Yüksek katlı yapılarda yapı-kazık-zemin dinamik etkileşiminin iki boyutlu olarak incelenmesi
2d analysing of dynamic soil-pile-structure interaction for high rise buildings
Yazar: DENİZ KURT
Danışman: PROF. DR. AYFER ERKEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Mevcut durumda nükleer santral, baraj, köprü ve yüksek katlı yapılar gibi rijit, büyük ölçekli ve deprem davranışının önemli olduğu yapılar açısından göz önüne alınan yapı-zemin etkileşimi analizleri 2019 yılında yürürlüğe giren "Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği" ile birlikte belirli deprem tasarım sınıfları ve yerel zemin koşulları altında yüksek katlı kazıklı temelli yapılar için zorunlu hale gelmiştir. Bu tez çalışması ile yapı-kazık-zemin etkileşimi analizleri açısından TBDY (2018) kapsamında belirtilen çözüm yöntemlerinin detaylıca açıklanması, analizler için gerekli deprem hareketlerinin seçilmesi ve dönüştürülmesi, analiz modellerinin kurulması ve çeşitli analiz modellerinden elde edilen sonuçların ivme kaydı değişimi ve kazıklarda oluşan kesme kuvveti, moment değerleri açısından incelenmesi amaçlanmıştır.
Bu bağlamda İzmir İli, Karşıyaka ilçesinde yüksek katlı bir konut projesi için yapılmış olan sondaj loğu, arazi ve laboratuvar deneylerinden faydalanarak zemin modeli oluşturulmuştur. Söz konusu proje alanında 75 m yüksekliğinde, 25 katlı 30x50m boyutlarında derin temelli, yüksek katlı bir yapı inşa edileceği kabul edilmiştir. Yüksek katlı yapının ağırlığını karşılayacak şekilde Ø165cm çapında, L=75 m boyunda ve 5 m yatay- düşey aralıklı temel altı kazıkların gerekli olacağı hesaplanmıştır.
Söz konusu yapı için yapı-kazık-zemin etkileşimi analizleri kapsamında Model-1 ve Model-2 olmak üzere iki adet sonlu elemanlar modeli kurulmuştur. Sonlu elemanlar modelleri üç adet alt modele ayrılmıştır. Bu alt modeller bina ağırlığının yayılı yük olarak göz önüne alınması ve alınmaması durumlarına karşın, temel ve bodrum perdelerinin kütlesiz sonsuz rijit olarak tanımlandığı iki boyutlu temel-kazık-zemin kinematik etkileşim modelleri (Model 1-1, 1-2) ve üstyapı-temel-kazık-zemin elemanların kütleleri ve rijitlikleri ile birlikte tanımlandığı iki boyutlu ortak sistem modelidir (Model 1-3).
Model-2 ise temel genişliği (B=30m) kadar bir mesafe sonrasında ikinci bir yüksek katlı yapı olması durumunu ele alan analizdir. Yukarıda bahsedilen alt modeller için verilen bilgiler Model-2 alt modelleri (2-1, 2-2 ve 2-3) için de aynen geçerlidir. Model-2'de analiz sonuçları açısından yakın mesafede benzer özellikte ikinci bir yüksek katlı yapının olması durumunun kazık kesme kuvveti ve moment zarfına olan etkisi incelenmiştir.
Model-1 ve Model-2 alt modelleri ile birlikte toplamda 6 adet analiz modeli kurulmuştur. 
Plaxis 2D yazılımı ile oluşturulan sonlu elemanlar modelinde model boyutları yatayda temel sınırından itibaren temel genişliğinin dört katı (4B), düşeyde ise temel sınırından itibaren beş katı (5B) mesafe uzaklıkta olacak şekilde düzenlenmiştir. Düşey model sınırlarında ve model tabanında geçirgen sınır koşulları kullanılmıştır.
Dinamik analizler kapsamında zemin tabakaları hiperbolik gerilme- birim deformasyon davranışının dikkate alındığı malzeme modeli ile tanımlanmıştır. Bu malzeme modeli düşük birim deformasyon rijitliği ile birim deformasyonla sertleşen zemin modelidir (HSsmall).
Plaxis yazılımında kazıklar, kazık ve zeminin farklı rijitliklerinin ve bağımsız hareketlerinin göz önüne alınabildiği, kazık boyunca çeper sürtünmesi değişimi ve uç direnci değerlerinin tanımlanabildiği gömülü kiriş elemanlar (embedded beam) ile tanımlanmıştır. İki boyutlu ortak sistem modelinde kullanılan bina elemanları ise plaxis yazılımda mevcut olan levha (plate) elemanlar ile tanımlanmıştır.
Bahsedilen analiz modelleri için TBDY (2018)'de belirtilen esaslar dahilinde seçilen ve DD-1 deprem düzeyi (tekrarlanma periyodu 2475 yıl ve 50 yılda aşılma olasılığı %2 olan deprem hareketi) tasarım spektruma spektral uyuşum sağlayacak şekilde dönüştürülen iki adet deprem kaydı model tabanından etkitilerek toplamda 12 adet dinamik analiz gerçekleştirilmiştir. 
Yapılan dinamik analizler sonucunda gerek deprem hareketinin zemin ortam içerisinde yayılarak dönüştüğü durum, gerek kazıklarda oluşan moment ve kesme kuvveti değerleri olmak üzere aşağıda başlıklar halinde özetlenen sonuçlar elde edilmiştir:
i.	Statik ve dinamik durumdaki kazık kuvvetlerinin karşılaştırılması:
o	İki farklı deprem kaydına göre yapılan analiz sonucunda kinematik etkileşim analizi ile elde edilen maksimum moment değerleri statik durumdaki maksimum moment değerinin 3 ile 6 katı, iki boyutlu ortak sistem modelinde ise 5 ile 7 katı olarak elde edilmiştir. Kesme kuvveti değerleri ise kinematik etkileşim analizlerinde statik durumda hesaplanan değerin 2 ile 3 katı, iki boyutlu ortak sisteminde ise 3 ile 5 katı olarak hesaplanmıştır.
ii.	Bina yükünün göz öne alınmasının kinematik etkileşimde ivme ve kazık kuvvetlerine etkisi
o	Kinematik etkileşim analizlerinde bina ağırlığının yayılı yük olarak göz önüne alınması temel tabanı orta noktasında elde edilen maksimum ivme değerlerini %10, temel alt kotu seviyesi için temelden "B=30m" kadar mesafe sonra elde edilen maksimum ivme değerlerini ise %5 oranında (bina yükünün dikkate alınmadığı Model 1-1'e göre) azaltmıştır.
o	Kinematik etkileşim analizleri olarak gerçekleştirilen 1-1 ve 1-2 modellerinde bina yükünün varlığı nedeniyle 1-2 modelinde daha düşük moment ve kesme kuvveti değerleri elde edilmiştir. Bu doğrultuda bina ağırlığının yayılı yük olarak etki ettirilmesi moment ve kesme kuvveti değerlerini azaltmıştır. Moment değerleri için %35-%40 oranında bir azalım söz konusu iken, kesme kuvveti değerinde bu azalım %20-%30 aralığında hesaplanmıştır.
iii.	Üstyapının varlığının deprem hareketine ve kazık kuvvetlerine etkisi
o	Üstyapı ve temelin kütle ve rijitliklerinin göz önüne alınması (Model 1-3) kinematik etkileşim sonuçlarına göre hem temel tabanı seviyesindeki hem de temel dışındaki ivme kaydını ve pik ivme değerlerini değiştirmiştir. Bu değişiklik genel olarak daha düşük pik ivme değerlerinin ortaya çıkması şeklinde olmuştur. 1-3 modelinde temel tabanı seviyesinde kinematik etkileşim modellerine göre %10-%20 arasında daha düşük pik ivme değerleri elde edilmiştir. Bu fark temel genişliği (B=30m) kadar uzaktaki nokta için %35-%40 oranına çıkmaktadır.
o	İki boyutlu ortak sistem modeli (1-3) modeli moment dağılımlarında genel olarak kazıklarda oluşan etkilerin birbirine yakınsadığı, her iki depremli analizde de kazıklardaki maksimum zorlanmaların temel-kazık birleşim bölgesinde ve köşe kazıklarında oluştuğu görülmüştür.
o	İki boyutlu ortak sistem modeli (1-3) ile üstyapının ve kütlesinin göz önüne alınmadığı 1-1 kinematik etkileşim modelinde benzer mertebelerde kazık kuvvetlerine rastlanmıştır. Ancak diğer kinematik etkileşim modeli (1-2: üstyapının ağırlığını yayılı yük olarak göz önüne alan) ile sonuçlar karşılaştırıldığında iki boyutlu ortak sistem modelinde yaklaşık olarak %60 daha fazla kazık kuvvetleri oluştuğu anlaşılmıştır.
iv.	İkinci bir yapının varlığının kazık kuvvetlerine etkisi:
Model -2 ile yapılan analizler sonucunda yakın mesafede aynı özellikte yüksek katlı, derin temelli başka bir yapının varlığı sadece tek bir binanın göz önüne alındığı Model-1'e göre aşağıdaki değişikliklere yol açmıştır:
o	Kinematik etkileşim analizlerinden elde edilen moment değerleri açısından ikinci bir yapının varlığının hesaplanan değerler üzerinde ± %1 mertebelerinde bir etkiye sahip olduğu anlaşılmaktadır. Ancak iki boyutlu ortak sistem modelleri açısından bu etkinin maksimum moment değerini %6 ~ %12 oranında azaltacak şekilde olduğu tespit edilmiştir.
o	Kesme kuvveti değerlerinin ise ikinci yapının varlığı ile artış gösterdiği anlaşılmıştır. Kinematik etkileşim modellerinde bu artış oranının %1~%15, iki boyutlu ortak sistem modellerinde ise %1~%10'mertebelerinde olduğu anlaşılmıştır. 
o	Dolayısıyla, yapılan analizler sonucunda ikinci yapının varlığının göz önüne alınmasının kazıklarda hesaplanan moment değerleri açısından azaltıcı, kesme kuvvetleri açısından ise arttırıcı yönde etkileri olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
Soil structure interaction analysis is considered for the structures which are rigid, large-scale and earthquake behavior is important in the current situation. It has become compulsory for high rise - piled raft foundation building designs under specific seismic design and local soil conditions upon the inurement of Turkey Earthquake Building Code in 2019. In this thesis, it is intended to explain the details of the methods of analysis mentioned within the scope of TBDY (2018) in terms of soil-pile-structure interaction analysis and selection and scaling of earthquake motion records required for analysis, setting  finite element models . Besides the variation of earthquake motions in depth and pile forces are aimed to be examined from various analysis models corresponding kinematic interaction and 2D direct analysis. 
In line with this purpose, an idealized soil model has been formed by using bore hole logs, site and laboratory tests performed for a high-rise residence project in Karşıyaka district of İzmir province. In the project area it is assumed that a 25-story high rised-piled raft foundation structure will be constructed. The height of the building and foundation dimensions are assumed as 75m and 30mx50m respectively. Pile diameter, length and spacings are defined as 165cm , L=75m and  5m with reference to total building weight.
Two main finite element models , Model-1 and Model-2, have been established within the soil-pile-structure interaction analysis of aforementioned high rised buildings. Finite element models are divided into three sub-models. These sub-models consist of two kinematic interaction models and one 2D direct anaylsis model. Kinematic models are subdivided  whether building weight is considered as distributed load or not.
Model-2 considers the existence of another high-rise building in a distance of foundation width "B=30m" . The information given for the abovementioned sub-models is also valid for the Model-2 sub-models (2-1, 2-2 and 2-3). In the Model-2, the effect of a second high-rise structure on the pile shear force and moment envelopes additionally.
Six finite element models were established in Plaxis 2D v.18 including Model-1 and Model-2 sub-models.
Finite element model dimensions are adjusted as four times foundation width (4B) away from foundation border in lateral direction and five  times foundation width (5B) away from foundation border in vertical direction. Transmitting boundary conditions are used for xmin , xmax and ymin boundaries.
Soil layers are defined by Hardening soil with small strain stiffness material model (HSsmall) . This model describes small strain stiffness with a simple hyperbolic law.


There are several methods to define piles in plaxis 2D. Conventional methods are defining piles as plate or node to node anchor elements, but conventional methods have some disadvantages in terms of disregarding bending stiffness and pile-soil interaction for node to node anchors and continuous out of plane behavior of plates. Recommended modeling option for foundation piles is embedded beam row in Plaxis 2D. This modelling options enables pile-soil interaction, continuous soil mesh, pile soil independent movement and interface stiffness factors for axial, lateral directions and pile tip, thus embedded beam elements were used to define piles within the scope of this thesis. Structural elements in Model-3 for superstructure and foundation were modelled by plate elements.
The mesh for models generated considering average element size of triangular elements less or equal to one-eight of the wavelength calculated with respect to minimum shear wave velocity of the soil profile and maximum frequency from fourier spectrum of ground motion records.
Earthquake records were obtained from PEER NGA database considering magnitude, fault mechanism, fault distance and scaling factor. Ground motion records eliminated to eleven specific records. Two of eleven records were selected for the analyzes . The selected two records were scaled to match design spectrum of 2475 year return period earthquake (an earthquake with 2% chance of exceedance in 50 year) defined according to Earthquake building regulation code requirements.
Twelve dynamic 2D analyses performed for Model-1 and Model-2 sub-models considering scaled ground motion records.
As a result of the dynamic analyses performed, the variation of ground motion records and maximum acceleration values through horizontal and vertical directions and shear forces and moments values can be summarized in below headlines:
i.	Comparison of static and dynamic pile forces
o	As a result of the dynamic analyses, maximum moments from kinematic interaction were obtained 3~6 times more and 5~7 times more from 2D direct analysis model than static condition.
o	Maximum shear forces obtained from kinematic interaction analysis is 2~3 times more than static conditions and 3~5 times more from 2D direct analysis model than static condition.
ii.	Effect of considering building weight as distributed load on accelerations and pile forces 
o	In kinematic interaction analyses taking into consideration the weight of the building as distributed load reduced the maximum acceleration obtained at the midpoint of the foundation bottom level by 10%. The maximum acceleration value obtained at "B=30m" distance from the foundation border were reduced by 5% (according the model 1-1 which distributed load was not considered).
o	Due to the building distributed loads in Model 1-2 less moment and shear forces than Model  1-1 obtained. Accordingly, building weight as distributed loads reduces the moment and shear force values. The reduction in shear force values calculated in the range of 20%-30%, and for the moment values the reduction is in the range of %35~% 40.

iii.	Effect of superstructure on accelerations and pile forces 
o	Consideration of rigidity and mass of the superstructure and foundation (Model 1-3), changes ground motion records and peak acceleration values both at the foundation bottom level (midpoint) and the point B=30m away. This change is generally in the form of less peak accelerations. Model 1-3 shows 10%~20% lower peak acceleration values than kinematic interaction analyses (Model 1-1, Model 1-2). This reduction percent increases to 35% ~ 40% for the point "B=30m (foundation width)" away.
o	In 2D direct system model (1-3) pile moments converge to a similar distribution. The maximum pile forces were obtained at the foundation bottom level and corner piles showed larger moment and shear force values than inner piles.
o	Similar pile forces observed between Model 1-3 and Model 1-1 which is the kinematic interaction model that building weight is not considered as distributed load. On the other hand, Model 1-3 gives 60% more pile forces when compared to kinematic interaction model 1-2 which considers building weight.
iv.	Effect of second high rise building on pile forces 
o	Model 2 analyses show the effect of second high rise building to the pile forces calculated in Model -1. The general effects of second high rise building and variations are indicated as follows.
o	The existence of second high rise building around the primary one resulted ± 1% variation in terms of moment values for kinematic interaction models. However, comparison of 2D direct system results for both models shows maximum moment values is 6% ~ 12% less when another high-rise building located to a B=30m distance.
o	The shear forces increase with the existence of second structure against the situation observed for moments. The increase rate is 1%~15% for kinematic interaction models and 1% ~10 % for 2D direct system models.
o	As a result, based on the dynamic analyses performed with two different ground motion record both Model-1 and Model-2 it is determined that second high rise structure had a reducing effect on the moment values and increasing effect on the shear forces.