Resilient design of CLT buildings against fire and earthquake
Çok katlı CLT binaların yangın ve depreme karşı direnç esaslı tasarımı
- Tez No: 740845
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖMER TUĞRUL TURAN, PROF. DR. ARIO CECCOTTI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Deprem Mühendisliği, İnşaat Mühendisliği, Earthquake Engineering, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 147
Özet
Son deprem ve yangın afetlerinin şiddetli sosyo-ekonomik etkileri, modern binaların deprem ve yangın performansına ilişkin yeni beklentileri gündeme getirdi. Mevcut deprem yönetmelikleri ve yangın standartlarında, konut binaları için hedeflenen yapısal performans, yaygın olarak, bina sakinlerinin yalnızca can güvenliğini garanti etmeye odaklanmıştır. Ancak bu yaklaşım, gelecek deprem ve yangınlarda yapıların ciddi şekilde zarar göreceği önkabulünü içerir ve dolayısıyla hem yapı mülkünün hem de yapının sağladığı gelirin kaybedilmesi tehlikesini ortaya çıkarır. 2017'de Şili'de gerçekleşen 16. Dünya Deprem Mühendisliği Konferansı mottosu şöyle ifade edilmiştir:“Direnç esaslı tasarım, deprem mühendisliğindeki yeni mücadeledir. Binaların yangın ve depremlerde yıkılmamasına karşın ciddi şekilde hasar göreceğini öngören can güvenliği performansı yerine, şehirlerin birkaç gün içinde faaliyete geçmesine izin veren hemen kullanım performası hedeflenmelidir.”Özellikle İstanbul veya İzmir gibi mega şehirlerde milyonlarca insanın hızlıca tahliye edilmesi ve hasar alan binaların hepsinin kısa bir süre içinde tamir edilmesi veya yıkılıp yeniden yapılması neredeyse imkansızdır. Bu nedenle, yapısal hedef performansı olarak can güvenliğini kullanmak yerine bu seviyenin hemen kullanım seviyesine yükseltilmesi gerekliliği doğmuştur. Üstelik, Türkiye'deki mevcut betonarme yapı stoğunun çoğu, yeterli rijitlik ve dayanıma sahip değildir. Daha da önemlisi süneklik için gerekli enine donatı sıklığı olmayan standart altı çerçevelerle inşa edilmiştir. Bu da demektir ki, can güvenliği seviyesi için bile çoğu binada sismik ve yangın emniyet kriterleri karşılanmamaktadır ve afetlere dirençli şehirler oluşturmak için acilen önlem alınması gerekmektedir. Bu perspektifden bakarak, modern ahşap yapıların bizlere neler sunabilceğini araştırmak ciddi bir meraktır. Çapraz lamine ahşap, CLT, mukavemet sınıfı belirgin tahtalardan üretilen stabilize edilmiş ve güçlendirilmiş bir yapısal ahşap paneldir. CLT yapılar düşük karbon ayak izi, yüksek inşaat hızı ve yangına dayanıklılığının yanı sıra düşük kütleleri ve sismik enerji sönümleme kapasiteleri nedeniyle özellikle deprem tehlikesi yüksek bölgelerde oldukça popüler hale gelmiştir. Yatay taşıyıcı sistem içerisinde yer alan CLT duvarların zemine sabitlenmesi için gerekli çelik köşebent bağlantıları ve bitişik CLT duvar panelleri arasındaki vidalı dikey bağlantılar, deprem esnasında sismik sigorta elemanı olarak iş görür. Güçlü bir deprem yer hareketi sırasında, çelik vida veya çivi bağlantı elemanlarının akması ve CLT duvar paneli bağlantı bölgesindeki ahşabın lokal olarak ezilmesi ile önemli miktarda enerji sönümü elde edilir. Deprem sonrasında yapılacak sismik hasar tesbiti ile duvarlardaki birkaç çelik bağlantı elemanı herhangi bir CLT panel değiştirilmeden hızlı bir şekilde yenilenebilir. Benzer şekilde, duvar ve döşemelerde tamir edilebilir yangın koruyucu kaplamaların kullanılması ile ahşap yapının yangın dayanımı sağlanır. Örneğin, CLT döşeme ve duvarlara yangına dirençli alçıpan levhalar montaj edilir ve bunun yanı sıra ahşabın kömürleşme özelliği yangına karşı ek bir direnç kapasitesi olarak saklanır. Bu nedenle, afet sonrası sosyo-ekonomik etkilere karşı CLT binaların yapısal bütünlüğü ve işlevselliği, dirençli esaslı tasarım stratejisi sayesinde bir deprem veya yangın afetinden çok kısa bir süre sonra korunabilir. Mevcut standartlar uyarınca, böyle bir yapısal performans sadece hastane, okul gibi stratejik olarak kabul edilen yapılar için zorunludur. Oysa, CLT yapısal sistemi sayesinde konut binaları için de son derece düşük bir onarım maliyetiyle (yapısal malzeme maliyetinin %5'inden az), yani bir takım sismik bağlantı elemanlarının ve yangın koruyucu alçıpan panellerin değiştirilmesi gibi basit müdahalelerden sonra hemen kullanım performans seviyesi karşılanabilmektedir. Günümüzde, Türkiye'deki inşaat firmalarının mühendis ve mimarları maalesef yapısal olarak ahşabı kullanmaya pek alışkın değiller. Türkiye Osmanlı dönemine uzanan büyük bir tarihi ahşap yapı geleneğine sahip olsa da, bu birikim unutulmaya yüz tutmuştur ve dolayısıyla modern yapılar ağırlıklı olarak betonarme ve çelikten inşa edilmiştir. Hatta konut binaları içinde, mevcut ahşap yapı stoğu %2'den azdır. Tüm dünyada yürütülen kapsamlı araştırma programları sayesinde, ahşabın da diğer yapı malzemeleri ile aynı güvenilirliğe ve garanti edilmiş özgül mekanik özelliklere sahip olduğu biliniyor. Ancak, güncel Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği'nde çok katlı CLT yapılar için tasarım kuralları yer almamaktadır ve Binaların Yangından Korunması Hakkında Yönetmelik gereğince yangına dayanıklı tasarlanmış Türkiye'de çok katlı bir CLT ahşap yapı örneği henüz bulunmamaktadır. Dolayısıyla, CLT yapıların tasarımı ve inşaat teknikleri için rehberlik gerekmektedir. Bu çalışmanın amacı, uygulamacılar, mimarlar ve özelikle yapı mühendisleri için yangına ve depreme dayanıklı çok katlı bir CLT yapının nasıl analiz edilip tasarlanacağını göstermek ve gerekli teknik çizim dökümanlarını ortaya koymaktır. Bu nedenle, İzmir'de 30.10.2020 tarihinde meydana gelen ve yüzden fazla kişinin hayatını kaybettiği 2020 Ege Depremi afetzedeleri için prefabrik ahşap elemanlardan oluşan 10 katlı örnek bir CLT konut binası bu tez kapsamında çalışılmıştır. Tez çerçevesinde, betonarme temele ve bodruma sahip betonarme giriş katlı 10 katlı bir prototip CLT binasının platform yöntemi kullanılarak (her kat için CLT duvar panelleri üzerine CLT döşemelerin oturturtulması ile) inşa edilmesi planlanmaktadır. Ahşap yapının düşey yük taşıyıcı sistemi, lamine ahşap kolonlar ve kirişler ile CLT duvarlar ve CLT döşemelerden oluşmaktadır. İlk olarak, Türk Standardları Enstitüsü tararafından tanınmış ve uluslararası geçerliliği olan Avrupa yönetmelikleri içinden EC-5 parça 1.1'de yer alan taşıma gücüne göre tasarım metodolojisi kullanılarak CLT binadaki yapısal ahşap elemanların dayanım ve kullanılabilirlik sınır durumları için tasarım ve kontrol yapılmıştır. Ayrıca, deprem ve rüzgar yüklerine karşı yatay taşıyıcı sistem olarak yalnızca CLT duvarlar kullanılmıştır. CLT duvarlı yanal taşıyıcı sistemlerde, çelik bağlantı elemanları sayesinde ve bitişik CLT duvar panelleri arasındaki vidalı dikey bağlantılar aracılığıyla sismik enerji sönümleyen çevrimsel davranış elde edilmektedir. Yatay taşıyıcı sistem olarak vidalı dikey bağlantılar ile birleştirilmiş ve en/ boy oranı 2'den büyük olan CLT duvar panelleri ve platform yöntemi kullanılmasıyla ahşap yapının davranış katsayısı 3 alınarak EC-8'de belirtilen eşdeğer kuvvet yöntemi ile CLT duvarlar üzerindeki sismik talepler hesaplanmıştır. CLT yapının enerji sönümleyen duvar birleşimleri ve çelik bağlantı elemanlarının EC-5 parça 1.1'deki Johansen modelinde yer alan sünek göçme modlarının tanımlanmasının ardından bağlantı tasarımı kapasite tasarım prensipleri kullanılarak yapılmıştır. Bu sebeple, CLT yapılarda deprem sırasında hasar görmesi istenmeyen CLT duvar panel elemanları ve enerji sönümü beklenmeyen bağlantı bölgeleri örnek olarak diyafram etkisi yaratması istenen döşeme birleşimleri, deprem yüklerinin dayanım fazlılığı (D=1.3) katsayısı ile çarpılarak elde edilmiş arttırılmış depremli yük kombinasyonları altında kontrol edilmiştir. Yapının enerji sönüm kapasitesini artırmak ve yatay ötemeleri katlar arasında dağıtmak için, enerji tüketen duvar bağlantı elemanlarının sayısı tasarım deprem kesme kuvvetleri dikkate alınarak bina yüksekliği boyunca azaltılmıştır. Bunun yanı sıra, CLT panellerin yüksek düzlem içi rijitliği nedeniyle katlar arası öteleme oranlarının EC-8'de belirtildiği gibi kontrol edilmesiyle en yüksek oranın %69 gelerek kolayca karşılandığı görülmüştür. Ardından, CLT yapının dinamik karakteristiğini görmek için yapılan modal analiz sonucunda her iki yön için yapının temel periyotları elde edilmiş ve 0.592 saniye olan ampirik periyoda kıyasla daha yüksek değerler bulunmuştur. Sonuç olarak, modal analiz ile hesaplanan taban kesme kuvveti eşdeğer kuvvet yöntemiyle hesaplanan taban kesme kuvvetinden yaklaşık %14 daha düşük bulunmuştur. Bu sayede, bu CLT yapıda modal analiz kullanırak duvar bağlantılarının optimize edilebileceği farkedilmiştir. Fakat, periyodun doğru olarak belirlenebilmesi için CLT duvar ve bağlatılarının numerik modellemesine çok dikkat edilmelidir. Aksi durumda, hatalı kurulan modeller elverişsiz veya güvensiz tasarımlara yol açabilir. Dolayısıyla, depreme dayanıklı CLT duvar bağlantı tasarımında güvenli tarafta kalan ampirik periyot ile eşdeğer deprem kuvvet yönteminin kullanılması tavsiye edilmektedir. Ek olarak, ahşap yapıların yangın tasarım metodolojisi EC-5 parça 1.2'ye göre açıklanmıştır. Yangın güvenliği için gerekli dayanım süresi, Türkiye'deki güncel Binaların Yangından Korunması Hakkında Yönetmelik kapsamında yangına dayanıklılık sınıfı REI-120 olarak belirlenmiştir. 120 dakikalık bir yangın durumunda, taşıyıcı ahşap elemanlar yangından geriye kalan enkesitleri ile mevcut düşey yüklere karşı koyacak şekilde tasarlanmıştır. Bunu sağlamak için, ahşap yapıda yer alan taşıyıcı sistem elemanlarından lamine ahşap kirişler, CLT duvarlar ve döşemeler taşyünü ve alçıpan kullanılarak yangına karşı korunmuştur. Bununla birlikte, lamine ahşap kolonlar yangına karşı yalnızca ahşabın kömürleşme kapasitesi kullanılarak tasarlanmıştır. Bu sayede, CLT konut binasının sakinleri için iç mekanlarda çekici bir ahşap kolon görünümü sağlanabilmiştir. Sonrasında, betonarme bodrum ve giriş katlarına gelen sismik yük talepleri TBDY 2018'e göre hesaplanmıştır ve betonarme kesitler TS 500'e göre tasarlanmıştır. Ardından, çatlamış betonarme kesitler kullanılarak yapılan modal analiz sonucunda, betonarme binanın ilk mod periyotları X ve Y yönünde sırasıyla 0.175 saniye ve 0.134 saniye bulunmuştur. CLT bina periyoduna kıyasla, betonarme yapı birinci mod periyodunun ciddi şekilde farklı olması sebebiyle CLT binanın tasarım taban kesme yüklerinin bulunması esnasında yapılan betonarme yapının rijit olduğu varsayımını böylece doğrulanmıştır. Ayrıca, CLT duvar ve CLT döşeme sistemlerinde enerji ekonomisi ve akustik problemler gibi konfor koşulları ile kalıcı yapı dayanıklılığının sağlanması için alternatif su, ısı ve ses yalıtım çözümleri tartışılarak örnek kesitleri teknik çizim olarak paylaşılımıştır. Son olarak, dikey ahşap elemanlar (CLT duvarlar ve lamine ahşap kolonlar) ve yatay ahşap elemanlar (CLT döşeme ve lamine ahşap kirişler) için tasarımı kontrol eden parametreler/ kritik göçme durumları ve yapısal malzeme metrajı paylaşılmıştır. Aynı zamanda, ahşap yapının statik projesi için örnek bir teknik çizim dokümanı hazırlanıp ek olarak sunulmuştur. Buna binaen; 840 m3 CLT döşeme, 560 m3 CLT duvar ve 135 m3 lamine ahşap, yani 1 m3 konut bina hacmi için yaklaşık 0.1 m3 yapısal ahşap binada kullanılmıştır. Çevresel etkilerin değerlendirilmesi sırasında, betonarme binalar ile adil bir kıyaslama yapabilmek adına yangın koruyucu alçıpan kaplama panellerinin negatif etkileri de dikkate alınmıştır. Sonuç olarak, mevcut yapısal malzeme metrajı kullanılarak CLT yapının toplam ve ortalama karbon ayak izi sırasıyla 30.1 tC ve 2 tC/m3 olarak hesaplanmıştır. Ahşap mühendisliğindeki son gelişmeleri gösteren, yangına ve depreme karşı dirençli 10 katlı bir CLT bina tasarlanmıştır. Böylece, Türkiye'deki ahşap yapıların gelişimi ve ilgili standartların düzenlenmesi için bir yol haritası aşağıda sunulmuştur: 1) Türk Standart Enstitüsü tarafından tanınan EC-5 için milli ek çıkartılması ve yerli ağaç türlerinin yapısal kullanımının önünün açılması. 2) Platform tip CLT duvarlı yanal taşıyıcı sistemlerin yeni deprem koduna eklenmesi: •Parçalı CLT duvar: R=3, D=1.3 ve BYS=5 •Bütün CLT duvar: R=2, D=1.3 ve BYS=6 3) Küçük ahşap yapılar (A-çerçeve ve bungalov gibi) için tasarım rehberi hazırlanması ve de deprem/ yangın tehlikeleri ve iklim gözetilerek minimum şartların belirlenmesi. 4) Tarihi ahşap karkas Türk evleri için yangına ve depreme karşı yapısal performans değerlendirme ve koruma/ güçlendirme tasarım rehberi hazırlanması.
Özet (Çeviri)
The target structural seismic performance of ordinary buildings has commonly focused on ensuring the life safety of the inhabitants in the current seismic codes and fire standards. However, this philosophy is hazardous for preserving the structure and its property as well as income associated with the building stock that is postulated to be damaged in future earthquakes and fires. Consequently, resilience is the new challenge in structural engineering. Cross-laminated timber, CLT, is a stabilized and self-reinforced structural panel produced from strength graded timber boards. CLT structures have become very popular especially in seismically prone areas for their low seismic mass and the capability of energy dissipation, in addition to low carbon footprint, speed of construction and fire resistance. The fixings of CLT walls with steel angle brackets, hold-downs and vertical joints between adjacent CLT panels are used as seismic fuses in the lateral-force resisting system. During a strong earthquake ground motion, a significant amount of energy dissipation is gained with the yielding of steel fasteners and the local embedment of wood in the wall connections. After a quake and seismic damage observation, if there is a necessity, several fastener groups are replaced quickly in the connections without changing any CLT wall panel. Similarly, the usage of fire protection claddings provides fire insurance for immediate occupancy. For example, replaceable gypsum plasterboards are incorporated into CLT floor and wall assemblies and the charring capability of wood is considered as a reserved fire capacity. Therefore, the structural integrity and functionality of CLT buildings could be maintained shortly after an earthquake ground motion or a fire event, which is a resilient design strategy for the post-disaster economy. Nonetheless, design rules and examples of multi-storey CLT structures are missing respectively for the current Turkish Seismic Code and Fire Regulation of Turkey. In the thesis framework, a 10-story proto-type CLT building with a reinforced concrete (RC) podium is planned to be constructed for disaster victims after the 2020 Aegean Sea earthquake in Izmir which is located at one of the high seismicity zones of Turkey. CLT building is planned to be erected story by story with the platform method via placing floor panels on top of wall panels like a giant lego. The vertical-force resisting timber structural system consists of glue-laminated timber (GLT) columns & beams, CLT walls and floors. Furthermore, segmented CLT shear walls are selected for the lateral-force resisting system where rocking behaviour is achieved via vertical joints in between adjacent CLT wall panels and metal connectors for seismic energy-dissipation. Firstly, the design methodology of the timber structure is demonstrated for the strength and serviceability limit states of structural timber elements in EC-5 part 1.1 which is also approved by Turkish Standards Institution. The seismic demands in the lateral-force resisting systems are calculated using the lateral force method as specified in the draft version within Chaper 8 of EC-8. After the definition of energy-dissipative and non-dissipative zones in CLT buildings and ductile failure modes of dowel-type steel fasteners in Johansen's model in EC-5 part 1.1, the connections of CLT shear walls are designed using capacity-based design principles . In the non-dissipative zones, horizontal floor-to-floor joints and CLT wall panels are checked under seismic load combination multiplied with an overstrength factor of 1.3. To distribute and increase the capacity of energy dissipation, the number of dissipative connectors and fasteners are reduced along with the height of the building, as the same trend as seismic design shear forces. In addition, the inter-story drift ratios are controlled as specified in EC-8 for the damage limit state which is satisfied easily with a maximum ratio of 69% due to the high in-plane stiffness of panels in the 5th chapter. To assess the dynamic characteristic of the CLT structure, the fundamental periods are obtained by modal analysis for both directions. Higher periods are found compared to the empirical period of 0.592 seconds. Therefore, the seismic base shear is found about 14% lower than the seismic base shear calculated by the lateral force method which could allow optimizing connections. Moreover, the fire design methodology of timber structures is explained due to EC-5 part 1.2. The required duration for fire safety is determined as REI-120, 120 minutes of fire resistance according to Fire Regulation of Turkey. CLT walls & floors and GLT beams are protected against fire by using rock wool and plasterboards, respectively. However, GLT columns are designed to withstand forces in a fire situation by the charring capacity of wood only. Therefore, the appealing wood appearance is maintained for occupants in the residential CLT building. Then, the seismic load demands in the RC platform for ground and basement stories are demonstrated as stimulated in TBDY 2018 and RC sections are designed according to TS 500. From the modal analyses using the cracked RC sections, the first mode periods of the RC building are found about one-fourth of the CLT building period which validates the rigid platform assumption taken for RC podium structure while calculating seismic base shear forces in the CLT structure. Finally, governing design parameters are discussed for the vertical timber elements like CLT walls and GLT columns and horizontal timber elements such as CLT floors and GLT beams. Moreover, technical drawings are provided for readers with a CD using final sections of the case-study building. In total, 840 m3 of CLT floor, 560 m3 of CLT wall and 135 m3 of GLT elements are used in the CLT building corresponding to about 0.1 m3 of structural timber usage per 1 m3 of the building. For the assessment of environmental impact, the carbon footprint of the CLT structure is calculated using the bill of structural materials. The overall and mean carbon footprint of the timber structure are equal to 30.1 tC and 2 tC/m3, respectively. Furthermore, the durability, energy economy, acoustical solutions are discussed for residential comfort via alternative CLT wall and floor assemblies with water, heat, and sound insulations. In conclusion, a resilient 10-story CLT building is designed against fire and earthquake, showing the latest developments in timber engineering together with the road map proposed for improving the regulations of timber structures in Turkey.
Benzer Tezler
- Earthquake resilience of infilled reinforced concrete frames with innovative wall solutions
Yenilikçi duvar çözümüne sahip dolgulu betonarme çerçevelerin deprem esnekliği
PROST IVERDEN BALENDA BAKALA
Doktora
İngilizce
2023
İnşaat MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İBRAHİM SERKAN MISIR
- Comparative analysis of models for predicting permanent strain in unbound granular materials
Bağlanmamış granüler malzemelerde kalıcı gerilim tahmini için modellerin arşılaştırmalı analizi
SHAMSULHAQ AMIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Ulaşımİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDULLAH HİLMİ LAV
- Urban recreation areas in terms of resilience to climate change: The case of Hunter's Point South Park, New York city
İklim değişikliğine karşı dayanıklılık açısından kentsel rekreasyon alanları: Hunter's Point South park örneği, New York
NUR SİMAİŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Peyzaj MimarlığıYeditepe ÜniversitesiKentsel Tasarım Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BENGİ KORGAVUŞ
- Optimal residient retrofit design of heat-exchanger networks
Isı değiştirici ağlarının eniyi esnek retrofit tasarımı
ALP ER ŞEVKİ KONUKMAN
- Relationship between resilient modulus and soil index properties of unbound materials
Esneklik modülü ile zemin indeks özellikleri arasındaki ilişki
ERDEM ÇÖLERİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2007
İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MURAT GÜLER