Progressive collapse response of reinforced concrete high-rise buildings designed according to turkish earthquake code
Türk deprem yönetmeliğine göre yapılan betonarme yüksek binaların ilerlemeli çökmeye tepkisi
- Tez No: 852959
- Danışmanlar: DOÇ. DR. AYDIN DEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sakarya Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 93
Özet
Bir bina, kolon veya perde duvar gibi kritik bir yapısal eleman üzerinde patlamalar, araba veya uçak çarpması veya benzer doğal veya insan yapımı olaylar gibi ciddi darbe yüklerine maruz kaldığında, kritik elemanın hasar alması binanın nihai olarak çökmesine yol açabilir. Kalan elemanlar, hasarlı eleman nedeniyle kendilerine yüklenen ek yükü taşıyamazlarsa bina çöker. Hasarın eleman seviyesinden yapısal seviyeye ilerlemesi, ilerlemeli çökme ifade eder. Bu çalışma, Türk deprem yönetmeliğine göre tasarlanmış yüksek binaların ilerlemeli çökme davranışını incelemektedir. İlerlemeli çökmenin tek bir tanımı yoktur. Literatürde farklı tanımlar bulunabilir, ancak bunlar ortak bir felsefeyi ima eder. Genel olarak tanımlanan ilerlemeli çökme, dikey bir taşıyıcı elemanın kaybından kaynaklanan hasarın domino benzeri bir etkiyle yayılmasıdır. İlk hasar, binanın bir kısmının veya tümünün maruz kaldığı nihai hasarla orantılı değildir. En elvrişsiz durumda, ilk hasar tüm binanın tamamen çökmesine yol açabilir. İlerlemeli çökme temel olarak, bina kritik bir elemanın kaybından sonra yükleri yeniden dağıtamadığında meydana gelir. İstenen senaryoda, kritik bir taşıyıcı elemanın kaybından sonra, binanın stabil kalmasını ve hasarın diğer elemanlara yayılmamasını sağlamak için bina alternatif yük taşıma yolları bulmalıdır. Bu çalışma, Türk Deprem Yönetmeliği'ne göre tasarlanmış yüksek bir binanın ilerlemeli çökme davranışını incelemektedir. Tipik bir 40 katlı bina üzerinde bir vaka çalışması yapılmıştır. Bina, çekirdeğinde perde duvarları olan düz bir plaka sistemine sahipti. Binanın taşıyıcı sistemi, X yönünde moment aktaran çerçevelerle perdelerden ve Y yönünde moment aktaran çerçevelerle perdelerden oluşuyordu. Tüm kolonlar için kare kesitler kullanılmıştır. Her katta 3 farklı yerden kolon kaldırıldı; köşe kolon , kenar kolon ve daha büyük iç kolon. Bina, 8 katlı 5 gruba ayrıldı. Aynı gruptaki tüm katlar aynı kolon ve kiriş kesit ölçülerine ve donatıya sahipti. Yüksek yapılarda bina ağırlığını ve maliyeti azaltmak için kullanılan yaygın bir optimizasyon tekniği olan bina yüksekliği boyunca her grup için kesit boyutları küçültüldü. Binanın doğrusal olmayan bir modeli SAP2000 kullanılarak modellenmiştir. Yapılar için statik ve dinamik bir sonlu elemanlar analiz programı olan SAP2000 v23, üç boyutlu bir sonlu eleman modeli oluşturmak için kullanıldı. Modelde beton ve donatı olmak üzere iki ana malzeme tanımlanmıştır. Beton kalitesi C50 idi. Ancak, analiz mevcut bir bina üzerinde yapıldığından, karakteristik dayanımlar yerine beklenen dayanımlar kullanılmıştır. Betonun karakteristik basınç dayanımı, 65 MPa'lık beklenen bir dayanım elde etmek için 1,3 kat ile çarpılmıştır. Donatı akma dayanımı da 1.2 faktörü ile çarpılarak 504 MPa'lık beklenen akma dayanımı elde edildi. Bu faktörler, mevcut binaların performansa dayalı analizi için Türk deprem yönetmeliğinden alınmıştır. Perde duvarlar, donatı detaylarını daha doğru temsil edebilmek için layered shell elemanlar olarak modellenmiştir. SAP2000 v23, perde duvarda sargılı bölgesinin tanımlanmasına izin vermez, bunun yerine genel bir kesite izin verir. Sargılı bölgeyi temsil etmek için her bir duvar için iki malzeme kullanıldı: sargılı beton ve sargısız beton. Sargılı beton dayanımını bulmak için, sargılı bölge için bir kesit analizi yapılmıştır. Bu, sargılı bölgeyi kesit section designer'da bir kolon olarak tanımlayarak yapıldı. Sargılı beton basınç dayanımı, kesit analiz sonuçlarından alınmıştır. Bu basınç dayanımı kullanılarak malzeme tanımında yeni bir beton malzeme tanımlanmıştır. Bu malzeme, layered shell seçeneği kullanılarak duvar kesitinin sargılı bölgesinin tanımlanması için kullanılmıştır. İşlem tüm duvar kesitleri için yapılmıştır. Döşemeler, shell thin elemanlar olarak modellenmiştir. Literatürde shell thin elemanların en iyi sonuçları verdiği bulunmuştur. Duvarlar ve döşemelerin meshleri tüm model için birbirine geçmiştir. Mesh boyutu, düz elemanlarda 50x50cm ve maksimum 100x100cm arasında olacak şekilde, mesh boyutu mümkün olduğunca tekdüze tutuldu. Duvarlar hem yatay hem de dikey yönde meshlendi. Özelikle e perdelerin döşemelerle kesiştiği bölgelerde, meshlerin düğüm noktalarında süreklilik olmasına özen gösterilmiştir. Ancak, döşemelerin donatı ve doğrusal olmayan davranışlarının yakalanması bu çalışmanın kapsamı dışındaydı ve bu nedenle ayrıntılı olarak ele alınmadı. Tüm çerçeve kirişleri aynı kesite ancak farklı donatı detaylarına sahipti. Kirişler, çubuk elemanları olarak tanımlanmıştır. Bu, default menüyü kullanmak yerine yapıldı. Bu, default menü enine donatı tanımına izin vermediği için yapıldı, bu nedenle sargı etkisi doğru bir şekilde yakalanmadı. Ayrıca, kirişin plastik davranışının çok önemli bir parçası olan moment eğrilik analizini vermek için default menüde kesit analizi yapmak mümkün değildir. SAP2000 v23'teki section designer menüsü ise, kullanıcının kirişlerin geometrisini ve donatı detaylandırmasını daha doğru bir şekilde temsil etmesine ve ayrıca kullanıcının ayrıntılı bir kesit analizi yapmasına olanak tanır. Betonun nihai basınç birim şekildeğistirme, deprem yönetmeliğe göre 0,018 olarak tanımlanmıştır. Modelin boyutu göz önüne alındığında, kiriş için fiber boyutları varsayılan değer olan 3x3 olarak bırakılmıştır. Onları daha ince yapmak daha doğru sonuçlar verirdi ama aynı zamanda model büyük olduğu için analiz süresini de uzatırdı. Yapıdaki tüm kolonlar kare kesitlidir. Kolonlar da çubuk elemanları olarak tanımlandı. Default menü, kolonlar için enine donatı tanımına izin vermesine rağmen, kolon tanımı için yine section designer kullanıldı. Default menüde tanımlanan bir kolonu, Section designer'da tanımlanan bir kolonla karşılaştırmak için parametrik bir çalışma yapıldı. Ankastre mesnetli tek kolon üzerinde itme analizi yapılmıştır. Sonuç, kesit tasarımcısında tanımlanan kolonun, bu tür yük koşulları altında bir kolonun beklenen davranışına daha yakın olan daha sünek bir şekilde davrandığını göstermiştir. Section designer'da kolonların modellenmesi, daha sonra perfomans kriterlerinin hesaplanmasında kullanılacak olan kesit analizine de izin verdi. Tıpkı kirişlerde olduğu gibi, analiz süresini uzatmamak için fiber yerleşimi varsayılan değerlerde bırakılmıştır. Mander beton modeli, betonun sargılı mukavemetini yakalamak için kullanıldı. Yükler döşemeler üzerine üniform yayılı yükleri olarak uygulanmıştır. Yüklerin değerleri TS498'den alınmıştır. SAP 2000 sürüm 23'te birçok mafsal seçeneği mevcuttur. Kiriş ve kolonlarda hasar kontrolü yapılırken uçlardaki plastik dönmeler kontrol edilir. Plastik dönüşler, yığılı veya dağıtılmış plastisite modelleri kullanılarak yakalanabilir. Bu çalışmada yığılı plastik mafsal yerine fiber mafsal şeklinde dağıtılmış plastiklik modeli kullanılmıştır. Bunun nedeni, plastik mafsalların aksine, fiber mafsalların mafsalardaki moment, eksenel ve kesme kuvveti (M-N-V) etkileşimlerini dikkate almasıydı. Bu etkileşimin plastik mafsal kapasitesini düşürdüğü gösterilmiştir. Bu etkileşimin göz önünde bulundurulması, binanın daha doğru ilerleyen bir çökme tepkisinin gözlemlenmesine izin verir. Doğrusal olmayan model tamamlandıktan sonra, ABD Genel Hizmetler İdaresi ve ABD Savunma Bakanlığı tarafından önerilen doğrusal olmayan dinamik alternatif yol yöntemi kullanılarak ilerlemeli çökme değerlendirmesi yapıldı. Dokuz kolon kaldırma senaryosu ve dokuz duvar senaryosu dikkate alınarak toplam on sekiz senaryo yapılmıştır. Her senaryo için, kaldırılan elemanın hemen üzerindeki düğümlerin düşey yer değiştirme zaman geçmişleri çizildi ve sonuçlara ilişkin daha fazla fikir edinmek için grafikler farklı kombinasyonlarda karşılaştırıldı. Plastik mafsalların oluşturulduğu durumlar için plastik mafsal dönüşleri hem TEC-2018 hem de ASCE/SEI 41-17'ye göre hesaplanan performans limitleri ile karşılaştırılmıştır. Zemin katta kolonun köşeden ve kenardan kaldırıldığı senaryo için plastik mafsallar oluşturulmuştur. Bu iki durumda hasar sınırlıydı. Geri kalan senaryolarda mafsal gözlenmedi. Bu çalışma için kullanılan bina, TEC-2018'e göre tasarlanmış yüksek bir binaydı ve kabul edilebilir ilerlemeli çökme tepkisine sahipti. Sonuçlar kolon ve perde duvarların kaldırılmasıyla yapı elemanlarında oluşan gerilmelerin yapı elemanlarında sınırlı düzeyde kaldığını ve yapısal bütünlükte herhangi bir bozulmaya neden olmadığını göstermektedir. Ancak, TEC 2018'e göre tasarlanan tüm yüksek binaların iyi bir ilerlemeli çökme tepkisine sahip olduğu sonucuna varmak yanıltıcı olabilir. Bu çalışmadaki sonuçlar sadece söz konusu bina için geçerlidir. Kesin bir sonuca varılmadan önce aynı çalışma farklı taşıyıcı sistemlere sahip farklı yüksek binalar için yapılmalıdır. TEC 2018'e göre tasarlanan yüksek binaların iyi bir ilerlemeli çökme tepkisine sahip olduğunun şüphe gölgesi olmadan kurulabilmesi için sayısal çalışmalara ek olarak, deneysel çalışmalara da ihtiyaç vardır. Şu anda Türkiye'de çok sayıda yıkım yapılıyor. Bu binalar yıkılmadan önce deneysel çalışmalar için kullanılabilir. İlerlemeli çökmeyi daha detaylı incelemek için laboratuvar ortamında ölçekli modeller de yapılabilir. Bununla birlikte, bu çalışma için kullanılan bina, TEC 2018'e göre tasarlanmış yüksek binalar için mükemmel aşamalı çökme tepkisi öneren sonuçlar verdi. Bina düz levha sistemine sahip olduğu için döşemelerde hasar meydana gelmiş olabilir. Plakalardaki hasarların belirlenmesi basit bir iş değildir ve bu çalışmanın kapsamı dışındadır, dolayısıyla dikkate alınmamıştır. Bununla birlikte, meydana gelebilecek potansiyel kritik hasarlar için plakaların da kontrol edilmesi tavsiye edilir.
Özet (Çeviri)
When a building experiences severe impact loads such as explosions, car or airplane impacts, or similar natural or man-made events on a critical structural member like a column or shear wall, failure of the critical member can lead to the ultimate collapse of the whole building if the remaining members fail to carry the extra load imposed on them due to the failed member. This progression of damage from the member level to the structural level is what is described as progressive collapse. This study investigates the progressive collapse response of tall buildings designed according to the Turkish earthquake code. In this research, a case study was done on a 40-story tall building designed according to the Turkish earthquake code. The building used was a symmetrical building with a flat plate system, perimeter beams, and shear walls at the core. A 3D model was developed using SAP 2000 version 23 to represent the building. Gravity loads were applied directly to the slabs as uniform loads. Nonlinear behavior on the beams and columns was modeled using the fiber hinge model. A progressive collapse procedure was performed for a total of 18 scenarios. This was done by removing a critical member using SAP2000 v23 and then reading the displacements on the node directly above the removed member. These results were represented as displacement time histories of the node. Plastic hinge rotations were read on the beams surrounding the removed member, where the hinges formed. The rotations were compared to the plastic hinge rotation limits given in the Turkish Earthquake Code (TEC 2018) and the American Society of Civil Engineers (ASCE/SEI 41-17) for different performance levels. The 18 scenarios were compared in various combinations to get a better insight into the results obtained. From the results, it was observed that hinges formed on perimeter beams adjacent to the removed column only in the scenarios where the column was removed from the corner and the edge of the bottom floor. In the rest of the 16 scenarios, there were no hinges formed on the perimeter beams or on the columns. This research gave useful and critical insights into the performance of tall buildings designed according to the Turkish earthquake code, since no study had been done on this subject before. The whole process was described in detail in such a way that it can be replicated by practicing engineers without any prior experience in this subject.
Benzer Tezler
- Çok katlı çelik yapılarında döşeme türü kararı etkenleri
Başlık çevirisi yok
ZİYA YAMAÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİLGE IŞIK
- Global response of 2D reinforced concrete structures under blast loads and progressive collapse
Başlık çevirisi yok
MOHAMED ABDULLAHI ADAN MAHAD
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Kültür Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN FARUK KARADOĞAN
- Analytical and experimental evaluation of progressive collapse resistance of reinforced concrete structures
Başlık çevirisi yok
SERKAN SAĞIROĞLU
- Dolgu duvarların asma katlı çerçeveli betonarme yapıların davranışı üzerindeki etkisi
Effect of the infill wall of structure with mezzanine floor on structural behaviour
VESSAM ALMANNAA
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
İnşaat MühendisliğiSakarya Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUHAMMET ZEKİ ÖZYURT
- Low cycle fatigue effects in the damage caused by the Marmara earthquake of August 17,1999
Düşük devirli yorulmanın 17 Ağustos 1999 Marmara depreminin hasarları üzerindeki etkileri
FİKRİ ACAR
Doktora
İngilizce
2004
İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. UĞUR POLAT
PROF.DR. POLAT GÜLKAN