The effect of coupling ratio on nonlinear behavior of coupled shear walls
Bağ kiriş katkı oranının boşluklu perdelerin doğrusal olmayan davranışına etkisi
- Tez No: 393029
- Danışmanlar: PROF. DR. FATMA GÜLTEN GÜLAY, YRD. DOÇ. DR. İHSAN ENGİN BAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 200
Özet
Binaların betonarme perde elemanlarında genellikle binanın kullanım amacına veya mimari gereksinimlere göre kapı veya pencere boşlukları bırakılması gerekmektedir. Bırakılan boşlukların düşeyde sürekli ve düzgün olması durumunda aralarında kalan her iki perde parçasını birbirine bağlayan yatay elemanlara bağ kiriş, perde sistemin geneline ise bağ kirişli (boşluklu) perde denir. Deprem davranışı altında konsol perdelerde plastikleşme sadece perde tabanında gerçekleşirken, bağ kirişli boşluklu perdelerde uygun tasarım yapıldığı takdirde plastik davranış perde yüksekliği boyunca yayılabilir. Böylece daha sünek davranış elde edilerek enerjinin sönümlenmesine katkıda bulunabilirler. Boşluklu perde sisteminin yatay yükler altında davranışı sırasında bağ kirişlerinde oluşan kesme kuvvetleri bağlandığı perdelerin birine eksenel basınç kuvveti olarak aktarılırken, diğerine eksenel çekme kuvveti olarak aktarılır. Böylece sisteme dış yükler tarafından aktarılan devrilme momentinin bir kısmı bağ kirişlerin iki ucundaki kesme kuvvetlerinin toplamından oluşan perde normal kuvvetlerinin momenti ile karşılanmış olur. Karşılanan bu momentin yapıya etkiyen toplam devrilme momentine oranına, bağ kiriş katkı oranı denir. Bağ kiriş katkı oranı, perdelerin ve bağ kirişlerin rijitliğine bağlı olup, doğrusal elastik analiz yöntemine göre yapılan tasarımda eleman boyutlandırmalarının ve analizlerin tamamlanmasından önce hesaplanamamaktadır. Pratik uygulamalarda analizden elde edilen bu bağ kiriş katkı oranının yönetmeliklerin bağ kirişli perde için gerektirdiği minimum değeri sağlaması durumunda, tasarım yapıldıktan sonra tekrar irdelenmemektedir. Öte yandan, bağkiriş katkı oranının düşük veya yüksek olmasına bağlı olarak perdelerin iç kuvvetlerinde ve doğrusal olmayan davranışında büyük farklar oluşmaktadır. Bu tez çalışmasında boşluklu perdelerin doğrusal olmayan davranışında bağ kirişi katkı oranının etkileri kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Tez toplam 7 bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde tezin amaç ve kapsamı verildikten sonra ikinci bölümde, literatürde yer alan daha önce boşluklu perde sistemleri ve bağ kiriş elemanlar ile ilgili teorik, deneysel ve sayısal çalışmalar bulguları ile birlikte özetlenmiştir. Tezin üçüncü bölümünde, bağ kirişli perde sistemlerinin tasarım yöntemleri incelenmiştir. Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik (2007) ve ACI 318 (2011)'in vermiş olduğu kuvvet bazlı tasarım kriterleri özetlenmiştir. Günümüzde halen bir çok yönetmelik, yapı elemanlarını kuvvet bazlı yönteme göre tasarım yaptırmaktadır. Fakat, bu yaklaşımda perde ve bağ kiriş elemanlarının aynı anda akması temel alındığından, yapının gerçek doğrusal olmayan davranışını yansıtmamaktadır. İkinci olarak bu bölümde son yıllarda yaygınlaşan performansa göre tasarım ilkeleri incelenmiştir. Bu tasarım yöntemine göre ön tasarımı yapılan boşluklu perde yapı sisteminin daha önceden belirlenen performans hedeflerini sağlaması gerekmektedir. Kuvvet bazlı yöntemden farklı olarak, performansa göre tasarımda yapı elemanları farklı zamanlarda akmaya geçebilmektedir. Ayrıca elemanların hasar sınırları içerisinde plastik şekil değiştirme yapmasına izin verilmektedir. Bu bölümde son olarak Priestley ve diğerlerinin (2007) önerdiği Direkt Yer Değiştirmeye Göre Tasarım yöntemi incelenmiştir. Yukarıda verilen iki yöntemden farklı olarak direkt yer değiştirmeye göre tasarımda, boşluklu perdelerde bağ kiriş katkı oranı tasarımın ilk adımı olarak belirlenebilmektedir. Öte yandan bu yöntemde bağ kirişlerin tamamının aynı özellikte olduğu ve yapı yüksekliğince aynı kesme kuvvetini paylaştığı kabul edilmektedir. Tezin dördüncü bölümü çapraz donatılı betonarme bağ kirişlerin doğrusal olmayan matematik modelinin oluşturulmasını kapsamaktadır. Modelleme teknikleri mikro ve makro olarak iki grupta sınıflandırılmaktadır. Mikro modellemede yapı mekaniğinin prensiplerinden yararlanarak sonlu elemanlar yöntemi ile gerilme ve birim şekil değiştirme değerleri hesaplanır ve değerlendirilmesi yapılır. Bu model tekniği ile gerçeğe oldukça yakın sonuç alınabilmekle birlikte, analiz süresi ve sonuçların yorumlanabilmesi oldukça uzun sürmektedir. Öte yandan, son yıllarda yapılan çalışmalarda çubuk ve elasto-plastik mafsal yardımıyla oluşturulan çeşitli makro modellemelerin de yeterli seviyede iyi sonuçlar verebildiği gösterilmiştir. Sunulan çalışmada çapraz donatılı bağ kirişlerin makro modellenmesi ile ilgili değişik yöntemleri kullanan Naish ve diğerleri (2013), Lu ve Chen (2005) ve Barbachyn ve diğerlerinin (2012) geliştirdiği modeller irdelenmiştir. Lu ve Chen (2005) modelinde bağ kirişi elastik kısım, uçlarda yayılı plastik mafsal, donatı sıyrılma ve uzamasını temsil eden dönme redörleri, ortada kayma mafsalı olmak üzere toplam dört adet alt elemandan oluşmaktadır. Naish ve diğerlerinin (2013) geliştirdiği modelde ise, eleman uçlarında eğilme moment mafsalı yayılı plastik olarak verilmiştir, buna karşılık moment-dönme ilişkisinde dayanım azalması tanımlanmıştır. Barbachyn ve diğerlerinin (2012) geliştirdiği model ise diğerlerinden farklı olarak betonarme kafeste basınç (strut) ve çekme (tie) çubukları kullanılmıştır. Bu yöntemde çok sayıda düğüm noktası oluşturulduğundan pratik değildir, ayrıca kiriş-perde birleşimlerinde donatı uzama ve sıyrılması tanımlanmamıştır. Yukarıda bahsedilen üç farklı makro model yaklaşımı daha önceden gerçekleştirilmiş deneysel sonuçlar ile karşılaştırıldığında Naish ve diğerleri (2013) tarafından oluşturulan modelin en iyi sonucu verdiği gözlemlenmiştir. Dolayısıyla tezin son bölümünde yer alan sayısal incelemede boşluklu perdelerin oluşturulmasında bağ kirişleri için bu model baz alınmıştır. Ek olarak bağ kirişlerde çapraz donatının uzama ve sıyrılmasına bağlı olarak kesitin etkin eğilme rijitliğinin belirlenmesi için parametrik bir inceleme yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre açıklığın derinliğe oranına ve dayanımına bağlı olarak bağ kirişlerin etkin eğilme rijitliklerinin çatlamamış kesitin eğilme rijitliğinin %8-11 aralığında olduğu gözlemlenmiştir. Yapılan bu sayısal incelemeler ile bağ kiriş modellemesinde eleman ucunda bulunan donatı uzama/sıyrılması için oluşturulan elastik dönme redörleri kaldırılarak model daha basit hale getirilebilmiştir. Tezin beşinci bölümünde boşluklu perdelerin tasarımında kullanılan doğrusal ve doğrusal olmayan analiz yöntemlerini özetlemektedir. Günümüzde boşluklu perdeler yönetmeliklerde verilen doğrusal elastik analiz yöntemleri ile tasarlanabilmektedir. Öte yandan boşluklu perdelerin tasarım aşamasında doğrusal olmayan analizler ile çalışılması perdeler ve bağ kirişlerde plastik davranışa geçiş aşamalarını irdeleme fırsatını vermektedir. Bu bölümde ayrıca doğrusal olmayan davranış altında çekme ve basınç perdeleri arasındaki moment ve kesme iç kuvvetlerinin tekrar dağılımı prensibi anlatılmaktadır. Altıncı bölümde, boşluklu perdelerin doğrusal olmayan davranışında bağ kiriş katkı oranının etkilerini incelemek üzere sayısal incelemeler yer almaktadır. Örnek olarak 8, 16 ve 24 katlı ve bağ kiriş katkı oranları düşük, normal ve yüksek olmak üzere toplam 9 adet tipik dikdörtgen kesitli boşluklu perdeli yapı sistemleri incelenmiştir. Perde elemanları için eşdeğer çubuk elemanlar kullanılarak yapılan doğrusal elastik analiz sonuçlarına göre, aynı kat adedine sahip yapılar aynı kütleye sahip olmalarına karşılık, bağ kiriş katkı oranı yüksek olan yapıların etkin periyodu çok daha fazla kısa olduğundan taban kesme kuvvetlerinin diğer yapılara göre %30 kadar daha olduğu gözlemlenmiştir. Analiz sonuçlarından elde edilen iç kuvvetlere göre boşluklu perdelerin ön tasarımı yönetmeliklere uygun olarak yapılmıştır. Ön tasarımı tamamlanan 9 adet boşluklu perde sistemlerinin elastik ötesi davranışlarını irdelemek üzere OpenSees (2013) analiz programı ile doğrusal olmayan modelleri oluşturulmaktadır. Programda perde elemanları tek doğrultuda çalışan fiber elemanlardan oluşturulmuştur. Bağ kirişleri ise, tezin üçüncü bölümünde açıklanan Naish ve diğerlerinin (2013) geliştirdiği modelleme için önerilen iyileştirmeler de kullanılarak modellenmiştir. İlk olarak perde ve bağ kirişlerin doğrusal olmayan davranışını daha iyi anlayabilmek ve irdeleyebilmek için sadece 8 katlı yapılarda uygulanmak üzere doğrusal olmayan itme analizi uygulanmıştır. İtme analizi sonucunda bağ kiriş katkı oranı yüksek olan sistemde basınç perdesinin çekme perdesine göre çok daha fazla eğilme momenti ve kesme kuvveti aldığı gözlemlenmiştir. Daha sonra boşluklu perde yapılarının tamamına uygulanmak üzere zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizler yapılmıştır. Hedef performanslara göre değerlendirme yapılabilmesi için 50 yılda aşılma olasılığı %50 olan deprem için; Hemen Kullanım (HK), aşılma olasılığı %10 olan tasarım depremi için; Can Güvenliği (CG) ve aşılma olasılığı %2 olan deprem için Göçmeme Güvenliği (GG) hedef performansları değerlendirilmiştir. Her yapı tipi ve her deprem seviyesi için 20şer kaydın ortalaması alınmak suretiyle toplam 420 kayıt elde edilmiştir. Sonuç olarak elde edilen bağ kirişi plastik dönme değerlerine göre normal seviyede bağ kiriş katkı oranı olan yapılar her üç deprem performasını uygun şekilde sağlamaktadır. Öte yandan bağ kiriş katkı oranı düşük olan sistemlerde bazı performans seviyelerinin sağlanmadığı görülmüştür. Bununla beraber, bağ kiriş katkı oranı yüksek olan sistemlerin yeterince sünek davranış sergilemediği ve bağ kirişlerinde beklenenden daha az plastik dönme meydana geldiği gözlemlenmiştir. Yapılan zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizlerde ayrıca perdelerin her ikisinde oluşan iç kuvvetlerin değişimleri irdelenmiştir. Bağ kirişlerinden dolayı çekme kuvveti altında olan perde elemanı basınç altında olan perdeye göre çok daha erken akmaya başladığından, moment istemlerinin geri kalanını basınç perdesi taşımak durumunda kalmaktadır. Bağ kiriş katkı oranı yüksek olan sistemlerde her iki perde tabanındaki moment oranının 3.25'e kadar çıktığı gözlemlenmiştir. Öte yandan, bağ kiriş katkı oranı düşük olan sistemlerde bu oranın 1.40'ın altına düştüğü gözlemlenmiştir. Buna bağlı olarak yönetmelikte yer verilen doğrusal elastik analizde boşluklu perdelerde uygulanan eğilme momentinin tekrar dağılım kuralı irdelenmiş olup, bu doğrultuda önerilerde bulunulmuştur. Analiz sonuçlarına göre, bağ kiriş katkı oranı %35'in altında bulunan yapılar için yönetmelikte yer verilen moment tekrar dağılım oranının %30'dan %15'e düşürülebileceği önerilmiştir. Yatay yükler altında çekme perdesinde oluşan plastikleşme aynı zamanda çekme perdesinden basınç perdesine kesme kuvvetlerin iletilmesine sebep olmaktadır. Literatürde bu olaya“kesme göçü”de denilmektedir. Yapılan sayısal incelemelerde, bağ kiriş katkı oranına bağlı olarak perdeler arasındaki kesme göçünün toplam taban kesme kuvvetine olan oranının %16'ya kadar çıktığı belirlenmiştir. Tez çalışmasında ek olarak 9 adet örnek yapının tamamına, PGA değerleri giderek artan 50 adet deprem kaydı kullanılarak oluşturulan bulut yaklaşımı kullanılarak, zaman tanım alanında analizleri yapılmıştır. Bu sayede yapılara uygulanan her bir deprem kaydı için artan bağ kiriş plastik dönme değerlerine karşılık bağ kiriş katkı oranındaki değişim gözlemlenmiştir. Bu sayısal çalışmanın sonucunda bağ kiriş katkı oranının doğrusal elastik analizde belirlendiği gibi sabit kalmadığı ve başlangıçta seçilen tasarım değerinin %40'ına kadar azalma meydana gelebileceği görülmüştür.
Özet (Çeviri)
Coupled walls result from the need to provide openings in window or door locations. Besides, coupled wall systems are exceptional lateral load resisting systems that not only reduce the deformation demands of the building, but also extend the plastic deformation vertically. This dissertation investigates the dependency on the initial coupling ratio on the actual behavior of rectangular coupled wall systems. In addition, a comprehensive review of the mathematical modeling for diagonally reinforced concrete coupling beams is carried out in the state-of-the-art. First, a simple yet accurate macro modeling procedure for coupling beams was investigated through a compressive literature survey for capturing the nonlinear behavior properly. Further enhancement to existing models were proposed to have better accuracy in cyclic behaviors comparing to previously performed test results. In addition, the simplicity in the modeling was improved by eliminating the slip/extension rotation hinges. In the second part of this research, 8, 16 and 24-story prototype reinforced concrete coupled wall buildings located in a high seismic zone were numerically studied. Totally, nine coupled wall prototype structures with identical wall piers, having varying coupling ratio values and number of stories were designed. Elastic analyses using the response spectrum analysis procedure were utilized to establish initial proportions in the coupled wall system, and to determine the design forces and moments. Nonlinear static and dynamic analyses were also conducted to investigate the coupled wall behavior, adequacy of design, and alteration in the coupling beams' efficiency. An additional unique aspect of this work is about investigating the distribution of force demands between wall piers depending on the initial coupling ratio. The results of this study indicate that low coupled systems do not always satisfy the required performance targets under specific earthquake levels. Moreover, the coupling beams at high-degree coupled systems exhibit comparatively low ductile behavior with limited plastic deformations along elevation. Although linear analysis results show that the bending moment demands at identical wall piers are the same; this cannot be expected to be valid for nonlinear cases. As coupling beams alter the axial demand on wall piers, they also change their moment capacities. It was observed that the disparity in the moment demands becomes larger as the coupling ratio gets higher. Therefore, further recommendations have been provided on moment redistribution to be utilized during the linear analysis. Finally, the change in the coupling ratio as plastic deformations increase in the system has been investigated in this study. It was observed that the coupling ratio degradation rate seems more critical in the systems where low coupling ratio is selected initially.
Benzer Tezler
- Sönümleyiciler ile bağlı betonarme perde duvarlı yüksek yapılarda eşdeğer sönümleme yöntemlerinin incelenmesi
Evaluation of equivalent damping methods for RC coupled wall high-rise buildings with coupling dampers
MUHAMMET EMRE ERDEMLİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BARIŞ ERKUŞ
- Tek doğrultuda kuvvetlendirilmiş kompozitlerde çatlak etrafında yük aktarımı
Load transfer around a crack in unidirectional reinforced composites
HALE ERGÜN
Doktora
Türkçe
2002
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN BODUROĞLU
- Thermoelastic stability analysis of solidification of pure metals on a coated planar mold of finite thickness: Effects of the coating layer
Katılaşma sürecinde gözlemlenen kararsızlık mekanizmasının analizi: Kalıp yüzeyi kaplama tabakasının etkileri
MEHMET HAKAN DEMİR
Doktora
İngilizce
2016
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FARUK YİĞİT
- Aeroelastic modeling and analysis of high aspect ratio wings with different fidelity structural models
Yüksek en-boy oranına sahip kanatlar için farklı doğruluktaki yapısal modellerle aeroelastik analiz ve modelleme
GÖKÇEN ÇİÇEK
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALTAN KAYRAN
- Dikey dairesel silindirik açık su havuzlarında hidrodinamik kuvvetler
Hydrodynamic forces for vertical axis circular cylinder containing a concertric cylindrical hole in finite depth
MÜKERREM ERTEN(İLKIŞIK)