İki betonarme binada bağ kirişleri etkisinin operayonel modal analiz ve sonlu eleman yöntemleriyle belirlenmesi

Abstract

Birbirine yakın olarak inşa edilen binalarda yatay bağlantı elemanları kullanılarak binaların birbirine bağlandığı durumlarla çokça karşılaşılmaktadır fakat ülkemizde böyle yapıların dinamik davranışları ile yapılmış çalışma sayısı çok azdır. Bu tez çalışmasında, İstanbul ilinde 1976 yılında inşa edilen, A ve B Bloklarından oluşan, ikiz ve kat seviyelerinde bağ kirişleriyle birbirine bağlı betonarme binalar ele alınmıştır. Yapıları birbirine bağlayan bağ kirişlerinin küçük ve büyük titreşimler altında, yapıların dinamik davranışına olan etkisini ortaya çıkarmak amacıyla, tam ölçekli deneysel ve sayısal çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışma kapsamında, rüzgâr ve trafik gibi çevresel etkilerle yapıda oluşan titreşimlerin kayıt altına alınıp işlenmesi prensibine dayanan operasyonel modal analiz tekniği kullanılırken, sayısal çalışma kapsamında ise sonlu elemanlar yönteminden yararlanılmıştır. Bağ kirişlerinin yapı dinamik karakteristiklerine olan etkisini deneysel olarak ortaya çıkarabilmek için öncelikle yapılar birbirine bağ kirişleriyle bağlıyken her iki binada ayrı ayrı olmak üzere operasyonel modal analiz gerçekleştirilmiştir. Sonrasında bağ kirişleri kırılarak yapılar birbirinden ayrılmış ve her iki binada yine ayrı ayrı olmak üzere operasyonel modal analiz tekrarlanmıştır. Çevresel etkilerle oluşan titreşimlerin kaydedilip analiz edilmesiyle, yapı dinamik karakteristiklerini temsil eden doğal frekanslar ile mod şekilleri, yapıların bağlı ve ayrık olduğu durumlar için ayrı ayrı olarak elde edilmiştir. Elde edilen sonuçların karşılaştırılmasıyla, bağ kirişlerinin yapı dinamik karakteristiklerine olan etkisi deneysel olarak ortaya çıkarılmıştır.Deneysel yöntemlerle elde edilen yapı dinamik karakteristiklerinin geçerliliği sayısal yöntemlerle elde edilen sonuçlara göre daha doğru kabul edilir. Sayısal modal analiz yöntemiyle bağ kirişleri etkisini ortaya çıkarmak amacıyla, deneysel olarak elde edilen yapı dinamik karakteristiklerini temsil eden en uygun sayısal modeli elde etmek için, yapıların beş farklı sonlu eleman modeli oluşturulmuştur. Dolgu duvarların kütlesi sonlu eleman modellerin hepsinde yapısal analizlere dâhil edilirken, rijitlik özellikleri farklı şekilde yapısal analizlere dâhil edilmiştir. Dolgu duvarların rijitlik özellikleri, birinci sonlu eleman modelinde göz önünde bulundurulmazken, ikinci sonlu eleman modelinde kabuk eleman olarak, üçüncü, dördüncü ve beşinci sonlu eleman modellerinde ise iki ucu mafsallı eşdeğer sanal basınç çubuğu olarak yapısal analizlere dâhil edilmiştir. Üçüncü, dördüncü ve beşinci sonlu eleman modellerinde dolgu duvarların iki ucu mafsallı eşdeğer sanal basınç çubuğu olarak yapısal analizlere dâhil edilmesine rağmen birbirinden ayrılma sebebi boşluklu dolgu duvarların varlığıdır. Bu modellerde boşluklu dolgu duvarlar farklı modelleme teknikleriyle yapısal analizlere dâhil edilmiştir. Oluşturulan beş farklı sonlu eleman modellerinin modal analizleri gerçekleştirilmiş, ilk üç modun frekans değerleri ve mod şekilleri elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, operasyonel modal analiz yöntemiyle elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma işlemi için A Blok binası ele alınmış ve bağ kirişleri kırıldıktan sonra gerçekleştirilmiş olan operasyonel modal analiz sonuçları kullanılmıştır. Elde edilen sonuçların değerlendirilmesiyle, deneysel yöntemle elde edilen sonuçlara ikinci sonlu eleman modelinin frekans değerleri, dördüncü sonlu eleman modelinin ise mod şekilleri en yakın sonucu vermiştir.İkinci ve dördüncü sonlu eleman modelleri kullanılarak A ve B Bloklarından oluşan binaların bağ kirişleriyle bağlı sonlu eleman modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan sonlu eleman modelinin modal analizi gerçekleştirilmiştir. Sonrasında bağ kirişleri kaldırılarak, A ve B Bloğun ayrı ayrı olmak üzere modal analizleri gerçekleştirilmiştir. Bağlı ve ayrık olma durumları için elde edilen sonuçların karşılaştırılmasıyla sayısal modal analiz yöntemiyle bağ kirişlerinin yapı dinamik karakteristiklerine olan etkisi ortaya çıkarılmıştır.Aktif fay hatları bulunan ülkemizde sık sık depremler meydana gelmektedir. Bu sebeple, son olarak bu bölümde, ülkemizde oluşan depremlerin yer ivme kayıtları kullanılarak, bağ kirişlerin deprem performansı ve bağ kirişlerinin diğer yapısal elemanların deprem performansına olan etkisi araştırılmıştır. Bağ kirişlerinin diğer yapısal elemanların deprem performansına olan etkisini anlamak amacıyla, yapısal elemanların deprem performansı, binaların bağlı ve ayrık olma durumları için ayrı ayrı olarak zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizlerle belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar karşılaştırılmasıyla bağ kirişlerin yapısal elemanların deprem performansına olan etkisi ortaya çıkarılmıştır.Binaların birbirlerine bağ kirişleriyle bağlanmasıyla, operasyonel modal analiz yöntemiyle, küçük titreşimler altında, yapıların birlikte hareket etme eğilimde olduğu, sonlu eleman yöntemiyle ise deprem yükleri altında yapısal elemanların davranışlarında bazı değişiklikler meydana geldiği ortaya çıkarılmıştır.

In buildings constructed close to each other, there are many situations where the buildings are connected to each other by using horizontal connection elements, but there are very few studies on the dynamic behavior of the buildings constructed as interconnected in our country. In this thesis study, two existing identical six storey reinforced concrete buildings which are connected to each other by coupling beams on their floor levels and constructed in Istanbul at 1976, is used. Full scale experimental and numerical studies have been carried out in order to reveal the effect of coupling beams connecting the structures to the dynamic behavior of the structures under small and large vibrations. Operational modal analysis technique, which is based on the principle of recording and processing of vibrations in the structure due to environmental effects such as wind and traffic, has been used in the experimental study, and finite element method has been used in the numerical study.In order to determine the effect of coupled beams on the dynamic characteristics of the structure, firstly operational modal analysis was carried out separately in both buildings when the structures were connected with coupled beams. Then, the coupling beams were removed and twin buildings were separated from each other. After separation, operational modal analysis was repeated separately in both buildings. By recording and analyzing the vibrations caused by environmental effects, natural frequencies and mode shapes that representing the dynamic characteristics of the structure are obtained for the situations where the structures are connected and discrete. By comparing the obtained results, the effect of the coupled beams on the dynamic characteristics of the structure was determined experimentally.The validity of the dynamic characteristics of the structures obtained by experimental methods is considered more accurate than the results obtained by numerical methods. In order to reveal the effect of coupled beams by numerically, five different finite element models of the structures have been formed in order to obtain the most appropriate numerical model representing the dynamic characteristics of the structure obtained by experimental method.The mass of the infill walls was included in the structural analysis in all of the finite element models, whereas the stiffness characteristics were included in the structural analysis in a different way. Stiffness properties of the infill walls are not included in the first finite element model. The stiffness properties are included in the structural analysis as the shell element in the second finite element model, and idealized as a two - edge hinged diagonal equivalent pressure bar in the third, fourth and fifth finite element models. In the third, fourth and fifth finite element models, although the infill walls are included in the structural analysis as a two - edge hinged diagonal equivalent pressure bar, the reason for the separation of the finite element models from each other is the presence of hollow fill walls. In these models, hollow infill walls were included in the structural analysis with different modeling techniques.Modal analysis of five different finite element models were performed and frequency values and mode shapes of the first three modes were obtained. The results obtained were compared with the results obtained by operetaional modal analysis method. Block A building was used for the comparison process and operational modal analysis results after the coupled beams was broken were used. By evaluating the obtained results, the frequency values of the second finite element model and the mode shapes of the fourth finite element model gave the closest result to the results obtained by the experimental method.The finite element models of the buildings consisting of blocks A and B, connected by coupled beams, were created using the second and fourth finite element models. Modal analysis of the finite element models was performed. Then, the coupled beams were removed and modal analyses of Block A and Block B were performed separately. By comparing the results obtained for the connected and discrete states of the buildings, the effect of the coupled beams on the dynamic characteristics of the structure was revealed by numerical modal analysis method.Earthquakes occur frequently in our country due to the presence of active fault lines. For this reason, in this section, the earthquake performance of coupled beams and the effect of coupled beams on earthquake performance of other structural elements are investigated by using ground acceleration records of earthquakes in our country. In order to understand the effect of coupled beams on the earthquake performance of other structural elements, the earthquake performance of the structural elements was determined separately by non-linear within the scope of time definition method for the connected and discrete states of the buildings. By comparing the obtained results, the effect of coupled beams on the earthquake performance of structural elements was revealed.As the buildings become interconnected with the coupled beams, it is revealed that the structures tend to move together with the operational modal analysis method under small vibrations, while some changes in the behavior of the structural elements have been revealed by the finite element method under earthquake loads.