1975 Türk Deprem Yönetmeliği’ne Göre Boyutlandırılmış Bir Okul Binasının Deprem Performansının Belirlenmesi Ve Güçlendirilmesi

Abstract

Büyük depremler altında yapılar önemli hasarlar görebilmekte ve bu hasarlardan dolayı toptan veya yerel göçmeye kadar gidebilmektedirler. Bu göçmeler ve hasarlar sonucu hem can kaybı hem de ekonomik kayıplar olmaktadır. Dolayısıyla yeni yapılacak yapıların depreme karşı güvenli tasarlanması ve mevcut yapıların deprem güvenilirliğinin belirlenmesi önemli bi husustur. Ülkemizdeki yapı stoğu düşünüldüğünde çok büyük bir kısmı betonarme yapıdır ve bir çoğu da eski teknikler ile inşaa edilmiştir. Bu yüzden mevcut yapı stoğunun çoğunun depreme dayanıksız olduğu bilinmektedir. Tasarım ve değerlendirme aşamasında, kuvvet esaslı ve yerdeğiştirme esaslı olmak üzere iki yaklaşım mevcuttur. Yapılan çalışmalar göstermiştir ki, şiddetli depremler etkisinde yapılarda doğrusal olmayan davranış meydana gelmekte ve büyük yerdeğiştirmelerden dolayı hasarlar oluşmaktadır. Yani deprem etkisinde yapılarda oluşan hasarlar büyük yerdeğiştirmelerden kaynaklanmaktadır. Bu yüzden son zamanlarda yerdeğiştirme esaslı tasarım yaklaşımı tercih edilmekte ve rağbet görmektedir. Yerdeğiştirme esaslı tasarım yaklaşımı ile deprem güvenilirliğinin belirlenmesinde daha doğru sonuçlar elde edilebileceği düşünülmektedir. Yerdeğiştirme esaslı tasarım ve doğrusal olmayan davranışın hesaplarda dikkate alınması ile birlikte Performansa Dayalı Tasarım yöntemi kullanılmaya başlanmıştır. Buna göre herhangi bir depremde taşıyıcı eleman kesitlerinde oluşacak şekildeğiştirmeler elde edilir ve bu şekildeğiştirmeler ile elemandaki hasar sınırları belirlenir. Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik (DBYBHY) 2007‟de Mevcut Binaların Değerlendirilmesi ve Güçlendirilmesi başlıklı bir bölüm bulunmakta bu bölümde performansa dayalı tasarım yaklaşımı önerilmektedir. DBYBHY 2007‟de başlıca Doğrusal Elastik Hesap Yöntemi ve Doğrusal Olmayan Hesap Yöntemleri önermektedir. Doğrusal Elastik Hesap Yöntemi kuvvet esaslı bir yaklaşım iken Doğrusal Olmayan Hesap Yöntemleri yerdeğiştirme esaslı bir yöntemdir. Doğrusal Olmayan Hesap Yöntemleri statik ve dinamik olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Statik yöntem İtme Analizi olarak da isimlendirilirken dinamik yöntem Zaman Tanım Alanında Hesap yöntemidir. Bu çalışmada, 1975 deprem yönetmeliğine göre tasarlanmış betonarme çerçeveli bir okul binasının deprem performansı incelenmiştir. Bina Zemin + 2 normal kat olmak üzere toplam 3 kattan oluşmakta ve simetrik bir yapıya sahiptir. Performans değerlendirme yöntemi olarak, DBYBHY 2007‟nin öngördüğü koşulları da sağlaması nedeniyle Doğrusal Olmayan Statik İtme Analizi kullanılmıştır. Bina SAP 2000 programında modellenmiş ve analizler bu programda gerçekleştirilmiştir. Dikkate alınan binada doğrusal olmama durumu, taşıyıcı sistem elemanlarının mesnetlerine eğilme şekildeğiştirmesini temsil edecek plastik mafsallar atanarak sağlanmıştır. DBYBHY 2007, okul binaları için 2 tane hedef performans belirlemiştir. İlk hedef performans seviyesi, tasarım depremi için Hemen Kullanım Performans Seviyesidir, ikinci performans seviyesi ise En Büyük Deprem için Can Güvenliği Performans Seviyesidir. Tasarım depremi 50 yılda aşılma olasılığı %10 olan depremi temsil ederken, en büyük deprem 50 yılda aşılma olasılığı %2 olan depremi temsil etmektedir. Yapılan performans değerlendirmesi sonucu, mevcut okul binasının hedeflenen performans seviyelerini sağlamadığı görülmüştür ve güçlendirilmesi gerektiği kararına varılmıştır. Güçlendirme binaya perde eklenmesi ile gerçekleştirilmiştir ve güçlendirilmiş bina için yapılan performans değerlendirmesi sonucu, güçlendirilmiş binanın yönetmeliğin öngördüğü hedef performansların her ikisini de sağladığı görülmüştür. Performans değerlendirnmesi sonucu güçlendirmesi yapılan binanın tipik bir okul binası olması dolayısıyla bu çalışma diğer bu tip binalar için de fikir verecektir.

Buildings may suffer heavy damage under severe earthquakes and damages can cause partial or total collapse of buildings. Thus, earthqauke resistant design of new buildings and seismic performance evaluation of existing buildings are of crucial importantance. Building stock of Turkey generally consists of reinforced concrete structures and these buildings were constructed lack of engineering service. It is well known that these buildings are not safe against severe earthquakes and their performance assessment should be carried out whether they are safe or not according to the Turkish Seismic Code 2007 (TSC 2007). Earthquake performance of school buildings should also be evaluated under severe earthquake effects. Depending on the occupancy of buildins, different performance levels are described in codes and recommended documents. For example, for ordinary buildings there is one performance level (under design earthquake „Life Safety‟), while for school buildings there are two performance levels („Immediate Occupancy‟ under design earthquake and „Life Safety‟ under maximum earthquake) Hospital and school buildings are important than the ordinary buildings since they should give service after design (moderate) earthquakes. There are two approach in design and/or performance evaluation of a structure as force – based desing and displacement – based design. Previous studies showed that structural damage due to earthquake causes large lateral displacement of structures. So, the displacement – based design gives more reliable results in the estimation of seismic performance of a building. There are a lot of documents that recommend to use Performance - based design approach for the seismic evaluation of a building. TSC 2007 suggests two methods in the performance evaluation and assessment of buildings. These methods are Linear Method and Nonlinear Method. Nonlinear method is based on displacement based design approach. In the performance evaluation of a building, there are two nonlinear methods : These methods are Nonlinear Static Force Procedure (Pushover Analysis) and Nonlinear Time History Analysis. These methods are based on estimation deformation of structural elements under earthquake effects. Nonlinear (inelastic) displacement demand of a building is estimated and corresponding curvature or stain of a section is determined. Then, damage state of the structural element is identified by comparing the damage limits given in TSC 2007.Three damage limits are defined in TSC 2007 to describe possible damages at the critical sections of structural members: minimum damage limit, safety limit and collapse limit. Accordingly, four damage states are defined as minimum damage state where sectional damage is below minimum damage limit, significant damage state where sectional damage is between minimum damage limit and safety limit, heavy damage state where sectional damage is between safety limit and collapse limit, and collapse damage state where sectional damage is above collapse limit. For numerical solutions a 3 – storey reinforced concrete frame school building has been considered within the scope of this study. The building exists in Istanbul and it was designed according to Turkish Seismic Code 1975 (TSC 1975). It is thought that existing school building is not satisfied the performance target given in Turkish TSC 2007. Building was designed by using SAP 2000 software and performance evaluation was conducted using the same software. Nonlinear Static Force Procedure (Pushover Analysis) was used in the performance evaluation of considered school building. Nonlinearity was defined with assigning plastic hinges at the ends of column and beam elements. Lumped plasticity theory assumption was made in the definition of plastic hinges. TSC 2007proposes two different target performance level for school type of buildings as it is given above, Immedaite Occupancy and Life Safety performance level under the design earthquake and most severe (maximum) earthquakes, respectively. Desing earthquake is the earthquake which the possibility to be exceeded in 50 years is 10% and the most severe (maximum) earthquake is the earthquake which the possibility to be exceeded in 50 years is 2%. It is assumed that the severe earthquake effecet is higher than 1.5 times of the desing earthquake. Nonlinear displacement demand was estimated for the considered earthquake and plastic rotations were estimated for the corresponding displacement demand. Plastic rotations were transformed to plastic curvature and total curvatures were estimated with adding yielding curvature to the plastic curvature. Concrete and reinforcement strain of a section were estimated for the total curvature and compared with the strain limits given by TSC 2007. Damage level of structural elements and performance level of building were estimated for the considered earthqauke and compared with the performance level proposed by TSC 2007. According to the analysis results, considered building does not satisfy performance level proposed by TSC 2007 for school buildings. The existing school building needs to be strengthened. It is accomplished by adding shear wall to the existing structural system of school building. Strengthened building was modelled by using SAP 2000 and similar procedure applied for strengthened structural system. Shear walls were modelled with equivalent frame element and hinges were assigned to shear walls. Equivalent frame element is placed to the center of shear wall and this frame element is connected to beams with fictive rigid frame elements. Shear type plastic hinges were used to assign the nonlinearity of shear walls since the ratio of height and width is very small. According to the results of strengthened building, strengthening method and level is sufficent to against considered earthquake, and the target performance levels are satisfied for the strengthened school building. The school building considered for this study has a common type of school building in Turkey, so this study can be useful for future studies.