meters space between and six axes which have four, six, six, six, four meters between them respectively.

Eartquake looding is applied to the models in accordance with Turkish Eartquake Code 2007. RC members are detailed in accordance with TEC 2007 and TS 500. The loads and combinations applied on the models in accordance with TS 498. Also, steel members are calculated in accordance with AISC 360-10. Concrete quality is C30 and reinforcements are S420. The place where the building will constructed is Aydın where is a city at west of the Turkey. Models created and calculated on ETABS and Prota Structure 2019. The static analysis results of same models compared with each other which is given by this two different softweres. And, accuracy of datas are confirmed for each.

When the Model B and the Model A are compared with each other, it seems that the Model B is %21 lighter. This provides economic advantage on foundation costs for the Model B. But the total cost of upper structure of it is at around %306. Plus, steel slabs need to fire protection, acoustic and heat insulation. This kind of steel slab system is not economicly feasible. Steel beams of the slabs are can be advantageous. But steel plates have vast majority in total cost. Then, it is recommended that any other material must be used for slab plates.

When the Model C is compared with the Model A, they have same total weight. The main advantage of eccentric brace is strenght reduction factor which is calculated as 7. This provides less shear forces affecting the structure because of eartquake. This result leads to more economic model. If total costs of the models are evaluated, it is too close to each other. The Model D have same values with the Model C.

Steel braces provide some secondary advantages such as architectural design flexibility on projects, reducing the cost of air conditioning and lightening in long term, placing the energy consumer mechanisms easily, providing esthetical view and can be placed door or window opening on. In addition that, it shortens the construction time. Its disadvantages are hard to construct and extra payment for fire protection. Steel braces which is useful and advantageous are worth the while to be researched on.