Van depreminde hasar gören mevcut betonarme bir binadaki hasarın, DBYBHY 2007'ye göre yapılan performans analiz sonuçları ile karşılaştırılması
Comparison of the observed damage and calculated performance assessment results according to the TSC2007 of an RC building which exposed to the van earthquake
Yazar: ALPER AYDIN
Danışman: PROF. DR. ALPER İLKİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Betonarme binalar = Reinforced concrete buildings ; Deprem davranışı = Earthquake behavior ; Dinamik analiz = Dynamic analysis ; Dolgu duvarlar = Fill walls ; Performans analizi = Performance analysis

Özet:
Ülkemizin aktif bir deprem kuşağının içinde yer alması, tarihte meydana gelen depremlerden dolayı büyük maddi hasarlar meydana gelmesi ve çok fazla can kayıplarının olması, binaların depreme karşı dayanıklı, yeterli güvenlikte ve ekonomik olarak tasarımının önemini vurgulamaktadır. Öte yandan mevcut yapıların doğru modellenerek yapı davranışlarının anlaşılması, deprem performanslarının belirlenmesi ve yetersiz güvenlikteki binaların güçlendirilmesi de zararların azaltılmasında önemli rol oynar.Yapı mühendisliğindeki gelişmeler, bilgisayar teknolojisindeki ilerleme ve malzeme bilimindeki gelişmeler, mühendislerin deprem hareketini ve depremin yapılar üzerindeki etkilerini daha gerçekçi ve aslına uygun olarak belirlemesine katkıda bulunmaktadır. Bu gelişmeler, yapı sistemlerinin deprem sırasındaki doğrusal olmayan davranışlarının daha yakından izlenmesine ve göçmeye karşı güvenliklerinin daha gerçekçi belirlenmesine olanak sağlamaktadır.Performans belirlenirken yapılan modelleme ve varsayımlar gerçeğe ne kadar yakın olursa deprem sırasındaki bina performansının ve yapı elemanlarında oluşacak hasarların tahmin edilene yakın düzeyde çıkması beklenir. Yapılacak gerçekçi analizde dolgu duvarların modellenip modellenmeyeceği ise ayrı bir tartışma konusudur. Yapısal hesaplamalarda, dolgu duvarlar, esas taşıyıcı elemanlar olarak düşünülmediğinden nadiren dikkate alınırlar. Dolgu duvarların yapıya olumlu ve olumsuz katkılarının ihmal edilemeyecek düzeyde olduğu ve yapı davranışını tümüyle değiştirdiği bugüne kadar yapılan çalışmalarda ortaya konmuştur.Bu tez kapsamında literatürdeki performans tahmin etme ve modelleme yöntemlerinin mevcut betonarme yapılarda gerçeğe ne kadar yakın sonuç verdiği araştırılmıştır. Çalışmada incelenen bina 23 Ekim 2011 Van depremi esnasında ağır hasar görmüş, Alaköy/Van'da bulunan 3 katlı betonarme bir yapıdır. Bu binanın çeşitli kolonlarında boyuna donatı burkulmaları gözlenirken bazı kolonlarda kesme etkilerine bağlı ağır hasar gözlenmiştir. Yapının performans analizleri DBYBHY-2007'ye göre doğrusal eşdeğer deprem yükü, artımsal eşdeğer deprem yükü ve doğrusal olmayan zaman tanım alanında hesap yöntemleriyle kapsamlı olarak değerlendirilerek, elde edilen sonuçlar deprem sonrasında oluşan taşıyıcı eleman hasarları ile karşılaştırılıp, bu yöntemlerin ve verilmiş olan hasar sınırlarının doğruluğu ve ne kadar güvenilir olduğu incelenmiştir. Analizler, yönetmeliğin önerdiği karakteristik malzeme değerlerinin kullanıldığı model, deney sonuçlarının kullanıldığı model ve dolgu duvarların etkisinin dikkate alındığı model olmak üzere 3 farklı modelde yapılarak bu modeller ile elde edilen sonuçlar birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Ayrıca deprem esnasında şehir merkezindeki istasyondan kayıt alınamamasından dolayı depremde oluşan gerçek maksimum yer ivmeleri kesin olarak bilinememektedir. Yine bu çalışmada kayıt alınabilen en yakın istasyondaki kayıt, yapıda oluşan kesme hasarına bağlı olarak ölçeklendirilmeye ve maksimum ivmeler tahmin edilmeye çalışılmıştır.Binanın yapısal analizlerinde SAP2000 v14.2.4, plastik mafsallar tanımlanırken moment-eğrilik ve karşılıklı etkileşim diyagramlarının hesaplanmasında X-TRACT v3.0.8 ve Van depremi ivme kaydının düzenlenmesi ve ivme spektrumlarının oluşturulmasında SeismoSignal v4.3.0 programları kullanılmıştır.Dokuz bölümden oluşan yüksek lisans tezinin birinci bölümünde giriş kısmına yer verilerek çalışmanın amacı ve kapsamı belirtilmiştir.İkinci bölümde literatür çalışmasına yer verilmiştir. Literatür çalışması da iki bölüme ayrılarak, ilk bölümde analiz ve performans değerlendirme yöntemlerinin güvenilirliğini incelemek amacıyla daha önceki depremlerde hasar görmüş binalarda yapılan çalışmalara değinilmiştir. Diğer bölümde ise yapı davranışını daha gerçekçi inceleyebilmek adına 3 boyutlu analitik modele duvarların da dahil edilmesi amacıyla dolgu duvar ? taşıyıcı sistem etkileşimi üzerine yapılan çalışmalar özetlenmiş, dolgu duvarların yapı davranışına etkisi ve modellenmeleri ile ilgili bilgiler verilmiştir.Üçüncü bölümde, DBYBHY-2007 Bölüm7'de belirtilmiş olan mevcut binaların performans değerlendirme ilkeleri verilmiştir. Yönetmelikteki hasar sınırları, hasar bölgeleri ve performans düzeyleri açıklanmıştır.Dördüncü bölümde, mevcut binaların deprem performansının belirlenmesinde kullanılan doğrusal ve doğrusal olmayan hesap yöntemlerine yer verilmiştir. Bu yöntemlerin uygulanabilmesi için DBYBHY-2007'de belirtilen hesap esasları ve yapılan kabuller adım adım verilmeye çalışılmıştır. Ayrıca betonarme elemanların kesit hasar sınırlarının belirlenebilmesi için hasar sınır değerleri yine bu bölümde belirtilmiştir.Beşinci bölümde, incelenen betonarme binanın maruz kaldığı 23 Ekim 2011 Van depremi ile ilgili genel bilgiler yer almaktadır. Çeşitli üniversite ve kuruluşların (AFAD, KRDAE, ODTÜ, İTÜ, İKÜ) hazırlamış olduğu Van depremi raporları incelenerek, Van depremi ve artçı sarsıntıları, bölgenin genel zemin ve sismotektonik yapısı, kuvvetli yer hareketini kaydeden istasyonlar ve yaptıkları kayıtlar, Van merkez ve civarındaki yapılarda gözlenen hasarlar ve nedenleri hakkında bilgiler verilmiştir.Altıncı bölümde tez kapsamında detaylı olarak incelenen bina tanıtılmıştır. Araş. Gör.Dr. Cem Demir ve Araş.Gör. Mustafa Cömert tarafından binada yapılan incelemelere yer verilmiştir. Bu incelemeler kapsamında binanın taşıyıcı sistem rölövesi çıkartılmış, malzeme özelliklerine ait bilgi edinmek üzere kolon ve kirişlerden karot ve donatı numuneleri alınmıştır. Daha sonra İTÜ Yapı Malzemesi Laboratuarında basınç ve çekme testleri uygulanan bu numunelerin deney sonuçları sunulmuştur. Bu sonuçlara bakılarak analizlerde kullanılmak üzere beton ve donatı çeliği için malzeme kabulleri yapılmıştır. Beton elastisite modülü TS500 (2000) ve ACI318 (2008) yönetmeliklerine göre hesaplanarak karşılaştırılmıştır. Yine analizlerde kullanılmak üzere yerinde incelenen elemanlar baz alınarak, eleman kesitlerindeki donatı miktarları belirlenmiştir. Daha sonra deprem sonrası yapıda oluşan taşıyıcı sistem ve dolgu duvar hasarları fotoğraflarla gösterilmiştir. Bu hasarlara sebep olmuş olabilecek yapı davranışını etkileyen faktörlerden bahsedilmiş ve eleman hasarlarının nasıl oluştuğuna dair fikirler yürütülmüştür.Yedinci bölümde yapı elemanlarının DBYBHY-2007'ye göre eşdeğer deprem yükü yöntemi, artımsal eşdeğer deprem yükü yöntemi ve zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz yöntemleri ile değerlendirilmesi yapılmıştır. Eşdeğer deprem yükü yöntemi ile analiz, yönetmeliğin önerdiği karakteristik malzeme değerlerinin kullanıldığı model (Model-1), deney sonuçlarının kullanıldığı model (Model-2) ve dolgu duvarların etkisinin dikkate alındığı model (Model-3) olmak üzere 3 farklı modelde yapılmıştır. Daha sonra bu modellerden elde edilen sonuçlar birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Artımsal eşdeğer deprem yükü yöntemi ile analiz, daha doğru olduğu düşünülen sonuçların elde edildiği Model-2 ve Model-3 üzerinden yapılmış ve sonrasında bu iki modelden elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Zaman tanım alanında hesap yöntemiyle yapılan analizde ise Model-3 kullanılmıştır. Deprem esnasında merkezdeki istasyondan kayıt alınamamasından dolayı kısa kolon etkisinden oluşan kesme hasarına bağlı olarak en yakın istasyondaki ivme kaydı ölçeklendirilerek yapı elemanlarının hasar düzeyleri belirlenmiştir.Sekizinci bölümde çeşitli analiz ve modelleme yöntemleri ile elde edilen sayısal sonuçlar değerlendirilerek yorumlar yapılmıştır.Dokuzuncu bölümde ise çalışmada varılan sonuçlar verilmiştir. Çalışmada elde edilen sonuçların başlıcaları aşağıda özetlenmiştir:i) Beton elastisite modülleri TS500(2000) ve ACI318(2008) yönetmeliklerine göre karşılaştırıldığında önemli ölçüde farklar ortaya çıkmıştır. Özellikle düşük dayanımlı betonda bu fark fazlayken beton kalitesi arttıkça aradaki farkın azaldığı görülmüştür. Ülkemizdeki yapı stoğunun büyük bölümünün eski yapılardan oluştuğu ve beton kalitesinin düşük olduğu gözönüne alınırsa, TS500(2000)'deki formülasyonun belirli beton sınıfları için sınırlandırılması ve mevcut binaların değerlendirilmesinde bu formülün güncellenmesi gerektiği anlaşılmıştır.ii) Dolgu duvarların modellenmesi ile yapı rijitliği artarak yerdeğiştirmeler azalmıştır. Yapı periyodunda yaklaşık %40 düzeyinde bir azalma meydana gelmiştir. Ayrıca duvar dağılımının düzenli olmaması nedeniyle yapının mod şekli ve dolayısıyla iç kuvvetlerin dağılımı değişmiş ve 1.normal kat en fazla hasarın olduğu kat (kritik kat) haline gelmiştir. Bu davranış deprem sonrası yapıda gözlenen hasarla uyumludur.iii) Bu çalışmaya konu olan binada S114 kolonu kesme etkilerine bağlı olarak ağır hasar görmüştür. Elde edilen sonuçlar, kısa kolon etkisine bağlı olarak oluşan kolon hasarını hem elastik ötesi dinamik analiz, hem statik itme analizi hem de doğrusal analiz ile gerçekçi bir şekilde elde etmenin mümkün olduğunu göstermektedir.iv) Duvarlı model için eşdeğer deprem yükü ve artımsal eşdeğer deprem yükü yöntemleri benzer sonuçlar verirken deprem sonrası yapıda oluşan hasarla tam olarak uyuşmasa da analiz sonuçlarının gözlenen hasara yakın olduğu söylenebilir. Yapılan çok sayıda varsayımdan sonra hasarların tam olarak uyuşması zaten beklenmemektedir, fakat yine de depremin spektral ivmelerinin yönetmelikteki tasarım depreminden düşük olduğu ve deprem sonrası yapıda beklenenden daha az hasar oluştuğu yorumu yapılabilir.v) Doğrusal olmayan zaman tanım alanında hesap sonuçlarında genel hasar dağılımına bakıldığında elemanların plastik dönmeleri gözlenen hasara göre daha yüksek çıkmıştır.

Abstract:
The high level of damage and loss of life, experienced during the last earthquake events, indicate the importance of safe and realistic structural design. On the other hand, the recent developments in structural engineering, computer technology and material science enable engineers to predict the behavior of structural systems under earthquake effects, more accurately.Developments in structural engineering, in computer technology and in the material science help engineers to determine the earthquake motions and the effects of earthquake on the buildings in a more realistic and accurate way. These developments with the observation of the non-linear behavior of the structral system in an earthqake enable determination of the more realistic deformations.If the modelling and assumptions are how close to reality while making the performance assessment, performance of the structure and the damage level of structural elements during an earthquake are expected to come close to that estimated damages. In a realistic analysis, whether infill walls modelling or not is another discussion topic. The infill walls are rarely included in numerical analysis of reinforced concrete buildings, since they are generally considered as non-structural components. It has been revealed in the past studies that the negative and positive effects of infill walls are not negligible.In the scope of this thesis, how close the damage after the earthquake matches with the performance assessment results using current methodologies by proper modelling is investigated. The building which is investigated in this study had a severe damage during 23 October 2011 Van Earthquake. It is a three story school building which located in Alakoy/Van. Shear failures and buckling of longitudinal reinforcements has been observed in some columns. The seismic performance of the reinforced concrete building is detailly analyzed according to the Turkish Seismic Code (2007) by using the linear, nonlinear pushover analysis and nonlinear time history analysis methods. Then the results are compared with the observed damage of the structural members and investigated how reliable these methods and the damage levels given in the seismic code. Three different models are prepared for analysis and the results of these analysis are also compared with eachother. In the first model, characteristic strength values are used for rebars. In the second model, test results are used for rebar strengths and in the third model, the stiffness of the infill walls are modeled using equivalent compression struts in addition to second model. The certain PGA values of the earthquake is not known because the station at the epicenter of the strong motion did not record any motion. Therefore, the record at the nearest station was tried to scale according to shear failure at the captive column in this study.SAP2000 v14.2.4 was used for structural analysis, X-TRACT v3.0.8 was used for moment-curvature and p-m interaction relationships of sections and Seismosignal v4.3.0 was used for the baseline corrections of accelerogram records and generating the spectrums.This master thesis is composed of nine chapters and the first part is designated for the brief explanation of the subject. The aim and the scope of the work explained in this part.The second chapter covers the results of a literature survey. Literature survey is considered in two parts. In the first part, the examination of the works done about the scope is given. And in the other part, studies about the effects of infill walls and how to model them is given.In the third chapter, performance assessment principals of existing buildings which are specified in Turkish Seismic Code 2007 Chapter 7 is given. Damage limits, damage levels and performance levels are explained.In the fourth chapter, the numerical procedures for the determination of earthquake performances of existing buildings by linear and non-linear approaches are explained. For the implementation of these methods, calculation principles and assumptions defined in Turkish Seismic Code are given step by step.The fifth chapter includes an overview of the 23 October 2011 Van earthquake. The Van earthquake reports prepared by various universities and institutions (Disaster and Emergency Management Presidency, KOERI, METU, ITU, IKU) are examined and informations about mainshock and aftershocks, seismotectonics of the earthquake hazard, strong ground motions and recordings, observed damages of the buildings at the Van city center and near towns are given.In the sixth chapter, the building examined in detail in this thesis is presented and explained. Observations of the building which are done by Res.Asst.Dr. Cem Demir and Res.Asst. Mustafa Cömert are discussed. Investigations were made at the site to reveal structural system and reinforcement details. 6 Core samples were picked up from ground and first stories in additon to hammer responses to determine the compressive strength of the structural concrete. For assessing the mechanical characteristics of reinforcing bars used in construction, a number of samples was taken from the building. These samples were tested at the Istanbul Technical University Structural Materials Laboratory. According to test results of these samples, material models assumed for the concrete and steel. Elasticity modulus of concrete calculated and compared in accordance with the TS500 (2000) and ACI318 (2008) standarts. After that, the structural system and infill wall damages that occured after the earthquake are showed with pictures.The factors that may affect the behavior of the structure are mentioned and ideas about how the structural damages occured are carried out.In the seventh chapter, the structural members are assessed with equivalent lateral load, nonlinear pushover analysis and nonlinear time history analysis methods according to Turkish Seismic Code 2007.In the analysis with equivalent lateral load method three different models were used. These are the model that used characteristic material values (Model-1), the model that used test results for material strengths (Model-2) and the model that the effect of the infill walls taken into account (Model-3). Then the results of these models are compared with eachother. Nonlinear pushover analysis are made out of Model-2 and Model-3 which are considered as more realistic models and after that the results of these two models are compared with eachother. Model-3 is used in the nonlinear time history analysis. The station at the epicenter did not work out during the motion, so we couldn?t know the real peak ground accelerations. Also in this thesis, accelerograms at the nearest station to the epicenter are tried to scale depending on the shear damage of the building.In the eighth chapter, numerical results obtained by a various analysis and modeling methods are evaluated and compared.In the ninth chapter, the conclusions of the study are given. The main results obtained in this study are summarized as follows:i) Significant differences come out when calculated elasticity modulus of concrete according to TS500(2000) and ACI318(2008) standarts compared with eachother. This difference is especially much bigger in low strength concrete. When it is considered that the majority of building stock in our country consists of old buildings and most of them has low strength concrete, the formulation which is given by TS500 (2000) should be limited for a specific concrete strength interval and should be updated this formula for assessment of the existing buildings.ii) In the model with infill walls, displacements are decreased depends on the rigidity of the structure which is increased with the effect of the infill walls. The period of the model with infill walls decreased about %40. In addition, mode shape of the structure and the distribution of internal forces are changed due to the irregular wall distribution and the first story has become the critical story which has more damage after the earthquake. This behavior is compatible with observed building damage post-earthquake.iii) S114 column at the examined building in this study was heavily damaged due to the shear effects. The results of the analysis showed that the column damage due to the short column assumption is possible to obtain with the nonlinear dynamic analysis, nonlinear static analysis and linear elastic analysis.iv) Equivalent lateral load and nonlinear pushover analysis methods gives similar results for the model with infill walls. Besides, it can be said that these results are close to the observed damage. The damages are not expected to fully match after making many assumptions. Nevertheless, spectral accelerations of the earthquake remains below the design spectrum given in the TSC2007 and it can be said that less damage occured than expected.v) In nonlinear time history analysis results, plastic rotations of columns and beams are considerably higher than the observed damage according to distribution of overall damage.