Deprem bölgelerindeki prefabrike betonarme endüstri binaların yapısal sistemlerinin değerlendirilmesi ve eğimli çatı kirişleri için alternatif tasarımlar
Overview of structural systems of prefabricated/precast concrete industrial buildings in seismic regions and alternative designs for sloped roof beams
Yazar: SELİN KOCA
Danışman: PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Prefabrike betonarme elemanlar üretim tesislerinde seri olarak üretilen, inşaat alanında kaldırma araçları kullanılarak montajı yapılan ve bu aşamalara göre özel olarak tasarlanan yapı elemanlarıdır. Bu elemanlar kolon, kiriş, perde, panel, çift cidarlı panel, döşeme, duvar ve hücre elemanlar şeklinde olabilir. Prefabrike yapılar çubuk sistemler (kolon-kiriş), panel sistemler, hücre sistemler ve karma sistemler olarak sınıflandırılabilir. Türkiye'de prefabrike betonarme binalar özellikle sanayi/endüstri tesisi, ticaret merkezi, spor salonu, depo, daha az sıklıkla konut, okul, hastane ve otopark amaçlı olarak inşa edilmektedir. Üretimin seri ve kontrollü olması, ön ya da ardgerme yöntemlerinin kullanılmasına olanak sağlaması, hızlı yapım tekniği ile prefabrike binaları  geleneksel yöntemlerle inşa edilmiş binalara göre pek çok bakımdan üstün kılmaktadır. 
Çoğunlukla tek katlı olan kolon-temel bağlantılarının ankastre, kolon-kiriş birleşimlerinin mafsallı teşkil edildiği prefabrike betonarme endüstri yapılarında çatı kirişlerinin konfigürasyonunun önemi büyüktür. Yapıların geometrisi, inşa edileceği bölgenin iklim-zemin koşulları, yapı elemanlarının üretim yeri/yöntemi vb. parametreler düşünüldüğünde bu kirişlerin farklı boyut ve tasarımlarda üretilmesi mümkündür. Kiriş biçiminin seçimi aynı zamanda tüm yapısal sistemin seçimini de büyük ölçüde etkilemektedir. 
Bu tez kapsamında, öncelikle dünyada farklı çatı kirişi tasarımları araştırılmıştır. Prefabrike betonarme çatı kirişlerinin tasarımında gözönünde bulundurulan hususlar değerlendirilmiş ve farklı kiriş alternatifleri üzerinden örneklendirilmiştir. Geçilmek istenen açıklık, net/faydalı kat yükseklikleri, çatı eğimi, kafes-kemer-Vierendeel tipi kirişler, kiriş gövdelerinde bırakılan boşluklar, birleşim bölgelerinin detaylandırılması, yatay ve düşey yük taşıma kapasiteleri farklı ülkelerde tasarlanmış ve üretilmiş çatı kirişleri üzerinden incelenmiştir. Hazır kalıp tekniği ve prefabrikasyon teknolojisinin sağladığı olanaklarla yeni tasarımların önü her zaman açıktır.
Çalışmanın ikinci bölümünde, çatı kirişlerinin yapısal hesaplarını etkileyen yatay ve düşey yük bileşenlerine detaylıca değinilmiştir. Tüm dünyada artan enerjisi krizi ile birlikte her türden binada (sanayi, okul, konut, hastane vb.) yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı araştırılmakta, güneş enerjisi sistemleri ön plana çıkmaktadır. Mevcut binaların çatı düzeyine monte edilebilen sistemlerin binalara ve yapı elemanlarına etkisi sayısal örneklerle değerlendirilmiştir. Türkiye'de en yaygın kullanılan 4 prefabrike betonarme sistem, yapı elemanları, yapım türü, mevcut binalarda karşılaşılan sorunlar ve deprem performansı yönünden açıklanmıştır.
Kapalı atölyelerde ya da üretim tesislerinde yüksek kalite kontrolü altında seri olarak üretilen betonarme çatı kirişlerinde tasarım, üretim, montaj ve işletme safhalardan hata ve sorunlar yerinde yapılan incelemelerle tespit edilmiş ve bu konulara üçüncü bölümde yer verilmiştir. Yanlış tasarım ve boyutlandırma, kalıp ve üretime uygun olmayan beton karışım oranları, üretim aşamasında yapılan hatalar, işletme kusurları ayrıntılı olarak fotoğraflanmıştır. Her fazdan verilen bu hataların yapı üretim sektörü için de faydalı olması hedeflenmektedir.
Tez çalışması süresince Türkiye'de meydana gelen 2 büyük yıkıcı deprem ile prefabrike betonarme binaların deprem performansı gözlemlenmiştir. Malatya ve Elazığ Organize Sanayi Bölgeleri'ne yerinde yapılan teknik gezi sonucunda mevcut durum değerlendirilmiştir.
Çalışmanın dördüncü bölümünde, ülkemizde yaygın olarak kullanılan sistemler değerlendirilmiş, Trakya bölgesinde inşası tamamlanan 100 uygulama projesinde kullanılan eğimli çatı kirişleri analiz edilmiş, geçilen açıklıklar, kalıp sistemleri, kolon boyutları, taşıyıcı sistem kurguları topluca değerlendirilmiştir. Çatı kirişleri için yapılan tipolojik çalışma sonrasında DBYBHY-2007 ve TBDY-2018 PGA değerleri karşılaştırılmış, beklenen pik ivme değerlerinin %75'lere varan oranda çoğunlukla arttığı görülmüştür. Bu durum, mevcut yapılarda performans analizlerinin ve güçlendirme projelerinin önemini ortaya koymaktadır.
Tezin diğer bir özgün tarafı da daha hafif alternatif çatı kirişi tasarımıdır. Çatı kiriş ağırlığının azalması ile birlikte yapı öz ağırlığının da azalması gerçekleşeceğinden, kolon kesitlerine, temel boyutlarına ve yapı maliyetlerine bir miktar fayda sağlanması hedeflenmiştir.
Beşinci bölümde, önerilen alternatifler, incelenen 100 uygulama projesinde en sık kullanılan açıklıklara göre karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Eğimli çatı kirişlerinin yapısal hesapları yapılmış, düşey yükler altında davranışları incelenmiştir. Önerilen alternatiflerden çatı kirişinin trapezoidal olarak teşkil edilmesiyle, yapı elemanının düzlem dışı hareketinin de sınırlanacağı tahmin edilmektedir. Ulaşılabildiği kadarıyla böylesi bir çözümün ilk kez bu tez kapsamında önerildiği söylenebilir. Boşluklu/delikli olarak tasarlanan çatı kirişlerinde de tüm tesisat, havalandırma, kanallar, tavalar vb. geçirilerek işletme içindeki operasyonlara kolaylık sağlaması, kat yüksekliğini azaltmadan ve diğer yapı elemanlarına ilave yük oluşturmadan sistemin düzenlenmesi amaçlanmıştır. Çalışma kapsamında elde edilen sonuç ve öneriler altıncı bölümde verilmiştir.

Abstract:
Prefabricated reinforced concrete (RC) members are structural elements that are mass-produced in facilities, assembled oN the construction site using construction lifting equipments such systems should be specially designed according to the needs of these stages. Columns, beams, walls, panels, double-walled panels, slabs, facade and cellular components are typical members widely used in prefabricated construction. Prefabricated structures can be classified as framed systems (column-beam), panel systems, cellular systems, and hybrid systems. In Turkey, prefabricated RC buildings are constructed especially for industrial facilities, commercial buildings, sports halls, depots, and less frequently for residential housing, schools, hospitals, and carparks. Since the production is serial and regulary controlled, pre or post-tensioning methods can be succesfully used, and this fast construction technique makes prefabricated buildings advantageous in many terms compared to buildings constructed by conventional methods. 
The configuration of roof beams is of great importance in prefabricated/precast RC industrial buildings, which are mostly single story, where column-foundation connections are fixed and column-beam joints are hinged (pinned). Considering the geometry of buildings, climate and soil conditions of the site, production location/method of the building elements, etc., it is possible to design such beams in different sizes and properties. 
Within the scope of this thesis, firstly, different roof beam designs in the world have been overviewed. Considerations in the design of prefabricated roof beams are discussed and examples are given for different beam alternatives. Beam spans, useful/net heights, roof slope, truss-arch-Vierendeel type beams, openings in the beam web, detailing of joint areas, horizontal and vertical load capacities are analysed through examples from different countries. 
Horizontal and gravity load parameters that affect the structural design and strength calculations of roof beams are discussed. With the increasing energy crisis in all over the world, the use of renewable energy sources in all types of buildings (industial, schools, residences, hospitals, etc.) is being investigated and solar energy systems are becoming more important. Effects of energy harvesting systems that can be mounted on the roof level of existing buildings and building elements are discussed. The 4 most widely used prefabricated RC systems in Turkey are introduced in terms of the structural elements, construction types, problems in existing buildings and their seismic performance.
Damages and problems were identified in the design, production, assembly, and operation all phases of RC sloped roof beams, which were mass-produced under high quality control in indoor workshops or production facilities. Incorrect structural design, wrong concrete designs, mistakes made during introduced the production phases, and operational defects were photographed and presented with engineering-wise commets. It is aimed that these errors/faults from each phase would be useful for the precast construction sector.
Within the scope of this thesis, special emphasis is given on the seismic performances of prefabricated RC buildings during 2 devastating earthquakes in Turkey. The existing situation was evaluated as a result of an on-site/ reconnaissance visit to Malatya and Elazığ Industrial Zones. The structural systems commonly used in our country are evaluated and the roof beam configurations used in 100 real-life application projects completed in the Thrace region are analysed. This study reveals the importance of performance based analyses and retrofitting projects in existing buildings designed and constructed prior to the current seismic code.
In Turkey, earthquake codes have been revised eight times since 1940. After each revision, various improvements have been achieved in mainly in-situ reinforced concrete buildings. However, for the first time, it took many years to include prefabricated structures in 1997. Using the current codes, it is important to check the performances of prefabricated reinforced concrete building systems, which constitute a large percentage of the industrial building stock in Turkey. After a typological study for roof beams, TBEC-2007 and TBEC-2018 PGA values (Peak Ground Acceleration) are compared. It was observed that the peak ground acceleration values increased up to 75%.
With new alternative designs proposed for the roof beams, another original contribution of this thesis is that the weight of the roof beams could reduced when compared to the standard prefabricated RC roof beam designs. Since the weight of the roof beams could be reduced, it is aimed to provide some benefits in to the column cross-sections, foundation dimensions and therefore overall construction costs could be lowered.
The alternatives are given comparatively according to the most frequently used spans in the 100 application projects examined in this work. Structural analyses and designs of sloping roof beams are carried out and their behavior under vertical loads is investigated. Among the proposed alternatives, it is recognized that the out-of-plane displacement of the structural element can be limited by forming the roof beams with webs having a trapezoidally corrugated form. To the best knowledge of the author, such a configuration is firstly proposed here for prefabricated RC roof beams. Roof beams can also be designed allow passage of all building service elements such as installations, ventilation, canals, etc. Various strategic placement of opening configurations is also discussed.Conclusions and recommendations obtained from this thesis are given in section 6.
As a result of the studies and real life projects examined, alternative sloped roof beam designs are proposed. The proposed alternatives can be summarized in two parts: the roof beam with circular web openings and the beam with trapezoidal web. Four alternatives for roof beams are propesed. And, the total volumes required for the most frequently used beam spans are compared. Each proposed alternative shows that the beam self-weight of the roof beams could be reduced in the proposed alternatives. In addition, overall beam volume increases as the span increases. Note that roof beams have a significant impact on the majority of the building's self-weight. 
As a result of the calculations, it is observed that the volume of the sloped roof beam could be reduced to a significant amount by designing the web in the proposed ways in this work. It was determined that there was a decrease in the volume of concrete used. With the reduced beam self-weight, the rebar quantities of the sloped roof beam decreased as well. 
In order to provide an example of the proposed new sloped roof beam, structural calculations are also added using the SAP2000 analysis program. Results from the sloped roof beam design program prepared in Excel, show that the beam designs are safe in terms of bending moment, shear force, and lateral stability conditions.
It is clear that the proposed sloped roof beams will provide advantages in the transportation and assembly phases with the reduction of self-weight.