Bir veri merkezi binasının deprem performansının incelenmesi
Seismic performance assessment of a data center building
Yazar: ABDULLAH BERK ÇÖLOĞLU
Danışman: PROF. KADİR GÜLER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Yapıların deprem etkisi altında performans değerlendirmesi, inşaat mühendisliği ve deprem mühendisliği alanlarında, özellikle son yıllarda önemli bir çalışma alanı haline gelmiştir. Mevcut yapıların deprem güvenliğinin belirlenmesi, meydana gelebilecek depremler sonrasında yaşanacak olan can ve mal kayıplarının önüne geçilmesi ve yaşamın olağan bir şekilde devam edebilmesi açısından hayati önem taşımaktadır. Deprem etkileri sonucunda yapıların taşıyıcı sistem elemanlarında iç kuvvet ve şekildeğiştirme talepleri meydana gelmektedir. Oluşan iç kuvvet ve şekildeğiştirme talepleri altında, yapıların can kaybına engel olması ve fonksiyonlarına devam edebilmesi için taşıyıcı sistem elemanlarının kapasitelerinin yeterli olması gerekmektedir. Bu tez çalışması kapsamında İstanbul ili Ümraniye ilçesinde bulunan 8 katlı betonarme taşıyıcı sisteme sahip veri merkezi binası, deprem performansının belirlenmesi amacı ile inceleme altına alınmıştır.
Tez çalışmasının birinci bölümünde, deprem performans değerlendirmesi ile alakalı genel bilgilendirmelerde bulunulmuştur. Ayrıca bu bölümde tez çalışmasının amacı ve kapsamı ile ilgili bilgiler sunulmuştur.
Tez çalışmasının ikinci bölümünde mevcut binaların deprem performans analizine ilişkin literatür araştırması yapılmıştır. Bu bölümde performans kavramının gelişiminden söz edilmiş, binaların deprem performansının değerlendirilmesinde kullanılan doğrusal olmayan analiz yöntemleri ve doğrusal olmayan davranış modelleri hakkında bilgiler verilmiş ve ayrıca malzemenin doğrusal olmayan davranışına ilişkin açıklamalarda bulunulmuştur.
Tez çalışmasının üçüncü bölümünde, 2018 yılında yayımlanmış olan Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği'nin mevcut yapıların deprem performansının değerlendirilmesi için sunduğu yönerge ve kurallardan bahsedilmiştir. Bu doğrultuda yönetmelikçe detayları açıklanmış olan deprem yer hareketleri ve deprem etkisi altında binaların değerlendirilmesi gibi konular hakkında bilgiler paylaşılmıştır.
Tez çalışmasının dördüncü bölümünde, 2017 yılında American Society of Civil Engineering tarafından hazırlanmış olan ASCE 41-17 Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings standardının mevcut yapıların değerlendirilmesi konusundaki yaklaşımlardan bahsedilmiştir. Deprem performans değerlendirmesinde kullanılan analiz yöntemleri, taşıyıcı ve taşıyıcı olmayan elemanların performans seviyeleri, bina performans hedefleri ve deprem tehlike seviyeleri hakkında açıklamalarda bulunulmuştur.
Tez çalışmasının beşinci bölümünde, çalışmaya konu veri merkezi binasının deprem etkisi altında taşıyıcı sisteminin değerlendirilmesi yapılmıştır. Çalışma kapsamında inceleme altına alınan yapı, İstanbul ili Ümraniye ilçesinde bulunan betonarme perde - çerçeve taşıyıcı sisteme sahip, 8 katlı bir veri merkezi binasıdır. TBDY 2018 ve ASCE 41-17 standartlarına göre binanın performansını belirlemek amacı ile zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz yöntemi kullanılmıştır.  Veri merkezi binasının malzeme özelliklerinin belirlenmesi amacı ile binanın farklı taşıyıcı elemanlarından karot numuneleri alınmış, ayrıca donatı özellikleri ve yerleşiminin tespiti amacı ile taşıyıcı elemanlarda sıyırma çalışmaları yapılmıştır. Donatı yerleşiminin tespiti için yapılan sıyırıma çalışmalarına ek olarak taşıyıcı elemanlar üzerinde ferroscan aleti ile tarama çalışmaları yapılmıştır. Binadan alınan karot numuneleri üzerinde gerekli testler yapılmış ve bu doğrultuda mevcut taşıyıcı sisteme ait beton basınç dayanımı belirlenmiştir. Mevcut beton basınç dayanımının belirlenmesinde TBDY 2018 ve ASTM E178 standartlarından faydalanılmıştır. Bu çalışmalara ek olarak mevcut bina hakkında daha fazla bilgi edinebilmesi için yapının mevcut statik projelerinden faydalanılmıştır. Edinilen bu bilgiler doğrultusunda, yapının üç boyutlu matematiksel modeli, doğrusal olmayan davranış modelleri kullanılarak ETABS yapısal analiz programında oluşturulmuştur. Yapının bulunduğu bölgenin yerel zemin koşulları, deprem kaynak mekanizmaları, yapıya olan fay uzaklıkları dikkate alınarak zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizlerde kullanıma esas, 11 adet deprem kaydı takımının seçimi ve hedef performans yer hareketi düzeyine göre ölçeklendirilmesi yapılmıştır. Yapısal analizlerin gerçekleştirilmesinin ardından, analizler sonucunda taşıyıcı sistem elemanlarında oluşan iç kuvvet ve şekildeğiştirme talepleri elde edilmiştir. Bu aşamayı takiben yapısal taşıyıcı sistem elemanlarının gevrek hasara dair kesme kapasitesi kontrolleri ve sünek hasara dair hasar durumu değerlendirmeleri yapılmıştır. 
Tez çalışmasının son bölümünde yapılan çalışmaya dair genel bir değerlendirme yapılmıştır. Yapılan çalışmaları takiben, yapıların deprem performans değerlendirmesinin önemi vurgulanmıştır. Bu değerlendirmeler doğrultusunda bundan sonra yapılacak çalışmalara katkı verilebilmesi amacı ile bazı önerilerde bulunulmuştur.

Abstract:
In the fields of civil engineering and earthquake engineering, the performance evaluation of structures under seismic effects has become an increasingly important area of study, especially in recent years. In last 30 years, ATC 40, FEMA documents (FEMA 356, FEMA 273, FEMA P-58 etc.) and ASCE documents are published on performance assessment of existing and new buildings. In the seismic performance of buildings displacement-based approach which is more realistic used. TSC 2007 has a chapter on performance assessment of existing building. TBSC 2018 has chapters on performance assessment of existing and new buildings. In design of usual buildings, it is sufficient to use strength-based approach. For buildings such as hospitals, schools, government office buildings, data centers etc., it is important to give services after maximum credible earthquakes. In recent years, the focus has shifted towards performance-based seismic design not only existing buildings, but also for new designs, which not only considers the survival of a structure during an earthquake but also its post-event functionality. Determining the seismic safety of existing structures is of critical importance to prevent potential loss of life and property in the event of earthquakes, and to ensure the continuity of normal life. Seismic effects induce internal force and deformation demands in the load-bearing elements of structures. Under these induced internal force and deformation demands, it is essential that the capacities of the load-bearing elements are sufficient to prevent loss of life and to ensure that the structures can continue to function. This thesis focuses on the performance evaluation of an 8-story data center building with a reinforced concrete structural system located in the Ümraniye district of Istanbul. The primary objective is to assess the seismic performance of data center building. The study involves a detailed analysis of the structural elements to determine whether their capacities are adequate to withstand seismic demands without significant damage. The evaluation process includes modeling the building structure, conducting non-linear seismic analysis, and comparing the results with the required performance criteria. Various factors such as the building's geometric configuration, material properties, and seismic forces are taken into consideration during the analysis. Advanced computational tools and methods are employed to simulate the building's response to seismic loading accurately.
In the first chapter of this thesis, a comprehensive overview is provided on the definition of earthquakes, the seismicity of our country, the effects of earthquakes, and the development of seismic performance evaluation. Additionally, this chapter presents information regarding the, objectives, and scope of the thesis study.
In the second chapter of the thesis, a literature review is conducted on the seismic performance analysis of existing buildings. This section addresses the evolution of the performance concept, presents detailed information on nonlinear analysis methods and nonlinear behavior models used in evaluating the seismic performance of buildings, and provides explanations on the nonlinear behavior of materials
In the third chapter of this thesis, the guidelines and regulations outlined in the 2018 Turkey Building Seismic Code for evaluating the seismic performance of existing and newly designed structures are discussed. Accordingly, information is provided on topics such as seismic ground motions and the evaluation of buildings under seismic effects, as detailed by the code. The chapter includes details about four different levels of seismic ground motion, each with distinct occurrence periods. Information on obtaining seismic ground motion spectra is also presented. Additionally, important considerations for the selection and scaling of earthquake records are addressed. Regarding the design and evaluation of buildings under seismic effects, general rules, calculation rules and fundamental principles to be considered are explained. Within this scope, concepts such as building occupancy classes, earthquake design classes, building height classes, building performance levels are elucidated. These concepts provide guidance in determining the performance targets that buildings must meet. Additionally, in relation to the calculation principles, information is provided on defining seismic effects, nonlinear behavior models, rules for modeling the load-bearing system, nonlinear analysis methods, and the selection of the appropriate nonlinear analysis method for seismic performance assessment procedure. Details are also given on deformation and internal force limits. 
In the fourth chapter of this thesis, the approaches for evaluating existing structures as outlined in the ASCE 41-17 Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings standard, prepared by the American Society of Civil Engineers in 2017, are discussed. Explanations are provided regarding the analysis methods used in seismic performance evaluation, the performance levels of structural and non-structural elements, building performance objectives, and seismic hazard levels.
In the fifth chapter of this thesis, the evaluation of the load-bearing system of the data center building under seismic effects is conducted. The subject of this study is an 8-story data center building with a reinforced concrete shear wall frame load-bearing system, located in the Ümraniye district of Istanbul. To determine the building's performance according to TBSC 2018 and ASCE 41-17 standards, a nonlinear time history analysis method was executed. To determine the material properties of the data center building, core samples were taken from various load-bearing elements, and removal of clear cover applied to identify the properties and placement of the reinforcement. In addition to that, scanning with a rebar scanner device was performed on the load-bearing elements to identify the reinforcement layout. Necessary tests were conducted on the core samples taken from the building, and the concrete compressive strength of the existing load-bearing system was determined accordingly. TBSC 2018 and ASTM E178 standards were utilized to determine the existing concrete compressive strength. Additionally, to gather more information about the building, the existing structural as-built projects were used. Based on the obtained information, a three-dimensional mathematical model of the structure was created using the ETABS structural analysis program, employing nonlinear behavior models. Considering the local soil conditions, seismic source mechanisms, and distances to faults for the building's location, 11 sets of earthquake records were selected and scaled according to the target performance ground motion level for use in nonlinear time history analyses. By rotating the orthogonal horizontal components of 11 sets of earthquake records by 90 degrees, 22 analyses were performed. The arithmetic means of the internal force and deformation demands on the load-bearing system elements resulting from these analyses were calculated to determine the deformation and internal force values for the evaluation. Additionally, the deformation and internal force capacities of the load-bearing system elements were calculated according to the guidelines specified by the seismic regulations. Subsequently, the shear capacity checks for brittle damage and the damage state evaluations for ductile damage of the structural load-bearing system elements were conducted. Following these, the information obtained about the performance conditions of the load-bearing system elements and the overall performance of the load-bearing system, as determined by the evaluation studies conducted under the TBSC 2018 and ASCE 41-17 regulations, is compared. After identifying the existing deficiencies in the load-bearing system, recommendations for strengthening were proposed to address these deficiencies and to ensure the structure meets the performance targets specified by the regulations.
In the final chapter of this thesis, a general evaluation of the conducted study is presented. Following the work carried out, the importance of seismic performance evaluation of buildings is emphasized. Based on these evaluations, several recommendations are provided to contribute to future studies in this field.