Mevcut betonarme okul binalarında güçlendirme perdelerinin etkinliğinin doğrusal olmayan dinamik analiz ile irdelenmesi
Investigation of the rc infill wall effectiveness in the rehabilitation of existing rc school buildings employing nonlinear dynamic analyses
Yazar: ORKUN GÖRGÜLÜ
Danışman: DOÇ. DR. BEYZA TAŞKIN AKGÜL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Betonarme perdeler = Reinforced concrete shear walls ; Doğrusal olmayan dinamik = Nonlinear dynamics ; Sismik güçlendirme = Seismic strengthening

Özet:
Türkiye'de mevcut betonarme yapı stoğunun büyük bir kısmı, öngörülen deprem yükleri altında yetersiz kapasiteye sahiptir. Mevcut yapı stoğu içerisinde yer alan okul binaları, gerek ihtiva ettiği insan yoğunluğu gerekse depremden sonra geçici barınma amaçlı kullanılmaları nedeniyle ön plana çıkmaktadır. Bu bağlamda, mevcut betonarme okul binalarının öngörülen deprem istemlerine karşın yeterli kapasiteyi sağlayabilmeleri için farklı yöntemler kullanılarak güçlendirme çalışmaları yapılmaktadır. Söz konusu yöntemler arasında, gerek pratik ve ekonomik olması, gerekse yapıya büyük rijitlik ve dayanım sağlaması sebebiyle, mevcut betonarme çerçevelerin bazılarının betonarme perdelere dönüştürülmesi, en çok tercih edilen yöntemlerin başında gelmektedir. Bununla birlikte, betonarme güçlendirme perdelerinden optimum düzeyde faydalanılabilmesi için güçlendirilmiş sistemin değişen davranışının bilinmesi önemlidir. Güçlendirme perdelerinin yüksek oranda uygulanması, mevcut yapı kapasitesinin yeterli şekilde kullanılmamasına neden olacaktır. Az sayıda betonarme güçlendirme perdesi kullanımı ise, diğer taşıyıcı elemanların güçlendirilme ihtiyacının doğmasına sebebiyet verecek ve yapılan çalışma ekonomik olmaktan uzaklaşacaktır. Ayrıca, yapılan deneysel çalışmalara göre, mevcut çerçevelerin betonarme perdelere dönüştürülmesi ile elde edilen betonarme perdeler ile yeni yapılarda monolotik döküm ile oluşturulan betonarme perdelerin, yatay yükler altında davranışı farklılık göstermektedir. Tüm bu sebeplerden ötürü, güçlendirme perdelerinin etkinliğinin irdelenmesi önem kazanmaktadır.

Yapılan bu çalışma ile mevcut okul binalarında güçlendirme perdelerinin etkinliği, doğrusal olmayan dinamik analiz ile incelenmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında, güçlendirme perdelerinin matematik modeli mevcut deney verileri kullanılarak kalibre edilmiştir. Perde matematik modelinin oluşturulmasında makroskopik modelleme yaklaşımlarından fiber elemanlar kullanılmıştır. Matematik model kalibrasyonu ilk aşamada kesit bazında fiber eleman sıklığı ile perde plastik mafsal bölgesi boyunca meydana gelen birim şekildeğiştirmelere yönelik yapılmıştır. Elde edilen analiz sonuçlarına göre, fiber elemanlar ile oluşturulan perde matematik modellerinde doğrusal olmayan davranışın yeter derecede yaklaşıklıkla modellenebilmesi için seyrek fiber eleman kullanımından kaçınılması gerektiği belirlenmiştir. Ayrıca kalibre edilen perde matematik modelinin analizi ile elde edilen birim şekildeğiştirmelerin, deney verileri ile örtüştüğü görülmüştür. İlave olarak, perde matematik modelinin malzeme çevrimsel davranışına yönelik matematik model kalibrasyonu da yapılmıştır. Bu amaçla büyük ölçekli ve mevcut yapı stoğunu temsil eden deneylerden elde edilen veriler kullanılmıştır. Analizler sonucu, betonarme güçlendirme perdelerinde kullanılmak üzere deney verileri ile uyumlu malzeme çevrimsel davranış modelleri elde edilmiştir. Ayrıca yapılan çalışmalara ilave olarak, betonarme güçlendirme perdelerinin matematik modellenmesinde literatürde sıklıkça kullanılan malzeme davranış modellerinin uygunluğu da irdelenmiştir. Analizler neticesinde, söz konusu malzeme davranış modellerinin güçlendirme perdelerinin sismik yükler altında davranışını yansıtmada yetersiz kaldığı görülmüştür. Yapılan kalibrasyonlar sonucunda, betonarme güçlendirme perdelerinin doğrusal olmayan analizlerine yönelik pratik ve kullanışlı bir matematik model elde edilmiştir.

Çalışmanın ikinci aşamasında kalibre edilmiş matematik model kullanılarak, tipik bir betonarme okul binasının Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik (DBYBHY-2007) çerçevesinde yapısal performansı, değişken kat adedi, malzeme dayanımı ve güçlendirme perde oranı parametreleri kullanılarak, öngörülen iki farklı deprem düzeyi için değerlendirilmiştir. Analizler iki boyutlu düzlemde her iki ortogonal doğrultu için ayrı ayrı gerçekleştirilmiş olup, üç boyutlu yapı davranışında oluşabilecek burulma gibi olumsuz etkiler ihmal edilmiştir. Parametrik inceleme, diğer analiz yöntemlerine nazaran daha gerçekçi sonuçlar veren ve hassas yaklaşımı literatürde de kabul edilen zaman tanım alanında doğrusal olmayan dinamik analiz ile yapılmıştır. Yapılan analizler ile kesit bazında mevcut kolon, kiriş ve perdelerin malzeme birim şekildeğiştirmeleri ile yapı bazında göreli kat ötelenmeleri, taban kesme kuvveti gibi veriler her bir deprem kaydı için ayrı ayrı elde edilmiştir. Analizler sonucu elde edilen veriler ışığında, 3 katlı S220 donatı sınıfına sahip yapılarda %1.00 oranında güçlendirme perdesi kullanımı yeterli olurken, söz konusu değer S420 donatına sahip okul binalarında %0.70'ye düşmektedir. Benzer şekilde 5 katlı okul binaları ile S220 donatı sınıfına sahip 4 katlı okul binalarında gerekli güçlendirme perde oranı %1.70 olarak hesaplanırken, S420 donatı sınıfına sahip 4 katlı okul binalarında söz konusu oran %1.40 olarak bulunmuştur. Ayrıca hemen kullanım performans seviyesinin daha zor sağlanabilmesi nedeniyle, yapılan doğrusal olmayan dinamik analizlerde şiddetli deprem istemi ile birlikte tasarım depremi de gerekli güçlendirme perde oranında belirleyici unsur olmaktadır. Dolayısıyla mevcut okul binalarının sismik kuvvetler altında yapı performanslarının irdelenmesinde, sadece şiddetli deprem düzeyine yönelik analiz ile yetinilmesinden kaçınılmalı, her iki deprem düzeyine göre de performans kontrolü yapılması gerekmektedir. 

Yapılan çalışmada betonarme perdeler ile güçlendirilen mevcut okul binalarında, dayanım azaltma katsayısının (Ry) perde oranına bağlı değişimi doğrusal olmayan statik itme analizleri ile irdelenmiştir. Analizler sonucu elde edilen verilere göre, üç katlı okul binalarında kullanılan yüksek güçlendirme perde oranı yapıda enerji sönümlenmesini önlemektedir. Dolayısıyla az katlı yapıların yüksek perde oranları kullanılarak güçlendirilmesi, gerek yapı kullanım alanını olumsuz etkilemesi gerekse ekonomik olmaması sebebiyle tercih edilmemelidir. Öte yandan beş katlı okul binalarının güçlendirilmesinde, %1.4 oranını aşan güçlendirme perde oranı, dayanım azaltma katsayısında ciddi anlamda bir değişiklik meydana getirmemektedir.

Çalışmanın son aşamasında, yapılan doğrusal olmayan dinamik analizler ile betonarme perdelerle güçlendirilen okul binalarından elde edilen verilerin, uygulamaya yönelik pratik kullanımı için bir yazılım hazırlanmıştır. Bu sayede yapılan çalışma ile oldukça detaylı olarak elde edilen sayısal sonuçların, okul tipi yapıların güçlendirilmesine yönelik bir ön değerlendirme aracı olarak kullanılması sağlanmıştır.

Abstract:
Most of the existing reinforced concrete (RC) school buildings in Turkey do not have enough strength and displacement capacity due to the fact that they have not been designed according to the recent earthquake code regulations or worst, they have construction deficiencies. Among RC building structures, school buildings stand out by means of reducing the loss of life as well as serving as post-disaster shelters after an earthquake, which yields to the fact that, unlike the ordinary RC buildings such as condos or offices, higher seismic performance level should be considered for them during a destructive event. Increasing their seismic performance to acceptable levels, school buildings should be improved against structural damage by using one of the strengthening techniques such as steel bracing, column jacketing, addition of RC infill walls and increasing sectional ductility by Fiber Reinforced Polymer applications. RC infill walls have been commonly preferred in the last decade for seismic rehabilitation of existing school buildings due to its efficiency in decreasing the vulnerability of existing RC frames significantly. On the other hand, experiments in literature showed that RC infill walls have lower seismic strength when compared with the monolithic RC shear walls. Moreover, increasing the RC infill wall index will not only decrease the efficient utilization of building but also reduce the cost efficiency. Therefore, investigation of the RC infill wall effectiveness is becoming more of an issue especially for the preliminary assessment. For this purpose, seismic performance of typical RC school buildings, which have different material strengths and number of floors, are evaluated considering different RC infill wall indexes in terms of limit states such as interstory drifts, shear strength demand/capacity ratios, concrete and steel strains specified in Turkish Earthquake Resistant Design Code (TERDC-2007) within the study. 

As the initial step of the study, mathematical model calibration of the RC infill wall is conducted by using the macroscopic modelling approach introducing fiber elements. For this purpose, cantilever wall specimen with rectangular cross section is used for the calibration of the RC infill wall in terms of the material strain along the plastic hinge length and the fiber section discretization. After that, measured structural responses of two selected well-known large-scale RC infill wall experiments subjected to displacement controlled cyclic loading are taken into account for the calibration of the material hysteretic behavior. In this regard, the unloading stiffness and the energy degradation factors in material model are adjusted according to the experimentally measured responses. As a result of the study, by calibrating the numerical model prepared in Perform-3D computer program utilizing fiber cross-sections, a practical and a compatible analytical model is obtained and proposed. During the mathematical model calibration of the RC infill walls, structural systems of the experiments are mathematically modelled by elements consisting of vertical and horizontal fiber layers to represent the bending/axial behavior and to control the out of plane displacements, respectively. Nonlinear behavior of the reinforcing steel is represented by a tri-linear backbone curve without strength degradation, while a multi-linear hysteretic behavior considering the strength loss is utilized for the structural concrete.

Furthermore, those recently conducted experiments are simulated by a couple of widely used hysteretic models for comparative purposes, which are preferred in most cases by the researchers during the analytical investigation of RC structures, so that their adequacy for reflecting the nonlinear behavior of infill walls are also studied. It is shown with comparisons for the experimentally measured and the analytically derived results that the calibrated mathematical model proposed herein is more compatible with the measured values than the widely used hysteretic rules for capturing the behavior of these types of frames retrofitted by RC infill walls under reversed cyclic loading. Although numerical simulations are carried out for a limited number of tests, the proposed calibrated model conforms to both experiments measured responses by means of seismic behavior for not only the undamaged single bay frames converted to the RC infill wall, but also pre-damaged multi-bay strengthened structures. Thus, a realistic and a representative numerical model, which is compatible with the experimental evaluation and also practical for extensive use, is obtained for numerical simulation of RC infill walls.

As the second step of the study, school buildings, which have different structural characteristics in material strength and number of floors, are generated from an existing RC school building. These generated school buildings include the common negative features encountered in many existing RC buildings in Turkey, such as low concrete strength, inadequate stiffness and insufficient confinement. Thus, most realistic behavior of the existing building stock is taken into account during the analyses. Investigation of the RC infill wall effectiveness in RC school buildings are conducted by using the nonlinear dynamic analysis method due to its capability of producing results with relatively low uncertainty. Input ground motions for the time-history analysis of the structures is achieved from real (Historical) accelerograms since the usage of real recorded ground motions for dynamic analysis is more realistic than the other main sources like artificially generated or simulated accelerograms. According to the principles for employing real acceleration traces in structural analysis, selected real ground motions should be scaled in time or frequency domain to match the design spectrum characteristics provided in design codes. For this purpose, the earthquake ensemble consisting of seven earthquake motions recorded on Z2 soil class is selected from the real records which was scaled in time domain according to the TERDC-2007 requirements.

Numerical evaluation based on the nonlinear dynamic analysis results to estimate the convenient RC infill wall index for a typically applied existing RC school building is carried out utilizing the software Perform-3D by using the calibrated RC infill wall mathematical model. Since the immediate occupancy (IO) performance level for the contingency level earthquake (CLE) and life safety (LS) performance level for the maximum considered earthquake (MCE) are defined as the target structural performance levels for the school buildings in TERDC-2007, nonlinear dynamic analyses of the generated RC school building are conducted for two earthquake levels, separately. As a result of the analyses, minimum 0.70% and 1.00% RC infill wall ratio is required for the 3-story school buildings with rebar classes of S420 and S220 reinforcement, respectively. Similarly, 1.70% RC infill wall ratio is adequate for 4-story school building detailed with S220 reinforcement and 5-story school buildings, while 1.40% RC infill wall ratios is required for the 4-story buildings detailed with S420 reinforcing steel. In addition, due to the conservative approach in immediate occupancy level, the analyses should be utilized for both contingency and maximum considered earthquake level, respectively.

Converting some of the existing RC frames into RC infill walls affects the seismic behavior of existing RC structure in terms of the energy dissipation capacity or in other words, ductility reduction factor. In this regard, as the third step of the study, investigation of the RC infill wall ratio effect on ductility reduction factor in terms of the seismic rehabilitation of the typical RC school buildings is conducted. For this purpose, nonlinear static pushover analyses are performed for RC school buildings which were rehabilitated with different RC infill wall ratio. Numerical analyses are carried out by using the fiber element based modelling approach in the software, Perform-3D. Based on these analytical results, correlation between the ductility reduction factor and the RC infill wall ratio is obtained for the seismic rehabilitation of the RC school buildings. In addition, mathematical expressions for the variation of the ductility reduction factor with RC infill wall ratios are proposed in terms of the preliminary seismic rehabilitation assessment of the existing RC school buildings. According to the conducted numerical investigation, using more RC infill wall ratio for the seismic strengthening of the 3-story RC school buildings prevents the energy dissipation during earthquake. Indeed, RC structural system with high RC infill wall ratio behaves elastically without any ductile response. Therefore, rehabilitation of the existing low story RC school buildings with high RC infill wall ratio is neither feasible nor economical. On the other hand, preferring more than 1.4% RC infill wall ratio for the 5-story RC school buildings will not change the ductility reduction factor significantly

In the light of the analyses results, software being capable of calculating the required convenient RC infill wall index for RC school buildings in different structural conditions is developed in C# language as the final step of this research. By this computer program, convenient infill wall index required for the structural safety of existing school buildings with different strength capacities is shortly predictable which yields to a fast preliminary seismic rehabilitation strategy.