Performansa dayalı tasarım ilkeleri ile betonarme çerçeve yapılar için pratik hasar tahmin yöntemi
Practical damage state prediction method for reinforced concrete frame structures with the principles of performance based design
Yazar: DORUK BUĞDAY
Danışman: DOÇ. DR. ABDULLAH GEDİKLİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Doğruluk tahmini = Accuracy estimation ; Hasar tahmin analizi = Damage estimation  analysis ; Hata tahmini = Error estimation ; Hesap yöntemleri = Calculation methods ; Sismik hasar = Seismic damage ; Yapı hasarları = Structure damages ; Yapısal hasar = Structural damage

Özet:
Betonarme yapıların deprem yükleri altında elastik davranması esaslı bir tasarım yaklaşımı, gereğinden büyük taşıyıcı eleman kesitleri ortaya çıkarmakla kalmayıp donatı çeliği ve beton rijitlik farkından dolayı gevrek kırılma riskini arttıracaktır.
TS500 yapı tasarım şartnamesine göre, deprem esnasında yapı taşıyıcı elamanlarında oluşacak plastikleşmeye bağlı kuvvet azaltımı, tüm yapı için öngörülen tek bir katsayı  (R: deprem azaltma katsayısı)  ile ele alınmaktadır.  Elastik hesaplarla bulunan taban kesme kuvveti R katsayısına bölünerek azaltılmakta, böylece taşıyıcı elemanlar için ön görülen donatının deprem etkisi altında plastik davranış göstermesi hedeflenmektedir. Donatının plastik davranış gösterebilmesi, özellikle yapı elemanlarının uç noktalarındaki beton kesitlerinin büyük şekil değiştirmelere karşı dağılmadan ilgili kesit dönmesinin gerçekleşebilmesi ile sağlanabilir. Aksi durumda erken dağılan bir birleşim bölgesinde donatı burkulması ve diğer karmaşık etkiler sebebiyle ilgili eleman taşıyıcı özelliğini tamamen yitireceklerdir. 
Taşıyıcı sistemde eleman bazında gerçekleşen elastik ötesi davranış kuvvetlerini tüm sistem için belirlenen azaltılmış deprem kuvvetinden elde etmeye çalışmak, hali hazırda yönetmeliklerimizde kullanılmasına rağmen, kaba bir yaklaşım olarak değerlendirilebilir. "Gelişen hesap teknikleri ve yapı analiz programları göz önüne alındığında elemanların elastik ötesi davranışlarını ayrık olarak ele alan bir hesap yöntemi ile tasarım yapmak oldukça makul gözükmektedir."
Eşdeğer deprem yükü analizine göre daha hassas biz analiz yapabilmek için, eleman bazlı moment ve şekil değiştirme kapasitelerinin dikkate alınması gerekmektedir. Yapının gerçek deprem davranışı oldukça karmaşıktır. Deprem esnasında kat rijitlikleri, taşıyıcı elman kesitlerinde plastikleşme olduğu üzere değişmekte olup, bu durum yapı titreşim mod ve periyotlarını etkilemekte ve yapı katlarına gelen deprem yükü dağılımını değiştirmektedir. 
Plastikleşme etkilerini tam olarak göz önüne almak için tasarımda Zaman Tanım Alanında Doğrusal Olmayan Analiz "Non-Linear-Time-History-Analysis" uygulanmalıdır. Ancak uygulamada pratik bir analiz tipi değildir. Bu analiz için uygun deprem kayıtlarının bulunması veya belirli özellikleri sağlayan sanal kayıtların yaratılması gerekmektedir. Ayrıca bu analiz seçeneği diğer analizlere kıyaslandığında daha uzun sürmekte ve özellikle büyük yapılar için yüksek bilgisayar gücü gerektirmektedir. 
Performansa dayalı tasarım teknikleri bu duruma oldukça basit bir çözüm getirmeye çalışmaktadır. Performansa dayalı tasarımda, öncelikle Statik İtme Analizi (Pushover) adı altında doğrusal olmayan bir analiz gerçekleştirilmektedir. Bu analiz, yapı taşıyıcı elemanlarının her birinin doğrusal olmayan davranışlarını ayrık biçimde dikkate almaktadır ve zaman tanım alanında yapılan analizden çok daha pratiktir. 
Özetle statik itme analizi, yapı elamanlarının elastik ötesi davranışları dikkate alınmak üzere, yapının deprem esnasında karşılayacağı öngörülen muhtemel kuvvetler ile bu kuvvetler sonucu yapıda oluşacak tepe yer değiştirmesi arasındaki ilişkiyi ortaya koyan yük-yer değiştirme eğrisinin (kapasite eğrisi) elde edilmesi analizidir. Bu çalışmada itme analizleri noktasal mafsal kabulü (point-hinge) ile CSI SAP2000 ver. 15.2.1 programı ile gerçekleştirilmiştir.  
Performansa dayalı tasarımda, hesaplanan kapasite eğrisi ile hedef depremin talep eğrisi arasındaki ilişkiler ortaya konularak yapının bu deprem etkisi altında ele alınan kesitlerinde oluşacak rölatif deformasyon seviyeleri (performans seviyeleri) tespit edilmeye çalışılmaktadır.
Performansa dayalı tasarım kavram ve ilkeleri ATC-40,  FEMA 356, FEMA 273, FEMA 274 ve DBYBHY 1998 gibi yönetmeliklerde ayrıntılı biçimde açıklanmıştır. Birbirinin benzeri olan ve kendi içlerinde de birbirlerine atıflarda bulunan bu şartnameler özetle, yapıların deprem etkileri altındaki plastik davranışını dikkate alan statik analiz esaslarını ve parametrelerini tanımlamakta ve analizin sonucunda yapı elemanlarının muhtemel hasar durumları tespit etmek üzere kullanılacak olan ilgili performans kriterlerini ve bunları hesaplanma yöntemlerini ortaya koymaktadır.
Tüm basitleştirici kabullerine rağmen performansa dayalı tasarım, ileri bir mühendislik bilgisi ve doğrusal olmayan hesaplama kapasitesine sahip statik analiz yazılımları kullanmayı gerektirmektedir. Tez kapsamında, çerçeve yapıların performansa dayalı hesap yöntemleri ile deprem sonrası hasar durumlarını tahmin etmeye yönelik olarak basitleştirici bir formülasyon ortaya konulmaya çalışılmıştır. Bunun için değişik kat sayısı, açıklık sayısı ve açıklık genişliklerine sahip 144 adet çerçevenin performans analizleri gerçekleştirilmiş ve bu analizlerden elde edilen verilerle yaklaşık efektif periyot hesabı esaslı bir hasar formülasyonu ortaya konulmaya çalışılmıştır.
Sonuçlar dikkate alındığında yapının efektif periyodunun yapı geometrik özellikleri ve deprem verileri cinsinden basit bir formülle hesaplanabileceği ve bu hesap sonucunda elde edilen efektif periyot değeri ile yapı elemanlarında oluşacak hasar durumlarının oransal hesabının oldukça basit bir şekilde mümkün olabileceği gözlenmektedir. Bu tür bir hesap, belirli bir bölgede bulunan mevcut yapıların deprem sonrası muhtemel hasar durumlarını hızlı bir şekilde tespit etmek için kullanılmaya aday bir hesap yöntemidir.

Abstract:
An approach to the design, based on an elastic behaviour of a concrete building under the seismic loads would cause a huge dimensioning at the member sizing and because of the rigidity difference between concrete and the steel, it will increase the risk of brittle yielding.
At the Turkish building design code TS500, the force loss during the seismic activity due to the plasticicity that will occur at the structural load carrying elements is being considered with only a coefficient (R: seismic load reduction coefficient).  The base shear force which is found by the elastic calculations, is being divided by R coefficient and reduced. By this way, the plastic behaviour of the necessary reinforcement needed is being targeted. The ability for the reinforcement to behave plastically, could be achieved a formation of rotation due to the related shape changes without disintegration of the concrete cross sections, at the end points of the structural elements. If not, at the early disintegrated joint region, reinforcement buckling and other complex effects could occur and the related carrying element would loose its property completely. 
As it is present and being used by the current design codes, to achieve the beyond elastic behaviour of the individual members from the reduced seismic load which is set for the whole system, could be taken into consideration as a rough estimation. As the improved calculation techniques and the structural analysis softwares are considered, a design based on the beyond elastic behaviours of the elements of the structure individually is quite reasonable.
To make a more accurate analysis when compared to the equivalent seismic load analysis, the element based moment and shape change capacities should be considered. The real behaviour of the structure is very complex. At the moment of an earthquake, the floor rigidities changes as the plasticities occur and this situation effects the structure vibration modes which cause a change at the distribution of seismic loads applied to the floors.
To take the plasticity effects into consideration completely, the Non-Linear-Time-History-Analysis should be applied. However, this analysis is not a practical analysis type at the application. For this analysis to be achieved, the convenient earthquake records should be founded or virtual records, which provides specific information, should be created. Also, when compared to the other analysis types, this analysis requires more time to achieve the results and especially for the larger structures, high computer power is needed.
The performance based design techniques are trying to give a practical solution to this state. At the performance based design, at first a non-linear analysis type called Pushover Analysis is performed. This analysis takes the nonlinear behaviour of all individual members into consideration and is much practical than the analysis which is performed on the time definition basis.
To summarize, the pushover analysis is the analysis of obtaining the capacity curve, which is the load-displacement curve giving the relation between the possible loads that the structure will be exposed to during a seismic activity and the top point's displacements in a result of those loads. At this work, the pushover analysis had been done with the acceptance of joint point-hinge concept via the CSI SAP2000 ver. 15.2.1. computer software. 
At the design based on performance, the relation between the capacity curve and the source earthquake's demand curve are being considered so that the performance levels could be determined.
The performance based design concepts and principles are defined and explained in detail at the codes like ATC-40, FEMA 356, FEMA 273, FEMA 274 and DBYBHY. Summarized, those codes which also refers to each other among themselves defines the static analysis principles and parameters which considers the structures' plastic behaviour under the seismic effects and at the end of the analysis, gives the performance criterias which will be used to determine the possible damage levels and the calculation techniques of them.
Despite all the simplified assumptions, the performance based design needs a high engineering knowledge and the ability to use the static analysis software which is capable of nonlinear calculations. At the scope of the thesis, it is been tried to give a formulation that is capable of assuming the damage levels of the frame structures based on performance analysis with simplicity. For that cause, 144 different performance analysis' are done for different floor heights, number of spans and span lengths. From those analysis datas, a damage formulation based on approximate effective period calculations, is tried to be introduced. 
When the results are taken into consideration, the effective period of the structure could be calculated with a simple formula in terms of the structure geometric properties and the earthquake parameters and, is has been observed that the relative calculation of the damage states of the structure elements via the effective period value obtained from the result of the calculation is quite simple. This kind of a calculation is a candidate calculation method to quickly determine the possible damage states of the current structures at a certain area for the engineers.