Betonarme binaların burkulması önlenmiş çaprazlarla depreme karşı güçlendirilmesi için bir modelleme ve tasarım yönteminin geliştirilmesi
Development of a modeling and design method for the seismic retrofit of reinforced concrete buildings with buckling-restrained braces
- Tez No: 957785
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ FATİH SÜTCÜ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Deprem Mühendisliği, Earthquake Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 123
Özet
Deprem yönetmeliklerinde yapılan revizyonlara bağlı olarak tasarım kriterlerinin giderek daha sıkı hale gelmesi, yapıların inşa edildikten sonra kullanım amacının değişmesi veya çevresel etkiler nedeniyle malzeme dayanımlarında meydana gelen azalışlar, yapıların servis ömürleri boyunca karşılaşabilecekleri depremlere karşı taşıyıcı sistem kapasitelerinde yetersizliklere yol açabilmektedir. Bu yapılarda can ve mal güvenliğinin sağlanabilmesi için öncelikle performans analizleri ile mevcut yetersizliklerin tespit edilmesi, ardından ise uygun güçlendirme yöntemlerinin seçilerek bu eksikliklerin giderilmesine yönelik müdahalelerin gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Yapılacak güçlendirme çalışmalarıyla, tüm taşıyıcı sistem bir bütün olarak iyileştirilebilir (sistem güçlendirmesi) veya taşıyıcı elemanlar tek tek güçlendirilebilir (eleman güçlendirmesi). Bu güçlendirmeler, yapının yük kapasitesinin artmasını, deformasyonlara karşı daha dayanıklı olmasını (rijitlik) ve deprem enerjisini daha etkili bir şekilde sönümlemesini (süneklik) sağlar. Taşıyıcı sisteme betonarme perde duvar ilave edilmesi ve çerçevelerin çelik çaprazlarla güçlendirilmesi“sistem güçlendirilmesi”yöntemlerinden bazılarıdır. Taşıyıcı elemanların betonarme mantolaması, çelik elemanlarla mantolama ve lif takviyeli polimer ile elemanların sargılanması yöntemleri ise yaygın olarak tercih edilen“eleman bazında geleneksel güçlendirme”yöntemlerinden bazılarıdır. Geleneksel deprem güçlendirme yöntemleri, yapısal elemanların yerleşimi veya boyutlarının değişmesi nedeniyle yapı içindeki alan kullanımını, estetiği, kullanıcı konforunu ve mekânın işlevselliğini olumsuz etkileyebilmekte; ayrıca güçlendirme sürecindeki bina genellikle tamamen veya büyük oranda kullanılamaz hale gelmektedir. Bu durum özellikle faaliyetlerini aksatmadan sürdürmesi gereken önemli yapılar için (örneğin, okullar, hastaneler ve kamu binaları) önemli operasyonel aksaklıklara yol açmaktadır. Belirtilen durumlardan ötürü, yenilikçi deprem güçlendirme yöntemlerine olan ihtiyaç giderek artmaktadır. Bu yöntemler, yapının mimari ve işlevsel bütünlüğünü korurken, güçlendirme uygulaması dışarıdan gerçekleştirilebildiği için yapının tahliye edilmesini gerektirmeyen veya kısa duraklamalarla ilerletilebilen çözümler sunmaktadır. Okul binaları, deprem öncesinde ve sonrasında hem stratejik hem de toplumsal işlevleri açısından hayati bir öneme sahiptir. Okul binaları deprem sırasında, güvenli bir eğitim ortamı sunarak toplumun geleceğini inşa eden çocukların can güvenliğini korumalıdır. Deprem sonrasında ise, bu okul binaları sığınma, toplanma merkezi, yardım ve lojistik dağıtım noktası olarak kullanılabilmekte ve afet sonrası kriz yönetimi süreçlerinde kritik bir rol üstlenmektedir. Ayrıca, eğitimin mümkün olan en kısa sürede yeniden başlamasına olanak sağlayarak toplumun normalleşme sürecine katkıda bulunur. Bu çalışmada, yukarıda açıklanan gereklilikler doğrultusunda, 5 katlı betonarme bir okul binasının cephe akslarına, mevcut çerçevelerin içerisine kapalı elastik çelik çerçeveler ve yenilikçi güçlendirme yöntemlerinden biri olan burkulması önlenmiş çaprazlar (BÖÇ) eklenerek güçlendirme tasarımı yapılmıştır. Yapılan analizlerde, 50 yıl içinde aşılma olasılığı %10 olan tasarım depremi düzeyinde, bir okul binasının göreli kat ötelenmesi oranının 1/150 sınırının altında kalması hedeflenmiştir. BÖÇ'lerin esas hedefi yapıya rijitlik kazandırırken aynı zamanda enerji sönümleme kapasitesi sağlayarak, iç akslara müdahale edilmeden, yapının hedeflenen deplasman seviyesinin altında deplasman yapmasıdır. Kapalı çelik çerçevelerin amacı ise hedeflenen deplasman seviyesinde elastik kalarak, yapının merkezleme kapasitesinin arttırılması ve böylece deprem sonrası oluşabilecek kalıcı deformasyonların en aza indirilmesi; BÖÇ'lerden betonarme çerçeveye aktarılan yüklerin tekil bir düğüm noktası yerine mevcut taşıyıcı elemanlara yayılı olarak aktarılması; mevcut elemanlarla kompozit çalışarak eleman kapasitelerine bir miktar katkı sağlamasıdır. Ayrıca, kapalı çelik çerçeveler BÖÇ'lerin betonarme çerçevelere yerleştirilmesi sırasında montajını kolaylaştırmakta, uygulanabilirliğini artırarak güçlendirme çalışmalarının daha etkili bir şekilde gerçekleştirilmesini sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
Reinforced concrete (RC) buildings constructed before modern seismic codes often suffer from critical structural deficiencies, including inadequate lateral stiffness, strength, ductility, and energy dissipation capacity. These vulnerabilities pose serious threats to public safety, especially in essential facilities like schools that must remain operational after major seismic events. Traditional retrofit techniques such as RC jacketing, shear wall addition, or classical steel bracing systems are widely used and technically effective; however, they typically require intrusive interventions, disrupt architectural functionality, and often render the building partially or fully unusable during retrofitting. This disruption is particularly problematic for buildings like schools and hospitals, where operational continuity is essential. Among emerging retrofit strategies, Buckling-Restrained Braces (BRBs) have drawn increasing attention due to their ability to deliver stable hysteretic energy dissipation while overcoming the fundamental weakness of conventional braces—namely, their loss of compressive strength due to flexural buckling. By restraining buckling through a composite steel-and-mortar encasement, BRBs can develop symmetric hysteretic behavior under cyclic tension and compression, with minimal strength degradation or residual deformation. The core, typically made of low-yield-point (LYP) steel, is designed to yield under relatively small deformations, thereby increasing energy dissipation efficiency. Their application allows engineers to strategically control inter-story drift while preserving the functional integrity of the building. The present study investigates the effectiveness of an external seismic retrofit solution using BRBs applied to a five-story RC school building. The building in question, while structurally functional under service loads, fails to meet the seismic performance requirements of the current Turkish Earthquake Code (TBDY-2018), particularly under the Design Based Earthquake (DBE) corresponding to a 10% probability of exceedance in 50 years. Initial assessments indicated that inter-story drift ratios would surpass the acceptable limit of 1/150 under DBE excitation, with particular vulnerability observed in the upper stories. Recognizing the necessity of an efficient yet minimally disruptive intervention, the retrofit approach focused on externally applied BRBs housed in closed steel frames installed along the longitudinal facade axes, allowing the interior layout and usage of the school to remain unaffected during construction. The BRB elements utilized in this study were designed with LYP225 steel cores, chosen for their low yield strength and stable cyclic behavior. Each brace consists of a steel core divided into elastic and plastic regions, encased in a mortar-filled steel tube that restrains lateral buckling while allowing axial yielding. These braces were installed within closed steel frames engineered to remain elastic during seismic loading, serving multiple purposes: enhancing lateral stiffness, enabling re-centering behavior, and distributing the axial loads from BRBs to the RC structure over a larger area to avoid local overstress, particularly at beam-column joints. Importantly, these frames also facilitated the practical alignment and installation of the BRBs, improving the constructability of the retrofit system. Numerical modeling of the building was conducted using ETABS, wherein the RC elements were modeled based on the existing architectural and structural drawings, and BRBs were represented using nonlinear multi-linear plastic link elements. These elements were calibrated using data from large-scale experimental tests performed at Istanbul Technical University's Structural and Earthquake Engineering Laboratory. The tests involved BRB components subjected to reversed cyclic loading protocols that mimicked seismic actions. The resulting force-displacement hysteresis loops showed symmetric behavior with minimal degradation, confirming the braces' stable energy dissipation characteristics. Comparison between the experimentally measured behavior and the numerical simulation results confirmed the validity of the modeling approach, with strong agreement in stiffness, strength, and hysteretic energy dissipation. Time history analyses were carried out by TBDY-2018 Article 4B.3.5, which allows the use of a synthetic ground motion record instead of 11 individual scaled earthquake records, provided that the selected record complies with the site-specific target spectrum. This study employed the BCJ-L2 synthetic earthquake record, which was 120 seconds in length and developed based on Japanese seismic guidelines. This record contains a wide range of frequency content and was scaled to match a custom-generated spectrum specific to the school building's site conditions. Spectral compatibility with the horizontal elastic design spectrum specified in TBDY-2018 was demonstrated through comparative overlays, confirming that BCJ-L2 provides a valid input for nonlinear time history analysis. This allowed for a comprehensive and realistic simulation of structural response under complex seismic demands. To ensure that the distribution and capacity of BRBs were adequate, a multi-step design methodology was followed. The building's nonlinear pushover behavior was transformed into an equivalent single-degree-of-freedom (SDOF) model. Based on the desired seismic performance, the energy demand was calculated, and a target effective damping ratio was determined. BRBs were then proportioned to meet the energy dissipation requirements, and their placement was optimized across the stories according to modal participation and inter-story drift demand. This approach ensured a balanced retrofit solution with sufficient strength and ductility concentrated in the BRBs, while the elastic steel frame provided global stiffness and damage control. The numerical results confirmed that the addition of BRBs significantly improved the seismic performance of the structure. Compared to the unretrofitted model, the BRB-retrofitted building demonstrated lower drift demands, enhanced lateral stiffness, and more favorable energy dissipation patterns. Notably, the retrofit system effectively prevented the concentration of deformation in any particular story, a common failure mode in non-ductile RC frames. Instead, the system enabled a more uniform lateral response, reducing the likelihood of soft-story mechanisms. Furthermore, the low residual drift levels and self-centering behavior observed in simulations suggest that the building could remain operational following a major seismic event, aligning with performance-based design principles. This study's novelty lies in the external application of BRBs through calibrated, experimentally validated numerical models, offering a minimally invasive yet highly effective seismic upgrade for vulnerable RC school buildings. Unlike conventional retrofitting techniques, this method avoids costly architectural interventions, allows for continued use of the facility during construction, and introduces a modular, prefabricated solution that can be deployed rapidly and efficiently. As such, the approach holds significant promise for widespread application in retrofitting critical public infrastructure throughout seismic regions. In conclusion, the external BRB retrofit system developed and assessed in this study represents a technically robust and practically viable solution for upgrading the seismic performance of deficient RC buildings. The integration of calibrated nonlinear link models, time-history-based performance evaluation, and practical construction considerations offers a holistic framework for future retrofit projects. This method not only satisfies current international code requirements but also aligns with broader goals of urban seismic resilience.
Benzer Tezler
- Mevcut betonarme binaların burkulması önlenmiş çaprazlar (BÖÇ) ile davranış kontrollü güçlendirilmesi
Response control retrofit of existing RC buildings using buckling restrained braces (BRB)
AHMET BAL
Doktora
Türkçe
2022
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
- Inelastic seismic response of buildings with passive energy dissipation devices
Pasif enerji sönümleyicili binaların elastik ötesi sismik tepkisinin değerlendirilmesi
IBRAHIM HASSAN AZEZ AZEZ
Doktora
İngilizce
2016
İnşaat MühendisliğiGaziantep Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ESRA METE GÜNEYİSİ
- Çelik ve alüminyum alaşımlı çekirdekli burkulması önlenmiş çaprazların (BÖÇ) tasarımı, üretimi ve yön değiştiren tekrarlı yükler etkisindeki davranışı
Design, fabrication, and cyclic behavior of steel and aluminum alloy core buckling restrained braces (BRBs)
ÇİGDEM KARATAŞ
Doktora
Türkçe
2012
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
- An investigation on the effectiveness of nailed timber walls as retrofitting measure for substandard concrete structures
Düşük beton dayanımlı binaların çivili ahşap duvarlar ile güçlendirilmesine ilişkin bir inceleme
ASLI KESER
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
İnşaat MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ LUŞ
PROF. DR. ARİO CECCOTTİ
- 4 katlı bir okul binasının burkulması önlenmiş çaprazlar kullanımı yöntemiyle ve sismik izolasyon yöntemiyle Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018'e göre analizi
Analysis of the superstructure of a 4 story school building by using buckling restrained brace and seismic base isolaton method according to TBSC-2018
ŞEREF YÜKSEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ PINAR ÖZDEMİR ÇAĞLAYAN