Betonarme yapısal elemanlarının lineer olmayan yöntemler ile deprem performanslarının belirlenmesi
Determination of the seismic performance of the reinforced concrete structural members using non-linear methods
Yazar: SAEID FOROUGHI
Danışman: PROF. DR. SÜLEYMAN BAHADIR YÜKSEL
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Betonarme yapılar = Reinforced concrete structures ; Doğrusal olmayan davranışlar = Nonlinear behaviors ; Hasar tespiti = Damage detection ; Sismik davranış = Seismic behavior ; Taşıyıcı sistemler = Supporting systems ; Yer değiştirme = Displacement ; İtme = Push ; Şekil değiştirme = Strain

Özet:
Binaların deprem yükleri altında gerçekçi olarak tasarımı ve hesaplanması özellikle son yıllarda meydana gelen depremler sonucu önem kazanmıştır. Binaların sismik performansının değerlendirilmesinde ana faktör olan hasar sınırları ile durumları en gerçekçi olarak yer değiştirme ve şekildeğiştirmelerle ifade edilebilir. Bu nedenle, yer değiştirme ve şekildeğiştirmeye dayalı değerlendirmenin esas alındığı hesap yöntemlerinin ve seçilecek analiz yöntemlerinin kullanımı oldukça önem kazanmaktadır. Diğer taraftan, doğrusal olmayan davranışı esas alan hesap yöntemlerinden faydalanarak, yapı sistemlerinin deprem etkileri altındaki davranışları yakından izlenebilmekte, yer değiştirme ve şekildeğiştirmelere bağlı deprem performansları daha güvenilir bir şekilde hesaplanabilmektedir.
Ulusal ve uluslararası deprem yönetmeliklerinde betonarme taşıyıcı elemanların farklı performans düzeyleri için şekildeğiştirme ve iç kuvvetlerin hesaplanmasında; malzeme dayanımları, kesitte donatı konfigürasyonu, kullanılan sargılı betonun gerilme-şekildeğiştirme ilişkisi kesitlerin moment-eğrilik gibi doğrusal olmayan davranışları ile plastik mafsal özellikleri dikkate alınmaktadır. Betonarme binaların doğrusal olmayan analizi ve deprem performansının değerlendirilmesinde gerekli olan parametrelerin doğru bir şekilde hesaplanması gerekmektedir. Betonarme taşıyıcı sistem elemanlarda (kolon, kiriş ve perde duvar) farklı parametreler dikkate alınarak doğrusal olmayan davranışları incelenmiş, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (2018)'e göre farklı performans düzeyleri için şekildeğiştirme esaslı hasar sınırları hesaplanmıştır. 
Tez çalışmasında ilk olarak; kesit geometrisinin, malzeme modelinin, beton basınç dayanımının, eksenel yükün, boyuna ve enine donatı oranının betonarme taşıyıcı elemanların doğrusal olmayan davranışı üzerindeki etkisi analitik olarak araştırılmıştır. Betonarme bir yapıyı oluşturan farklı parametrelerde yapısal elemanları tasarlanmıştır. Betonarme yapısal elemanların davranışı, malzemelerin doğrusal olmayan davranışı dikkate alınarak gerilme-şekildeğiştirme ile moment-eğrilik ilişkisinden değerlendirilmiştir. Betonarme yapılarının şiddetli depremler altında taşıyıcı sistemlerde çatlamanın etkisi dikkate alınarak doğrusal olmayan analiz yapılmaktadır. Etkin rijitlik sadece çatlamanın etkisini değil, aynı zamanda moment-eğrilik analizlerinden belirlenen betonarme elemanların davranışını da yansıtmaktadır. Analitik incelemelerden elde edilen sonuçlara göre taşıyıcı sistemlerin eğrilik süneklik ve etkin kesit rijitlikleri için yeni bir denklem önerilmiştir. Önerilen denklemler literatürde bulunan farklı bağıntılar ile karşılaştırarak doğrulanmıştır. 
Çalışmanın ikinci bölümünde, Yapısal elemanların deprem performansının belirlenmesi için Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (2018)'de betonarme elemanlar için öngörülen şekildeğiştirme esaslı hasar sınırları incelenmiştir. Yapısal eleman modellerinde yapılan performans değerlendirmesinde; farklı hasar sınırları için oluşan şekildeğiştirme sınır değerleri, farklı tasarım parametrelerine göre kesitlerinin performans düzeyleri araştırılmıştır. Yer değiştirme taleplerine karşılık gelen eleman hasarları elde edilerek hasar sınırları değerlendirilmiştir. Farklı performans düzeyleri için elemanların plastik mafsal bölgeleri için akma ve plastik dönme değerleri hesaplanmıştır. Doğrusal olmayan hesap yöntemleriyle hesaplanan şekildeğiştirmelerin, kesit hasar sınırlarına karşı gelmek üzere deprem yönetmeliğinde tanımlanan sayısal değerler ile karşılaştırılması sonucunda kesitlerin hangi hasar bölgelerinde olduğuna karar verilerek performans değerlendirilmesi yapılmıştır. 
Analitik çalışma sonuçlarından elde edilen şekildeğiştirme üst sınır değerlerine bağlı olarak tasarlanan betonarme yapıların doğrusal olmayan (itme) analizleri yapılarak detaylı bir çalışma yapılmıştır. Performans değerlendirmesi için tasarlanan modellerin tasarım depremi ve en büyük deprem yükü etkisi altındaki yapısal performansı incelenmiştir. Gerçekleştirilen artımsal itme analizleri sonucu farklı tip betonarme taşıyıcı sistemler için elde edilen kapasite eğrileri ve performans noktalarındaki deprem istemleri (taban kesme kuvvetleri- tepe yer değiştirmeleri, kat kesme kuvvetleri ve göreli kat ötelemeleri) karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırmalar şekil ve çizelgelerde detaylı olarak incelenerek irdelenmiştir.

Abstract:
A realistic design and calculation of buildings under seismic loads have gained importance, especially as a result of earthquakes that have occurred in recent years. Damage limits, which are the main factor in evaluating the seismic performance of buildings, and their conditions can be expressed in the most realistic way by displacements and deformations. Therefore, the use of calculation methods based on the assessment based on displacement and deformation and the analysis methods to be selected becomes very important. On the other hand, by using calculation methods based on nonlinear behavior, the behavior of structural systems under seismic effects can be closely monitored and seismic performances due to displacements and deformations can be calculated more reliably.
In the calculation of deformation limits for different performance levels of reinforced concrete structural elements in national and international seismic codes; material strengths, reinforcement configuration in cross-section, stress-strain relation of used confined concrete, nonlinear behavior of sections such as moment-curvature and plastic hinge properties are taken into consideration. Then, it is the calculation of deformation-based damage limits and damage zones given in seismic codes. The parameters required for nonlinear analysis and seismic performance of reinforced concrete buildings should be calculated accurately. Nonlinear behaviors of reinforced concrete structural system elements (columns, beams, and shear walls) were examined considering different parameters, and deformation-based damage limits were calculated for different performance levels according to the Turkish Building Earthquake code (2018).
First of all, in the thesis study; The effects of cross-section geometry, material model, concrete compressive strength, axial load, longitudinal and transverse reinforcement ratio on the nonlinear behavior of reinforced concrete structural elements were investigated analytically. The behavior of the load-bearing system elements has been evaluated from the relationship between stress-strain and moment-curvature considering the nonlinear behavior of materials. Nonlinear analysis is carried out by taking into account the effect of cracking in structural systems of reinforced concrete structures under severe earthquakes. The effective stiffness reflects not only the effect of cracking but also the behavior of reinforced concrete elements determined from moment-curvature analysis. According to the results obtained from analytical examinations, a new relation is proposed for curvature ductility and effective section stiffness of structural systems. The relations are verified by comparing them with different relations found in the literature. 
In the second part of the study, in order to determine the seismic performance of structural elements, the deformation-based damage limits foreseen in the Turkish Building Earthquake code (2018) for reinforced concrete elements are examined. In the performance evaluation made in structural element models; the deformation limit values for different damage limits and the performance levels of the sections according to different design parameters were investigated. Damage limits will be evaluated by calculating the section damages corresponding to the displacement demands. Yield and plastic rotation values were calculated for the plastic hinge areas of the elements for different performance levels. The deformation limit values calculated by nonlinear calculation methods were compared with the limit values defined for different performance levels in seismic code, and the performance evaluation was made by deciding in which damage regions the carrier elements. 
A detailed study was conducted by performing non-linear (pushover) analyses of reinforced concrete structures designed depending on the deformation upper limit values obtained from the analytical study results. The structural performance of the models designed for performance evaluation have been examined under the design earthquake loads and the greatest earthquake loads. The capacity curves and the earthquake demand at the performance points (base shear forces- roof displacements, story shear forces and relative story drifts) of designed different types of reinforced concrete systems which is obtained from the results of pushover analysis were compared. These comparisons are examined in detail in figures and tables.