4 katlı bir okul binasının burkulması önlenmiş çaprazlar kullanımı yöntemiyle ve sismik izolasyon yöntemiyle Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018'e göre analizi

Abstract

Yapısal tasarımda günümüzde gerçekleşen özellikle ülkemizde deprem etkisini görmüş ve olumsuz sonuçlarını incelemiş oluyoruz. Ancak, uygun zemin parametreleri ve yönetmeliklere uygun kesitlerde kullanıdığında herhangi bir hasar oluşmadığını görmekteyiz. Tasarıma ilave olarak deprem yönetmeliğimizde yer alan kesintisiz kullanım, sınırlı hasar, kontrollü hasar ve göçmenin önlenmesi gibi bina performans hedefleri ile yola çıkıldığını da gözardı etmemek gerekir. Bu neticede deprem kuvvetlerinin etkisini sismik izolasyon birimleri ve burkulması önlenmiş çaprazların kullanımı ile azaltarak hem betonarme hem de çelik yapılarda yüksekliğine ve sünekliğine bağlı da değişmektedir. Bu tür yalıtım birimleri ve sönümleyiciler üretim firmaları tarafından özenle çekme ve basınç testlerinden geçerek kesit özellikleri ile tasarımda uygulanmaktadır. Bu çalışmanın amacı 4 katlı bir okul binasının hem burkulması önlenmiş çaprazlar kullanımı hem de deprem yalıtım birimlerinin kullanımını yöntemiyle analiz edilip bina dayanım ve maliyet açısından sonuçların karşılaştırılmasıdır. Ek olarak, tasarım ETABS v20 yazılımı ile iki farklı model oluşturarak incelenmiş olup aynı deprem kuvvetleri ve aynı düşey yüklerin girilmiştir. Burkulması önlenmiş çaprazların kesitleri ve kurşun çekirdekli deprem yalıtım birimlerinin çapları kataloglardan seçilerek yay ve çubuk eleman olarak tasarımda kullanılmıştır. Deprem yalıtım birimlerinin günümüzde kullanımı yaygınlaşan özellikle hastane, kamu binaları ve okul gibi depremden sonra sürdürülebilirliği önemli olan bu tür binalarda kullanımı zorunludur. Ayrıca deprem yalıtım birimleri dışında sönümleyici çeşitleri de deprem kuvvelerini azaltmak için zamanla ortaya çıkmıştır. Deprem yalıtım birimleri de uygun şartlarda üretilmekte ve testleri tamamlanan kauçukların aralarında çelik plakalar eklenmesi ile düşey yükler altında rijitlik kazandırır. Aynı zamanda deprem yalıtım birimleri deprem kuvvetleri altında bina periyotunu arttırarak taşıyıcılara gelen deprem ivmelerini azaltmayı amaçlayarak hasarı önlemektedir. Kullanılması gereken yapıda sismik cihazların sönümleme, yeniden merkezleme, yalıtım ve düşey yüklerin gözönüne alınarak seçilmesinde fayda vardır. Bina sınıfı ve bina kullanım türüne göre seçilmesi uygun olacaktır. Bu çalışmada bir okul binası için kurşun çekirdekli deprem yalıtım birimi kullanımı 'LRB'mesnetli tasarımda kullanılmıştır. Özellikle deprem yalıtım uygulamak için kullanılabilecek kurşun çekirdekli elastomer ve eğri yüzeyli sürtünmeli yalıtım birimleri yaygın olarak tercih edilmektedir. Kurşun çekirdekli elastomer cihazları detaylandırmak gerekirse, parça katmanlı kauçuk malzeme ve çelik plakalar, çekirdek bölümünde yer alan kurşun ile ve cihaz bileşenlerinin dış ortamla temasını kesmek ve yangın durumları için özel kaplama tabakası kullanılmaktadır. Tüm bunları alt ve üstten bir sandviç gibi arasına alan ve bağlantısını sağlamaya yarayan flanş plakaları ankrajlanarak üstyapı ile altyapı bağlantısını oluşturmaktadır. Ek olarak, ankrajların çaplarını ve malzeme sınıfını deprem yalıtım birimi ile uygun olacak şekilde seçilmeli ve depremde gelen kesme kuvvetlerine göre seçilmesinde fayda vardır. Sönümleme özelliğini kurşun çekirdek ile karşılayarak tasarlanan bu cihazlar katmanlı kauçuklar ise yeniden merkezleme özelliğine sahip olarak üretilmektedir. Aynı zamanda kurşun çekirdekli elastomer yalıtım tipindeki cihazlar zamanla yorulma, sünme, sıcaklık ve kullanıldığı konuma göre rüzgar ve nem etkilerini minimize etmek amacıyla tasarlanmaktadır. Kurşun çekirdekli elastomer cihazlar mekanik özelliklere sahip olup bu mekanik özellikleri hesaplanırken deprem kuvvetlerinde cihazda oluşan deplasman değerlerine göre önemli faktörlerinden biridir. Bunun sonucunda tasarımda kullanılacak olan cihazı belirlerken katalogdan uygun cihazla hesap sürecine girerek üstyapı kesitlerini analiz edildiğinden cihaz ve deprem kuvvetlerinin binanın deplasmanlarını uygun koşula gelene kadar deneme yapılmaktadır. Uygun kurşun çekirdekli elastomer cihazın seçilmesiyle tasarımı sonuçlandırmak için zaman tanım aralığında doğrusal olmayan hesap yöntemi kullanılmaktadır. Burkulması önlenmiş çaprazların günümüzde ülkemizde kullanımı deprem yalıtım birimleri gibi kullanımı yaygın değildir. Ancak son dönemlerde test merkezleri ve üretim firmalarının ortaya çıkmasıyla tercih edilme noktasındadır. Özellikle burkulması önlenmiş çaprazların kullanımının yaygınlaşmasının en önemli sebeplerinden biri geleneksel(konvansiyonel) çelik çaprazların çekme ve basınç kuvvetlerinin aynı performansını vermemisidir. Burkulması önlenmiş çaprazlar basınç kuvvetleri altında ise burkulmadan aktığı için çekme ve basınç kuvvetleri altında aynı performansı veren bir üniform histretik (çevrimsel davranış) grafiğine sahiptir. Aynı zamanda burkulması önlenmiş çaprazların yapı tasarımında tek açılı diyagonal ve ters V çapraz yaygın olarak kullanılmaktadır. X çaprazlarda kullanımı ise kat kirişlerinde yine V çapraz tamamlanacak şekilde kullanılmasına dikkat edilmelidir. Ek olarak, bu çaprazların birleşim bölgelerinde cıvatalı, kaynaklı ve pinli bağlantı olarak 3 tip bağlantısı mevcuttur. Bu çalışmada cıvatalı bağlantı tercih edilmiş olup CoreBrace kataloglarında kat yüksekliği ve aks açıklıklarına uygun kesitler seçilerek sertleştirme katsayıları modelde çubuk eleman tasarımında yer alarak hesaplanmıştır. Burkulması önlenmiş çaprazları detaylandırmak gerekirse, malzeme dayanımı ve çelik çekirdek kesitlerinde CoreBrace katolaglarında %2 göreli kat ötelenmesine izin verilen çaprazlar ile detaylandırılmaktadır. Burkulması önlenmiş çaprazların bölümleri ise çelik çekirdek, beton (mortar-harç vb) çevrelerken, uç bölgelerinde elastik bölgeler ve rijit uç plakaları ile birleşim bölgeleri oluşuracak şekilde tanımlanabilir. Aynı zamanda iç çekirdek plaka ya da profil ile sürtünmeyi engelleyici malzeme ve hava boşluğu da bulundurulması ile sürtünmeden kaynaklı oluşacak olumsuzluklar için ayırıcı malzeme kullanımı da dikkat edilmesi gerekmektedir. Ek olarak çaprazlarda akma bölgelerinin boyunu kısaltma veya uzatma sistem davranışına göre uç bölgelerinde plastik mafsal tanımlanarak yapılabilinir. TBDY-2018'e göre hesap modelleri kurulurken yalıtım birimlerinin doğrusal olmayan davranış olarak modellenmesi, altyapı ve üstyapı elemanlarının doğrusal elastik olarak tasarlanırken burkulması önlenmiş çaprazlar da ise sadece deprem (yatay)kuvvetlerini karşılayarak düşey yüklerde ana çerçevelerle karşılanması sağlanmıştır. Bu çalışmada TBDY-2018'de tanımlanan üç hesap yöntemine göre, Etkin Deprem Yükü Yöntemi, Mod Birleştirme Yöntemi ve Zaman Tanım Alanında Doğrusal Olmayan Hesap Yöntemi'den Zaman Tanım Alanında Doğrusal Olmayan Hesap Yöntemi kullanarak tasarımı yapılmıştır. Modellemeler öncelikle, ankastre mesnetli yerinde dökme betonarme bir okul projesi tasarlandıktan sonra aynı özellikte kesit taşıyıcıların ele alnması ile yapının burkulması önlenmiş çaprazlar ile hem de her kolon altında deprem yalıtım birimleri kullanımı yönteminin karşılaştırılması yapılmıştır. Bina taşıyıcı sistemi moment aktaran betonarme çerçevelerin Mod Birleştirme Yöntemi Kullanarak yapılıp düşey yükler, deprem yükleri ve kar yükü gözönüne alınarak modellenmiştir. Betonarme elemanların analizi TBDY-2018 süneklik düzeyi yüksek moment aktaran betonarme çerçeveler tasarımı ile yapılmıştır. Sonucunda kolonlar da 2 tip 70x70 cm2 ve 60x60 cm2 ebatlarında kare enkesitli olup kirişlerde özellikle düşey çaprazların olduğu kirişler 40x70 cm2 iken çekirdek bölgede ana katlarda 40x60 cm2 kare enkesitli kirişler de tercih edilmiştir. Bina tasarımı, burkulması önlenmiş çaprazlar ve deprem yalıtım yöntemiyle yapılmış olup, BRB için 70 cm'lik radye temel modellemesi, LRB tasarımı için ise 100x100 cm2 plint(kaide) ve 60 cm kalınlığında izolasyon döşemesi modellenerek hesaplar yapılmıştır. Ayrıca yalıtım cihazların rijitlik katsayıları da girilerek doğrusal olmayan özelliklere sahip "link" elemanlar ile binadaki tüm elemanlar doğrusal olarak çubuk eleman olarak modellenmiştir. Üstyapı elemanları için hesap yapılırken DD-2 deprem yer hareketi düzeyinde yalıtım birimlerine ait parametrelerin üst sınır değerleri, yalıtım birimleri için hesap yapılırken ise DD-1 deprem yer hareketi düzeyinde yalıtım birimlerine ait parametrelerin alt sınır değerleri kullanılmıştır. Uygun kurşun çekirdekli deprem yalıtım birimi seçiminde, burkulma yükü sınır değerlere göre eksenel kuvvetlerin gözönüne alınması ile özellikle büyük kesitler kullanıldığında kolonların analizinde tasarım oranları kapasitelerini geçmektedir. Bu yüzden hem BRB hem de LRB tasarımında kolon ve kiriş kesitlerine uygun elemanların seçilmesi gerekmektedir. Modal analizi sonucunda yapı periyotlarını karşılaştırdığımızda, ankastre mesnetli bina periyotlarının X ve Y yönleri için sırasıyla 1.190 s ve 1.145 s olduğu ve 1.4TpA bina hâkim titreşim periyodunu geçmediği görülmüştür. LRB link tasarımında bina periyotlarının DD-2 depreminde yalıtım birimi parametrelerinin üst sınır değerleri için 1.742 s ve 1.716 s olduğu, ayrıca LRB link tasarımında bina periyotlarının DD-1 depreminde yalıtım birimi parametrelerinin alt sınır değerleri alındığında X ve Y yönü için sırasıyla 2.025 s ve 2.005s olduğu görülmektedir. Tasarım sonuçları neticesinde, LRB tasarımın bina tasarımında üstyapı elemanlarının boyutlarının değişmediği, BRB tasarımında ise enerji sünekliği ve deprem kuvvetlerini çaprazlar ile karşılandığı düşünüldüğünde kesitlerin tasarım oranların azaldığı görülmektedir. Bu çalışmada taşıyıcı sistem davranışlarının ankastre mesnetli sistemde (R=8), BRB için (R=8), LRB için ise (R=1.2) alınması tasarım spektrum ivme değerlerinde büyük ölçüde farklılıkları ortaya çıkarmıştır. Bu doğrultuda göreli kat ötelenmelerinde hem Kesintisiz Kullanım hem de Kontrollü Hasar performans hedeflerinin sınır değerlerini geçmediği irdelenmiştir. Sonuç olarak, bu çalışma kat kesme kuvevtleri ve göreli kat ötelemelerine göre sınır değerleri geçmediğini ve taşıyıcı elemanların yeterliliklerini farklı yöntemler ile göstermektedir.

In structural design, we have seen the earthquake effect especially in our country today and examined its negative results. However, we see that no damage occurs when used in sections that are suitable for appropriate ground parameters and regulations. In addition to the design, it should not be ignored that the building performance targets such as uninterrupted use, limited damage, controlled damage and collapse prevention, which are included in our earthquake regulations, were set out. As a result, the effect of earthquake forces is reduced by the use of seismic isolation units and buckling restrained brace, and it also varies depending on the height and ductility in both reinforced concrete and steel structures. Such isolation units and dampers are carefully applied in the design with their sectional properties by undergoing tensile and pressure tests by production companies. The aim of this study is to analyze the use of both buckling restrained braces and earthquake isolation units of a 4-storey school building and to compare the results in terms of building strength and cost. In addition, the design was examined by creating two different models with ETABS v20 software and the same earthquake forces and the same dead and live loads were entered. The cross-sections of the buckling restrained braces and the diameters of the lead core earthquake isolation units were selected from the catalogs and used in the design as spring and frame elements. Earthquake isolation units are used widely today, especially in hospitals, public buildings and schools, where sustainability is important after an earthquake, and their use is mandatory. In addition to earthquake isolation units, damper types have also emerged over time to reduce earthquake forces. Earthquake isolation units are also produced under suitable conditions and provide rigidity under dead and live loads by adding steel plates between the rubbers whose tests have been completed. At the same time, earthquake isolation units aim to reduce earthquake accelerations on carriers by increasing the building period under earthquake forces and prevent damage. It is useful to select seismic devices in the structure where they are to be used, considering damping, re-centering, insulation and dead loads. It would be appropriate to select them according to the building class and building usage type. In this study, lead core seismic isolation unit was used in the design of ' LRB' for a school building. Especially, lead core elastomer and curved surface friction isolation units that can be used for earthquake isolation are widely preferred. If we need to detail the lead core elastomer devices, part layered rubber material and steel plates, lead in the core section and a special coating layer is used to prevent the contact of the device components with the external environment and for fire situations. All of these are sandwiched between the top and bottom and flange plates that provide the connection are anchored and form the infrastructure connection with the superstructure. In addition, the diameters and material class of the anchors should be selected in accordance with the earthquake insulation unit and it is beneficial to select them according to the shear forces in the earthquake. These devices, designed to meet the damping feature with the lead core, are produced with layered rubbers having the feature of re-centering. At the same time, devices in the lead core elastomer insulation type are designed to minimize the effects of fatigue, creep, temperature and wind and humidity depending on the location where they are used. Lead core elastomer devices have mechanical properties and these mechanical properties are one of the important factors when calculating the displacement values occurring in the device in earthquake forces. As a result, when determining the device to be used in the design, the calculation process is carried out with the appropriate device from the catalogue and the superstructure sections are analyzed, and the device and earthquake forces are tested until the displacements of the building are in the appropriate condition. In order to finalize the design by selecting the appropriate lead core elastomer device, a nonlinear calculation method is used in the time domain. Buckling restrained braces are not widely used in our country today as earthquake isolation units. However, with the emergence of test centers and production companies in recent years, they are at the point of preference. One of the most important reasons for the widespread use of buckling restrained braces is that traditional (conventional) steel braces do not provide the same performance in tensile and compressive forces. Since buckling restrained braces flow without buckling under compressive forces, they are a uniform structure that provides the same performance under tensile and compressive forces. It has a hysteretic (cyclic behavior) graph. At the same time, single-angle diagonal and inverted V braces are widely used in the structural design of buckling-restrained braces. When used in X braces, care should be taken to ensure that the V cross is completed in the floor beams. In addition, there are 3 types of connections in the joint areas of these braces: bolted, welded and pinned. In this study, bolted connections were preferred and sections suitable for floor height and axis clearances were selected from the CoreBrace catalogs and stiffening coefficients were calculated by including them in the bar element design in the model. To detail the buckling restrained braces, material strength and CoreBrace in steel core sections In their catalogs, it is detailed with braces that are allowed 2% relative storey drift. The sections of the braces that are restrained from buckling can be defined in such a way that while the steel core, concrete (mortar etc.) surrounds, elastic zones and rigid end plates are formed in the end zones and joint zones are formed. At the same time, it is necessary to pay attention to the use of separating material for the negativities that will occur due to friction with the inner core plate or profile and the presence of friction preventing material and air gap. In addition, shortening or extending the length of yield zones in braces can be done by defining plastic hinges in the end regions according to the system behavior. While establishing calculation models according to TSBC-2018, modeling of insulation units as non-linear behavior, designing infrastructure and superstructure elements as linear elastic, while preventing buckling, braces are provided to resist only earthquake (horizontal) forces and to resist vertical loads with main frames. In this study, according to the three calculation methods defined in TSBC-2018, the design was made using the Equivelent Earthquake Load Method, Modal Superposition Method and Time History Analysis Method from the Time History Nonlinear Analysis Method. First of all, after designing a cast-in-place reinforced concrete school project with fix base design, the modeling was made by comparing the method of buckling restrained braces the structure with the cross-sectional carriers of the same properties and the use of earthquake isolation units under each column. The building carrier system was modeled by using the Modal Superposition Method of reinforced concrete frames that transfer moment and considering vertical loads, earthquake loads and snow load. The analysis of reinforced concrete elements was made with the TBDY-2018 high ductility level moment transferring reinforced concrete frames design. As a result, the columns have square cross-sections of 2 types, 70x70 cm2 and 60x60 cm2, and while the beams, especially the ones with vertical cross-sections, are 40x70 cm2, 40x60 cm2 cross-section beams are also preferred in the main floors in the core area. The building design was made with buckling restrained braces and earthquake isolation method, 70 cm raft foundation modeling for BRB and 100x100 cm2 for LRB design plint (pedestal) and 60 cm thick insulation slab were modeled and calculations were made. In addition, the rigidity coefficients of the insulation devices were entered and all elements in the building were modeled linearly as rod elements with "link" elements having nonlinear properties. While calculating for the superstructure elements, the upper limit values of the parameters belonging to the insulation units at the DD-2 earthquake ground motion level were used, while calculating for the insulation units, the lower limit values of the parameters belonging to the insulation units at the DD-1 earthquake ground motion level were used. In the selection of the appropriate lead core earthquake insulation unit, the axial forces are taken into consideration according to the buckling load limit values, and especially when large sections are used, the design ratios exceed their capacities in the analysis of the columns. Therefore, it is necessary to select elements suitable for column and beam sections in both BRB and LRB designs. When we compare the building periods as a result of modal analysis, it is seen that the periods of the fix base building are 1.190 s and 1.145 s for X and Y directions, respectively, and do not exceed the 1.4TpA building period. In the LRB link design, it is seen that the building periods are 1.742 s and 1.716 s for the upper limit values of the insulation unit parameters in the DD-2 earthquake, and in the LRB link design, it is seen that the building periods are 2.025 s and 2.005 s for X and Y directions, respectively, when the lower limit values of the insulation unit parameters are taken in the DD-1 earthquake. As a result of the design results, it is seen that the design ratios of the sections decrease when the dimensions of the superstructure elements are not changed in the building design of the LRB design, and in the BRB design, it is considered that the energy ductility and earthquake forces are resisted by braces. In this study, taking the behavior of the carrier system in the fix base system (R=8), for BRB (R=8), and for LRB (R=1.2) revealed significant differences in the design spectrum acceleration values. In addition, it was examined that both the Immediate Occupancy and Controlled Damage performance targets did not exceed the limit values in relative story drifts. As a result, this study shows that the limit values were not exceeded according to the story shear forces and relative story drifts and capacities of elements with different methods.