Betonarme bir yapının Türk, Avrupa ve Amerikan yönetmeliklerine göre tasarımı
Design of a reinforced concrete building according to Turkish, European and American regulations
Yazar: ADEM KARASU
Danışman: PROF. DR. KUTLU DARILMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Günümüz dünyasında depreme dayanıklı yapı tasarımının önemi gün geçtikçe artmaktadır. Özellikle deprem kuşağında bulunan ülkelerde depreme dayanıklı yapılar tasarlanmaktadır. Günümüz teknolojileri ile birlikte yapısal analiz programları ile depreme dayanıklı yapı tasarımı geçmişe kıyasla daha kolaydır. Programlar yardımı ile kısa zamanda hızlı ve doğru sonuçlara ulaşılmaktadır. İnşaat mühendisleri olarak depreme dayanıklı yapı tasarımını iyi bir şekilde anlamak ve uygulamak en önemli mesleki sorumluluklarımızdandır. Deprem anında yapının toptan göçmesini önlemek, kalıcı hasar oluşumunu sınırlandırmak ve can kaybını engellemek için uygun yapı tasarımında yapılacak kontroller, ülkelerin yayınladıkları standartları anlayabilme ve uygulayabilme ile mümkündür. Yüksek lisans tezi olarak yapılan bu çalışmada yapısal analiz programları kullanılarak ele alınan zemin ve 10 normal kattan oluşan betonarme bir yapının Türk yönetmeliklerinden DBYBHY ve TS500, Amerikan yönetmeliklerinden ACI 318-11 ve deprem yükleri için referans gösterilen ASCE/SEI 7-10, ve Avrupa yönetmeliklerinden Eurocode 2 ve Eurocode 8 kullanılarak farklı yönetmeliklerin gerektirdiği koşullar incelenerek depreme dayanıklı bir yapı tasarlanarak sonuçları karşılaştırılmıştır.
Tasarımı yapılan bina birinci deprem bölgesinde bulunan, zemin ve 10 normal kattan oluşan bir yapıdır. Kat yüksekliği 3 m olup taşıyıcı sistemi çerçeve ve perdeli taşıyıcı sistem olup, konut amacı ile kullanılacak bir yapıdır. Malzeme olarak C25 kalitesinde beton ile S420 nervürlü çelik sınıfı kullanılmıştır.
Çalışma kapsamında birinci bölümde çalışmada kullanılan yönetmeliklerden ve çalışmanın amacından bahsedilmektedir. Türk Yönetmelikleri olarak 2000 yılında yayımlanmış olan "Betonarme Yapıların Tasarım ve Yapım Kuralları (TS500)" ile 2007 yılında Bayındırlık ve İskan Bakanlığı tarafından yayımlanan "Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik (DBYBHY)" ve 1997 yılında yayımlanan "Yapı Elemanlarının Boyutlandırılmasında Alınacak Yüklerin Hesap Değerleri (TS498)" yönetmeliklerinden faydalanılmıştır.
Avrupa yönetmelikleri olarak betonarme yapıların tasarımı düzenlenirken "Eurocode 2" ve depreme dayanıklı yapı tasarımında "Eurocode 8" kuralları dikkate alınmıştır.
Amerikan Yönetmelikleri olarak ise betonarme yapıların tasarımı konusunda kuralları düzenleyen mevcut yönetmelik "American Concrete Instute (ACI)" tarafından 2011 yılında düzenlenmiş olan "Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary (ACI 318-11)" kullanılmıştır. Depreme dayanıklı yapıların tasarımında 2012 tarihinde güncellenen "International Building Code (IBC)" ve 2010 tarihli yayımlanan "Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures (ASCE/SEI 7-10)" kullanılmıştır.
Çalışmanın ikinci bölümünde ilgili yönetmeliklerde açıklanan yapısal düzensizlikler açıklanmıştır. Deprem hesapları detaylı bir şekilde açıklanıp ilgili hesap yöntemleri, eşdeğer deprem yükü ve mod birleştirme yöntemlerinin sınır şartlara göre  hangisinin kullanılacağına karar verilmesi ve deprem hesabında kullanılacak tüm parametreler açıklanmıştır. Ayrıca yönetmeliklerin taşıma gücü hesap yöntemi gereklilikleri bu bölümde karşılıklı olarak ifade edilmiştir.
Çalışmanın üçüncü bölümünde tasarlanacak olan yapıya ait bilgiler verilmiştir. Yapı Merkezi İnşaat A.Ş'nin Kadıköy Acıbadem'deki tarihi sokullu konağı projesinin kat planlarının belirli revizyonlarının ardından kat adedinin arttırılarak zemin ve 10 normal kattan oluşan, taşıyıcı sistemi perde ve çerçeve sistemlerden oluşan betonarme bir yapı olup ve kullanım amacı konut olarak tasarlanacaktır. Binanın x doğrultusundaki uzunluğu 23m, y doğrultusundaki uzunluğu 16,50 m olup kat alanı 380 m2'dir.  Kat döşemeleri çift doğrultuda çalışan döşemelerdir. Temel sistemi  1 m kalınlığında radye temel seçilip kat planından her doğrultuda 1m genişleyerek x doğrultusunda 25 m, y doğrultusunda 18,50 m olarak hesaplanmış ve toplam temel alanı 462,5 m2 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca bu bölümde kullanılan yapısal analiz programı ile ilgili bilgiler yer almaktadır.
Çalışmanın dördüncü bölümünde yapının analiz işlemleri başlamıştır. Öncelikle döşemelerin çalışma prensibi hakkında bilgiler verilip TS 500' e göre döşeme kalınlığının seçim hesapları gösterilmiştir. Yük analizleri yapılarak hesap yükleri belirlenmiştir. Son olarak analizler sonucu elde edilen farklı modlara ait frekans periyot ve açısal frekans değerleri gösterilmiştir.
Çalışmanın beşinci bölümünde farklı yönetmeliklere göre deprem hesabı ayrıntı bir şekilde yapılmıştır. Yönetmeliklerin gerektirdiği yük kombinasyonları belirtilerek farkları açıklanmıştır. ASCE/SEI 7-10'a göre deprem hareketinin düşey bileşeni de deprem kombinasyonlarında dikkate alınırken, eurocode 8'e göre tasarımda düşey bileşenin kullanım durumlarının dışında tasarlanan bir bina türü olması sebebi ile ve DBYBHY'de depremin sadece yatay birleşeni incelenmesinden dolayı düşey deprem kuvvetleri ele alınmamıştır. Tasarımı yapılan binada analizler sonucunda deprem yükleri altında yapıda oluşabilecek olası düzensizlikler kontrol edilmiştir. İlgili yönetmeliklerin süneklilik düzeyi yüksek betonarme bir yapı tasarımında yapılacak kontroller eğilme ve kesme hesabı için  ayrı ayrı gösterilmiştir. Yapıda B-B aksına ait S04 ve S02 kolonları ile K109 ve K110 kirişleri ile 4-4 aksında bulunan P02 perdesinin betonarme hesapları yapılıp enine ve boyuna donatıları hesaplanarak yönetmeliklere uygunluğu gösterilmiştir. Donatı çizimleri hesapların ardından ayrıntılı bir şekilde gösterilmiştir. Burada ASCE/SEI 7-10' a göre tasarımda diğer yönetmeliklerden farklı olarak spektral ivme katsayısının hesabına dikkat edilmelidir. Genel olarak yapıların süneklilik ve önem sınıflarına göre belirlenir. ASCE/SEI 7-10'da tüm ülkenin ivme değerlerini gösteren MCER haritaları belirlenmiştir. B zemin sınıfına göre hazırlanan haritalar ilgili zemin katsayısı ile çarpılarak  ve belirli oranlarda azaltılması ile spektral ivme katsayıları hesaplanır.
Altıncı bölümde ise farklı yönetmeliklere deprem hesabı ile betonarme hesaplar özetlenerek sonuçlar tablolar halinde gösterilmiştir.
TS 500 ve Eurocode 2'ye göre yapılan hesaplarda malzeme dayanım değerleri malzeme güvenlik katsayılarına bölünerek tasarım dayanımları hesaplanır. ACI 318'de ise hesabı yapılan elemanın türüne ve etkiyen kuvvete göre belirlenen dayanım azaltma katsayısı Φ kullanılarak tasarım dayanım momenti, kesme kuvveti ve normal kuvveti elde edilir.
Eşdeğer deprem yükü hesabında efektif deprem ağırlığı hesaplanırken Türk ve Avrupa yönetmeliklerinde yapısal yükler, ilave sabit yüklerin tamamının ve hareketli yüklerin belirli oranlarda azaltılarak alınmasına karşın, Amerikan yönetmeliklerinde bazı özel durumlar dışında hareketli yüklerin alınmasına izin verilmemiştir. Türk ve Amerikan yönetmelikleri ile yapılan kabuller kontroller konusunda benzerlik göstermiştir. Ayrıca Eurocode 8 ve DBYBHY' e göre tasarımında yer değiştirmeler yapı davranış katsayısı q ile çarpılırken ASCE/SEI 7-10'da yapı davranış katsayısından bağımsız olarak yer değiştirmeler yer değiştirme arttırma katsayısı Cd ile çarpılıp bina önem katsayısına bölünerek etkin göreli yer değiştirmeler hesaplanmıştır.
Betonarme hesaplar konusunda perde uç bölge tasarımında ASCE/SEI 7-10 ve Eurocode 8 yönetmeliklerinde perde uç bölgesi tasarımı yapılmasına karar verilmesinde perde üzerine etkiyen normal kuvvete bağlı basınç gerilmesi dikkate alınırken, DBYBHY'de perde elemanının geometrik özelliklerine bağlı olduğu çıkarılan önemli bir sonuçtur.
Çalışma kapsamında incelen bina analizlerinde en elverişsiz sonuçlar Eurocode yönetmeliklerine göre yapılan tasarımda elde edilirken en güvenli tarafta kalınmış fakat ekonomiklikten uzaklaşılmıştır.

Abstract:
The importance of structural design of buildings with earthquake resistance is increasing in today's world. Earthquake resistance structure are designed especially at the countries on seismic zone. With nowadays technologies and structural analysis programs design of earthquake resistance structure is easier and more accurate than before. With the help of programs more correct results are obtained in less time. As civil engineers, understanding and applying design of earthquake resistance structure is our professional liability. For preventing total collapse during earthquake for limiting permenant damage and avoid loss of life is possible with  proper controls on structural design and understanding and applying published regulations of countries. At this graduate thesis  structural analysis program is used. Turkish regulations DBYBHY and TS 500, American regulations ACI 318-11 and for earthquake loads ASCE/SEI 7-10 and European regulations Eurocode 2 and Eurocode 8 is used on a reinforced concrete structure with an ground level and ten regular floors. By investigating required conditions of different regulations, earthquake resistance structure is designed and the results are compared.
The building which is a designed structure with a ground level and ten floors on seismic zone one. The structure is a residential building with 3 meter story height. The structural system consists of frame-equivalent dual systems. The material used in construction is C25/S420. 
The first section of this thesis consists regulations used in this work and purpose of the paper. As Turkish regulations the code on the buildings to be built in the earthquake zones (DBYBHY) which has published by Ministry of Public Works and Settlement Government of Republic of Turkey in 2007, TS500 rules of design and calculation of Reinforced Concrete Structure which has published in 2000 and TS 498 Calculation values of the loads to be taken in the dimensioning of structural elements are used. 
When arranging reinforced concrete structural design, European regulations Eurocode 2 and when designing buildings with earthquake resistance Eurocode 8 is used.
As American regulations, Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary (ACI 318-11) is arranged in 2001 by American Concrete Instute (ACI) which organizes the rules of reinforced concrete structural design is used. For earthquake resistance structural design "International Building Code (IBC)" which is revised  in 2012 and "Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures (ASCE/SEI 7-10)" published in 2010 are used.
In the second section of the study, structural irregularities are explained in relevant regulations. Seismic calculations are explained in detail. According to building properties relevant calculation methods, whether lateral force analysis or modal response spectrum analysis is choosen. The parameters used in seismic calculations are explained. Also ultimate state design method requirements of regulations are compared in this section.
The third part of this work gives informations about the building which is going to be designed. The historical building called "Sokullu Mansion" which is used in the study is located in Acıbadem Kadıköy. The building belongs to Yapı Merkezi Construction lnc. After some revisions on the floor plan, it is acccepted that the number of floors are increased. The building is a designed structure with a ground level and ten floors and structural system consists of frame-equivalent dual systems will be projected as a reinforced concrete residential buildings. The length of the building at x direction is 23 m and at y direction it is 16,50 m. Area of the total floor is 380 m2. Floor slabs works in two dimensions. the thickness of the foundation system is 1 meter. The foundation has been choosen as raft foundation. The foundation expand one meter on both sides of the floor plan. The length of the raft foundation at x direction is 25 m and at y direction it is 18,50 m and area of the total foundation area is calculated 462,5 m2. Also informations about structural analysis program is given in this section.
In the forth section of the study, analysis of the building is started. First, information of working mechanisim of the floor slabs are given. The thickness of the slabs are calculated according to TS 500. Then, design loads are determined by load analysis. Finally, frequency, period and angular frequency values of different mod shapes are obtained as a result of the analysis. Also mass of the stories and mass moment of inertia for each story have been calculated in this section.
In the fifth part of the study detailed seismic calculations according to different regulations are done. The required load combinations of the regulations are defined  and compared. As stated in ASCE/SEI 7-10 vertical seismic loads are considered. Eventhough in Eurocode 8 vertical seismic loads are considered, buildings does not include  the properties of Eurocode 8 classification about using of vertical components of the earthquake so only horizontal components is used at load combinations. And DBYBHY does not include vertical effect of earthquake action. As a result of analysis, possible irregularities are checked  under the seismic load combinations at the designed structure. For bending end shear calculations controls required by high ductility class buildings are done separately according to the regulations. Reinforced concrete calculations of S04 and S02 columns with K109 and K110 beams of  B-B axis and P02 wall at 4-4 axis are done on the buildings and shear and longitudinal rebars are calculated and suitability to regulations are shown. Reinforcement details are shown after the calculations. Here divergently than other regulations spectral acceleration values should be considered at ASCE/SEI 7-10 design. Generally it is calculated according to importance and ductility class of the building. At ASCE/SEI 7-10 MCER maps which shows  spectral acceleration values S1 and SS of the all country is used for determining seismic design category. Design spectral acceleration values by multipying  the map values S1 and SS, which are prepaired according to soil class B, with relevant soil constants Fa and Fv and decreasing with specific ratio.
In the sixth section of the paper, acording to different regulations, the seismic calculations and reinforced concrete calculations are summarized and the results are shown at tables. Base shear forces under seismic forces, periods of the structure, design interstory drifts, effective seismic weight and second order effects have been checked and compared.  
The design strength is calculated  by the calculations done acoording to TS 500 and Eurocode 2, design strength of elements are divided to material strength coefficient γ_s, γ_c. On the other hand ACI 318 design strength is calculated by multiplying nominal strength with coefficient Φ. Similarly design axial forces, shear forces and bending moments are calculated.
According to Turkish and European regulations, at the seismic calculations, effective seismic weight are calculated by adding dead loads with live loads which is decreased with live loads coefficient factor n. According to the American regulations, except some special cases defined in regulations, live loads are not considered at the calculations of effective seismic weight. Design of the Turkish and American  regulations are similar. Eventhough, Eurocode 8 and DBYBHY multiply displacements with q (structural behaviour factor) ASCE/SEI 7-10 seperatly than structural behaviour factor, this regulation uses deflection amplification factor Cd and divides to importance factor I of the building.
While designing wall boundary elements according to Eurocode 8 and ASCE/SEI 7-10, axial forces and according to this force, compression stress is considered. Eventhough these regulations consists these elements, Turkish regulations only consider geometrical properties of the wall. This is an important result to acknowledged. Also some of the reinforcement results have been calculated same for each type of regulations. Because of minimum reinforcement ratio of column is equal for in all three design codes, longitudional reinforcements of the columns have been choosed same. On the other hands shear rebar of the colums, length of ciritical regions and spacing of the transverse reinforcement according to critic regions have been selected different due to code requirements.
The worst results are obtained by Eurocode regulations. Eventhough Eurocode 8 regulation provide the safer design, it is the most expensive solution. And least conservative results and most economical design have been obtained by using Turkish Seismic code 2007.