Kolon süreksizliği bulunan betonarme bir binanın tasarımı ve deprem etkisi altındaki performansının değerlendirilmesi
Design and seismic performance evaluation of a reinforced concrete building with column discontinuity
Yazar: UYGAR ÇAĞATAY KOÇLUK
Danışman: PROF. DR. TÜLAY AKSU ÖZKUL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Betonarme binalar = Reinforced concrete buildings ; Betonarme taşıyıcı elemanlar = Reinforced concrete supporting elements ; Dinamik değerlendirme = Dynamic assessment ; Performans değerlendirme = Performance evaluation ; Sismik değerlendirme = Seismic evaluation ; Yapı düzensizlikleri = Structural irregularities ; Çok katlı binalar = Multistorey buildings

Özet:
Deprem büyük maddi ve manevi hasarlara neden olan doğal afetlerden biridir.  Ülkemiz aktif fayların olduğu bir coğrafyada olduğundan depremin olumsuz etkilerine sürekli maruz kalmaktadır. Bu etkileri en aza indirgemek amacıyla bina tipi yapılarda kullanılmak üzere deprem yönetmelikleri 1940 yılından itibaren yayımlanmaktadır. Gelişen bilim ve teknolojinin etkisiyle deprem yönetmelikleri belirli aralıklarla güncellenmektedir. Meydana gelen depremin büyüklüğüne bağlı olarak binalarda kalıcı şekil değiştirmelerin sınırlandırılabilmesi için deprem yönetmeliklerine uyulması esastır. Deprem yönetmelikleri binaların planda ve düşey doğrultuda düzensiz olarak tasarlanmasını sınırlandırmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında düşeyde düzensiz olan 20 katlı betonarme bir yapının tasarımı yapılıp deprem etkisi altındaki davranışı incelenmiştir. Düşey düzensizliğin nedeni binanın 10. katında katıda oluşturulan kolon süreksizliğidir. Bu kattan itibaren bina yarım aks içeri çekilerek kolonlar kiriş ortalarına oturtulmuştur.  
Tez çalışması beş bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde, ülkemizin depremselliğinin anlaşılabilmesi için geçmişte yaşanmış, büyük can ve mal kaybına neden olmuş depremlerden bahsedilmiştir. İsteyerek ya da istemeyerek düzensiz olarak tasarlanan yapıların deprem etkisi altında malzeme ve geometri bakımından doğrusal olmayan davranışları incelendiğinde beklenmeyen hasarların oluşabileceği hatta göçebileceği vurgulanmıştır. Bu sebeplerden ötürü deprem yönetmelerine bağlı kalınarak tasarım yapılmasının önemi izah edilmiştir.
İkinci bölümde, Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik-2007 ve Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği-2018'de verilen düzensizlik tipleri sunulmuştur. Deprem yönetmeliğinden kaldırılan deprem bölgeleri kavramı sonucu deprem bölgesi derecesine bağlı olarak kontrol edilen bazı yapısal düzensizlikler tüm deprem seviyeleri için genelleştirilmiştir. Ayrıca depremin düşey doğrultusundaki bileşeninin etkisinin hesaplara dahil edilmesiyle kolon süreksizliği olan binalarda uygulanan %50 tasarım iç kuvvet artımı kaldırılmıştır. Bunun yerine düşey deprem etkisinin kolon süreksizliği içeren yapılarda düşey tasarım spektral ivme katsayısı ile hesaplanması şart koşulmuştur. 
Üçüncü bölümde, kolon süreksizliği içeren 20 katlı betonarme bir örnek binanın Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik-2007 ve Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği-2018'e uygun olarak yapılmış doğrusal elastik tasarım sonuçları verilmiştir. Etkin kesit rijitlikleri, depremin düşey doğrultudaki etkisi ve dayanım fazlalığı katsayısı gibi yönetmeliğe yeni eklenen kavramlarla birlikte taşıyıcı sistem davranış katsayılarındaki değişim sonucunda birbirinden farklı iki tasarım elde edilmiştir. Yapısal düzensizlikler, kat yer değiştirmeleri, modal analiz ve kritik elemanların tasarım iç kuvvetleri gibi sonuçlar kıyaslanmıştır.
Dördüncü bölümde, tasarlanan örnek düzensiz betonarme binanın Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik–2007'ye göre doğrusal elastik olmayan analizi yapılmıştır. Doğrusal elastik olmayan analizler ikinci mertebe etkiler dikkate alınarak zaman tanım alanında doğrusal elastik olmayan analiz yöntemi ile yapılmıştır. Analizlerde yatay ve düşey bileşeni içeren yedi deprem kaydı takımı kullanılmıştır. Yönetmelik şartlarına uyulacak şekilde seçilen ve ölçeklenen deprem kayıtları sayısal integrasyon yöntemleri kullanılarak yapılmıştır. İntegrasyonda %5 sönüm oranı için oluşturulan kütle ve rijitlik orantılı sönüm matrisi kullanılmıştır. Kolon ve kiriş gibi çerçeve taşıyıcı elemanlarda çubuk yığılı plastik mafsal, perde taşıyıcı elemanlarda ise yığılı fiber plastik mafsal kullanılarak doğrusal olmayan şekil değiştirmelerin kontrolü yapılmıştır. Her bir analizden elde edilen plastik mafsal sonuçlarının ortalamaları dikkate alınarak taşıyıcı elemanların hasar bölgeleri belirlenmiştir. Belirlenen hasar bölgeleri sonucunda da binanın performans düzeyine karar verilmiştir. 
Beşinci bölümde, tasarım ve performans değerlendirmesi için yapılan çalışmaların sonuçları verilmiştir. Her iki deprem yönetmeliğine uygun olarak ayrı ayrı tasarlanan iki yapının yapısal davranışları karşılaştırılmıştır. Kaldırılan %50 iç kuvvet artımı ve eklenen etkin kesit rijitliği çarpanları nedeniyle elde edilen farklı sonuçlar karşılaştırılmıştır. Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik – 2007'e uygun olarak yapılan performans analizinde kirişlere mesnetli kolonların alt düğüm noktalarında yeterli dayanım ve rijitliğin sağlanamadığı görülmüş, kolon alt ucunun moment aktarımının engellenerek sadece kesme ve eksenel yük aktaracak şekilde tasarlanması önerilmiştir. Ayrıca depremin düşey doğrultudaki bileşenin büyüklüğü için analizlerden elde edilen düşey taban tepkileri incelenmiştir. Deprem etkisi tersinir olduğundan tabanda oluşan en büyük ve en küçük düşey tepki kuvvetleri kullanılarak depremin düşeydeki etkisinin mertebesi bu örnek bina için belirlenmiştir.

Abstract:
Earthquake is one of the natural disasters which can result in huge material and moral loss. Our country is geographically located on concentrated active fault lines and is exposed to undesirable effects of this natural and sometimes catastrophic occurance. Among these active lines, North Anatolian, East Anatolian and West Anatolian fault lines are far more important than others. The North and West Anatolian fault lines are rather prominent as they have previously caused loss of lots of lives and properties in the densely populated areas. The main examples of these earthquakes are Kocaeli and Düzce. Two of these earthquakes occured in Kocaeli and Duzce, in 1999.
In order to minimize the disasterous effects of earthquakes, many seismic codes have been issued starting from 1940. These have been published under the name of disaster or seismic code. With development of science and technology, seismic codes have been updated in regular periods. Depending on earthquake's magnitude, it is compulsory to comply with seismic codes to limit permanent deformations on building structures. For this purpose, codes limit irregularities in story plan and vertical direction as these irregularities significantly affect the nonlinear behavior of the structure.
In this context of thesis work, the design and seismic performance evaluation of 20-storey reinforced concrete building with column discontinuity has been performed. The reason of column discontinuity arising is shifting amount of half axes of storey plan and placing the columns to beams in edge span. The 20-storey reinforced concrete building with vertical irregularity is designed in accordance with 2007 and 2018 Turkish Seismic Codes. Performance evaluation is made in accordance with TSC-2007.
This thesis consists of five chapters. In first chapter, some earthquake disasters that occured in past which caused huge amount of loss, both life and property, are mentioned to make earthquake factor in our country understandable and clear.  It is emphasized that unexpected damages, even collapsing can occur in irregularly designed buildings and this argument becomes obvious when nonlinear behaviour -under the earthquake effect- in terms of material and geometry is examined. Necessity of design based on the seismic code is underlined. Turkey Seismic Hazard Map and Earthquake are mentioned in this section. In the light of these maps, it is emphasized that our country will be exposed to earthquake effects in the upcoming years. In the last part of this section, the subject and purpose of the thesis are mentioned. In addition, the important results obtained from the previously published master's theses are listed.
In second chapter, irregularity types as described in TSC-2007 and TSC-2018 are presented. Instead of seismic zone terms in TSC-2007, some structural irregularities that have controlled depending on seismic zone rating, are generalised for whole levels of earthquake in TSC-2018. Also associated with placing vertical component of earthquake force on account, 50% increasing of designing internal force issue was dismantled on such type of building that includes column discontinuity. Instead of this, it has become compulsory to estimate vertical effects of earthquake with the terms of vertical designing spectral acceleration factor. There are no significant changes in the new Turkish seismic code for other structural irregularities
In the third part, the design of a building planned to be built within the borders of Dumlupınar in Kadıköy District of Istanbul Province has been designed in accordance with TSC-2007 and TSC-2018. The coordinates of this region are latitude 40.988036 and longitude 29.059820. Since the floor plans are designed symmetrically in both directions and diagonal, only one direction and analysis results are given in the design and performance evaluation. The same results are obtained in the other direction due to symmetry. Since the building is designed to be used as an office, the building importance coefficient is considered as 1 for both designs.
In accordance with TSC-2018, since the total building height is 71 m, it falls into the high building design class. However, this situation was ignored and the design according to strength principle is applied with the assumption that the building height class is 2. Accordingly, the targeted performance level in this structure is controlled damage. This level of performance corresponds to the level of controlled damage that is not very heavy and often repairable in building elements to ensure safety.
Linear elastic design results are given for a 20-storey reinforced concrete building according to TSC-2007 and TSC-2018. Two different designs are obtained by the change in the structural system behaivour factor with new notions added to the code: effective cross-section stiffness factor, effect of component in vertical direction of earthquake and overstrength factor. Reinforced concrete design results are summarized as element dimensions and longitudinal and transversal reinforcement. Differences in element dimensions and interference with the stiffness matrix led to very different results. After that, structural irregularities, interstory drift, modal analysis results and design internal forces of critical components are compared. The results for each floor are given for torsional and stiffness irregularities which are determinant in the selection of seismic load calculation method.
Shear force and bending moment in beam elements, axial force, shear force and bending moment in column elements are determined as parameters to be compared. Since biaxial bending of columns may occur, the shear force and bending moment in both directions are examined. In addition, 50% design internal force increment is made in the related cross sections and design results for both codes are compared in tables.
In the fourth chapter, nonlinear analysis of the aforementioned building is performed according to TSC-2007. Initially, concepts such as damage limits and performance levels are defined in accordance with the code. Formulations for nonlinear behavior models to be considered in confined or unconfined concrete and hardening reinforcing steel materials are given.
Nonlinear analysis is performed with nonlinear time history analysis method considering second order effects. Non linear time history analyses are also performed with ETABS software. For the control of nonlinear behavior, the frame plastic hinge data is prepared by using SAP2000. In analysis, seven earthquake recordings including horizontal and vertical components are used. The records are selected and scaled in accordance with seismic code conditions, are formed using numerical integration methods. Spectrum curve given in TBDY-2018 is used for the scaling of the vertical component of the earthquake.
All earthquake records used in nonlinear analyses are downloaded from the PEER database. In accordance with the seismicity of our country, strike-slip and shallow earthquakes are investigated. In order to take tight gravel-sand soil type into account, the fact that the shear wave velocity has been observed in the range of 180-760 m/s.
Seismosignal program is used to obtain the response spectra of earthquake records. Newmark constant average acceleration method is used to solve the acceleration recordings for single degree of freedom system. As a result, pseudo spectral acceleration values are obtained for each eartquake records. In integration method, damping matrix in proportion with mass and rigidity are created for 5% damping ratio, is used. For the proportional damping matrix, the range 0.2T-2T is defined to take the softening of the structure and the effect of other small period modes into account. T is the dominant natural vibration period of the structure considered in the design phase.
In frame members such as columns, beams are controlled for nonlinear deformation by using frame lumped plastic hinges. Nonlinear deformations of shear wall which is modelled as shell elements are controlled by using fiber wall hinges. The damage zones of the elements are determined by considering the averages of the plastic deformations obtained from each analysis. As a result of the determined damage zones of the sections, the performance level of the building was decided.
In the last chapter of thesis, the results of design and performance evaluation are presented. Structural behaviours of the two structures which were designed in accordance with both seismic codes are compared. The results caused by desmantled 50 % internal forces increment and added effective cross section rigidity issues are compared. As a conclusion, for performance evaluation in compliance with TSC-2007, at the bottom joint of column it is realized that adequate strength and rigidity couldn't be supplied therefore it is submitted that in design, column transferring movement must be avoided and only shear and axial force transfer should be allowed. 
The relationship between the mean peak displacement and mean base shear forces obtained by linear and nonlinear analyses are determined by the behavior factor and overstrength factor, respectively. In addition, vertical base reactions are examined for figuring out the magnitude of the vertical component of earthquake. Due to the fact that, seismic action is reversible, level of earthquake in vertical direction is identified considering maximum and minimum vertical reaction forces which are formed at base of structure.