Düzenli betonarme çerçevelerle teşkil edilen yapılarda düşey deprem bileşeninin hesaplara dahil edilmesi yönteminin yapısal tasarıma etkisi
Effect of inclusion of vertical earthquake component in the structural design of regular reinforced concrete frame buildings
Yazar: AYKUT ARKUN
Danışman: DOÇ. DR. MEDİNE İSPİR ARSLAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Son yıllarda yapılan akademik çalışmalar ve deprem sonrası gözlemler, depremin düşey bileşen etkisinin tasarımda dikkate alınması gerektiğini göstermektedir. Literatürde özellikle depremselliği yüksek bölgeler olarak adlandırılan faya yakın bölgelerde inşa edilmiş, planda ve düşeyde belli düzensizlikleri bulunduran yapılarda depremin düşey bileşeninin etkileri artmaktadır.  Ülkemizde, depremin düşey bileşen etkisinin tasarım aşamasında kapsamlı olarak ilk defa Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (TBDY-2018)'de dikkate alındığı görülmektedir.
Düşey bileşen etkisini yapısal analiz hesaplarına dahil etmek için TBDY-2018'de üç ayrı yaklaşım sunulmaktadır. Birincisi uygun deprem ivme kayıtlarının seçilmesi ve bu kayıtların düşey elastik tasarım spektrumuna göre spektral uyuşum sağlanacak şekilde dönüştürülerek zaman tanım alanında hesap yöntemi ile yapısal analizlerin gerçekleştirilmesidir. İkinci yaklaşım, düşey elastik tasarım ivme spektrumuna göre mod birleştirme yöntemi ile	 düşey titreşim modlarının dikkate alınarak yapısal analizlerin yapılmasıdır. Üçüncü yaklaşım ise TBDY-2018, Madde 4.4.3.2'de E_d^((Z))≈(2⁄3) S_DS G bağıntısı ile tanımlanan düşey deprem etkisinin dikkate alınmasını öngörmektedir. 
Tez çalışmasında TBDY-2018'in önerdiği ikinci ve üçüncü yaklaşımın yapı tasarımına etkisini anlamak üzere iki yapının ön boyutlandırılması yapılmış ve sonlu eleman programı SAP2000 kullanılarak farklı deprem seviyeleri için analizleri gerçekleştirilmiştir. Birinci yapının taşıyıcı elemanları, standart tasarım deprem yer hareketi altında etkin göreli kat öteleme oranı için 0.008 sınırını gerçekleştirmek üzere tasarlanmıştır. İkinci yapının taşıyıcı eleman tasarımı için 0.016 sınırı esas alınmıştır. Dolayısıyla birinci yapı "gevrek malzemeden yapılmış boşluklu (veya boşluksuz) dolgu duvarlarının ve cephe elemanlarının çerçeve elemanlarına, aralarında herhangi bir esnek derz veya bağlantı olmaksızın, tamamen bitişik olması durumunu (TBDY-2018)" temsil etmek üzere tasarlanmıştır. İkinci yapı ise "gevrek malzemeden yapılmış dolgu duvarları ile çerçeve elemanlarının aralarında esnek derzler yapılması, cephe elemanlarının dış çerçevelere esnek bağlantılarla bağlanması veya dolgu duvar elemanının çerçeveden bağımsız olması durumunu (TBDY-2018)" temsil etmektedir. İncelenen iki binanın kat sayıları, döşeme kalınlıkları ve kiriş boyutları aynı olup kolon boyutları farklı seçilmiştir.
Bu çalışmada, deprem seviyesi ve düşey deprem bileşenin dikkate alınması ve ele alınış yaklaşımının, zemin kat taşıyıcı eleman tasarımına esas iç kuvvetler ve donatı alanları üzerindeki etkisinin araştırılması amaçlanmıştır. Bu amacı gerçekleştirmek üzere düzenli betonarme çerçevelerden oluşan iki yapı ve kısa periyot tasarım spektral ivme katsayıları (SDS) 0.75 değerinden büyük olan üç farklı yüksek depremsellik düzeyi kullanılmıştır (DS-1, DS-2, DS-3). Literatürde son yıllarda yapılan çalışmalar, faya yakın olan bölgelerde daha yüksek yer ivmesi değerleri oluştuğunu ve düşey ivmenin yatay ivmenin 2/3 katından daha fazla olabileceğini göstermektedir. Bu nedenle, bu çalışmada üç farklı yüksek depremsellik düzeyi değişken olarak seçilmiştir. Yapısal analizlerden elde edilen tasarıma esas iç kuvvetleri karşılamak üzere konstrüktif kurallar dikkate alınarak betonarme kesit tasarımı yapılmıştır.
TS 500-2000 ve TBDY-2018 deprem yönetmeliklerine uygun olarak süneklik düzeyi yüksek çerçeve taşıyıcı elemanlardan teşkil edilen yapılar, uzun doğrultuda (X) ve kısa doğrultuda (Y) üçer açıklık içermektedir. Karşılaştırmaların yapılabilmesi için yükler ve düşey deprem etkisinin ele alınış yöntemi açısından farklılık gösteren üç yapısal yükleme durumu dikkate alınmıştır. Birinci yükleme durumu düşey yükler ve yatay deprem bileşenlerini (DY-YD) içermektedir.
İkinci yükleme durumu, birinci durumdaki dış yüklere ilave olarak düşey deprem etkilerini yönetmeliğe uygun, yaklaşık (E_d^((Z) )=(2⁄3) S_DS G) olarak ele almaktadır, DY-YD-DD(2/3). Üçüncü yükleme durumu ise birinci durumdaki dış yüklere ilave olarak düşey elastik tasarım spektrumu kullanılarak elde edilmiş düşey deprem etkilerini içermektedir, DY-YD-DD(S). Farklı yükleme durumları ve deprem seviyeleri altında toplam 9 yapısal analiz mod birleştirme yöntemine göre yapılmıştır.
Yanal ötelenme rijitliği görece olarak büyük olan birinci yapıda düşey deprem etkisinin hesaba dahil edilmesinin düşey kolonların tasarıma esas eksenel kuvvetlerinde önemli oranda azalmaya neden olduğu tespit edilmiş olup bununla birlikte E_d^((Z))=(2⁄3) S_DS G bağıntısının kullanıldığı yaklaşımda ise kolonlardaki normal kuvvet azalımı daha fazla gerçekleşmiştir. Normal kuvvetteki bu azalışın bina kısa kenar aksı üzerinde yer alan kolonlarda (köşe kolonlar hariç) gerekli boyuna donatı oranının artmasına neden olduğu, ayrıca E_d^((Z))=(2⁄3) S_DS G yaklaşımının kullanılması durumunda kolon boyuna donatı oranlarında daha fazla artış tespit edilmiştir. Diğer kolonlarda ise minimum boyuna donatı oranı yeterli olmuştur. 
Kısa kenar aksı üzerinde yer alan (köşeler hariç) kolonlarda her iki yaklaşımın kullanılması durumunda da benzer olarak %50 ye varan tasarım eğilme momenti artışları tespit edilmiştir. Diğer kolonların tasarım eğilme momenti değerlerini her iki yöntemde de ihmal edilebilir benzer düzeyde artırdığı tespit edilmiştir.
3 metre kısa açıklıklı kiriş elemanların hem mesnet hem de açıklık tasarım eğilme momentlerinde belirgin bir artış gözlemlenmemiş olup her iki yöntemde de benzer sonuçlar elde edilmiştir. 8 metre uzun açıklıklı kiriş elemanların mesnet kesitlerinde ise eğilme momenti bakımından %15'e varan artışlar oluşturduğu tespit edilmiştir. Açıklık kesitlerinde ise belirgin bir fark oluşmamıştır. Her iki yöntem de kirişlerin tasarım eğilme momenti değerleri bakımından son derece yakın değerler vermiştir.  
Yanal ötelenme rijitliği az olan göreli kat ötelemeleri standart tasarım depremi etkisi altında TBDY 2018 Madde 4.9.1.3 (b)'ye uygun olacak şekilde 0,016 değerinden fazla olmayan yapının analiz ve tasarım sonuçlarının karşılaştırılmasına göre düşey deprem etkisinin hesaba dahil edilmesinin kolonların tasarıma esas eksenel kuvvetlerinde lokasyona bağlı olarak önemli derecede artış ve azalışlara neden olduğu, ayrıca (E_d^((Z) )=(2⁄3) S_DS G) yönteminin lokasyona bağlı azalış ve artışlarda daha etkili olduğu tespit edilmiştir. (E_d^((Z) )=(2⁄3) S_DS G) yaklaşımında kolon boyuna donatı oranları düşey spektrum yaklaşımından elde edilenlerden  daha fazladır.
Depremselliğin artışına bağlı olarak tasarım eğilme momentlerinde lokasyona göre yüzde %55'e varan azalışlar ve de %330'a varan artışlar tespit edilmiştir. En düşük depremsellik durumunda lokasyona bağlı eğilme momentindeki azalış-artış farkı ihmal edilebilecek düzeye inmektedir. Düşey ivme kabülü için kullanılan yöntemler arasında zemin kat kolonlarının tasarım eğilme momenti değerlerinde oluşan azalış ve artışlar bakımından belirgin bir fark ortaya çıkmamıştır.
Düşey deprem etkisini ele almak için kullanılan iki yaklaşım zemin kat kirişleri için benzer sonuçlar vermiştir. Düşey deprem etkisinin yapısal hesaplara dahil edilmesi, 3 metre açıklı kısa kirişlerde hem mesnette hem de açıklıkta dikkate değer bir tasarım eğilme momenti farkı oluşturmamıştır ve 8 metre açıklı uzun kirişlerde mesnetlerde ise %10'a varan tasarım eğilme momenti artışı kaydedilmiştir. Açıklık tasarım eğilme momentlerinde ise bir değişiklik olmamıştır.

Abstract:
Academic studies and post-earthquake observations in recent years show that the vertical component effect of the earthquake should be taken into account in structural design. Literature shows that the effects of the vertical component of the earthquake increase in structures that are built in areas close to faults, especially in areas called regions with high seismic activity, and that have certain irregularities in plan and vertical. In our country, the vertical component effect of the earthquake has been taken into consideration comprehensively for the first time in the design phase in the Turkish Building Earthquake Code (TBDY-2018).
Three different approaches are presented in TBDY-2018 to consider the vertical component effect of the earthquake in structural analysis calculations. The first approach is to take into consideration the seismic effects in the time domain. 
The second approach is to perform structural analyses by considering vertical vibration modes with the mode superposition method according to the vertical elastic design acceleration spectrum. The third approach envisages considering the vertical earthquake effect defined by the relation E_d^((Z) )=(2⁄3) S_DS G in 4.4.3.2 of TBDY-2018.
In the thesis study, in order to understand the effect of the second and third approaches proposed by TBDY-2018 on the structural design, the preliminary design of two structures was performed and their analyses were performed for different earthquake levels using the finite element program SAP2000. The load-bearing elements of the first structure were designed to realize the 0.008 limit for the effective relative story drift ratio under the standard design earthquake ground motion. The 0.016 limit was taken as the basis for the load-bearing element design of the second structure. Therefore, the first structure was designed to represent "the situation where the void (or void-free) infill walls made of brittle material and the facade elements are completely adjacent to the frame elements without any flexible joints or connections between them (TBDY-2018)". The second structure represents "the situation where the infill walls made of brittle material and the frame elements have flexible joints between them, the facade elements are connected to the external frames with flexible connections or the infill wall element is independent of the frame (TBDY-2018)". The number of floors, floor plans, slab thicknesses and beam sizes of the two buildings examined were the same, but the column dimensions were chosen differently.
In this study, it is aimed to investigate the effect of the vertical earthquake component and of the approach adopted for the vertical component on the internal forces and longitudinal reinforcement ratios of the ground floor load-bearing elements. In order to achieve this purpose, two structures consisting of regular reinforced concrete frames and three different high seismicity levels with short-period design spectral acceleration coefficients (SDS) greater than 0.75 were used (DS-1, DS-2, DS-3). Recent studies in the literature show that higher ground acceleration values occur in areas close to the fault and that vertical acceleration can be more than 2/3 times the horizontal acceleration. Therefore, three different high seismicity levels were among the variables of this study. Reinforced concrete section design was made in accordance with the TS 500-2000 and TBDY-2018.
The structures, which are composed of high ductility frame load-bearing elements in accordance with TBDY-2018 earthquake code, contain three spans in the long direction (X) and in the short direction (Y). In order to make comparisons, three structural loading cases that differ in terms of the loads and the method of handling the vertical earthquake effect were taken into account. The first loading case includes vertical loads and horizontal earthquake components (DY-YD).
The second loading case, in addition to the external loads in the first case, considers the vertical earthquake effects in accordance with TBDY-2018, approximately E_d^((Z) )=(2⁄3) S_DS G, DY-YD-DD(2/3). The third loading case includes the vertical earthquake effects obtained using the vertical elastic design spectrum in addition to the external loads in the first case, DY-YD-DD(S). As a result, a total of 9 structural analysis were carried out using the mode superposition method under different loading situations and earthquake levels.
It was determined that the inclusion of the vertical earthquake effect in the first structure, which has a relatively large lateral rigidity, caused a significant decrease in the axial forces of the vertical columns, and in the approach where the E_d^((Z) )=(2⁄3) S_DS G relation was used, the normal force decrease in the columns was greater. It was determined that this decrease in the design normal force caused an increase in the required longitudinal reinforcement ratio of the columns located on the short direction of the building (except for the corner columns), and in the case where the E_d^((Z) )=(2⁄3) S_DS G approach was used, a greater increase in the column longitudinal reinforcement ratios was detected. In the other columns, the minimum longitudinal reinforcement ratio was sufficient.
In columns located on the short direction (except columns in the corners), similar design bending moment increases of up to 50% were found for both vertical component approaches. It was determined that the design bending moment values of other columns increased at a similar level, which can be neglected in both methods.
No significant increase was observed in both the support and span design bending moments of the 3-meter short-span beam elements, and similar results were obtained in both methods. It was determined that the 8-meter long-span beam elements created increases of up to 15% in terms of bending moment in the support sections. There was no significant difference in the span sections. Both methods gave extremely close values in terms of the design bending moment values of the beams.
According to the comparison of the analysis and design results of the structure with low lateral drift stiffness and story-drift ratios not exceeding 0.016 under the effect of standard design earthquake in accordance with TBDY-2018, 4.9.1.3 (b), it has been determined that the inclusion of the vertical earthquake effect in the calculation causes significant increases and decreases in the design-based axial forces of the columns depending on the location, and also that the E_d^((Z) )=(2⁄3) S_DS G method is more effective in decreases and increases depending on the location. In the E_d^((Z) )=(2⁄3) S_DS G approach, the column longitudinal reinforcement ratios were higher than those obtained from the vertical spectrum approach. 
Depending on the increase in seismicity level, decreases of up to 55% and increases of up to 330% were detected in design bending moments depending on the location. In the lowest seismicity case, the decrease-increase difference in bending moments depending on the location is reduced to a negligible level. Among the methods used for vertical acceleration acceptance, no significant difference was found in terms of decreases and increases in the design bending moment values of ground floor columns.
The two approaches used to address the vertical earthquake effect yielded similar results for the ground floor beams. Including the vertical earthquake effect in the structural calculations did not create a significant difference in the design bending moment at both the support and the span for the 3-meter span short beams, and an increase of up to 10% in the design bending moment at the supports for the 8-meter span long beams was recorded. There was no change in the span design bending moments.