Değiştirilebilir plastik mafsal kavramının önüretimli betonarme çerçeve türü sistemlerde kullanımı
Use of replaceable plastic hinges on precast  reinforced concrete structures
Yazar: ORHAN ŞAHİN
Danışman: PROF. DR. ERCAN YÜKSEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Betonarme çerçeve = Reinforced concrete frame ; Mafsal = Joint ; Önüretim sistemleri = Pre-production systems

Özet:
Yüksek lisans tezi olarak hazırlanan bu çalışmada önüretimli bir sanayi yapısının moment aktaran kiriş – kolon bağlantılarında farklı iki birleşim detayı uygulanarak elde edilen yapıların deprem performansları ve dinamik davranışları karşılıklı olarak incelenmiştir. Birinci tip yapıda önüretimli yapı sektöründe sıklıkla tercih edilen geleneksel bir birleşim tipi olan ıslak birleşim kullanılırken, ikinci tip yapıda değiştirilebilir plastik mafsal ismi verilen yeni geliştirilen modern bir birleşim kullanılmıştır.
Çalışma toplam 5 bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde önüretimli yapılar hakkında genel bilgiler verilmiş, uygulamada sıklıkla tercih edilen moment aktaran birleşim tiplerinden bahsedilmiş ve çalışmanın amacı anlatılmıştır.
İkinci bölümde, betonarme yapıların doğrusal olmayan davranışı anlatılmış olup, yığılı plastik davranış modeli, yayılı plastik davranış modeli ve değiştirilebilir plastik mafsal modeli hakkında bilgi verilmiştir.
Üçüncü bölümde değiştirilebilir plastik mafsalın mekanik özellikleri verilip, ilgili çalışmalar referans gösterilerek yapılan deneyler ve deney sonuçları kısaca açıklanmış, deney sonuçlarından elde edilen verilerin bilgisayar destekli yapısal analiz modellerinde temsil edilmesi anlatılmıştır.
Çalışmanın dördüncü bölümünde ıslak birleşimli ve değiştirilebilir plastik mafsallı yapı modellerinin analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu bölüm, değiştirilebilir plastik mafsal kavramının üç boyutlu yapı sistemlerinin analiz modellerinde uygulanmasını da adım adım göstermektedir. İlk olarak, analizi gerçekleştirilen yapının geometrik özellikleri anlatılmış, kullanılan malzemelerin mekanik özellikleri verilmiş ve yapı geometrisini görsel olarak anlatabilmek adına genel görünüş çizimleri gösterilmiştir. Daha sonra TBDY 2018 yönetmeliğine göre genel tasarım esasları anlatılıp, ilgili sismik tasarım parametreleri belirlenmiş, yapıya etki eden dış yükler ve tasarımda kullanılan yük birleşimleri verildikten sonra ön boyutlandırma yapılmış ve doğrusal deprem analizi tamamlanmıştır. Doğrusal deprem analizi yapılan yapının düzensizlik kontrolleri gerçekleştirildikten sonra çerçeve elemanlarının betonarme tasarımları yapılmıştır. Betonarme tasarım tamamlandıktan sonra doğrusal olmayan analiz modelleri oluşturulmuştur. Zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizler için 11 adet deprem kaydı takımı seçilmiş olup, bu deprem kaydı takımlarının yatay ivme bileşenleri 90 derece döndürülerek analizler tekrarlanmış, her bir model için 22 adet toplamda iki model için 44 adet zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz gerçekleştirilmiştir. Ayrıca yapı davranışını adım adım izlemek; deplasman sünekliği, yapısal davranış katsayısı gibi parametreleri incelemek adına iki tip yapının her iki doğrultusu için statik itme analizleri yapılmıştır. Statik itme analizleri ayrıca plastik mafsal kesitlerinin istenildiği gibi davranış gösterip göstermediğinin izlenmesi açısından da önemli bir referans modeli olmuştur.
Beşinci ve son bölümde ise elde edilen analiz sonuçlarının karşılaştırmalı olarak değerlendirilmesi yapılıp, çalışma sırasında edinilen tecrübelere göre öneriler sunulmuştur. Her iki yapı tipi için incelenen değerlendirme kriterleri şu şekilde özetlenebilir; zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz sonucunda elde edilen taban kesme kuvveti ve tepe yer değiştirmesi istemleri, elastik ötesi hasarın görülebilmesi adına taban kesme kuvvetine karşılık tepe yer değiştirmesi grafikleri, seçilmiş bazı düğüm noktaları için plastik şekil değiştirme istemleri, seçilmiş bazı kolon kesitleri için iç kuvvet karşılaştırmaları, yapısal elemanlardaki plastik hasarların karşılaştırılması. Son olarak, statik itme analizinin sonuçlarına bağlı olarak taşıyıcı sistem davranış katsayısı ve dayanım fazlalığı katsayısı önerilerinde bulunulmuştur.

Abstract:
In this study, which is prepared as a master thesis, seismic performance and dynamic behavior of industrial precast reinforced concrete buildings with two different type of moment resisting beam to column connection is investigated comparatively. The first building has one of the widely used traditional moment resisting connection that is known as wet connection. The second building has the exact same geometrical properties with the first one except that it has moment resisting connection which is currently developed and called as replaceable plastic hinge.
The study is consist of five major sections. In the first section, precast reinforced concrete structures is introduced briefly. Then, most used moment resisting beam to column connections is explained with mentioning advantages and disadvantages of them. These moment resisting connections are classified as wet connections (MAB1), post-tensioned connections (MAB2), hybrid connections with welded components (MAB3),  and bolted connections (MAB4) in the current Turkish seismic design code. At the end of first section, the aim and scope of this thesis explained.
In the second section, nonlinear behavior of reinforced concrete structures is mentioned. Two of the main approaches which represent the nonlinear behavior of the reinforced concrete structures is explained respectively. The first approach is known as lumped plasticity model that nonlinear deflection occurs on potential damage zones. The second approach is distributed plasticity model that nonlinear deflection is  spread along the structural member. Damage limitations for both lumped plasticity model and distributed plasticity model is presented according to Turkish seismic code. The new approach which is called as replaceable plastic hinge is the last part that is explained in this section.
In the third section, mechanical properties of the replaceable plastic hinge is presented by referring the experimental test results that is made in the scope of this work. Experimental test procedures briefly explained. Collected informations from the experimental test results are idealized to create replaceable plastic hinge model which is used for structural analysis.
In the fourth section of this work, structural analysis and design of the reinforced concrete members were made for both type of buildings. This section also clarified the analysis steps of the structural model. First of all, geometrical properties of the building was explained with using related structural drawings. Mechanical properties of the concrete and reinforcement steel used in the design were given. Location of the building was shown on the map and local soil class was determined. By using AFAD database, seismic parameters for the specified location were collected. Horizontal and vertical elastic design spectrums were obtained according to seismic parameters of the site. After that, design parameters such as building importance factor, building height class etc. were determined in accord with Turkish seismic design code. Structural behavior factor and overstrength factor were taken as 3 and 2 respectively. Convenience of these values were examined at the end of the thesis. Then, external loads acting on the building were determined and design load combinations were created in accordance with TBDY 2018 and TS 500 regulations. Seismic mass of the building was defined by using self weight of the structure and additional mass due to external loads. For linear static analysis, mode superposition method were selected that reflects dynamic behavior of the building better. Before starting the linear analysis, preliminary design for the structural members was made and sections were determined. After that, linear static analysis were performed. During the calculations, 5% additional eccentricity was considered. As a result of modal analysis, predominant natural vibration modes were presented with their natural vibration periods and modal participation mass ratios. For each direction, sufficiency of modal mass participation which is over 95% was shown. Then, structural irregularities were checked, and design of the reinforced concrete members were made. As one of the main concern of ductile frame design, weak beam and strong column philosophy explained. It was shown that columns of the structure is stronger than the beams.
Once the linear analysis is completed, preparation for the nonlinear analysis was started. For this aim, first of all nonlinear material models were created. For the reinforcing steel, stress – strain model is defined by considering parabolic strain hardening. On the core of the reinforced concrete beams and columns Mander confined concrete model was used, while on the cover Mander unconfined concrete model was used. Also, it should be mentioned that for these materials expected (average) strength was used as stated on the seismic code. Subsequently, cross section analysis for beams and columns was performed by using nonlinear material models. To create lumped plasticity models; moment – curvature relationships for the beams and columns were obtained. Additionally, interaction curves which show relation between axial force and bending moment obtained for the columns. Afterwards, effective stiffness and nonlinear damage limitations was calculated for each member. For the second type of building, replaceable plastic hinge sections were created, and assigning of them into the analysis model was explained.
Performance analysis of building was made by using nonlinear time history analysis. Historical earthquake records which is obtained from Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER) database were used for the analysis. The building is located on the North Anatolian Fault that is an strike slip fault. In the past, there were several massive earthquakes occured around the building location. Earthquake records were filtered by considering some criterias such as fault mechanism, magnitude, soil shear wave velocity (VS30) etc. At the end, 11 earthquake acceleration records obtained that most perfectly match with the horizontal design acceleration spectrum.
Besides, static pushover analysis was made for the both horizontal direction of both type of buildings. Static pushover analysis is a good indicator to see the structural behavior. Thanks to that, some inference was made such as displacement ductility, behavior factor of the buildings. In addition, plactic hinge behaviors were followed during this analysis to prove that they work as desired.
In the final section, obtained results from performance analysis for both type of buildings compared. The main parameters that were checked could be listed as; base shear force demand comparison, roof displacement comparison, base shear force versus roof displacement graphs to see nonlinear displacements, internal force comparison for some specific joints, comparison of nonlinear deformation for structural members etc. Also, structural behavior factor and overstrength factor were suggested based on static pushover analysis results.