Betonarme binalarda zemin kat yüksekliğinin farklı olması durumunda dolgu duvarların etkisinin incelenmesi
The effect of infill walls in reinforced concrete buildings with different ground floor heights
Yazar: ÖZGE ATEŞ
Danışman: PROF. DR. TÜLAY AKSU ÖZKUL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Betonarme binalar = Reinforced concrete buildings ; Deprem = Earthquake ; Dolgu duvarlar = Fill walls ; Zemin kat = Ground floor

Özet:
Ülkemizin deprem bölgesinde yer alması, yapıların tasarımı ve buna bağlı olarak yapımının gerçekleştirilmesi sırasında deprem yüklerinin yapı üzerindeki etkilerinin dikkate alınmasını gerektirmektedir. Burada talep edilen herhangi bir deprem anındaki hasar ve kayıpları en aza indirmektir. Bu nedenle oluşacak büyük hasarların önüne geçilebilmesi için yapıların doğru ve uygun şekilde tasarlanması ve yapının olabildiğince gerçeğe yakın modellenmesi gereklidir.
Depreme dayanıklı yapı tasarımında taşıyıcı sistemin herhangi bir düzensizliğine sahip olması istenmez. Genellikle bireysel kullanımlardan kaynaklanan mimari nedenlerle veya zemin katlarının market, otopark, depo, işyeri gibi ticari kullanımlardan dolayı zemin kat, normal katlardan daha yüksek imal edilmekte ve mevcut duvarlar kaldırılmaktadır. Zemin katta dolgu duvarların bazılarının veya tümünün kaldırılması kat rijitliğini azaltmakta ve zemin katta rijitlik düzensizliğine, başka bir deyişle yumuşak kat düzensizliğine sebep olmaktadır. Ayrıca duvarların asimetrik yerleştirilmesi halinde kütle merkezi ile rijitlik merkezinin birbirinden uzaklaşması öngörülemeyen burulma düzensizliğine yol açabilmektedir. Zemin katın yüksekliğinin arttırılması da yapıda zayıf kat düzensizliğine sebep olabilmektedir. Tüm bu istenmeyen durumlar yönetmelikler ile sınırlandırılmış ve bu olumsuz etkilerin ortadan kaldırılması mümkün kılınmıştır.
Dolgu duvarlar genellikle taşıyıcı elemanlar olarak düşünülmemekte ve yapıya sadece kirişlerin üzerinde yayılı yük olarak hesaplara dahil edilmektedir. Taşıyıcı çerçeve sisteminde kolon ve kiriş arası boşlukları dolduran dolgu duvarlar yatay yük etkisi altında oldukça önemli rol oynamaktadır. Betonarme yapıların tasarım süreçlerinde her ne kadar dolgu duvarların etkileri göz ardı edilse de yapılan çalışmalar dolgu duvarların yapı davranışına etkileri olduğunu açıkça ortaya koymuş ve bu etkiler ihmal edildiği takdirde yapıda öngörülemeyen hasarlar meydana getirebileceği belirtilmiştir. Dolgu duvarların etkisinin dikkate alınmadığı durumlarda analiz sonuçlarının gerçek değerleri temsil etmediği yapılan deneysel çalışmalar sonucunda görülmüştür. Ayrıca tasarımı yapılan yapının gerçekçi modellenebilmesi için hesap analizlerinin dolgu duvarların taşıyıcı sistem üzerindeki etkisini göz önüne alacak şekilde yapılması gereklidir. Böylece dolgu duvar-çerçeve etkileşimi önem kazanmakta ve söz konusu etkileşimin uygun modellenmesi gündeme gelmektedir. 
Deprem bölgesinde yer alan ülkemizde, yapıların tasarım ve projelendirme süreçlerinde dolgu duvarların etkisinin yeteri kadar dikkate alınıp alınmadığı sık sık tartışılmaktadır. Dolgu duvarların modelleme yöntemleri ve gerçeğe en uygun yöntemin araştırılması günümüze kadar birçok çalışmaya konu olmuştur. Ve bu konu ile ilgili yapılan çalışmalar gün geçtikçe artmaktadır.
Dolgu duvarların, yapının yatay ve düşey yükler altında davranışına, rijitlik, taşıma kapasitesi, periyot ve enerji tüketme kapasitesi gibi önemli ve olumlu katkıları vardır. Yapı davranışında meydana getirdiği en önemli değişim dolgu duvarların yatay rijitliğinin ön plana çıkarak yapının serbest titreşim periyodunun azalması yönünde olmaktadır.
Dolgu duvarlar, malzeme mekanik özelliklerinin çok değişken olması yanında birçok parametreye göre farklılık göstermesi, imalat koşullarına ve temas yüzeylerine bağlılığı, modele yansıtılmasının kolay olmaması ve taşıyıcı olmamasından dolayı yapılan modellemelerde dikkate alınmamaktadır. Hesaplamalarda ise daha önce yapılan çalışmalar sonucu oluşturulan ampirik formüller kullanılmaktadır. Dolgu duvar davranışını tanımlarken bir diğer önemli özellik ise içerisinde boşluk olması durumudur. Daha önce yapılan çalışmalar mevcut boşluğun büyüklüğü ve bu boşluğun duvar içerisindeki konumuna göre dolgu duvarın yapıya olan etkilerinin değiştiğini göstermiştir. Ayrıca bant pencerelerin varlığı ya da farklı sebeplerle dolgu duvarların kolon boyunca süreklilik göstermediği ve kat yüksekliği boyunca devam ettirilmediği durumlarda kısa kolon etkisinin oluştuğu bilinmektedir. Bu gibi durumlarda kolon etkili boyu azalarak ve kolonun alt ucunda oluşması planlanan plastik kesit, gerçekte yarım duvarın bitim bölgesinde ortaya çıkarak kolonlarda oluşacak kesme kuvvetlerinde tasarımdan farklı artış meydana gelir. Literatüre bakıldığında tüm bu parametreleri doğru modelleyebilmek adına çok çeşitli ampirik formüller geliştirilmiştir.
Bu çalışmada Türkiye'de sıklıkla görülen zemin kat yüksekliğinin diğer katlara göre daha yüksek imal edilmesinin ve bunun yanı sıra zemin katta dolgu duvar yerleşiminin azaltılmasının betonarme yapılar üzerindeki etkisi incelenmiştir. Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018 (TBDY-2018)'e ve diğer standartlara uygun olarak ön boyutlandırılması ve tasarımı yapılan A binası, zemin kat yüksekliği değiştirilerek B ve C binaları oluşturulmuş, binaların İstanbul ile Sarıyer ilçesinde yer aldığı kabul edilmiştir. Yapılan seçimlerde eşdeğer deprem yükü yönteminin uygulama sınırları dikkate alınmış olup, zayıf kat düzensizliği durumu dışında düzensizlik durumu mevcut değildir.
Modelleme için, mesafeleri 5 m olacak şekilde 6x6 açıklığa, toplam 900 m2 taban alanına sahip ve (X)-(Y) doğrultusunda simetrik betonarme bina planı seçilmiştir. Zemin kat ve 7 normal kattan oluşan konut türü binalarda normal kat yükseklikleri tüm modellerde 3 m, zemin kat yüksekliği A binasında 3 m, B binasında 4 m, C binasında 5 m alınmıştır. Dolgu duvar yerleşimi ise tüm modellerde normal katlarda her kiriş altında, zemin katta (X) ve (Y) doğrultularında sadece orta aksta olacak şekilde seçilmiştir. Zemin kat yükseklik değişiminin ve dolgu duvar modellemesinin yapılmasının etkilerinin araştırılması için taşıyıcı sistem boyutları tüm modellerde sabit tutulmuştur. SAP2000 programında üç boyutlu olarak oluşturulan 3 model, literatürde yer alan çok sayıda dolgu duvar modellemelerinden tekli eşdeğer basınç çubuğu yöntemi ile dolgu duvar modellemesi yapılarak tekrarlanmış, toplamda 6 model oluşturulmuştur. Boşluklu fabrika tuğla malzemesinin kullanıldığı duvarların modellemesi için TBDY-2018'de yer alan temsili basınç çubuk genişlik ve eşdeğer basınç çubuğu katsayısı denklemleri kullanılmış, duvar elastisite modülü olarak yine yönetmelikten ilgili değer alınmıştır. Dolgu duvarların boşluk içermediği kabul edilmiştir. İki ucu mafsallı olarak modellenen eşdeğer sanal basınç çubukları sadece basınç kuvvetine maruz kalabileceği için bu temsili çubukların çekme limitleri sıfırlanmıştır.
Oluşturulan modeller TBDY-2018'de yer alan doğrusal hesap yöntemlerinden eşdeğer deprem yükü yöntemi kullanılarak 6 model de analiz edilmiş, analiz sonuçlarına göre yapıların deprem davranışlarındaki değişiklikler yorumlanmıştır.
Analizler sonucunda zemin kat yüksekliğinin artması ile bina ağırlıklarında, periyotlarda, kat yatay deplasmanlarda, göreli kat ötelemelerinde, salınım, zemin kat kolon ve kiriş iç kuvvetleri değerlerinde artış, kat rijitliklerinde azalma gözlemlenmiştir. Değişiklik sonucu gözlemlenen kat rijitlik değerinin azalması ve buna bağlı kat ötelenmesinin artması durumu dolgu duvarsız binalarda dolgu duvarlı binalara göre daha fazla ön plana çıkmaktadır.
Dolgu duvar modellemesinin yapılması ile periyotlarda, kat yatay deplasmanlarda, göreli kat ötelemelerinde, salınım, burulma katsayısı, zemin kat kolon ve kiriş iç kuvvetleri değerlerinde azalma, kat rijitlik değerlerinde artış gözlemlenmiştir. Dolgu duvarların içerisinde bulunduğu betonarme çerçeveyi ve dolayısıyla betonarme yapıyı rijitleştirmesi sonucu, bulunan periyot değerlerinin ve yatay deplasmanların azalması beklenen bir sonuçtur. Ayrıca dolgu duvar yerleşimi ve modellemesinin burulma üzerinde etkili olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
As our country is located in earthquake zone, the earthquake loads must be taken into consideration during the design of the structures as well as during the construction stage. The damages and losses during the earthquake should be reduced as much as possible and even they are damaged, structures should be usable following the repairs. Thus, during the design stage they should be modelled in a way which reflects the real-world conditions.
During the earth quake resistant building design, load bearing systems of the structure should not have any irregularities. However, due to the architectural constraints arising from household requirements or different spacing needs for parking lot, warehouses or commercial usages ground floors generally constructed with different heights than the other floors. Removal of some or all infill walls on the ground floors reduces floor stiffness and causses stiffness irregularities. In other words, this design causes weak story irregularities. Furthermore, if the walls are placed symmetrically, the divergence of the center of mass and the center of rigidity can lead to unpredictable torsional irregularities. Increasing the height of the ground floor can also cause weak floor irregularity in the building. All these undesirable situations are limited by regulations, and it is possible to eliminate these negative effects.
Infill walls are not generally considered as load-bearing elements and are only included in the calculations as a distributed load on the beams. In the load-bearing frame system, the infill walls that fill the spaces between columns and beams has a very important role under the effect of horizontal load. Although the effects of infill walls are ignored in the design processes of reinforced concrete structures, studies have clearly revealed that infill walls have effects on building behavior and it has been stated that if neglected, unpredictable damages can occur in the building. In cases where the effect of infill walls is neglected, it has been seen that the analysis results do not represent the actual values. In addition, in order to design a realistic structure, the calculation analyzes should be done in a way that takes into account the effect of the infill walls on the load-bearing system. Thus, the infill wall-frame interaction is important.
It is a topic that receives a lot of attention in our country, which is situated in an area prone to earthquakes; specifically, the question of whether or not the influence of infill walls is adequately considered during the processes of designing and projecting buildings. Numerous studies have been conducted on the issue of modeling techniques for infill walls and the investigation of which technique is the most applicable to real world conditions.
The behavior of the structure when subjected to horizontal and vertical loads can be significantly improved by the addition of infill walls, such as stiffness, bearing capacity, period, and energy consumption capacity, which provide substantial and beneficial contributions. The most significant alteration in the behavior of the building is the decrease in the free vibration period of the structure.
As a result of the fact that the mechanical properties of the infill wall materials are highly variable and the wall properties vary according to a great number of parameters, e.g., dependance on the manufacturing process, surface conditions etc. they are very difficult to model. Considering the fact that they are not load bearing structures, they are generally omitted from calculations in modeling, empirical formulas that were derived from the findings of previous research are utilized. Another important feature when defining the infill wall behavior is the presence of voids. Previous studies have shown that the effects of the infill wall on the structure change according to the size of the existing space and the position of this space within the wall. In addition, it is known that the short column effect occurs when the infill walls do not show continuity along the column and are not continued throughout the story height due to the presence of band windows or for other reasons. In such cases, the effective length of the column decreases and the plastic section that is planned to be formed at the lower end of the column actually emerges at the end of the half wall, resulting in an increase in the shear forces that will occur in the columns, different from the design. Looking at the literature, a wide variety of empirical formulas have been developed in order to model all these parameters correctly.
Both the effect of having a ground floor height that is higher than the other floors, which is common in Turkey, and the effect of having a reduced amount of infill wall on the ground floor have been studied in this research. These two factors have an impact on the strength of reinforced concrete structures. Building A, which was pre-dimensioned and designed in accordance with the Turkish Building Earthquake Code (TBDY-2018) and other standards. Then, B and C buildings were formed by changing the ground floor height. It is assumed that the buildings are located in Istanbul and Sarıyer district. In the selections made, the application limits of the equivalent earthquake load method were taken into account, and there is no irregularity except for the case of weak floor irregularity. In the model, the application limits of the equivalent earthquake load method were taken into account, and there is no irregularity except for the case of weak floor irregularity.
A reinforced concrete building plan with 6x6 openings, with a total floor area of 900 m2 and symmetrical in the (X)-(Y) direction, was chosen with the span distances of 5m. All residential type buildings with a ground floor and seven conventional stories having the same standard floor height of three meters are used in the models. However, the ground floor height varies depending on the model, with three meters in Building A, four meters in Building B, and five meters in Building C. The infill wall placement was selected to be under each beam on normal floors and only in the middle axis in (X) and (Y) directions on the ground floor in all models. In order to investigate the effects of ground floor height change and infill wall modeling, the dimensions of the load bearing system were kept constant in all models. Three models, which were created in three dimensions using the SAP2000 software, were duplicated using infill wall modeling with the single equivalent compression strut approach, one of the numerous infill wall models described in the literature, resulting in the creation of a total of six models. Representative compression strut width and equivalent compression strut coefficient equations in TBDY-2018 were used for the modeling of the walls using hollow factory brick material, and the relevant value was taken from the regulation as the brick elasticity module. Equivalent imaginary compression strut modeled as hinged at both ends can only be subjected to compressive force, so the tensile limits of these representative struts are zeroed.
Within the scope of this study, six models were analyzed by using Equivalent Earthquake Load Method described in TBDY-2018, which is one of the linear calculation methods available. The results of the analysis were used to interpret how the earthquake behavior of the structures changed depending on different ground floor heights and infill wall placements. 
According to the findings of the analyses, an increase in the height of the ground floor was found to be associated with an increase in the building weights, periods, floor horizontal displacements, relative floor drifts, oscillation, ground floor column and beam internal forces values, as well as a decrease in floor rigidity. Another the result of height change is a lessening of the rigidity of the story as well as an increase in the floor drift, both of which are more noticeable in buildings that do not have infill walls as opposed to those that do have infill walls.
With the infill wall modeling, it was observed that there was a decrease in the periods, floor horizontal displacements, relative floor drifts, oscillation, torsion coefficient, ground floor column and beam internal forces values, and an increase in the floor stiffness values. It is an expected result that the period values and horizontal displacements found as a result of the infill walls stiffening the reinforced concrete frame, thus the reinforced concrete structure, decrease. In addition, infill wall placement and modeling were found to be effective on torsion.