Betonarme Yapıların Taşıyıcı Sistem Seçiminde Perde Yerleşiminin Davranışa Etkisi

Abstract

Bir yapının devamlılığı olan işletme yükleri ve sürekliliği olmayan çeşitli yükler altında belli bir performans seviyesinde davranış gösterebilmesi hayati önem taşır. Yapı davranışının şekillenmesinde en büyük etkenlerden biri teşkil edilen taşıyıcı sistemin özellikleridir. Dünyadaki ve ülkemizdeki birçok yönetmelik bu konuda mühendislere yol gösterici olmakla beraber sağlıklı bir taşıyıcı sistem teşkili için yapı mühendisine büyük görevler düşmektedir. Bu tez çalışmasında konut amaçlı kullanılacak bir mimari plan için farklı perde kullanımı içeren 5 farklı taşıyıcı sistem önerilmiş olup, bu taşıyıcı sistemlerde kullanılan perde çeşitliliğinin özellikle deprem kuvvetleri altında yapıda şekil ve yer değiştirmeleri ne oranda değiştirdiği, kesit zorlarında ve tasarımda baz alınacak dizayn kuvvetlerinde nasıl farklılıklar yarattığı araştırılmıştır. Çalışmaya konu olan yapı 1 bodrum ve 9 normal kattan oluşmakta olup, kat yüksekliği 3 metredir, kat oturum alanı ise 385 m2’dir. Yapı 1. derece deprem bölgesinde olup, konut amaçlı kullanılacaktır. Tasarım için TS 498-1997 “Yapı Elemanlarının Boyutlandırılmasında Alınacak Yüklerin Hesap Değerleri”, TS500-2000 “Betonarme Yapıların Tasarım ve Yapım Kuralları” ve DBYBHY-2007 “Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik” yönetmelikleri göz önüne alınmıştır. Yapının analiz ve tasarımı için CSI Berkeley SAP2000(Structural Analysis Program) ve CSI Column adlı programlar kullanılmıştır. Taşıyıcı sistemin matematik modeli oluşturulurken kolon ve kirişler çubuk eleman, perde ve döşemeler ise sonlu eleman ağı ile oluşturulan shell eleman olarak modellenmiştir. Sonlu elemanlara bölünen döşemelere her katta rijit diyafram atanarak kayma çerçevesi kabulü matematik modelde sağlanmıştır. Eşdeğer deprem yükü deprem kuvvetleri elle hesap yapılarak bulunan kat yatay kuvvetleri rijit diyaframlara etkitilmiş olup, kat kütleleri de ayrıca hesaplanarak SAP2000 programına tanıtılmıştır. Kolon, kiriş ve perde boyuna donatıları SAP2000 ve Column programları vasıtasıyla tayin edilmiş olmakla beraber, enine donatıları ise sünek eleman şartlarını da dikkate alarak Excell ortamında hesaplanmıştır. DBYBHY’de yer alan güçlü kolon zayıf kiriş ve düğüm noktası kesme dayanımı kontrolleri yine Excell ortamında kontrol edilmiştir. Yapıların çözümü için izlenen yolda, öncelikli olarak yapı için kullanılacak malzemeler seçilmiştir, burada yapı için C30 beton ve ST420 yapı çeliği kullanılmasına karar verilmiştir. Ardından yapı için var olan mimari planla uyumlu olarak ve çeşitli yapı davranışlarını gözlemleyebileceğimiz şartların oluşmasını da dikkate alarak 5 farklı taşıyıcı sistem teşkil edilmiş ve düşey işletme yükleri için ön boyut hesapları yapıldıktan, sonra sonuç olarak tasarım aşamasında nihai hesapları yapılacak farklı kütle ve rijitliklerde, dolayısıyla birbirinden tamamen bağımsız 5 farklı yapı elde edilmiştir. Yapı karakteristiğini oluşturan kütle ve rijitlik matrisleri tamamen farklı olan bu yapılar mod analizi vasıtasıyla yapı karakteristik periyotlarına ulaşılmasının ardından, Eşdeğer Deprem Yükü yöntemi için statik analiz ve Mod Birleştirme yöntemi için dinamik analiz yapılmıştır. Bu hesapların sonuçları irdelenmiş olup; yapı düzensizlikleri, ikinci mertebe etkileri, yapı davranış ve elastik deprem yükü azaltma katsayıları gibi birçok çıktı elde edilip yapılar arasında karşılaştırma yapma şansına ulaşılmıştır. Analiz aşamasının ardından DBYBHY’ye göre yapı düzensizlikleri kontrol edildikten sonra, seçilen kombinasyonlarla kesitlerde oluşan en olumsuz kesit zorları altında sistemin birinci kat kolon, kiriş ve perdelerinin kesit hesaplarına geçilmiş olup bu elemanlar için bütün gerekli kesit hesapları yapılarak, gerekli enine ve boyuna donatı miktarlarına ulaşılmıştır. Bunun ardından da güçlü kolon zayıf kiriş ve kesme kuvveti tasarım ilkeleri her yapı için tahkik edilerek hesaplar tamamlanmıştır. Son olarak bütün çıktılar karşılaştırılarak taşıyıcı sistemlerde farklı perde kullanımının yapıda nasıl sonuçlar doğurduğu üzerinde çıkarımlarda bulunulmuştur.

A structure must be both sustainable and economical and it must fulfill some performance levels in both vertical service loads and horizontal earthquake loads, earth pressure loads etc. This obligation has critical importance for life safety. Behavior of structure is very important for the performance level of the structure under effects of the earthquake loads. Behavior of the structure mostly depends on the geometry of the structure’s load bearing system and material of the structure. Miscalculated and bad organized load bearing systems can not behave stabile under earthquake loads. The object of this thesis about effect of the load-bearing system’s geometry to the behavior of the structure. In this dissertation 5 different load bearing system by the terms of geometry of the concrete shear walls was chosen for one structure. Five different structure was analyzed and section designed. At the end of the dissertation outputs were examined and try to find answers of questions such as what is the effect of the geometry of the walls to behavior and section design. How much it affects numerically what relationship about them. In analyses and section design phases Turkish regulations were chosen as a guide which are TS 498-1997 “Design loads for”, TS500-200 “Requirements for design and construction of reinforced concrete structures”, DBYBHY-2007 “ Turkish seismic design code”. In analysis case P-Delta effects were ignored, structural material were chosen linear-elastic and linear analysis were made. Columns and walls were assumed that they were braced the surface rigidly. Structural analysis program CSI Berkeley SAP2000 V15 is used for 3D structural modeling and analysis phases. In creating the three dimensional model of the building, beams and columns are defined as frame elements while shear walls and slabs are defined as shell elements. With the assumption of floor diaphragms are fully rigid, rigid diaphragms are assigned to the joints at each floor level. Effective beam widths are calculated as per TS 500 code and beam section properties are defined manually. Section design program CSI Column was used for calculations of the longitudinal rebar of the columns, shear and longitudinal rebar design of the beams and also shear design of the columns were made manually. Introduction of the building considered in the study is presented in a separate chapter. The building considered in analysis is a multistory reinforced concrete residential building which consists of rigid frames and shear walls. Building has one rigid basement, one ground floor and 8 typical floors. All stories have three meters of height. Building is assumed to be constructed in a high seismicity region considered regulation which is DHYBHY(Turkish Seismic Design Code) in which the building is expected to experience destructive ground shaking. Slab system of the structure is a two-way, beam-supported system. Design of this slab system is only made according to TS 500 code. Turkish Regulations are taken into consideration for calculating service loads, determining column sizes and the estimation of the weight of the structure in the analysis. In start of the analyze phase service loads were chosen intended use of the structures, after the loads choose pre section design were made for slabs, columns and beams. After the pre design phase modal analyze were run for the structures, at the end of the modal analyze, important characteristic properties of the structures were obtained such as spectral acceleration factor, mode shapes, periods etc. In analyze and design phases according to the regulations considered, the calculations of the equivalent seismic load method and the mode superposition method were performed separately. Structural irregularity checks which require the calculation of story drifts are performed under the equivalent seismic load method acting with %5 accidental eccentricities for Turkish seismic code. The amplified story drifts and the second order effects are checked for each of the three regulations under the equivalent seismic load acting with %5 accidental eccentricity. No violations have been encountered during the checks. The longitudinal reinforcement and shear rebars for the beams, columns and walls of first floor ceiling were calculated. The amount of total reinforcement and the reinforcement cost of one story have been calculated. After the reinforcement calculations ductility rules were checked. Column beam capacity ratio 6/5 design rule and column-beam nodal point shear capacity controls checked. No violations have been encountered during the checks. At the end of the dissertation all outputs compared each other for all 5 systems and achieved some evidence about the effect of wall geometry to, behavior of structure and relation between the sheer walls. More rigid and heavier systems exposure more earthquake loads. Wall geometry; don’t affect the amount of earthquake loads, weight and total cross-sectional area of columns and walls directly affect the earthquake loads. From the observation of the outputs results of the response spectrum analyze and equivalent earthquake load methods were bit different by the terms of wall behavior. Maximum and average story drifts are depend on the total cross-sectional area of columns and walls then the wall geometry, L or I shape or the placement are less important for the story drifts. Structures even symmetric are under the risk of torsion under the earthquake loads, but L shear walls which are at the corners, prevent torsion, even systems which have less column and wall cross-sectional area. Torsion affects of the stories are related with geometry and placement of the walls then the total cross-sectional area of columns and walls. Cross Sectional calculations for walls shows that the wall behave and performance can be affected negative from additional neighbor walls, especially in ductile sheer walls design. In ductile deign even earthquake shear loads were decreased for a wall. Wall’s ductile design sheer forces have increased. One of the reasons of this situation is incensement of the moment capacity because of the decreasing of axial load of the wall. Close placement of walls cause the decrease of the axial load and it cause the incensement of the moment capacity in the interaction surface add to this if the design moment of the walls decrease, it cause the increase of the wall’s ductile shear design force too. In conclusion wall geometry and placement efficiently affect the story torsions, ductile sheer design forces and affect less to total earthquake force and story drifts.