Yönetmelik kurallarına uymayan yapılar için kullanılabilecek farklı deprem güçlendirme yöntemlerinin kırılganlık eğrileri ile değerlendirilmesi
Use of fragility curves for evaluation of different seismic retrofitting techniques applicable to substandard structures
Yazar: MEHMET AKİF ALTINOK
Danışman: PROF. DR. ALPER İLKİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Türkiye'de yapılaşma ve nüfusun yaklaşık %95'lik bölümü deprem tehlikesi altındadır. Tarih boyunca yaşanan depremler onarılması oldukça güç olan maddi manevi yaralar açmıştır. Yaşanan depremlerin ciddi hasarlar bırakmasının sebepleri arasında deprem bölgelerindeki yapılaşmanın büyük çoğunluğunun mühendislik hizmeti almadan kontrolsüz biçimde gerçekleştirilmiş olması, yapıların inşa edildiği dönemde uyulması gereken minimum şartların bile sağlanmaması, yapılaşmada kullanılan malzemelerin kötü özelliklerde olması yer almaktadır. Düşük beton basınç dayanımı, küçük taşıyıcı eleman boyutları, yüksek eksenel yük seviyesi, seyrek etriye aralığı, yetersiz etriye kanca açısı detayına sahip yapıları standart altı yapılar olarak sınıflandırabiliriz. Ülkenin ekonomisine katkının en fazla olduğu Marmara Bölgesi, tarih boyunca büyük depremler üretmiş Kuzey Anadolu Fay Hattı'nda yaşanacak sismik aktiviteden ciddi etkilenmektedir. Marmara Bölgesi başta olmak üzere deprem tehlikesinin yoğun olduğu bölgelerdeki standart altı yapıların olabildiğince hızlı bir şekilde incelenmesi ve gerekli tedbirlerin alınması ülkenin en önemli amaçlarından biri olmalıdır ki olası yıkıcı bir depremde onarılması yıllar alacak kayıpların önüne geçilebilsin. Standart altı yapıların etkili güçlendirme yöntemleriyle depremleri olabildiğince az hasar ve kayıpla atlatması sağlanabilir. 
Mevcut standart altı yapı stoğunun deprem yönetmeliklerinde verilen yöntemler ile değerlendirilmesi ve gerekmesi durumunda güçlendirme çalışmalarının yapılması on yıllar alabilir. Bu yapı stoğunun olabildiğince hızlı değerlendirilmesi ve farklı deprem şiddetteki risklerin değerlendirmesi amacıyla istatiksel çalışmalar yapılabilmektedir. Önceden belirlenmiş yapı tipleri için elde edilmiş kırılganlık eğrileri kullanarak hızlı değerlendirme ve risk belirleme çalışmaları etkili yöntemlerden biridir. Kırılganlık eğrileri artımsal dinamik analizler sonucunda farklı parametreler için elde edilebilmektedir. Artımsal dinamik analizler ile artan şiddetteki deprem etkileri altında yapının davranışını izlememize yarayan etkili bir yöntemdir. Artımsal dinamik analizlerde yer hareketinin büyüklüğünü tanımlamak amacıyla kullanılan şiddet ölçüsü ve yapının artan yoğunluktaki depreme tepkisini tanımlamak amacıyla kullanılan hasar ölçüsü parametreleri kullanılmaktadır. Şiddet ölçüsü olarak spektral ivme, spektral hız, maksimum yer ivmesi maksimum yer hızı vb. kullanabilmektedir. Hasar ölçüsü olarak maksimum yerdeğiştirmiş eksen dönmesi, maksimum kesme kuvveti talebi, maksimum göreli kat öteleme oranı, maksimum tepe yerdeğiştirmesi vb. kullanılabilmektedir. Bu çalışmada 7 adet yaşanmış depremin her iki asal doğrultuda kaydedilmiş ivme kayıtları kullanılarak zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizler gerçekleştirilmiş ve artımsal dinamik analiz eğrileri elde edilmiştir. Bu çalışmadaki artımsal dinamik analizlerde şiddet ölçüsü olarak yapının ilgili doğrultusundaki hakim periyoda karşılık gelen spektral ivme değeri kullanılmış ve 0.05g ile 1.5g arasında ölçeklendirilmiştir. Hasar ölçüsü olarak maksimum göreli kat ötelemesi oranı seçilmiş ve artan deprem şiddetleri için yapının herhangi bir katında meydana gelen maksimum göreli kat öteleme oranı elde edilmiştir. Hasar sınır durumları 2019 yılında yürürlüğe girmiş Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği'nde tanımlanmış olan Sınırlı Hasar, Kontrollü Hasar ve Göçmenin Önlenmesi performans seviyeleri için elde edilerek kırılganlık eğrileri oluşturulmuştur. 
Çalışma kapsamında farklı güçlendirme tekniklerinin etkinliğini anlamak amacıyla İstanbul ili Arnavutköy ilçesinde yer alan yaklaşık 270 m² oturma alanına sahip standart altı mevcut betonarme 4 katlı bir yapı seçilmiştir. Seçilen yapı Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği'nde mevcut konut yapısı için hedeflenen performans seviyesini sağlayamamaktadır. Yapı, performans hedefini sağlayabilmesi amacıyla farklı güçlendirme yöntemleri ile güçlendirilmiştir. Çalışmada kullanılan bu yöntemler arasında taşıyıcı sisteme betonarme perde eklemek, mevcut kolon enkesitlerini genişletmek (betonarme manto) gibi geleneksel yöntemlerin yanı sıra mevcut kolonları karbon lifli polimer kompozit ile sargılamak, tekstil donatılı harçlar ile sargılamak, mevcut kolonların enkesitlerine içerisinde ilave boyuna donatılar yer alan ince tamir harcı katmanı ekleyip karbon lifli polimer kompozitler ile sargılamak (ince manto) gibi yenilikçi yöntemler yer almaktadır. 
Bu çalışmanın ilk bölümünde çalışmanın amacından ve daha önce bu konuda yapılan çalışmalar hakkında bilgiler verilmiştir.
İkinci bölümde kullanılan artımsal dinamik analiz yönteminin detaylarından ve kırılganlık analizlerinden bahsedilmiştir. 
Üçüncü bölümde Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği'ne göre mevcut bir yapının performansını belirlerken gereken bilgilerden, değerlendirme yaklaşımlarından ve güçlendirme yöntemlerinden bahsedilmiştir.
Dördüncü bölümde seçilen mevcut yapının genel bilgilerinden, performans hedefinden, yapının mevcut durumdaki performansından, kullanılan güçlendirme tekniklerinden ve güçlendirme çalışmaları sonucu yapının performansından bahsedilmiştir.
Beşinci bölümde mevcut ve güçlendirilmiş yapının bilgisayar ortamında modellenmesinde yapılan kabuller, sonlu eleman modelleme teknikleri, modellemede kullanılan malzeme modelleri ve artımsal dinamik analizlerde kullanılan deprem kayıtları ile ilgili bilgiler verilmiştir.
Altıncı bölümde artımsal dinamik analizler sonucunda elde kırılganlık eğrilerinin elde edilmesi ve elde edilen kırılganlık eğrilerinin karşılaştırılmasına ait sonuçlar verilmiştir.
Yedinci ve son bölümde farklı güçlendirme tekniklerinin artımsal dinamik analizler ve kırılganlık analizleri ile yorumlanması ve etkinlikleri ile ilgili sonuçlar verilmiştir.
Çalışmanın sonunda elde edilen sonuçlara göre mevcut kolonların, bu çalışma ile etkinliği yorumlanan kolon kesitinin dışında ince tamir harcı katmanı içerisinde ilave boyuna donatı eklenmesi ve kesitin karbon lifli polimer kompozitler ile sargılanması yöntemi ile güçlendirilmesi oldukça iyi sonuçlar vermiştir. Betonarme manto ile eğilme ve kesme kapasitelerinin artırılması yöntemi de yüksek deprem şiddetlerinde etkili sonuçlar vermektedir. İnce manto olarak isimlendirilen yöntemin kullanımının hem göçmenin önlenmesi hem kontrollü hasar hem de sınırlı hasar performans seviyesi hedeflemede oldukça etkili olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Cam lif takviyeli bazalt tekstil donatılı harç ile güçlendirme bu çalışmada araştırılan güçlendirme yöntemleri arasında en az etkili sonuçları vermiştir. Farklı güçlendirme teknikleri kullanılarak aynı performans hedefi için optimize bir şekilde güçlendirilen yapılardan elde edilen sonuçlara göre en etkili güçlendirme yönteminden en etkisize doğru sıralama ince manto ile güçlendirme, betonarme manto ile güçlendirme, betonarme perde ekleme ile güçlendirme, KLP sargılama ile güçlendirme ve TDH sargılama ile güçlendirme olarak sıralanmaktadır.

Abstract:
Approximately 95% portion of the settlement and the population in Turkey is under the threat of earthquakes. The earthquakes experienced throughout history have caused economic and spiritual wounds that have been difficult to repair. The reasons for the earthquakes that caused serious damages were the fact that the majority of the construction in the earthquake zones was carried out uncontrollably without engineering services, the minimum conditions to be met during the construction of the buildings were not met, and the materials used in the construction were bad. We can classify structures with low concrete compressive strength, small column dimensions, high axial load level, sparse stirrup spacing, insufficient stirrup hook angle detail as sub-standard structures. The Marmara Region, which has the greatest contribution to the economy of the country, is seriously affected by the seismic activity in the North Anatolian Fault Line, which has produced major earthquakes throughout history. It is one of the most important goals of the country to examine sub-standard structures in regions where earthquake hazard is intensive, especially in the Marmara Region. By taking the necessary precautions, the losses that will take years to repair in a potentially devastating earthquake can be prevented. It is possible to overcome earthquakes with minimum damage and loss with effective retrofit methods.
It may take decades to evaluate the existing sub-standard building stock with the methods given in the earthquake regulations and to retrofit it if necessary. Statistical studies can be carried out to evaluate this building stock as quickly as possible and to evaluate the risks of different seismic intensity. Rapid risk assessment studies are one of the effective methods using the fragility curves obtained for predetermined building types. Fragility curves can be obtained for different parameters as a result of incremental dynamic analysis. Incremental dynamic analysis is an effective tool that allows us to monitor the behavior of the structure under the effects of increasing earthquake intensity. In incremental dynamic analysis, the intensity measure parameter used to identify strong ground motion and the damage measure parameter used to identify the response of the structural model due to a prescribed seismic loading. Spectral acceleration, spectral velocity, peak ground acceleration, peak ground velocity etc. can be used as intensity measure. The maximum chord rotation, maximum shear force demand, maximum story drift, maximum roof drift etc. can be used as a damage measure. In this study, nonlinear time history analysis were performed with 7 experienced earthquakes acceleration records and incremental dynamic analysis curves were obtained. In the incremental dynamic analysis in this study, the spectral acceleration value at the first period of the structure was used as a intensity measure and scaled between 0.05g and 1.5g. The maximum story drift was selected as a damage measure because of maximum story drift parameter reflects global behaviour of structure. After incremental dynamic analyses were performed the maximum story drift that occurred on any floor of the building was obtained for increasing earthquake intensities. Maximum story drift values were obtained with pushover analysis for Minimum Damage, Life Safety and Collapse Prevention performance levels that defined in Turkish Building Seismic Code. Fragility curves obtained for theese three performance levels.
Within the scope of the study, in order to understand the effectiveness of different retrofit techniques, a sub-standard reinforced concrete 4-storey building which has approximately 270 m² floor area located in Arnavutköy district of Istanbul was chosen. Selected building can not satisfy the requirements of related performance level that stated in the Turkish Building Seismic Code. The structure has been strengthened with different retrofit methods in order to satisfy its performance target. Among these methods used in the study, there are traditional methods such as adding reinforced concrete shear wall to the carrier system, reinforced concrete jacketing of existing columns. There are also innovative methods such as wrapping existing columns with fiber reinforced polymer composite, wrapping with textile reinforced mortars, thin jacketting with reinforced polymer composite wrapping. 
In the first chapter of this study, information about the purpose of the study and the previous studies on this subject are given. Briefly the aim of this study is to understand which of the retrofit technique that applied to reach the same performance target is more effective with fragility analysis.
Second chapter of this study, details about incremental dynamic analysis and obtaining fragility curves are given.
In the third chapter, the required informations to determine the performance of an existing building according to Turkish Building Seismic Code are mentioned. In addition, assesment methods of existing structure and retrofit techniques are explained.
In the forth chapter, the general information of the existing structure, the performance target, the current performance of the structure, the retrofit techniques that used and the results of the retrofitted buildings performance level are mentioned.
In the fifth chapter, information about the assumptions made in the modeling of the existing and retrofitted structures, finite element modeling techniques, material models used in modeling and earthquake records used in incremental dynamic analysis are given.
In the sixth chapter, the results that obtained from incremental dynamic analysis and fragility curves are given. 
In the seventh and final chapter, comments on efficiency of different retrofit techniques and suggestions about selecting retrofit technique are given. 
According to the results obtained, the thin jacketting of existing columns gives the most effective result in high earthquake intensities. Retrofitting with textile reinforced mortar is least effective in retrofit techniques that investigated in this study. The thin jacketing retrofit technique which investigated in this study gave the best results since it increased both section moment capacity and the section ductility. It was concluded that the use of thin jacketing techique for retrofitting is highly effective in both collapse prevention and minimum damage performance level. The reinforced concrete jacketing of columns has disadvantages such as the application time, the decrease in usable volume along with the increase in section sizes, and the need to intervene with other structural elements in order to meet the increased horizontal stiffness. With the thin jacketing method, these negative effects can be eliminated.