Van depreminde hasar gören betonarme bir yapının, performans değerlendirme yöntemleriyle hasarının tahmini
Damage estimation of a reinforced concrete building observed damages in van earthquake with performance evaluation methods
Yazar: TAMER YILDIZ
Danışman: PROF. DR. ALPER İLKİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Deprem Mühendisliği ve Afet Yönetimi Enstitüsü / Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Yapı mühendisliği deprem, rüzgar, toprak itkisi gibi etkenlere karşı güvenli yapılar inşa etmeyi hedefler. Daha güvenilir bir yapı elde etmenin yolu öncelikle davranışını gerçeğe yakın şekilde modellemekten geçer. Performans değerlendirme yöntemleri farklı yaklaşımlarla bu amaca ulaşmaya çalışır. Pek çok deneysel ve sayısal çalışmaya konu olan, malzemelerin ve taşıyıcı elemanların elastik ötesi davranışını tahmin etme, gerçeğe yakın modellemenin temelini oluşturur. Gelişen teknolojiyle birlikte gerçekçi deney düzenekleri hazırlanabilmekte ve yanal etkilere karşı taşıyıcı elemanlarda oluşan gerilme-şekil değiştirme değerleri elde edilebilmektedir. Aynı zamanda her gün gelişen sayısal analiz programlarıyla hesaplamalar daha hızlı şekilde yapılabilmektedir.
Deprem kuşağında bulunan ülkemizde yapıları en çok etkileyen şüphesiz depremdir. Bu sebeple ülkemiz için yapıların depreme karşı sergiledikleri performans, yapı analizinin asıl konusunu oluşturmaktadır. Yapının performansının doğru şekilde değerlendirilmesi için sadece yapısal elemanlar olan kiriş, kolon ve perdelerin davranışını doğru modellemek yeterli değildir. Aynı zamanda yapısal olmayan dolgu duvarların yapının deprem performansına etkisini irdelemek gerekmektedir.  Deprem hareketinin yapıda oluşturduğu ivmenin doğru şekilde tespit edilmesi de diğer önemli husustur.
Geçmişte yaşanmış bir depremin yapıya etkisini incelemek ile gelecekte yaşanabilecek depremlere karşı güvenli yapı tasarlamak birbirlerinden farklı konulardır. Yönetmelikler yapı tasarımını belli bir düzene sokmaya çalıştığından, güvenlik katsayıları ve genellemeler kullanmaktadırlar. Ancak yanal bir etkiye karşı bir yapının sergilediği performansı konu alan çalışmalarda yönetmeliklerden bağımsız olarak, doğruluğu araştırılmış kabuller yapılır ya da yapılan kabulün doğruluğu araştırılır. Zamanla doğruluğu geniş çevrelerce kabul edilen yaklaşımlar yönetmeliklere kural olarak dahil edilebilmektedir.
Bu tez çalışmasında hasar görmüş bir yapının performans değerlendirme yöntemleriyle hasarını yakalamak amaçlanmıştır. Tez kapsamında incelenen yapı 1 bodrum, 1 zemin, 4 normal kat olmak üzere 6 katlıdır. 23 Ekim 2011 yılında Van'da yaşanan 7.2 büyüklüğündeki depremde bazı bodrum kat kolonlarında kısa kolon etkisiyle kesme hasarı meydana gelmiştir. Yapı, DBYBHY-2007'de yer alan doğrusal elastik performans değerlendirme yöntemlerinden eşdeğer deprem yükü yöntemi ve son yıllarda yapılmış akademik araştırmaları ve tezleri dikkate alarak zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz ile incelenmiştir. Doğrusal analizlerde dolgu duvarların hesaba katılmadığı Model-1 ve hesaba katıldığı Model-2 hesap modelleri kullanılmıştır. Doğrusal olmayan analizde dolgu duvarlar dikkate alınmıştır. Mevcut beton dayanımı yapıdan alınan karot sonuçlarının ortalaması olarak alınmıştır. Zaman tanım alanında yapılan analizde en yakın istasyondan alınan deprem kaydı, depremin yapıda oluşturduğu gerçek ivmeye ölçeklendirilmiştir.
Doğrusal elastik analizlerde ETABS programı kullanılmıştır. Kolon elemanlarının eksenel yük-moment etkileşim yüzeylerini belirlemek için SAP2000 programının Section Designer ara yüzünden yararlanılmıştır. Doğrusal olmayan analizlerde PERFORM-3D doğrusal olmayan analiz programı tercih edilmiştir. Model ETABS programından SAP2000'e, oradan da PERFORM-3D programına aktarma yolu ile elde edilmiştir. Kirişlerde moment-eğrilik grafikleri SAP2000 programının Section Designer ara yüzü ile elde edilmiştir. Deprem ivme kayıtlarına SeismoSignal programı ile baseline düzeltmesi yapılmıştır.
Tez çalışmasının birinci bölümünde, giriş amacıyla çalışmanın içerik ve hedefine yönelik genel bilgiler verildikten sonra ikinci bölümde yapıların performansını değerlendirme yöntemleri hakkında yapılan literatür çalışmasına yer verilmiştir. Yapılan araştırmalar taşıyıcı elemanların elastik ötesi davranışını doğru şekilde tahmin etmeye ve yapısal olmayan dolgu duvarların yapıların deprem performansı üzerindeki etkisini bulmaya yönelik olmuştur. Doğrusal olmayan analizlerde kullanılmak amacıyla seçilen malzeme modellerinin sayısal analiz programlarında tanımlanması ihtiyacı, araştırmaların son yıllarda yapılması gerekliliğini doğurmuştur.
Üçüncü bölümde Van depremi hakkında bilgiler verilmiştir. Bu bilgiler YTÜ, AFAD, ODTÜ'nün hazırladıkları deprem raporları ve Van depremi hakkında akademisyenlerin yazdığı makalelerden elde edilmiştir. Depremin genel özellikleri verildikten sonra Van ili ve çevresinin tektonik yapısı incelenmiştir. Kuvvetli yer hareketinin ivme spektrumu DBYBHY-2007'deki dizayn spektrumu ile karşılaştırılmıştır. Depremin yapılar üzerinde oluşturduğu hasarların nedenleri ve sonuçları detaylı bir şekilde değerlendirilmiştir.
Dördüncü bölümde çalışma kapsamında incelenen yapı hakkında yerinde yapılan incelemelerden elde edilen bilgiler verilmiştir. Yapının depremin merkez üssüne göre konumu haritada gösterilmiştir. Beton karot deney sonuçları paylaşılmış ve buna bağlı olarak hesaplarda kullanılacak beton basınç dayanımına karar verilmiştir. Kolon ve perde elemanlarında bulunan donatılar, etriyeler ve yerleşim aralıkları ifade edilmiştir. İncelemelerde hakkında bilgi verilmeyen kiriş donatıları için kabuller yapılmıştır. Depremin yapı üzerinde oluşturduğu hasarlar resimlerle açıklanmaya çalışılmıştır.
Beşinci bölümde tez kapsamında incelenen yapının doğrusal elastik ve zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizleri yapılmış ve sonuçları paylaşılmıştır. Doğrusal elastik analiz yöntemlerinden eşdeğer deprem yükü yöntemi ile yapılan analizlerde dolgu duvarların dikkate alınmadığı Model-1 ve dikkate alındığı Model-2 analizleri bir kiriş ve bir kolon elemanı üzerinden detaylı bir şekilde açıklanmıştır. Dolgu duvarlar Al-Chaar yöntemiyle eşdeğer basınç çubukları olarak hesaplara dahil edilmiş ve duvar genişliklerinin hesabı seçilen bir duvarda detaylı şekilde yapılmıştır. Zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizlerde kullanılacak yöntem belirlenmiş bu doğrultuda seçilen malzeme modelleri detaylarıyla verilmiştir. Fiber yöntemle kolonların ve plastik mafsal teorisiyle kirişlerin tanımlanma şekli ve gerekli hesaplamalar seçilen bir kolon ve bir kiriş üzerinden açıklanmıştır. Kısa kolon etkisiyle hasar gören kolonlara bir tez çalışmasını referans vererek, kesme plastik mafsalı tanımlanmıştır. Gerekli hesaplamalar seçilen bir duvar üzerinden detaylı bir şekilde açıklanmıştır. Van deprem parametreleri ve incelenen yapının merkez üssüne mesafesi dikkate alınarak, yer hareketi tahmin denklemlerinden 6 tanesiyle yapıya etkiyen maksimum deprem ivmeleri hesaplanmıştır. Bu değerlerin ortalaması alınarak, Muradiye istasyonundan alınan ivme kaydının KG ve DB doğrultusu maksimum ivmeleri bu değere ölçeklendirilmiştir.
Altıncı bölümde beşinci bölümde elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. Doğrusal elastik ve zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizlerden elde edilen sonuçları yerinde yapılan incelemelerde belirlenen hasarlarla kıyaslayıp gerçeğe yakın sonuç veren yöntem belirlenmeye çalışılmıştır.
Yedinci bölümde bu çalışmadan çıkan sonuç ve önerilere yer verilmiştir. Çalışmadan elde edilen sonuçlar;
1. Analizlerde kullanılacak donatı çeliği sınıfı sıyrılan yüzeylerde yapılan incelemeler sonucu 220 Mpa olarak belirlenmiştir. Kolon ve kirişlerden alınan karot sonuçları beton kalitesinin yapıda homojen olarak dağılmadığını göstermiştir. Bu sebeple standart sapma farkı alınmaksızın karot deneylerinden elde edilen basınç dayanımlarının ortalamasını beton basınç dayanımı olarak kullanmak hasarı yakalama konusunda gerçekçi sonuçlar elde edilmesini sağlamıştır.
2. Dolgu duvarların hesaplara dahil edilmesi doğrusal analizlerde dahil edilmediği duruma kıyasla daha az abartılı sonuç elde edilmesini, doğrusal olmayan analizlerde ise gerçekçi sonuçların elde edilmesini sağlamıştır.
3. Doğrusal elastik yöntemlerden eşdeğer deprem yükü yöntemiyle yapılan performans değerlendirmesinde kolon ve perdelerde eğilmeden kaynaklanan göçme hasar durumu, çok sayıda kirişte eğilme hasarları oluştuğu belirlenmiştir. Dolgu duvarların dikkate alındığı Model 2'de hasar gören eleman sayıları daha az olsa da elde edilen sonuçların yapıdaki gerçek hasarla uyumlu olmadığı ifade edilmiştir.
4. Zaman tanım alanında yapılan doğrusal olmayan analizlerden elde edilen sonuçlar gerçekle uyum içindedir. Seçilen hesap yöntemleri (fiber eleman, plastik mafsal teorisi), kesme mafsalı tanımlamaları, dolgu duvarların mekanik özelliklerinin yeniden yorumlanması ve deprem hareketinin gerçekçi şekilde yapıya uygulanması, sayısal analizle gerçek hasarın örtüşmesine sebep olmuştur.

Abstract:
Structural engineering intends to construct earthquake, wind, soil pressure etc. resistant buildings. The way to obtain a more reliable structure is primarily to model its behaviour with a realistic approach. Performance based design tries to achieve this aim with different approaches. To predict inelastic behaviour of materials is the first step of realistic modelling and handled in lots of experimental and numerical study. With developing technology, realistic experiments can be made and the stress-strain values of the structural elements subjected to lateral effects can be obtained. At the same time, calculation time can shorten by using structural analysis software which updated to better version constantly.
In our country located in earthquake zone, seismic loads are most influential effect on buildings. For our country, performance of structures against to earthquake is the main theme of structural analysis. It is not enough to just model the behaviours of beams, columns, and shear walls which are structural elements in order to properly evaluate the performance of the structures. At the same time, it is necessary to investigate the effect of the non-structural elements like infill walls on earthquake performance of structures. Another important issue is correct detection of earthquake acceleration on structures.
Investigating the effects of a past earthquake on structures is different from designing earthquake resistant structures against future earthquakes. Standards and codes regulate structural design using safety factors and generalizations. However, in studies about structural performance subjected to lateral force, regardless of the standards, the assumptions which the validity is investigated are made or the validity of the assumptions is investigated. Approaches which are widely accepted in time can be included as a rule in the standards.
In the scope of this thesis, it is aimed to capture the damage level of a damaged building by structural performance evaluation methods. The structure examined is 6 floors with 1 basement, 1 ground and 4 normal floors. In 23 October 2011 Van earthquake, some of the basement columns were damaged by the short column effect. The structure was investigated with equivalent seismic load method which is one of linear elastic performance evaluation methods in Turkish Seismic Code 2007 and nonlinear time history analysis taking into the consideration academic researches and theses made in recent years. Model-1 which infill walls not included in and Model-2 which infill walls included in were used in the linear analysis. Infill walls were involved in the nonlinear analysis. The concrete compression strength is taken as the average of results from experimental tests. In the nonlinear time history analysis the earthquake acceleration records taken from nearest station are scaled to actual acceleration generated on building by the earthquake.
ETABS was used for linear elastic analysis. SAP2000's Section Designer interface was used to determine the axial load-moment interaction surfaces of the columns. PERFORM-3D was preferred for nonlinear time history analysis. The PERFORM-3D model was obtained by importing from ETABS to SAP2000 and then to PERFORM-3D. The moment-curvature graphics of the beams are obtained with the SAP2000 Section Designer interface. Baseline corrections were made with SeismoSignal for earthquake acceleration records.
In the second chapter of the thesis, a literature research about evaluation methods of structural performance is given after giving general information about the purpose and content of the study in the first chapter. The investigations have been based on estimating accurately the inelastic behavior of structural elements and finding the effect of non-structural infill walls on the earthquake performance of structures. The need to define material models used in nonlinear analysis in numerical analysis software has led to the necessity of investigations in recent years.
In the third chapter, information about Van earthquake was given. These informations have been obtained from reports prepared by YTÜ, AFAD, ODTÜ and articles written by academicians about Van earthquake. Seismo-tectonics of Van province and around are investigated after giving general characteristics of the earthquake. Acceleration spectrum of strong ground motion was compared with the design spectrum in Turkish Seismic Code 2007.
In the fourth chapter, the information obtained from the on-site examinations about the structure investigated in the thesis was given. Location of building according to the epicentre of earthquake is shown on the map. Concrete test results were shared and consequently, concrete compression strength was decided to be used in the calculations. Diameters of reinforcements and stirrups and settlement distances in columns and shear walls were expressed. Acceptance about beam reinforcements not informed in the investigations was made. Damages caused by the earthquake have been explained with pictures.
In the fifth chapter, linear elastic and nonlinear time history analysis of the structure were made and the results were shared. Model-1 which did not take into account infill walls and Model-2 which took into account infill walls were explained in detail through a beam and a column with analysis made by equivalent seismic load method. Infill walls were included in the calculations as equivalent compression struts with Al-Chaar method and the strut width are calculated in detail on a selected wall. The method to be used in the nonlinear time history analysis was specified and material models selected in analysis are given in detail. The method of defining the beams by plasticity theory and columns by fiber element method and required calculations were explained through a selected column and beam. Shear hinges were defined for columns damaged by short column effect by making reference to a thesis and making a few admissions. Required calculations were explained in detail through a selected short column. Peak ground acceleration were calculated with 6 of the ground motion prediction equations by taking the Van earthquake parameters and distance of investigated structure to the epicentre of earthquake into consideration. Peak ground accelerations in the direction of the NS and EW record taken from Muradiye station were scaled to the averages of these values.
In the sixth chapter, the results obtained in the fifth chapter were evaluated. The results obtained from linear elastic and nonlinear time history analyses were compared with damages detected on-site and evaluated in terms of realism.
In the seventh chapter, the results and suggestions obtained from this study were summarized. Results obtained from thesis;
1. The reinforcement steel quality used in the analyses was determined from investigations on the scraped surfaces to be 220 MPa. Test results from columns and beams show that the concrete quality is not uniformly distributed in the structure. Therefore, using the average of the concrete compression strengths obtained from tests without using standard deviation has provided to obtain realistic results in capturing the damages.
2. Inclusion of infill walls in calculations provided less exaggerated results compared with condition where infill walls were not included in, in the linear elastic analyses and to detect the damages accurately in nonlinear time history analysis. Infill walls were added to the models as equivalent compression struts like the Al-Chaar method.
3. In the evaluation of structural performance with the equivalent seismic load method, it was identified that the collapse damage situation caused by bending occurred in the columns and the shear walls and bending damages in lots of beams. Although the number of damaged elements in Model-2 which infill walls were included in is less than Model-1, it was stated that the results were not compatible with the actual damages in the building.
4. The results obtained from nonlinear time history analysis are in harmony with reality. Selected analysis methods (fiber element, plasticity theory), definition of shear hinge, reinterpretation of the mechanical properties of infill walls and realistic application of the ground motion caused the results of numerical analysis to overlap with actual damages.