Betonarme yüksek bir binanın zamana bağlı davranışının incelenmesi

Abstract

Sünme ve büzülme gibi zamana bağlı deformasyonlardan dolayı yüksek katlı binaların düşey elemanlarında eksenel kısalmalar meydana gelmektedir. Düşey elemanların eksenel kısalmaları yapısal ve yapısal olmayan elemanlarda beklenmedik hasarlara neden olabildiğinden yapı mühendislerinin araştırması gereken bir konu olmuştur. Eksenel kısalmaların miktarını belirlemek için çeşitli hesap yöntemleri mevcuttur. Binaların statik hesaplarında, geleneksel bir yaklaşım olarak, bina inşaatının tamamlanmasından sonra dış yüklerin yapıya doğrudan ve tek bir adımda uygulandığı varsayılarak yapılar modellenip incelenmektedir. Ancak bu hesap yöntemine zamana bağlı deformasyonlar dahil olamadığı için düşey elemanların eksenel kısalmaları doğru şekilde belirlenememekte ve binanın davranışı gerçekçi şekilde hesaplanamamaktadır. Bu çalışmada, inşaat aşamalarının yanı sıra sünme ve büzülme gibi zamana bağlı etkiler de dikkate alınarak betonarme yüksek bir binanın yapısal davranışı detaylı şekilde incelenmiştir. Hesaplarda dikkate alınan yaklaşımların yapı davranışı üzerine olan etkileri değerlendirebilmek için elde edilen hesap sonuçları ile geleneksel analiz sonuçları karşılaştırılmıştır. ACI 209R-92, CEB–FIP 2010, AS 3600-2009, Eurocode 2-2004 ve GL2000 gibi modern yönetmeliklerde yer alan yöntemler kullanılarak zamana bağlı parametreler hesaplanmış ve düşey taşıyıcı elemanlardaki eksenel kısalmalar değerlendirilmiştir. Farklı zaman dilimlerine göre düşey taşıyıcı elemanlardaki eksenel kısalmalar incelenerek binanın eksenel kısalmalarının zamana bağlı değişimi araştırılmıştır. Ayrıca, zamana bağlı davranış nedeniyle binanın seçilen birtakım elemanlarında meydana gelen eksenel kuvvet, kesme kuvveti ve eğilme momenti değişimleri de gösterilmiştir. Diğer taraftan, inşaat adımları ve zamana bağlı davranış dikkate alınarak düşey elemanlardaki boyuna donatı oranının değişiminin yapı davranışına olan etkileri de dikkate alınmış ve analizin sonuçları üzerindeki etkiler incelenmiştir. Aynı zamanda, bu çalışmada inşaatın herhangi bir nedenle durdurulmasının eksenel kısalmalar üzerindeki etkisi de sayısal olarak araştırılmıştır. Çalışma kapsamında, düşey elemanlar arasındaki eksenel kısalmaların farklarından kaynaklanabilecek yapısal ve yapısal olmayan elemanlardaki beklenmedik hasarları sınırlamak için, betonarme yüksek binaların kolon ve perdelerindeki eksenel kısalmaların azaltılabilmesi için pratik bir düzeltme yöntemi önerilmiştir. Önerilen düzeltme yönteminde, düşey elemanlar gruplandırılmış ve gruplardaki hataların cezalandırılmasıyla toplam kısalma farklılıklarının en aza indirilmesi hedeflenmiştir. Çalışmada önerilen yöntemin değerlendirilebilmesi için 32 katlı betonarme bina modeli dikkate alınmış ve düşey elemanların eksenel kısalmaları araştırılmıştır. Tekdüze gruplu düzeltme yöntemi ve önerilen Cezalandırılmış Hatalar Düzeltme Yöntemi farklı sayıda eleman grubunu dikkate alınarak kolon ve perdelerin eksenel kısalmaları üzerinde uygulanmıştır. Cezalandırılmış Hatalar Düzeltme Yönteminde hatalar L1-norm ve L2-norm yaklaşımları kullanılarak kendi içerisinde de değerlendirilmiştir. Her bir düzeltme yöntemi için düzeltilmiş hatalarının büyüklüğü sunulmuş ve elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Çalışmada önerilen Cezalandırılmış Hatalar Düzeltme Yönteminin sayısal sonuçları, maksimum hataları verimli bir şekilde en aza indirerek düşey elemanlar için düzeltme hatalarının miktarını tespit edebilmiştir.

Axial shortening occurs in vertical members of high-rise buildings due to time dependent deformations such as creep and shrinkage. Structural engineers have been investigating axial shortening of vertical elements since it can cause unexpected damages in structural and non-structural elements. Several calculation methods are available to determine the amount of axial shortening. In the static analysis of buildings, as a traditional approach, after the completion of the building construction, structures are modeled and examined, assuming that external loads are applied directly and in one step. However, since time-dependent deformations were not included in this analysis method, the axial shortening of the vertical elements cannot be determined accurately and the behavior of the building cannot be calculated realistically. In this study, the structural behavior of a high-rise reinforced concrete building was investigated in details by taking into consideration of the time-dependent effects such as creep and shrinkage as well as construction phases. In order to evaluate the effects of the approaches taken into account in the structural behavior, the results of the calculations were compared with the traditional analysis results. Time dependent parameters were calculated using analytical methods in modern standards such as ACI 209R-92, CEB – FIP 2010, AS 3600-2009, Eurocode 2-2004 and GL2000 and axial shortenings in vertical load carrying members were evaluated. The axial shortenings of the vertical load carrying members according to different time periods were examined and the time-dependent changes of the axial shortenings of the building were evaluated. Also, axial force, shear force and bending moment variations in some selected members of the building due to time-dependent behavior were shown. On the other hand, considering the construction sequence and time-dependent behavior, the effects of the variation of longitudinal reinforcement on vertical members to the structural behavior were also taken into consideration and the effects on the results of the analysis were examined. The effect of stopping the construction for any reason was investigated numerically considering axial shortening. Within the scope of the study, a practical compensation method has been proposed to reduce the unexpected damages in the structural and non-structural elements that may arise from the differences of the axial shortenings between the vertical members. In the proposed correction method, vertical elements are grouped and it is aimed to minimize total shortening differences by punishing the errors in the groups. In order to evaluate the proposed method, the 32-storey reinforced concrete building model was taken into consideration and axial shortening of vertical members was investigated. Uniform-Grouped Correction Method and the proposed Penalized Errors Correction Method were applied on axial shortening of columns and shear walls considering different number of element groups. In the Penalized Errors Compensation Method, errors were evaluated within themselves by using L1-norm and L2-norm approaches. For each correction method, the size of the corrected errors is presented and the results obtained were compared. The numerical results of the Penalized Errors Compensation Method proposed in the study were able to determine the amount of correction errors for vertical elements by efficiently minimizing the maximum errors.