Mevcut Betonarme Bir Binanın Sismik Performansının Doğrusal Olmayan Dinamik Analize Değerlendirmesi

Abstract

Dünyada, yılda yaklaşık 17.000 kişi deprem felaketi nedeniyle hayatını kaydetmektedir. Bu sayıyı azaltmak yapıların, yer hareketlerine karşı dayanmaları için, deprem koduyla yapılmalarını gerektirir. Bu deprem kodlarının amacı zayıf binaların çökmesi nedeniyle oluşan yaşam kayıplarını en aza indirmektir. Dünyadaki her ülkenin, yapıları bu konuyla ilgili olarak analiz ve kontrol etmek üzere, bir deprem kodu vardır fakat bunların hepsi de yalnızca yapıların büyük deprem yüküne, yaşama kasteden bir hasar ve özellikle yapı çökmesi ya da büyük enkaz olmadan, direnç gösterebilmesi doğrultusundadır. Deprem yönetmeliği yayınlatan ilk deprem kodu Lizbon-Portekiz’de yasallaşmıştır. Sismik olarak Türkiye, dünyada deprem karşısında en tehlikeli olan ülkelerden biridir. Türkiye’nin çoğu, devasa Avrasya, Arabistan ve Afrika plakaları arasında ezilen bir alt-plaka, Anadolu tektonik plakası üzerinde oturmaktadır. Arap plakası Türkiye’yi kuzeye doğru iterken, Anadolu plakası saat yönünün tersi yönde hareket eder fakat Avrasya plakasına bağlı olarak, kuzeye hareket etmesi engellenir. Bu durum sismik sürtünmeye ve dağ oluşumuna neden olur ve Türkiye’nin en kalabalık büyük şehri ve birçok aktif faya komşu olan İstanbul’da depremler oluşturur. Kolombiya Üniversite’sindeki The Centre for International Earth Science Information Network (CIESN) (Uluslararası Yer Bilimi Bilgi Ağı Merkezi) İstanbul’u bir “çok yüksek” sismik hasar yerleşimi olarak kategorize eder. Ek olarak CIESN, İstanbul’u depremden doğacak ekonomik kayıp ve ölüm oranlarının en yüksek seviyesine koyar. Yapısal dinamikler, dinamik denge içindeki bir gövde ya da yapının araştırılması olarak düşünülebilir. Bu denge halinin matematiksel ifadesi hareket denklemidir. Statik denge denklemi yapının iç kuvvetleriyle dışarıdan uygulanan kuvvetler arasında dengeyi ifade ederken, hareket denklemi iç ve dış kuvvet terimlerinin eşitlik noktasını (ki bunlar statik denge denklemindekilerin aynısıdır) ve kütle eylemsizliğini ve sönümlenme etkisini ifade eder. Eylemsizlik terimi yer değiştirmenin zamana göre ikinci türevini, sönümlenme terimi ise birinci türevini kapsarken, hareket denklemi, sabit katsayılarla, ikinci dereceden diferansiyel bir denklemdir. Yapıyı analiz etmek için iki yöntem vardır. Birincisi, lineer statik analiz ve lineer dinamik analiz olarak bölünmüş olan, lineer analizdir. Lineer analizde, yapısal tepkinin lineer olduğu ve katılık matrisinin zaman boyunca değişmediği kabul edilir. Diğer yanda, çelik, zorlamadaki değişimlere rağmen gerilimin hemen hemen sabit kaldığı esneklik sınırına ulaştıktan sonra, belirli bir gerilime kadar (“orantılı limit” olarak adlandırılır) lineer olarak esnektir. Bu esneklik sınırının ötesinde, gerilim, akma sınırındaki dayanıklılığa oldukça yakın gerilimdeki bozulmaya kadar azalırken, zorlamayla (pekleşme) beraber tekrar maksimuma (nihai dayanıklılık, fult) yükselir. Çelik için bu çalışmada kullanılan elastik-kusursuz-plastik (EPP: elastik-perfectly-plastic) modeli gerilimin zorlamayla birlikte bozulma noktasına kadar lineer olarak değişeceğini ve bunun ötesinde sabit kalacağını kabul eder. Beton ve çeliğin ikisi de lineer olmayan materyaller olduklarından, RC’nin maddesel doğrusal olmayışı her ikisinin de karmaşık bir kombinasyonudur. Bunlar yaklaşık olarak RC tasarımı için Nihai Dayanıklılık Tasarımı (USD: Ultimate Strength Design) yöntemi içinde düşünülürler. Bu çalışmada, bunlar, seksiyonun parçalanmamış olduğu bir aşamayla (artan eğrilikle beraber seksiyonun bükülme momentinin azaldığı bir aşama) başlayıp bozulmaya doğru giden, rastgele bir RC seksiyonu için moment-eğrisi ilişkisini geliştirmek için kullanılmışlardır. Son on yıllardaki artışla, yüksek binaların ve gökdelenlerin inşası sismik tasarım süreçlerinde sismik direnç ve emniyet konuları bağlamında anlamlı gelişmeler ortaya koymuştur. Sismik analiz yapısal analizin bir alt seti ve depremlere maruz kalmış bir bina yapısının tepkisinin hesaplanmasıdır. Depremlerin hüküm sürdüğü bölgelerde, yapısal tasarım sürecinin bir parçasıdır. Depremin bir artçı dalgası vardır ve bu yüzden, binalar her yönden emniyete alınmalı ve sismik yüklere karşı ayrı ayrı analiz edilmelidir. İkinci yöntem ise deprem hızlanmasının ya da zorlamasının tüm deprem zamanlarında aynı olduğunun kabul edildiği lineer olmayan statik analize bölünmüş olan lineer olmayan analizdir. Bir yapının maddesel ve geometrik doğrusalsızlık ile incelenmesi lineer olmayan statik analizle yapılabilir. Bu yöntemde, depremin neden olduğu ve yapılara, belirli bir noktanın (hedef noktası) yer değiştirmesinin yanal zorlama altında belli bir miktara ulaşmasına ya da yapının yıkılmasına kadar, statik ve dereceli şekilde artarak uygulanan yanal yük, yanal kuvvet altında ya da yapının yıkılmasıyla belli bir miktara ulaşır. Bu yöntem sismik yük altındaki yapısal davranışın iyi bir tahminini sağlar ve çantada keklik yöntemi olarak bilinir. Lineer olmayan dinamik analiz yer hareketleri kayıtlarının kombinasyonunu ile ayrıntılı bir yapısal modelden yararlanır ve böylece, görece olarak düşük belirsizlikteki sonuçlar üretebilir. Lineer olmayan dinamik analizde, yer hareketi kaydına tabi tutulan ayrıntılı yapısal model, modeldeki her bir özgürlük derecesi için bileşen deformasyonlarının tahminlerini üretir ve model tepkiler karelerin-kare-kök-toplamı gibi planlar kullanılarak birleştirilir. Lineer olmayan analiz en kesin fakat aynı zamanda karmaşık bir yöntemdir çünkü girdi olarak çok fazla bilgiye ihtiyaç duyar ve analiz saatler alır. Bu yüzden, bu yöntem çok önemli yapılar için kullanılır. Lineer olmayan dinamik analiz için yer hareketi kayıtları ihtiyaçtır çünkü biz deprem hızlanmasını tahmin ediyoruz ve bu yapıları gelecekteki yer hareketi kayıtlarına karşı kontrol etmek istiyoruz. Bunun için yapay yer hareketi kayıtları kullanılmaktadır. Bu kayıtlar gerçek deprem kayıtlarından daha zorludur. Bir yapının lineer olmayan tepkisi deprem yer hareketi, rüzgâr basıncı, dalga hareketi, patlama, makine titreşimi ve trafikteki hareketler gibi farklı yükleme şartlarından kaynaklanıyor olabilir. Fakat bunların içinde deprem hareketi, yapıların tepkisi üzerinde en çok etkisi olandır ve bu nedenle, deprem sorunlarıyla bağlantılı olarak, lineer olmayan davranış üzerine daha fazla araştırma yapılmıştır. Yapıların lineer olmayan dinamik analizi eylemsiz kuvvetler, sönümlenme, zorlama oranı etkisi ve osilasyon (salınım) gibi bazı noktalarda lineer olmayan statik analizden farklıdır. Bu tezde, DRAIN-2DX programından faydalanan yedi farklı deprem kaydına konu olmuş ve kuvvetlendirilmiş bir beton yapının (KASIMPAŞA) lineer olmayan dinamik tepkisini değerlendirmek için bir çaba gösterilmiştir. Çalışmada, binanın yapısal performansı da araştırılmıştır. İkinci bölümde, ikisi de dinamik ve statik analizler için sınıflandırılmış olan lineer analizden lineer olmayan analize kadar farklı analiz yöntemleri tartışılmıştır. Her bir yöntemin, ikinci bölümde açıklanan, avantajları da dezavantajları da vardır. Üçüncü bölümde, lineer olmayan dinamik analiz metodolojisi tanımlanmıştır. Hareketin dinamik denkleminden başlayarak, bir binanın sismik yükler altında nasıl yer değiştirdiği gösterilmiş ve yapısal davranış modelleri tarif edilmiştir. Daha ötesi, üçüncü bölümde, RC unsurları için farklı histeretik davranış modelleri gösterilmiştir. Bu tezde kullanılmış olan lineer olmayan dinamik analiz bilgisayar programı DRAIN-2DX giriş bilgisinden başlayarak programın çıktısına ve gerekli bilgilerin kaydedilmesine kadar programın nasıl kullanılacağını tarif eder. Son bölümde, dört katlı bir binanın yapısal analizleri sonuçlarla birlikte gösterilmiştir. Lineer olmayan dinamik analiz boyunca tasarım spektrumu ile uyumlu 7 adet simüle edilmiş deprem hareketi kullanılmıştır. Yapısal tepkiler hesaplanmış ve yapısal sistemin performansı değerlendirilmiştir. Kasımpaşa binası İstanbul’dadır ve lineer olmayan dinamik analize tabi tutulmuştur. Bu yapıyı analiz etmek için yedi farklı yer hareketi kaydı kullanılmış ve sonra 2007 Türkiye kodu ile, elemanlar hasar zonu tanımlanmış ve kesme kuvveti ve binanın yer değiştirmesi 1975 deprem koduyla kontrol edilmiştir çünkü bina 1979 yılında inşa edilmiştir ve bu kodla analiz edilmesi gerekmektedir. Sonuç olarak, bazı unsurlar (kolon ve kirişler) yıkılma hasar zonunda olduğundan bu binanın kullanılmadan önce güçlendirilmesi gerekmektedir.

Annually more than 17000 individuals are losing their life due to earthquake disaster in the world. For decreasing this number, structures must be performed by earthquake code to be designed for withstanding against ground motion. Aim of this earthquake codes are to minimize loss of life due to the collapsing the yielding building. Every country in the world has an earthquake code which analyzed and check structures with that but all of them are intend that structures resist large earthquake loading without life-threatening damage and specially without structure collapse or creation of large, heavy failing debris hazard. First earthquake code that had published building regulation enacted in Lisbon, Portugal. Turkey is one of the most hazard locations accordance to earthquake in the word. Most of Turkey settles on the active faults same as Anatolian tectonic plate. Since 80 years, 12 important earthquake was happened in Turkey that took lots of human life. Turkey is a historically place and most of structures are old so this structures must be analyzed and check that this building can be tolerance ground motion force. For analyzing the structure there are two methods. First is linear analysis that is divided to linear static analysis and linear dynamic analysis. In linear analysis, structural response is assumed that is linear and stiffness matrix does not change over the time. But with improving technology, it is cleared that structural behavior is not linear and go to nonlinearity against ground motion forces. Second method is nonlinear analysis that divided to nonlinear static analysis which a pattern of force is applied to a structural model that includes nonlinear properties. Total force against target displacement variation to define capacity curve-combined with a demand curve (typically in form ADRS) which cause the problem to single degree of freedom and nonlinear dynamic analysis that is a mathematical model directly incorporating the nonlinear load-deformation characteristics of individual represented by ground motion time histories. Nonlinear dynamic analysis is the most precise method but it is a complex method too because it needs a lots of information as input and take lots hours for analyzing so this method is used just for very important structures. For nonlinear dynamic analysis ground motion records are need but because we predict earthquake acceleration and we want to check this structures against future ground motion records, artificial ground motion records are used. This records are tougher that real earthquake records. In this thesis, different analysis methods are explained and then Kasimpasa building that is located in Istanbul is performed by nonlinear dynamic analysis. For analyzing of this structure, seven different ground motion records are used and then elements damage zone were defined by 2007 Turkish earthquake code and shear force and displacement of this building had been checked with 1975 earthquake code because this building was built in 1979 and it must be analyzed with this code. In conclusion, because some of elements (columns and beams) are located in collapse damage zone so this building must be retrofitting before usage.