A3 düzensizliği olan çok katlı betonarme bir yapının Türk, Eurocode ve ACI 318 yönetmeliklerine göre tasarımı
Design of a multistorey reinforced concrete building with A3 irregularity according to Turkish, Eurocode and ACI 318 regulations
Yazar: SAADET GÖKÇE GÖK
Danışman: PROF. DR. TÜLAY AKSU ÖZKUL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Yapılarda düzensiz taşıyıcı sistem kullanılması, özellikle deprem etkileri altında yapının zayıf kısımlarında hasara neden olur. Deprem gibi durumlarda düzensiz yapılarda görülen olumsuzluklardan ötürü, bu tip yapıların tasarım ve imalatından kaçınılması gerekmektedir; ancak çeşitli nedenlerle, uygulamada düzensiz binalarla karşılaşılmaktadır. Özellikle deprem etkisi altında bulunan bölgelerde inşa edilecek olması durumunda, bu tür düzensiz yapıların tasarım aşamasında daha dikkatli davranmak gerekmektedir. Bu doğrultuda, yapının ayakta kalmasını sağlamak için uyulması gereken temel unsurları içeren yönetmeliklere göre tasarım, analiz ve imalat yapılması gerekir. Ülkeden ülkeye değişen, yapıların hesap ve yapım kurallarını içeren yönetmeliklerin yanında, deprem etkisini de göz önünde bulunduran deprem yönetmeliklerinden faydalanmak, depremde olası can kayıplarını azaltmak bakımından büyük önem taşımaktadır. 
Bu çalışmada, planda çıkıntıların bulunduğu düzensiz bir yapının Türk, Avrupa ve Amerikan yönetmeliklerine göre tasarım ve analizinin yapılarak elde edilen sonuçların karşılaştırılması amaçlanmıştır. Söz konusu yapı birinci derece deprem bölgesinde bulunan, bodrum kat, zemin kat ve 10 normal kattan oluşan, kat yüksekliğinin her kat için 3 metre olduğu, perdeli ve çerçeveli taşıyıcı sisteme sahip, konut amacıyla kullanılması öngörülen bir binadır. Yapıda C30 sınıfı beton ve S420 sınıfı çelik kullanılmıştır. Yapı, süneklik düzeyi yüksek bina olarak tasarlanmış olup yapının bodrum katı rijit bodrum perdeleriyle çevrelenmiştir.
İncelenen planda düzensiz çok katlı betonarme yapının tasarımında faydalanılan Türk yönetmelikleri, 2000 yılında yayımlanmış olan "Betonarme Yapıların Tasarım ve Yapım Kuralları (TS 500)" ile 2007 yılında Bayındırlık ve İskan Bakanlığı tarafından yayımlanan "Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik"tir.
Yapının tasarımında yararlanılan Avrupa yönetmelikleri, Avrupa Birliği üyesi ülkelerde esas alınan Eurocode yönetmeliklerinden Eurocode 2 (EN 1992) ile Eurocode 8 (EN 1998)'dir. "Eurocode 2" betonarme yapıların tasarımını düzenlerken, "Eurocode 8" depreme dayanıklı yapıların tasarımında uyulması gereken kuralları açıklamaktadır. 
Amerika'da, betonarme yapıların tasarımı konusundaki kuralları düzenleyen ve bu çalışmada da yararlanılan mevcut yönetmelik "American Concrete Instute" (ACI) tarafından düzenlenmiş olan 2008 tarihli "Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary (ACI 318)" olup depreme dayanıklı yapıların tasarımında 2012 tarihli "International Building Code (IBC)" ve "Structural Engineering Institute of the American Society of Civil Engineers" tarafından yayımlanmış olan 2010 tarihli "Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures (ASCE/SEI 7-10)" kullanılmaktadır.
Bu çalışmanın içerisinde Türkiye, Avrupa ve Amerika'daki mevcut deprem yönetmeliklerinin tümünde de açıklanan ve uygulamada yaygın olarak yer bulan eşdeğer deprem yükü yöntemi ve mod birleştirme yöntemi ile ilgili kurallar verilmiş olup sistem çözümü eşdeğer deprem yükü yöntemiyle yapılmıştır. 
Deprem etkilerinin hesabını etkileyen yapı düzensizlikleri ile ilgili koşullar her bir yönetmelik için ayrı ayrı açıklanmıştır. 
Betonarme yapı elemanlarının taşıma gücü sınır durumuna göre hesap ilkeleri ve yapılan kabuller açıklanmıştır. 
Yapının modeli SAP2000 V 15.1.0 yazılımı kullanılarak oluşturulmuş, ilgili analizler bu program yardımıyla yapılmıştır. Kiriş ve kolonlar çubuk eleman olarak tanımlanırken döşeme ve perdeler kabuk eleman olarak tanımlanmıştır. Zemin etkisini modele yansıtabilmek amacıyla, temelin zemine yaylardan oluşan bir sistemle mesnetlendiği kabul edilmiştir. Yapıda kirişli plak döşeme kullanılmıştır. Döşemelerin rijit diyafram olarak çalıştığı kabulü yapılmıştır. Yapı sistemi, yapının maruz kalabileceği yükler altında çözümlenmiş, bu yükler uygulanırken yönetmeliklere uygun tanımlamalar yapılmış ve ilgili yük kombinasyonları oluşturulmuş, yönetmeliklerce belirlenmiş ilgili kontroller yapılmış, eşdeğer deprem yükü yöntemi kullanılarak ek dışmerkezlik etkilerinin de dikkate alınmasıyla yapı elemanlarında gerekli olan boyuna donatı miktarları belirlenmiş, böylece zemin kat için donatı metrajı ve maliyeti hesaplanarak elde edilen sonuçlar yorumlanmıştır. Bunlara ek olarak modal analiz sonuçlarına da yer verilmiştir.
Farklı yönetmeliklere göre hesaplanan yapı periyotları, eşdeğer deprem yükü yöntemine göre belirlenen taban kesme kuvvetleri, katların maksimum yer değiştirme ve göreli öteleme değerleri, ikinci mertebe etkiler karşılaştırılmıştır.
Bu çalışmaya esas olan yapı için en elverişsiz sonuçlar Eurocode yönetmeliklerine göre elde edilirken bu yönetmeliklere göre yapılan tasarımda en güvenli tarafta kalınmış, ancak ekonomiklikten uzaklaşılmıştır. Türk yönetmeliklerine göre tasarım sonuçları deprem etkileri ve eğilme etkileri bakımından en düşük sonuçları vermiş ve en ekonomik sonuca götürmüştür. 
Türk yönetmelikleriyle Amerikan yönetmelikleri yapılan kabuller ve kontrollerin yapılması konusunda büyük benzerlik taşımaktadır.
Amerikan ve Eurocode yönetmeliklerine göre yapılan tasarımlarda elde edilen iç kuvvetler, ilgili yük birleşimleri nedeniyle birbirine yakın çıkmıştır. 
Farklı yönetmeliklere göre yapılan tasarımlarda yapının maruz kalacağı etkilerin farklı şekillerde hesaplanmasının getireceği sonuçların yanı sıra minimum donatı koşullarının da etkili olabileceği göz önünde bulundurulmalıdır.
Hesap kolaylığı ile ekonomiklik getirmesi ve deprem durumunda karşılaşılabilecek olumsuzlukları azaltması açısından deprem derzleri bırakılması, yapının birbirinden bağımsız bölümler halinde çalışmasını sağlayacak ve planda çıkıntılar bulunan yapılarda düzensizliği ortadan kaldıracak iyi bir uygulama olacaktır.

Abstract:
Structural irregularities prevent transferring the inertial forces generated in an earthquake to the supporting ground, causing damages in weak regions of buildings. Due to negative effects observed in irregular buildings such as being more vulnerable to earthquake damage, design and construction of buildings with irregularity should be avoided if possible. Symmetrical and regular buildings, which have no significant discontinuities in plan, vertical configuration, or lateral force resisting systems, exhibit more predictable and favorable seismic response characteristics than irregular structures. However, architectural, aesthetical or economical reasons may lead to construct buildings having irregularity in plan or elevation. Especially in seismic hazard zones, these buildings should be designed carefully. In this manner, meeting the requirements of structural design codes is a vital issue. These codes have limitations and additional requirements for systems with structural irregularities.
Structural irregularities can be in plan or in elevation. Although definition of irregularity types may differ according to different structural design codes, the main causes of structural irregularity are similar, such as non-uniform distributions of mass, stiffness, strength, and asymmetrical design properties. Horizontal structural irregularities are torsional irregularity, reentrant corner irregularity, diaphragm discontinuity irregularity, out-of-plane offset irregularity, and nonparallel system irregularity. Vertical structural irregularities are stiffness-soft story irregularity, weight (mass) irregularity, vertical geometric irregularity, in-plane discontinuity in vertical lateral force-resisting element irregularity, and discontinuity in lateral strength-weak story irregularity. Some types of irregularity have an effect in selection of seismic design procedure.  
In this study, a comparative design and analysis of a multistorey reinforced concrete building having reentrant corner irregularity using different countries' regulations have been aimed, performing all analysis and design steps on the same structural model. The building that has been designed is placed in high-activity seismic zone and has a rigid basement, a ground floor and 10 typical floors. The story height is three meters for each story of this residential building. The material used in construction is going to be C30/S420. The building has been designed as a system with high ductility. Slab design has been made according to the Turkish codes, and slab thickness has been calculated as 15 centimeters. Mass and mass moment of inertia for each story have been both calculated.
For concrete frame design according to Turkish regulations, The Turkish Standard TS 500-2000 is used with Turkish Seismic Code 2007.  Turkish Seismic Code, or in other words Specification for Buildings to be built in Seismic Zones was published by Ministry of Public Works and Settlement Government of Republic of Turkey in 2007.
For the structural design of construction works in countries having a membership of European Union, Eurocodes are used. Eurocodes were developed by the European Committee for Standardisation. For the design of concrete structures, Eurocode 2 (EN 1992) is used while Eurocode 8 (EN 1998) is used for the design of structures for earthquake resistance. 
In United States, ACI 318 Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary is used, which provides minimum requirements for the design and construction of structural concrete members. ACI 318 is issued and maintained by the American Concrete Institute. In design of earthquake resistant structures, provisions of International Building Code (IBC) and ASCE/SEI 7 Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures published by American Society of Civil Engineers, are used together. 
In this thesis, equivalent lateral force analysis and modal response spectrum analysis procedures in each of three seismic design codes have been explained. These seismic design methods are the methods commonly used in practice. The factors affecting the selection of seismic design procedure have been given.
Structural irregularities included in each design code, which affects the seismic design calculations have been represented.
Ultimate state design methods in reinforced concrete, assumptions for concrete, steel and loads according to different countries' structural design codes are the other subjects examined in this study.
Three dimensional structural analysis model has been generated in SAP2000 V 15.1.0 and all analyses have been performed by using this structural analysis and design software. Beams and columns have been defined as frame elements while slabs and shear walls have been defined as shell elements with appropriate meshing. To consider the soil properties, spring elements have been assigned to the foundation of the building. Rigid diaphragm assumption has been made for the reinforced concrete slabs. Load combinations, which vary by structural design code, have been defined and structural irregularity checks have been done. The equivalent lateral force method has been used in calculations, and the amount of longitudinal reinforcement needed in ground floor has been calculated. The longitudinal reinforcement for the beams of ground floor ceiling, and for the columns and the concrete walls of the ground floor have been calculated according to the Turkish structural codes, Eurocodes and American structural codes. By using these results, reinforcement cost for each structural element of ground floor, and total reinforcement cost of the ground floor have been calculated for each design code.  Additionally, modal analysis results have been given. Ritz vectors have been used in modal analysis. Mode shapes, effective masses participating in modal analysis, periods, frequencies and angular frequencies have been represented.
Results obtained from analyses have been compared. Period of the structure, base shear forces under seismic forces obtained using equivalent lateral load procedure, story drifts and second order effects have been presented with commentary. 
For the building examined in this study, design made meeting the Eurocodes' requirements lead to the most expensive solution, by providing a safer design. Although Turkish and American codes have a significant similarity in assumptions made and in procedure of design checks, Eurocodes and American codes give closer results. Turkish Standard and Turkish Seismic Code 2007 give the least conservative results and lead to the most economical solution. In obtaining these results, minimum requirements for reinforcement ratio are effective as well as different load combinations and the difference in calculating the seismic forces. In this study, minimum reinforcement requirements are the deterministic factor in design of the columns and shear walls of the ground floors. Due to minimum reinforcement conditions are the same for columns in all three structural design codes, the cost of longitudinal reinforcement of ground floor columns are the same. 
For the advantages such as providing a more economical design and an ease of calculation, the structures having reentrant corner irregularity should be designed with structural joints that divide the structure into several sections. This seismic separation design also reduces torsional moments and prevents additional shear stresses on columns by avoiding irregularity. When applying this seismic separation, the minimum requirements given in structural codes should be met to prevent pounding occurred in many earthquakes, by limiting the amount of the story drifts. Strenghtening with drag struts can be preferred as another solution to reentrant corner irregularity.