Betonarme binaların deprem etkileri altındaki davranışına dolgu duvarların etkisinin incelenmesi
Effects of infill walls on seismic behaviour of reinforced concrete buildings
Yazar: RIDVAN DAĞ
Danışman: PROF. DR. ZEKAİ CELEP
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering

Özet:
Yapıların projelerinin hazırlanması ve inşası sırasında deprem etkilerinin hesaplanması büyük önem taşımaktadır. Yapıların ömürleri boyunca önemli yüklemeler olan deprem etkilerine en az bir kere maruz kalabilecekleri kabul edilmektedir. Özellikle büyük şehirlerde yüksek yapıların tercih edilmesinden dolayı, yapısal deprem güvenliği daha kritik hale gelmektedir.
Yapısal geometri, yapı elemanlarının sürekliliği, yapısal rijitik ve dayanım, göçme modu ve yapısal süneklik gibi faktörler depreme dayanıklı yapı tasarımında mutlaka göz önünde bulundurulmalıdır. Doğru geometrik yapısal tasarım ekonomik kesitler oluşturmakta ve deprem sırasında yapısal davranışın zorlanmamasını sağlamaktadır.
Büyük hasarlara yol açan depremlerin azaltılması için binaların tasarımları doğru bir şekilde yapılmalıdır. Bu işlemin ilk aşaması yapının uygun modellenmesidir. Genellikle, dolgu duvarların etkileri modellemede önemli olmasına karşın, yapısal sisteme olan katkıları tam olarak yansıtılamamaktadır. Betonarme binaların analiz ve tasarımlarında, dolgu duvarlar genel olarak ölü yükler olarak dikkate alınırlar. Bu durumun nedeni literatürde önerilen modellerin karmaşık hesaplamalara sahip olmaları ve aynı zamanda tam olarak geçerli olmamalarıdır. Homojen olmayan ve genellikle farklı malzemelerden oluşturulan dolgu duvarların modelleri kurulurken birçok etkili faktörden dolayı çalışmalar zorlaşmaktadır. Ayrıca mevcut şartnameler, ne yazık ki dolgu duvarlı yapıların modellenmesi, analizi ve tasarımı konusunda yeterli bir yol göstericiliğe sahip değildir.
Ancak kolon ve kirişlerin oluşturduğu taşıyıcı çerçeve sistemin boşluklarını dolduran dolgu duvarlar deprem yükleri altında büyük önem taşırlar. Dolgu duvarlar, bina yüklerinin ve bina dinamik karakteristik değerlerinin değişiminde en önemli etkidir. Dolgu duvarların dikkate alınmadığı durumlardaki analiz sonuçlarının gerçek değerleri temsil etmediği deneysel çalışmalar sonucunda belirlenmiştir. Gerçekçi bir yapı tasarımı için, kullanılacak analiz sonuçları dolgu duvarların taşıyıcı sistem üzerindeki etkisini dikkate alarak elde edilmelidir.
Gün geçtikçe, dolgu duvarlı yapılar için gerçekleştirilen analitik ve deneysel çalışmaların sayısı artmıştır. Dolgu duvarlı çerçeve yapılar, malzeme özellikleri, çerçeve eleman boyutları, yükleme tipi gibi faktörlerden etkilenirler ve davranışları karmaşıktır. Dolgu duvarların sönüm, rijitlik, periyot gibi yapısal davranışı etkileyebilen özellikleri dikkate alınmalıdır. Ayrıca, yapı içerisindeki dolgu duvarların dağılımından dolayı, burulma, yumuşak kat, kısa kolon davranışı gibi olumsuz etkiler oluşabilmektedir. Dolgu duvarların olumsuz etkileri ortadan kaldırılarak olumlu etkilerini ön plana çıkarmak mümkündür.
8 katlı bir konut binası tasarlanmış ve 2007 Deprem Yönetmeliği'ne (eşdeğer deprem yükü yöntemi ile) göre betonarme olarak boyutlandırılmıştır. Doğrusal Elastik Olmayan Hesap Yöntemi ile binanın performans değerlendirmesi yapılmıştır. Aynı binanın dolgu duvarları eşdeğer diyagonal basınç çubuğu olarak modellenerek doğrusal elastik olmayan hesap yöntemi ile performans analizi yapılmıştır. Eşdeğer diyagonal basınç çubuklarının özellikleri, dolgu duvar yapımında kullanılan malzemelerin mekanik ve geometrik özelliklerine bağlı olarak belirlenmiştir. Dolgu duvarlı performans analizinde, eşdeğer çubukların performansının değerlendirmesi yapılmayıp, eşdeğer çubukların, kolon ve kiriş elemanların performanslarına etkileri araştırılmıştır. Yapılan kabuller doğrultusunda, binada simetrik yerleştirilen dolgu duvarların bina performansını artırdığı ortaya konmuştur. Analiz ve modellemelerin yapılmasında SAP2000 statik analiz programı kullanılmıştır.

Abstract:
The calculation of earthquake effects at the time of preparing the projects and building of structures are critically important. It is supposed that structures are exposed to earthquake effects which are important loadings at least once during their life. Because of preferring high-rise buildings especially in metropolitan cities, structural earthquake safety becomes more critical situation.
The factors such as structural geometry, continuity of structural elements, structural rigidity and resistance, collapse mode and structural ductility must be considered in the design of earthquake-resistant structure. Correct geometric structural design constitutes economic sections and satisfies not constraining the structural behavior.
For reduction of earthquakes induce big damages, the designs of structures must be made correctly. First stage of this process is proper modeling of the structure. Generally, although the effects of infill walls are important in the modeling, their contribution to the structural system can not reflected accurately. In the analyses and designs of reinforced concrete buildings, infill walls are generally considered as dead loads. The reason of this case is that the models offered in the literature have complex calculations and they are not also exactly valid. When the models of infill walls that are nonhomogeneous and generally consist of different materials are set up, the studies get difficult because of so many effective factors. Furthermore, present codes, unfortunately, do not have an adequate guidance for treating the modeling, analysis and design of infilled structures.
Nevertheless, infill walls which fill in the gaps of the bearing frame system consisting of columns and beams are critically important under earthquake loads. Infill walls are the most important effect on the variation of building loads and buildings dynamic characteristics. As a result of empirical studies it has been determined that the analysis results in the cases which the infill walls are disregarded do not represent real values. For the real design of a structure, analysis results which will be used must be got by considering the effect of infill walls on the bearing system.
By the day, the number of empirical and analytical studies which are performed for the structures with infilled walls has been increased. The frame structures with infill walls are affected by the factors such as material properties, frame element dimensions, loading type and their behavior is complex. The properties of infill walls that can impact on the structural behaviors such as damping, rigidity, period must be considered. Furthermore, because of the distribution of the infill walls in the structure, negative effects such as torsion, soft story, short column behavior can occur. It is possible to bring the positive effects of infill walls in the foreground by removing their negative effects.
8 storey residence building generated and dimensioned as a reinforced concrete according to the 2007 Earthquake regulation (by using equivalent earthquake load). Performance of this building is calculated by using the nonlinear elastic evaluation method. In the same building, performance analysis has been done by using nonlinear elastic evaluation method by assuming infill walls as equivalent diagonal compression bar. Characteristics of equivalent diagonal compression bars have been identified according to the mechanical and geometrical characteristics of materials which are used for infill walls production. When the analysis of infill walls performance have been done, evaluation of the equivalent bars performance has not been analyzed, just effect of the equivalent bars to the columns and beams performance has been analyzed. It is found that symmetric infill walls which are placed in the building raise the performance of the building. SAP2000 static analyzes software has been used for analyzing and modeling.
In the present days, many linear or nonlinear analysis methods are available for the performance based design and seismic evaluation of the existing structures. Since material and geometric nonlinearity are not considered in the linear analysis methods, these methods are easy to employ in the seismic evaluation of the structures but their results are not so reliable. There are two types of nonlinear analysis methods which are known as nonlinear static and dynamic analysis. The more realistic results can be obtained by employing the nonlinear static analysis methods if they are compared with linear analyses ones. On the other hand, nonlinear dynamic analysis method is the advanced method since it can be possible to monitor the real behavior of the structures during earthquakes.
The codes of earthquake is the most significant resource that can be used to build an earthquake – resistant building. According to their geographical location, their geological and seismic characteristics that apply within the territory and local ground conditions, countries prepare regulations that include the rules which must be followed during building design. For this purpose, The Ministry of Public works and settlement in Turkey prepare The Regulations of Buildings that will be built in Seismic Zone 2007.
Seismic loads generate the most inconvenient internal forces of the structural elements. There are different methods of calculating the force of earthquakes affecting on buildings. These are called seismic load calculation methods. After determining the essential one of the methods for our system, the force of earthquakes and its distribution over structural elements must be calculated in the way the chosen method requires.
Determining the suitable methods for structures are given in Turkish seismic code. Three alternative seismic load calculation methods are presented by the seismic code. "Equivalent Seismic Load Method", "Modal Superposition Method", and Time Increment Methods" are indicated for seismic load calculations in our seismic code.
Equivalent Seismic Load Method is a widespread seismic load calculation method and it can be found in many seismic codes in the world.
In Mode Superposition Method, the maximum internal forces and displacements are obtained by the calculation of the maximum contributions of each adequate vibration modes that combined statistically.
In Time Increment Methods, in order to investigate the structural behavior of the building under seismic loading, an earthquake is assigned to the building as lateral load and the time history analysis is carried out.
Turkish Earthquake Code 2007 (TEC2007) which establishes rules about buildings to be built in disaster areas includes chapter 2 and 3 where methods are given for reinforced concrete buildings to be designed. The Code also has a new chapter (Chapter 7) where the linear and the non-linear evaluation methods are given for seismic safety evaluation of existing buildings. Consistency between the results of the methods used for seismic evaluation of existing buildings is important for technical as well as legal decision. Also it is important to design a building according to the rules given for new buildings and later to consider the same building as an existing one and apply evaluation procedure and check whether it satisfies the performance goal designed for. The harmony of the results is also important for practical purposes. 
According to the study, in the performance evaluation which is the consequence of all buildings's Incremental Equivalent Earthquake Load Method, it is observed that all buildings achieve the Life Security performance level whose exceeding possibility is predicted for residences as 10% in 50 years according to the TEC2007. And it is clearly seen that, The Nonlinear Time History Analysis Method results is reaching greater value than Incremental Equivalent Earthquake Load Method results in terms of base shear force and roof displacement.