Zemin büyütme katsayılarının betonarme taşıyıcı sistemlerin deprem performansına ve maliyetine etkileri

Abstract

Deprem sırasında ana kayadaki deprem dalgalarının özellikle yumuşak zeminlerde ortaya çıkan zemin büyütmesine uğraması, hem frekans içeriğinin değişmesine hem de genliklerin büyümesine neden olabilmekte ve üst yapıda da tasarım yüklerinin artmasına sebep olabilmektedir. Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik'te (DBYBHY2007), deprem yüklerini belirleyen tasarım deprem spektrumu, zemin sınıfına göre TA ve TB adı verilen spektrum karakteristik periyotlarının değiştirilmesi suretiyle değiştirilmekte ve böylece daha kötü zemin sınıfları için `TB - TA` değeri büyütülerek zemin büyütmesinin etkisi dolaylı olarak göz önüne alınmakta olup doğrudan tanımlanan zemin büyütme katsayıları bulunmamaktadır. Öte yandan, Uniform Building Code 1997 (UBC97) ve American Society of Civil Engineers 7-10 (ASCE7-10) gibi Amerikan yönetmeliklerinde ise, zemin koşullarına bağlı olarak, spektrum karakteristik periyotlarının değiştirilmesine ek olarak yönetmelikte verilen zemin büyütme katsayıları vasıtasıyla da tasarım deprem spektrumu doğrudan büyütülmekte veya küçültülmektedir. Bu durum, daha kötü zemin koşulları için, yapıların taşıyıcı sistemlerinin daha büyük deprem kuvvetlerine göre tasarlanması anlamına gelmektedir. Buna bağlı olarak, farklı zemin bölgelerinde tasarlanan betonarme taşıyıcı sistemlerin eleman boyutları da farklı olabilmektedir. Bu ise, maliyeti ve deprem performansını etkilemekte olup bu etkinin değerlendirilmesi, zemin büyütme katsayılarının kullanılmasının gerekliliği ve yeterliliği hakkında bir değerlendirme yapılabilmesi açısından önemlidir. Bu sebeple, bu çalışmada, DBYBHY2007, UBC97 ve ASCE7-10'da ortaya konan ve zemin koşullarına bağlı olarak farklılaşan tasarım deprem spektrumlarının kullanılmasının bina türü yapıların betonarme taşıyıcı sistemlerinin maliyetine ve deprem performansına olan etkileri karşılaştırmalı olarak araştırılmıştır. Bu amaçla, farklı kat sayılarına sahip (2, 5, 10 ve 15 katlı) prototip betonarme binalar farklı zemin tipleri için oluşturulan DBYBHY2007, UBC97 ve ASCE7-10 tasarım deprem spektrumları kullanılarak tasarlanmış ve betonarme taşıyıcı sistemlerin maliyet karşılaştırmaları yapılmıştır. Ayrıca, tasarımı yapılan taşıyıcı sistemlerin zaman tanım alanı analizleri temsili bir tarihi deprem kaydı altında gerçekleştirilerek deprem performansları karşılaştırılmıştır.

The exposition of seismic waves in bedrocks to soil amplification, which is especially observed in the soft soils, causes both frequency content change and amplitude amplification as well as increase in earthquake design loads of the superstructures. There exist no explicit soil amplification factors in the 2007 Turkish Earthquake Code ('Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik', DBYBHY2007) and the earthquake design spectrum in is modified by modifying TA and TB, which are called spectrum characteristic periods, depending on the soil type and thereby the effect of soil amplification is taken into account indirectly by increasing the value of `TB - TA` for poor soil types. On the other hand, in the as the American codes such as the Uniform Building Code 1997 (UBC 97) and the American Society of Civil Engineers 7-10 (ASCE7-10) Code, in addition to changing the spectrum characteristic periods depending on the site conditions, seismic design spectrum is also directly amplified or reduced via the soil amplification factors given in the code. This inherently means that the structural systems located in poorer soil conditions have to be designed for larger earthquake forces. Accordingly, the sizes of the reinforced concrete members of the structural systems may be different. This in turn affects the cost and earthquake performance and the assessment of this effect is important in evaluating the necessity and the adequacy of the use of soil amplification factors. Therefore, in this study, the effect of using seismic design spectra that are defined in DBYBHY2007, UBC97 and ASCE7-10 codes, which vary depending on the soil conditions, on the cost and earthquake performance of reinforced concrete structural systems of buildings is investigated comparatively. According to this aim, prototype reinforced concrete buildings of different number of stories (2, 5, 10, and 15 stories) are designed using DBYBHY2007, UBC97 and ASCE7-10 seismic design spectra that are generated for different soil types and cost comparisons of reinforced concrete structural systems are carried out. In addition, the time history analyses of these structural systems are carried out for a representative historical earthquake record and their seismic performances are compared.