Yüksek sıcaklık etkisine maruz kalmış bir yapı sisteminin deprem etkileri altındaki davranışının incelenmesi
Investigation of the behavior of a structural system exposed to high temperatures subjected to earthquake effects
Yazar: ELİF NAZLI KÜÇÜK
Danışman: DOÇ. DR. OĞUZ AKIN DÜZGÜN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Betonarme yapılar = Reinforced concrete structures ; Kesitler = Sections ; Mekanik özellikler = Mechanical properties ; Sonlu elemanlar = Finite elements ; Termal özellikler = Thermal properties ; Yüksek sıcaklık = High temperature ; İtme = Push

Özet:
Amaç: Yapı malzemelerinin termal ve mekanik özellikleri, yüksek sıcaklıklara maruz kaldıklarında değişmektedir. Yüksek sıcaklıklara maruz kalan yapı elemanlarının yük altında nasıl davranacağını bilmek çok önemlidir. Bu çalışmada, dört katlı ve dört açıklıklı betonarme bir yapı sistemi ele alınmış ve bu yapı sisteminin farklı zaman periyotlarında yüksek sıcaklıklara maruz kaldığı kabul edilerek deprem performansındaki değişikliklerin belirlenmesi amaçlanmıştır.
Yöntem: Öncelikle ele alınan betonarme yapı sisteminin taşıyıcı elemanları ANSYS yazılımı kullanılarak modellenmiş ve standart yangın eğrisine (ISO 834) maruz kaldığı varsayılarak termal analizler gerçekleştirilmiştir. Termal analizler sonunda betonarme elemanların kesitlerindeki sıcaklık dağılımları elde edilmiştir. Termal analiz sonuçları literatürde yayınlanan sonuçlarla karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Elde edilen sıcaklık dağılımları kullanılarak, betonarme eleman kesitleri için kesit analizleri gerçekleştirilmiş ve moment-eğrilik ilişkileri elde edilmiştir. Daha sonra yapı sistemi üç boyutlu olarak modellenerek Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (TBDY 2018)'ne uygun olarak sabit tek modlu itme analizine tabi tutulmuş ve buradan elde edilen taban kesme kuvveti-tepe yer değiştirme ilişkileri kullanılarak sistemin şekildeğiştirme kapasite eğrisi elde edilmiştir. Elde edilen kapasite eğrisinin başlangıç teğetinin talep eğrisini kestiği nokta belirlenmiş ve TBDY 2018'de verilen formüller kullanılarak tepe yatay yer değiştirmesi istemi hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar yüksek sıcaklıklara maruz kalmamış yapı sisteminin davranışıyla karşılaştırılarak yorumlanmıştır.
Bulgular: Elemanın yüksek sıcaklığa maruz kaldığı süre arttıkça, elemanı oluşturan malzemelerin dayanımları ve elastisite modüllerinde düşüş yaşanması dolayısıyla elemanların moment ve normal kuvvet taşıma kapasitelerinde de azalma gözlenmiştir. Yüksek sıcaklıklara maruz kalma süresi arttıkça, doğrusal olmayan elastik yerdeğiştirme kapasitesi ve taban kesme kuvveti azalmakta, yangının zemin kata yakın katlarda oluşması taban kesme kuvvetindeki azalmanın daha belirgin olmasına sebep olmaktadır. Ayrıca, sistemin taşıyıcı elemanlarını oluşturan malzemelerde gerçekleşen dayanım kayıpları ve buna bağlı olarak plastik mafsal oluşumunun normale göre daha çabuk gerçekleşmesi nedeniyle sistemin yük taşıma kapasitesi ve rijitliğinde azalma meydana gelmiştir. Zemin katta yangın çıkması durumunda, yapı sistemi 45 dakikaya kadar güvenli bölgede kalabilirken 60 dakika sonrasında hedef performansını sağlayamaz duruma gelmiştir. Diğer taraftan, 1. normal katta yangın çıkması durumunda, yapı sistemi 30 dakika boyunca güvenli bölgede kalabilmiş fakat 45 dakika sonrasında hedef performansını sağlayamaz duruma gelmiştir. 2. ve 3. normal katlarda yangın çıkması durumunda, yapı sistemi 90 dakika sonunda hala güvenli bölgede kalmayı başarmıştır.
Sonuç: Yüksek sıcaklıklara maruz kalmış betonarme bir yapının deprem davranışı olumsuz etkilenmektedir. Yüksek sıcaklıklara maruz kalma süresi arttıkça bu durum daha da belirginleşmektedir. 

Anahtar Kelimeler: Betonarme elemanlar; yüksek sıcaklık; termal özellikler; mekanik özellikler; kesit analizi; sonlu elemanlar; itme analizi

Abstract:
Purpose: The thermal and mechanical properties of building materials change when exposed to fire. It is very important to know how structural elements under load will behave when exposed to high temperatures. In this study, a reinforced concrete structure system with four floors and four spacings was considered and it was aimed to determine the changes in earthquake performance by assuming that this structural system was exposed to fire in different time periods.
Method: First of all, the structural elements of the reinforced concrete structure system were modeled by using ANSYS software and thermal analyzes were performed assuming that they were exposed to the standard fire curve (ISO 834). At the end of the thermal analysis, the temperature distributions in the sections of the reinforced concrete elements were obtained. The thermal analysis results were verified by comparing them with the results published in the literature. By using the obtained temperature distributions, section analyzes were performed for the reinforced concrete element sections and moment-curvature relations were obtained. Then, the building system was modeled in three dimensions and subjected to pushover analysis in accordance with the Turkish Building Earthquake Code (TBEC 2018), and the deformation capacity curve of the system was obtained by using the base shear force-peak displacement relations obtained from here. The point where the initial tangent of the obtained capacity curve cuts the demand curve was determined and the peak horizontal displacement demand was calculated using the formulas given in TBEC 2018. The results obtained were interpreted by comparing the behavior of the building system that was not exposed to high temperatures.
Findings: As the duration of the element's exposure to temperature increased, the strength and the elasticity modules of the materials forming the element decreased, thus decreasing in the moment and axial force carrying capacity of the elements was observed. As the exposure time to the fire increase, the inelastic displacement capacity and the base shear force values decrease, and the occurrence of the fire in the floors close to the ground floor causes the decrease in the base shear force to be more pronounced. Besides, because of the strength losses in the materials constituting the bearing elements of the system and accordingly the formation of plastic hinges occurs more quickly than normal, resulting in a decrease in the load carrying capacity and stiffness of the system. When the fire occurs on the ground floor, the structural system provides its performance level for up to 45 minutes, but after 60 minutes it could not achieve its target performance. On the other hand, when the fire occurs on the 1st floor, the structural system provides its performance level for 30 minutes, but after 45 minutes, it could not achieve its target performance. In the case of fire occurs on the 2nd and 3rd floors, the structural system provides its performance level even after 90 minutes. 
Results: Earthquake behavior of a reinforced concrete structure is affected negatively when it is exposed to high temperatures. Increasing the duration of exposion to the high temperatures causes more negative effects.  

Keywords:  Reinforced concrete elements; high temperature; thermal properties; mechanical properties; section analysis; finite elements; pushover analysis