Bir okul binasının tasarımı ve deprem performansının belirlenmesi
The design of a school building and determination of seismic performance of school building
Yazar: ALPEREN TÜRKAY
Danışman: PROF. DR. KADİR GÜLER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Deprem hesabı = Earthquake calculation ; Yapı dinamiği = Structural dynamics ; Yapı tasarımı = Building design

Özet:
Türkiye, aktif fayların bulunduğu bir deprem ülkesidir. Türkiye' de son zamanlarda meydana gelen yıkıcı depremler, hem birçok insanın yaşamını yitirmesine neden olmuş hem de ülke ekonomisini derinden yaralamıştır. Bir deprem ülkesi olan Türkiye ve benzer durumdaki ülkelerde şehirleşmenin ve yapılaşmanın artmasıyla birlikte sismik riskte hızla artmaktadır. Bundan dolayı da depreme dayanıklı yapı tasarımı ve performans değerlendirilmesi her geçen gün daha fazla önem kazanmaktadır. Tasarım ve değerlendirme yöntemlerinde ise son zamanlardaki gelişmelerle birlikte kuvvete dayalı tasarımın yanı sıra performansa dayalı tasarım daha ön plana çıkmaktadır. Performansa dayalı tasarım ve değerlendirme kavramından genel olarak oluşma olasılıkları belirli deprem etkileri altında, yapının süneklik kapasitesinin, binanın kullanım amacı ve tasarım ömrü gibi faktörler dikkate alınarak belirlenen bir performans durumuna göre tasarlanması ve değerlendirilmesi anlaşılmaktadır. Bu performansa dayalı tasarım ilk zamanlarda ABD'de 1996 yılında çıkan ATC 40 ve 2000 yılında çıkan FEMA 356 gibi standartlarda bahsedilmiştir. Türkiye'de ise 2007 yılında yayınlanan DBYBHY ile yönetmeliğimizde yer almıştır.Günümüzde, mevcut deprem yönetmeliklerinde performansa dayalı değerlendirme yöntemleri olarak doğrusal ve doğrusal olmayan yöntemler olarak iki ana başlık altında değerlendirilmektedir. Doğrusal hesap yöntemlerinde kuvvete dayalı bir tasarım yaklaşımı söz konusudur. Doğrusal elastik davranış esasına göre yapılan analiz sonucu elde edilen kesit tesirlerine göre kesitlerin dayanım yeterliliği irdelenir. Kuvvet esaslı olarak performans değerlendirmesi de yapılabilmektedir. Bu yöntemde azaltılmamış deprem etkisinde, yapının taşıyıcı sistem elemanlarında oluşan etkilerin, elemanların kapasitelerine oranının sınır değerlerle karşılaştırılması şeklinde olmaktadır. Doğrusal elastik olmayan hesap yöntemlerinde ise şekil değiştirmeye dayalı bir tasarım ve değerlendirme söz konusudur. Bu yöntemde temel amaç, kuvvete dayalı tasarımın aksine, öncelikle taşıyıcı sistemin dayanım kapasitesinin doğrusal olmayan analiz ile elde edilmesi, daha sonra süneklik isteminin elde edilmesidir. Şekil değiştirmeye göre tasarım veya değerlendirmede süneklik isteminin hesapla elde edilebilmesi, yapı taşıyıcı sistem elemanlarında göz önüne alınan deprem etkisi altında meydana gelecek hasarın dağılımının ve büyüklüğünün sayısal olarak belirlenebilmesini mümkün kılmaktadır. Doğrusal elastik olmayan analizlerin sonucunda taşıyıcı sistem elemanlarında meydana gelen birim şekil değiştirmeler hesaplanarak, yönetmeliklerde verilen sınır değerlerle karşılaştırılarak yapının performansı hakkında bilgi edinilir. Bundan dolayıdır ki doğrusal elastik olmayan hesap yöntemleri kullanılarak yapılan hesaplar daha gerçekçi olmaktadır.Bu yüksek lisans tez çalışmasında, 2007 deprem yönetmeliğine göre 4 katlı bir okul binası tasarımı yapılmış ve aynı yönetmelikte yer alan artımsal eşdeğer deprem yükü yöntemine göre performans değerlendirilmesi yapılmıştır. Ayrıca yapının hedef deplasmanı ve yapının performansı ATC 40, FEMA 356, FEMA 440 ve ASCE 41-06 gibi standartlarla da belirlenmiş, daha sonra da 2007 Deprem Yönetmeliğinde bulunan değerlerle karşılaştırılmıştır.Çalışma beş bölümden oluşmaktadır:?Birinci bölümde, çalışmanın amacı ve kapsamı çerçevesinde konu açıklanmış, çalışmadan ne elde edilmek istendiğinden bahsedilmiştir.?İkinci bölümde, kuvvete dayalı tasarım için 2007 Deprem Yönetmeliğindeki hesap ve tasarım kurallarından bahsedilmiştir. Yönetmeliğin ikinci bölümünde geçen düzensizlik durumları, elastik deprem yüklerinin tanımlanması, elastik deprem yüklerinin azaltılması, hesap yöntemleri ile göreli kat ötelemelerinin sınırlandırılması gibi konular hakkında bilgi verilmiştir. Ayrıca yönetmeliğin üçüncü bölümündeki süneklik düzeyi yüksek betonarme binalar için depreme dayanıklı tasarım kuralları hakkında da bilgi verilmiştir.?Üçüncü bölümde, performansa dayalı tasarım ve değerlendirmeden bahsedilmiştir. Performansa dayalı tasarım ve değerlendirme yapılabilmesi için gerekli kavramlardan ve kabullerden bahsedilmiştir. Performansa dayalı tasarım ve değerlendirmenin en önemli kavramlarından olan malzeme modelleri, süneklik, plastik mafsal kabulü ve kapasite tasarımı gibi konular hakkında geniş bilgi verilmiştir. Ayrıca 2007 Deprem Yönetmeliğine göre performans değerlendirilmesinin nasıl yapılması gerektiği hakkında bilgi verilmiştir. Yönetmelikte geçen doğrusal elastik ve doğrusal elastik olmayan hesap yöntemleri açıklanmış, binaların deprem performans düzeylerinin nasıl belirlenmesi hakkında geniş bilgi verilmiştir. Bölümün en sonunda da ABD'de performansa dayalı tasarımın nasıl ortaya çıktığı ve nasıl geliştiği hakkında bilgi verilmiştir. ABD'de yayınlanan ATC 40, FEMA 356, FEMA 440 ve ASCE 41-06'nın gerekli bölümleri açıklanmıştır. ATC 40'a göre kapasite spektrum yöntemi hakkında, FEMA 356'ya göre katsayı yöntemi hakkında, FEMA 440'a göre her iki yöntem hakkında ve en son olarak da ASCE 41-06'ya göre performans değerlendirilmesi hakkında gerekli açıklamalarda bulunulmuştur. ATC 40 ve FEMA356'daki katsayı ve kapasite spektrumu yöntemlerinin yapılan çeşitli çalışmalar sonucunda FEMA 440 ve ASCE 41-06 standartlarında geliştirildiğinden bahsedilmiştir.?Dördüncü bölümde, dört katlı bir okul binasının tasarımı yapılmış, daha sonra bu binanın performans değerlendirilmesi yapılmıştır. Binanın deprem hesabı 2007 Deprem Yönetmeliğindeki eşdeğer deprem yükü yöntemine göre yapılmıştır. Döşemelerin ve taşıyıcı sistem elemanlarının betonarme hesapları yapılmış, kuvvetli kolon-zayıf kiriş veya kolon kiriş birleşim bölgesi gibikontroller yapılmıştır. Daha sonra okul binasının 2007 Deprem Yönetmeliğine göre artımsal eşdeğer deprem yükü yöntemi kullanılarak performans değerlendirilmesi yapılmıştır. Bu performans değerlendirilmesi için yapılacak olan artımsal itme analizinin uygulanabilirlik şartlarının incelendiğinden, yapının modellenmesinde çeşitli kabullere yer verildiğinden bahsedilmiştir. Bölümün en sonunda da Amerikan standartlarından, FEMA 356 ve FEMA 440' daki katsayı yöntemlerine göre her iki standart için de ayrı olarak hedef deplasman hesabı yapılmıştır. Hedef deplasman hesabı ATC 40 ve FEMA 440'daki kapasite spektrum yöntemi kullanılarak da, yine her iki standart için de ayrı olmak şartıyla gerçekleştirilmiştir. ASCE 41-06'ya göre binanın deprem performansı belirlenmiştir.?Beşinci bölümde, çalışmada dört katlı perde ve çerçeve yatay taşıyıcılı betonarme bir okul binasının deprem yönetmeliği bölüm iki ve bölüm üçe göre eşdeğer deprem yükü yöntemi ile tasarımının yapıldığından ve tasarımı yapılan bu okul binasının deprem yönetmeliği bölüm yediye göre artımsal eşdeğer deprem yükü yöntemine göre performans değerlendirilmesinin yapıldığından bahsedilmiştir. Ayrıca yapının performansının ve yapının hedef deplasmanının ABD'de yayınlanan ATC 40, FEMA 356, FEMA 440 ve ASCE 41-06 standartlarına göre de değerlendirildiğinden bahsedilmiştir. Yapının tasarımında SAP2000 programı, kesit analizi hesaplarında ise RESPONSE2000 programından faydalanıldığı belirtilmiştir. Yapının bütün eleman hasar sınırlarının 2007 deprem yönetmeliğinin öngördüğü gibi minimum hasar seviyesinde kaldığı belirtilmiştir. Bundan dolayı yapının hemen kullanım performans düzeyini sağladığından bahsedilmiştir. Yapılan analizler sonucunda yapının her iki doğrultudaki periyotlarının birbirine yakın çıktığından, plastik mafsalların genellikle kirişlerde meydana geldiğinden, yapının sünek bir davranış sergilediğinden bahsedilmiştir. Bunların yanı sıra FEMA 356 ve FEMA440'a göre ayrı ayrı yapılan katsayı yöntemi hesaplamaları sonucu bulunan hedef deplasman değerleri ve ATC 40 ve FEMA 440'a göre ayrı ayrı yapılan kapasite spektrum yöntemi hesaplamaları sonucu bulunan hedef deplasman değerleri ile 2007 Deprem Yönetmeliğine göre bulunan hedef deplasman değerinin yaklaşık olarak birbirine yakın çıktığı belirtilmiştir. ASCE 41-06'daki eleman hasar sınır değerlerine göre yapılan hesaplarda taşıyıcı sistem elemanlarının tamamının minimum hasar bölgesinde olduğu, okulun hemen kullanım performans seviyesini sağladığından bahsedilmiş performans seviyelerinin de 2007 Deprem Yönetmeliği ile paralellik taşıdığı belirtilmiştir.

Abstract:
Turkey is an earthquake stricken country with many active faults lying in its territory. Destructive earthquakes caused many deaths, razed cities and infrastructure and affected economy negatively. Seismic risk of Turkey and any other country which are located at the vicinity of active fault areas is quickly increasing due to fast growing urbanization and high population increase. Therefore performance based seismic assesment of buildings thrives as an important subject of earthquake engineering. With recent developments in design and assesment methods, performance based design has become more important than force based design. Performance based design and evaluation concept covers the methods of geometric nonlinearity utilization and ductility capacity of buildings under certain seismic effects based on probability of occurance considering the design life of the building. The performance based design first mentioned in ATC 40 which was published in 1996 in The United States and FEMA 356 which was published in 2000 in The United States widely. In Turkey, performance based design took place in DBYBHY which was published in 2007.Nowadays performance based assesment is covered in two main topics namely, linear elastic methods and nonlinear elastic methods. There is a force based design approach on linear calculation methods. The adequacy of strentgh of cross sections is examined with regard to the results of the analysis on the basis of linear elastic behavior. Performance asssesment can also be made by force based calculations. In this method, the ratio of the effects of structural elements of the building to the capacity of elements compare with limit values. There is a design and evaluation based on deformation on nonlinear calculation methods. The main purpose of this method, in contrast to the force based design, firstly to obtain strentgh capacity of the structural system with nonlinear analysis and then to obtain ductility demand. In deformation based design and assesment, distribution and magnitude of damage on structural elements of building which will occur during the earthquake can be determined because ductility demand has been calculated. At the result of nonlinear analysis, performance of the building is determined by calculating strain on structural elements and then comparing the strain values with limit values which are mentioned in the codes. Therefore nonlinear calculation methods give more realistic results than linear calculation methods.In this study, a four storey school building has been designed by 2007 Turkish Seismic Code and performance of the building has been evaluated by incremental equivalent seismic load method which is located in the same code. Furthermore, target displacement and performance assesment of the building is determined by ATC40, FEMA 356, FEMA440, ASCE 41-06 which are published in The United States. Then, these calculation results are compared with the 2007 Turkish Seismic Code calculation results.The study consist of five chapters:?The first chapter includes; historical development of earthquake engineering, characteristics of earthquakes in Turkey, short summary of the literature survey and the scope and objectives of the study.?In the second chapter, design and calculation rules in 2007 Turkish Seismic Code, is mentioned for force based design. Information of irregularity cases, identification of elastic seismic loads, reduction of the elastic seismic loads, choice of calculation methods, limiting of storey drifts is given in this chapter. These informations are obtained from second chapter of 2007 Turkish Seismic Code. Furthermore, this chapter contains earthquake resistant design guidelines for high level ductility of reinforced concrete buildings. These design guidelines are obtained from third chapter of 2007 Turkish Seismic Code.?The third chapter includes general information about performance based design and evaluation of structures. Performance based design, general concepts and acceptances which are necessary for evaluations are mentioned in this chapter. This chapter also contains wide knowledge about most important concepts of performance based design and asssesment; material models, ductility, acceptance of plastic hinges and capacity design. Moreover 2007 Turkish Seismic Code-Chapter 7 is explained for performance based assesment. Linear and nonlinear analysis methods which are contained in DBYBHY-2007, is explained in this chapter. Both linear analysis methods; equivalent seismic load method and mode superposition method and Nonlinear analysis methods; incremental equivalent seismic load method, incremental mode superposition method and time history analysis method are described widely in order to determine level of seismic performance of buildings. At the end of the chapter, appearance and development of performance based design in The United States are explained. Performance based design standarts which were published in United States, are also explained. These standarts are ATC 40 (Seismic evaluation and retrofit of concrete buildings), FEMA 356 (Prestandart and commentary fort he seismic rehabilitation of buildings), FEMA 440 (Improvement of nonlinear static seismic analysis procedures), ASCE 41-06 (Seismic rehabilitation of existing buildings). These standarts include nonlinear static seismic analysis methods namely, coefficient method end capacity spectrum method. Capacity spectrum method was explained with regard to ATC 40 and FEMA 440. Coefficient method was explained with regard to FEMA 356 and FEMA 440. Performance assesment of structures was described according to ASCE 41-06. ATC 40 and FEMA 356 were both evaluated and some improvements are suggested for both FEMA 440 and ASCE 41-06.?In the fourth chapter, a four story school building designed and this structure is evaluated with performance based design. Seismic design of the building was calculated with regard to equivalent seismic load method which is in 2007 Turkish Seismic Code. Design of structural elements is calculated and strong column-weak beam, column-beam combination, irregularity cases were controlled with regard to 2007 Turkish Seismic Code. Thereafter, performance of the building is evaluated using incremental equivalent seismic load method which is desciribed DBYBHY-2007. Incremental equivalent seismic load method consists of pushover analysis. Applicability conditions of pushover analysis was explained in this chapter. It is also mentioned that there were various assumptions for modelling of the structure. At the end of the chapter, calculations are done with regard to United States standarts. Calculations of target displacement were done with regard to FEMA 356 and FEMA 440 by using coefficent method. Calculations of target displacement were done with regard to ATC 40 and FEMA 440 by using capacity spectrum method . Moreover calculations of earthquake performance were done with regard to ASCE 41-06.?In the fifth chapter, the four story school building design according to 2007 Turkish Seismic Code Chapter 2 - Chapter 3 and evaluation of performance of the building according to 2007 Turkish Seismic Code Chapter 7 is analiyzed. Moreover performance evaluation according to United States standarts (ATC 40, FEMA 356, FEMA 440, ASCE 41-06) also explained in this chapter. SAP2000 (Structural Analysis Program) is used for analysis of structure. Pushover analysis was done by SAP2000 and static pushover curve is obtained by SAP2000. RESPONSE2000 is used for calculations of cross-sectional analysis. Moment-curvature plots was obtained by RESPONSE2000. As a result of the analysis, strains of the structural elements provided minimum level of damage, according to 2007 Turkish Seismic Code. Therefore, building provides immediate occupancy performance level. Results of analysis have shown that period of X direction and period of Y direction are close to each other. Thus, stiffness in the X direction and stiffness in the Y direction are colse to each other. It is explained that building showed a ductile behavior. After comparation of results, it has been clear that values of the target displacement are close with all standarts. According to ASCE 41-06, strains of the structural elements provided minimum level of damage. Hence, building provided immediate occupancy performance level with regard to ASCE 41-06. Results of the performance assesment with regard to ASCE 41-06, are similar to results of the performance assesment with regard to 2007 Turkish Seismic Code.