Relationship between the seismic resistance capacity and the expected total life-cycle environmental impact of an RC building
Betonarme bir binanın deprem dayanımı ve kullanım ömrü boyunca ortaya çıkan toplam çevresel etki arasındaki ilişki
- Tez No: 708481
- Danışmanlar: DOÇ. DR. UFUK YAZGAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Deprem Mühendisliği, Earthquake Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 119
Özet
Dünyamızdaki enerji kullanımı kaynaklı ortaya çıkan toplam karbon emisyonunun %39'u inşaat sektöründeki faaliyetlerden kaynaklanmaktadır. Bu kapsamda, binaların sebep olduğu çevresel etkilerin azaltılması iklim sorunlarıyla mücadelede anahtar role sahiptir. Binaların sebebiyet verdiği emisyonlar gömülü ve operasyonel olarak iki sınıfta gruplandırılmaktadır. Gömülü emisyonlar doğrudan binada kullanılan bütün malzemelerin üretimi ve yapının inşası sürecinde ortaya çıkan emisyonları kapsamaktadır. Buna karşılık, binanın kullanımı sırasında ısıtma, soğutma, aydınlatma, v.b. nedenlerle ortaya çıkan emisyonlar operasyonel emisyon olarak adlandırılır. Günümüzde hem operasyonel hem de gömülü emisyonların azaltılması amacıyla çok sayıda çalışma yürütülmektedir. Bu tez kapsamında, binaların kullanım ömürleri boyunca ortaya çıkan toplam çevresel etki ile binanın deprem tasarım özellikleri arasındaki ilişki incelenmiştir. Binaların mühendislik tasarımının hedefi yapının hedeflenen güvenlik seviyesini sağlayacak en optimal taşıyıcı sistemin belirlenmesidir. Bu kapsamda, hedeflenen güvenlik seviyesi birbirinden farklı çok sayıda alternatif taşıyıcı sistem tasarımı ile sağlanabilir. Sıklıkla bütün alternatifler arasından en ekonomik olanı optimal tasarım olarak değerlendirilir. Ancak bu tür bir yaklaşımla belirlenen tasarım, çevresel etkilerin en aza indirildiği seçeneğe karşılık gelmeyebilir. Bu tez çalışması kapsamında, yapı tasarlanırken seçilen süneklik sınıfına bağlı olarak toplam yaşam döngüsü çevresel etkisi değerlendirilmiştir. Binaların deprem hesabı yapılırken göz önüne alınan kritik bir parametre tasarım süneklik düzeyi sınıfıdır. Belirli bir bina yüksek süneklik ve düşük dayanım için tasarlanabileceği gibi sınırlı süneklik ve yüksek dayanım için de tasarlanabilir. Yönetmeliklerde tasarım süneklik sınıfına bağlı olarak sunulan taşıyıcı sistem davranış katsayıları her süneklik sınıfı için aynı hedef güvenlik seviyesi ve deprem performansının elde edilmesini sağlar. Bununla birlikte, farklı tasarım süneklik sınıfları için yönetmeliğe uygun şekilde tasarlanmış iki yapının kesit özellikleri, dayanımları ve detaylandırma özellikleri önemli oranda farklılık gösterir. Doğal olarak bu iki yapının inşası için kullanılacak malzeme miktarları ve yapıların alacakları olası deprem hasarlarının onarımı için gerekli malzemelerin miktarları da farklı olacaktır. Bu durum, aynı deprem performans hedefine göre tasarlanmış yapıların tasarım sünekliklerine bağlı olarak, toplam kullanım ömürleri boyunca sebebiyet verecekleri çevresel etkilerin farklı olmasına yol açacaktır. Bu tezin amacı, mühendislerin tasarım süneklik kapasitesi seçimi yaparken çevresel etkiler açısından en uygun seçeneğin belirlenmesi üzerine bir değerlendirme sunmaktır. Binalarda çevresel etkilerin hesaplanması için tüm yaşam döngüsü aşamalarının dikkate alınması gerekmektedir. Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi (Life-Cycle Assessment, LCA), bir ürün veya hizmetin ömrü boyunca çevresel etkilerini belirlemek ve bu etkilere neden olan süreçleri değerlendirmek için kullanılan bir metodolojidir. Bir ürün için yaşam döngüsü değerlendirmeleri, ürünü elde etmek için ihtiyaç duyulan hammaddenin çıkarılmasından ürünün bertarafına veya geri dönüştürülmesine kadar olan tüm aşamaları içerir. Ayrıca, yapı ömrü boyunca tüm çevresel etkilerin değerlendirilmesi için binanın ömrü boyunca alacağı sismik hasarlar da günümüzde çok kısıtlı da olsa bazı çalışmalarda dikkate alınmaya başlamıştır. Tüm yaşam döngüsü sonuçları değerlendirilirken yapının hasar alması sonucu ihtiyaç duyacağı onarımlar nedeniyle yaşanan kayıpların hesaplanması da sonuçların doğruluğunu arttıracaktır. Binanın bulunduğu sahadaki sismik tehlike ve binanın kapasitesini temsil eden kırılganlık eğrileri entegre edilerek olası kayıplar tahmin edilebilir. Tez kapsamında örnek bir konut binası için beklenen yaşam döngüsü çevresel etkisi, hem yapının inşasıyla ilgili hem de olası deprem hasarlarından kaynaklanabilecek emisyonlar dikkate alınarak değerlendirilmiştir. Tez kapasmında, betonarme perdelere sahip 6 katlı bir konut binası referans alınmıştır. İlgili binanın deprem hesabı, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği'ne (TBDY, 2018) uygun olarak 3 alternatif yaklaşım esas alınarak yapılmıştır. Sonuç olarak aynı mimari özelliklere ancak farklı taşıyıcı sistem tasarımına sahip 3 farklı bina modeli oluşturulmuştur. Tüm binalar perde ve çerçeve türü taşıyıcı sisteme sahiptir. Binalar, İstanbul ili Mahmutbey ilçesinde ZC zemin sınıfına ait bir sahada yer almaktadır. Binaların tasarımı ETABS v18.1.1 programıyla yapılmıştır. Süneklik düzeyi yüksek ve sınırlı taşıyıcı sistemlerle tasarım yapmanın binaların çevresel etkilerini ne düzeyde etkilediği ortaya konulmuştur. Bu bağlamda farklı taşıyıcı sistem davranış katsayı (R) ile tasarlanarak binaların süneklik kapasitesine bağlı sonuçlar tartışılmıştır. Ayrıca aynı süneklik kapasitesi ve aynı R katsayısına sahip binaların dayanım kapasitesindeki ufak artışın da çevresel açıdan etkileri irdelenmiştir. Çalışmada analizleri yapılan binalar R4, R7a ve R7b olarak adlandırılmıştır. R4 binası, taşıyıcı sistem davranış katsayısı R, 4 alınarak süneklik düzeyi sınırlı olacak şekilde tasarlanmıştır. Buna karşılık, R7a ve R7b binaları, davranış katsayısı, R 7 alınarak süneklik düzeyi yüksek olarak tasarlanmıştır. Her bir tasarım yaklaşımı için farklı bir sonlu eleman modeli geliştirilmiştir. Yapıların gömülü emisyon değerleri ve sismik etkiler nedeniyle gereken onarım/yenilenme sonucu oluşan emisyonlar hesaplamalara dahil edilmiştir. Buna karşılık, operasyonel emisyonlar deprem tasarımından etkilenmediği için değerlendirmede dikkate alınmamıştır. Yapısal elemanlar, yapısal olmayan elemanlar ve büyük ev eşyaları olarak adlandırılan yapı bileşenlerinin çevresel etkileri hesaplanmıştır. Ayrıca insan yaşamının çevresel etkisi için de bir varsayım ortaya konulmuş ve can kaybı kaynaklı çevresel etkiler sunulmuştur. Yapısal elemanların emisyonu literatürden alınan kilogram başına CO2 emisyonu değerlerine göre elde edilmiştir. Yapısal olmayan elemanların emisyon değerleri de yine literatürden alınmıştır. Seçilen büyük ev aletleri için SimaPro v9.2.0 programı kullanılarak çevresel etkiler elde edilmiştir. Binaların deprem kaynaklı hasarlarının çevresel etkileri olasılıksal hesaplamalarla dikkate alınmıştır. Sismik etkiler sonucu oluşan emisyonların hesabı için yapının kırılganlık eğrisi ve bulunduğu sahaya özel tehlike tahmini gerekmektedir. Yapıların kırılganlık eğrilerini elde etmek amacıyla doğrusal olmayan analizler gerçekleştirilmiştir. Hasar limitlerini belirlemek için statik itme analizleri OpenSeesPy v3.4.0.1 programında yapılmıştır. Yapıların 4 farklı hasar seviyesi için maksimum katlar arası ötelenme değerleri elde edilmiştir. Analiz sürelerini azaltmak için binaların A-A ekseni seçilmiş ve 2 boyutlu taşıyıcı sistem analizi yapılmıştır. Depremlerin ivme kayıtları arası değişkenliğini yansıtmak için PEER Yer Hareketi Veri tabanından 44 adet kuvvetli yer hareketi seçilmiştir. Her bir deprem kaydı 4 cm/s maksimum yer hızı artımlarına göre ölçeklendirilerek analizler gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçları kullanılarak yapıların kırılganlık eğrileri Çoklu Şerit Analizi methodu ile elde edilmiştir. Binaların bulunduğu saha için tehlike eğrisi literatürden referans alınarak bulunmuştur. Binaların kırılganlık eğrileri ve saha için elde edilen sismik tehlike eğrisi kullanılarak sismik hasara bağlı çevresel etkiler hesaplanmıştır. Olasılıksal bir yaklaşım kullanılarak yapının her bir hasar seviyesinde alacağı onarımlar/yenilemeler nedeniyle beklenen kayıpların kestirimi yapılmıştır. Yapıların dört hasar seviyesi için alacağı onarımlar, başlangıç emisyonlarının yüzdesi cinsinden değerler kullanılarak hesaplanmıştır. Yapıların ömrü 50 yıl olarak kabul edilmiştir. Yapılar yönetmeliğe uygun olarak tasarlandığı için ileri hasar sınırları yüksek yer hareketi şiddeti seviyelerinde olmaktadır. Yapıların hasar seviyelerine göre beklenen yıllık kayıpları hesaplandığında, en çok katkının Operasyonel (OP) ve Hemen Kullanım (IO) hasar seviyelerinde meydana geldiği görülmüştür. Tüm binalarda yapısal elemanların çevresel etkileri değerlendirildiğinde betonun CO2 emisyonları çeliğe göre daha fazla çıkmaktadır. Yalnızca sismik hasar kaynaklı emisyonlar göz önüne alındığında, R4 binasının emisyonu en düşük çıkmaktadır. Yapıların dayanım kapasitelerindeki artışla, sismik hasar sonucu oluşan çevresel etkilerin azaldığı görülmektedir. Tüm çevresel etkiler değerlendirildiğinde, R7b binasının toplam yaşam döngüsü çevresel etkisi R4 ve R7a'ya kıyasla daha az çıkmıştır. Bu kapsamda, özellikle R4 binası ile R7a ve R7b binalarının toplam çevresel etkileri arasında önemli fark gözlenmiştir. Yüksek süneklik sınıfına göre tasarlanan binaların beklenen yaşam döngüsü çevresel etkisinin, düşük süneklik sınıfına göre tasarlanan binalardan daha düşük olduğu tespit edilmiştir. Yapı bileşenleri arasında, sismik hasar sonucu en yüksek emisyona yapısal olmayan elemanlar neden olmaktadır. Can kaybı kaynaklı çevresel etkilerin katkısı, yönetmeliklere göre tasarlanan binalar için oldukça düşük çıkmıştır. Yapılarda meydana gelen gömülü emisyonların büyük bir kısmına beton ve donatı çeliği ile yapısal elemanlar neden olmuştur. Ayrıca yapılarda gömülü emisyonlara kıyasla yapı ömrü boyunca sismik etkiler sonucu ortaya çıkan emisyonlar çok düşük kalmaktadır. Binalarda yapısal elemanlar, yapısal olmayan elemanlar, büyük ev aletleri ve sismik olaylar sonucu oluşan çevresel etkiler arasında en büyük etkiye yapısal elemanların neden olduğu gözlenmiştir. Son olarak, yaklaşımın sonuçlarını daha iyi anlamak için bazı senaryolar üretilmiştir. Bu senaryoların ikisinde, beton ve çelik üretimiyle ilgili emisyonlarda azalma gerçekleştiği durumlar incelenmiştir. Bu iki azalma arasında, beton üretimiyle ilişkili emisyonların azaltılmasının etkisinin, betonarme binaların beklenen çevresel etkisinde daha büyük bir azalmaya yol açtığı gözlenmiştir. Diğer senaryoda, sismik etkilere en fazla katkıda bulunan yapısal olmayan elemanların emisyon değerleri iki kat arttırılmıştır. Bu durumda, yapısal olmayan elemanların emisyonlarının, sismik hasar onarımlarına katkısının büyük ölçüde arttığı gözlenmiştir. Ancak, orijinal duruma benzer şekilde, sınırlı süneklik sınıfına sahip modelin çevresel etkisinin, yine yüksek süneklik sınıfından daha büyük olduğu gözlemlenmiştir. Bu çalışma, binaların çevresel etki değerlendirmesinde sismik hasarların etkisini kapsayan ve yapısal elemanların, yapısal olmayan elemanların, büyük ev aletlerini ve can kaybı etkilerini içeren bütünsel bir yaklaşım sunmaktadır. Yapının tüm ömrü boyunca maruz kalacağı sismik olayların, toplam çevresel etkiye olan katkısı tartışılmıştır. Tasarım süneklik sınıfına bağlı olarak değişen deprem davranış katsayısının binanın toplam kullanım ömrü çevresel etkisini ne şekilde etkilediği ortaya konulmuştur.
Özet (Çeviri)
The operational emissions that occur during the use of the buildings and the embodied emissions that occur after the construction of the buildings are substantial. Buildings are responsible for a significant part of the total energy-related carbon emissions. All life cycle stages need to be considered in order to calculate environmental impacts in buildings. Life Cycle Assessment (LCA) is a methodology used to determine the environmental impacts of a product or service over its lifetime and to identify the processes that cause these impacts. Life cycle assessments for a product include all stages from the extraction of the raw material to the disposal or recycling of the product. Many studies have been conducted on embodied and operational emissions in the assessment of the environmental impact of buildings. In addition, it is a very innovative and meaningful approach to consider the seismic damage that the building will receive throughout its life. While evaluating the life cycle results, the calculation of the losses due to the repairs related to seismic damage will also increase the reliability of the results. The expected losses associated with seismic damage can be obtained by integrating the seismic hazard at the site with the fragility curves representing the capacity of the building. As a result, expected life cycle environmental impact can be assessed by considering both the potential seismic damage during the building lifetime as well as the initial impact caused while constructing it. This thesis presents an approach that evaluates the total life cycle environmental impact depending on the ductility class choosen while designing the structure. The behavior factors provided in codes depend on the ductility level. The study reveals relationship between the ductility class considered in the design and the expected total life cycle environmental impact of the building. The purpose of this thesis is to find an answer to making logical choices in terms of environmental impacts while choosing the ductility class. The case study building is a 6 story residential building with reinforced concrete structural walls. The detailing of the case study building was made based on 3 alternative approaches all of which were complying with Turkish Building Earthquake Code (TBEC, 2018) regulations. A different finite-element model was developed for each design approach. One of the models represented the design that corresponds to limited ductility design. The behavior factor R was set equal to 4 and the building was detailed to have a high resistance capacity. Other two models were designed according to the provisions for high ductility. The behavior factor R was set equal to 7 in the design of these two models. The difference among these two models were related to the reinforcement content in the walls. One model was designed to have a higher reinforcement content and strength capacity compared to the other. Basically, considered set of models represented the alternative design strategies that can be utilized by the engineer while designing the same building. Environmental impacts of structural elements, nonstructural elements, major appliances, and human life were determined. Embodied emissions and seismic repair emissions are included in the calculations. Losses due to seismic effects during the building lifetime were obtained by calculating the repairs according to the level of damage. The fragility models of the structure and site-specific hazard estimates are required for estimating the probable emissions caused by potential seismic damage repairs. Nonlinear analyses were carried out to obtain the fragility curves of the structures. Static pushover analyses were performed in OpenSeesPy to determine damage limits. The four different damage levels of the buildings were considered. To reflect the randomness of the earthquakes, 44 strong ground motion records were utilized. The fragility curves of the structures were obtained using Multiple Stripe Analysis. Environmental losses due to seismic damage were quantified using the fragility curves of the buildings and the seismic hazard estimates for the site. The expected losses due to repairs/replacement of the structure at each damage level were estimated using the probabilistic approach. Emissions associated with repairs of four damage levels were estimated as a percentage of initial emissions. In the assessment, the life span of case study buildings was assumed to be 50 years. When the expected annual losses of the structures are calculated according to the damage levels, it is seen that the most contribution occurs at the slight and moderate damage levels. When the environmental effects of structural elements are evaluated, the CO2 emissions associated with concrete are found to be higher than that of steel in all models. Among the three alternative design strategies, expected emissions associated with the limited ductility building model was obtained to be the highest. It was observed that the major part of environmental impact is associated with the amount of structural material that is consumed to construct the building. As compared to this impact, the additional emissions that are related to potential seismic damage repair is found to be of less significance. As a result, the expected life-cycle environmental impact of buildings designed according to high ductility class were found to be lower than that for low ductility ones. Among all components that constitute a residential building, nonstructural elements were observed to cause the highest emissions as a result of seismic damage. It was observed that most of the embodied emissions in buildings are caused by concrete and reinforcement steel. Additionally, emissions resulting from expected repairs of potential seismic damage within the service life were observed to be lower compared to the embodied emissions due to constructing the structure. Structural elements have the greatest impact among the environmental effects caused by structural elements, nonstructural elements, major appliances, and seismic repair in buildings. Finally, some scenarios were produced in order to better understand the results of the approach. In two of these scenarios emissions related to production of concrete and steel were reduced as two hypothetical situations. It was determined that among these two reductions the impact of reducing emissions associated with concrete production leads to a greater reduction in the expected environmental impact of reinforced concrete buildings. Another attempt was to double the emission values of nonstructural elements that contribute the most to seismic effects. Emissions of nonstructural elements greatly increased the contribution of seismic damage repairs compared to the original situation. However, similar to the reference case the environmental impact for the model with limited ductility class was again observed to be greater than that of the high ductility class.
Benzer Tezler
- Geri kazandırılmış pet lifli polimer ile güçlendirilmiş düşük dayanımlı beton silindirlerin monotonik ve tekrarlı yüklemeler altında basınç testleri
Compressive strength tests of low strength concrete cylinders confined with recycled pet fiber polymer under monotonic and cyclic loading
ÖMER FARUK ESKİCUMALI
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEDİNE İSPİR ARSLAN
- Doğrusal olmayan itme analizi yöntemi ile performans seviyesi belirlenen çelik bir yapının yapısal analizi
Structural analysis of a steel frame model analysed by nonlinear push over analysis based on performance based design criteria
DUYGU ALTINAĞAÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BARLAS ÖZDEN ÇAĞLAYAN
- Mevcut betonarme yapıların deprem güvenliklerinin belirlenmesi yapı sistemlerinin hesap yöntemlerinin karşılaştıılması
Başlık çevirisi yok
A.SİNAN ALEMDAR
- Dinamik özellikleri belirlenen sıkıştırılmış killi kalın bir zemin tabakasının tek boyutlu sismik yer tepki analizleri
1D ground response analyses of compacted soil with dynamic properties measured in laboratory
CEREN AYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RECEP İYİSAN
- Betonarme taşıyıcı sistem seçiminin performans ve maliyet ile ilişkisi
Performance and cost relationship between supporting reinforced concrete structure system selection
ERDEM MEHMETBEYOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
İnşaat MühendisliğiOndokuz Mayıs Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VAROL KOÇ