Bir kulenin yapısal tasarımı ve deprem performansının incelenmesi

Abstract

Son yıllarda taleplerin, ekonomik gücün ve teknolojik imkanların artmasıyla birlikteyüksek yapılara bir yönelim olmuştur. Bu yönelimin bir sonucu olarak hemmühendislik hem de mimari tasarım açısından bir rekabet oluşmuştur ve yüksekyapıların anıtsal bir kimliği ortaya çıkmıştır. İnsanoğlunun daha yükseklere çıkmaiçgüdüsü ile birlikte kule türü yüksek yapılar önemli etkinlikler için simgesel bir yapıolarak öne çıkmıştır.Mevcut tasarım ve uygulama eğilimi, kule türü yüksek yapılarda yanal rijitliğin anaetmeni olarak betonarme perde duvarlarının kullanılmasını öne çıkarmıştır. Bununyanında özel olarak yapıların geometrisine ve servis ihtiyaçlarına göre çerçeve vebunun gibi bazı yardımcı yapısal elemanlar ile birlikte de kullanılmaktadır. Bu rolpaylaşımının bir sonucu olarak betonarme perde duvarların yanal etkiler altındadavranışı ve güvenliği, büyük ölçüde yapının davranışını ve güvenliğinibelirlemektedir.Bir asırı aşkın süredir kullanılan betonarme hesap yöntemleri sonucu, kesit tasarımıve davranışları üzerinde ciddi bilgi ve tecrübe birikimi oluşmuştur. Fakat özelliklekesit yapısı ve yapısal elemanların etkileşimleri arttıkça, yapı davranışı da oldukçakarmaşık hale gelmektedir. Bu nedenle mühendislik pratiğinde yapısal tasarımgerçek davranışı arayacak şekilde değil, standart ve yönetmeliklerde öngörülengerekli yapı güvenliğini sağlayacak şekilde yapılmaktadır. Betonarme perdeduvarların yanal etkiler altında güvenliğinin sağlanabilmesi için kesitlerin eğilme vekesme dirençlerini oluşturan mekanizmalar iyi anlaşılmalıdır. Ayrıca bumekanizmalara göre detaylandırma yapılırken, başlangıç koşullarının yanında yapısalelemanların tüm davranış safhaları da göz önünde tutulmalıdır. Bu çalışmadabetonarme perde duvarlarda hem kesit boyutlarının etkisi, hem de belirli kesitlerineğilme ve kesme etkileşimi altında yüklerin güvenle aktarılabileceği tasarımlararaştırılmıştır.Bu yüksek lisans tez çalışması altı bölümden oluşmaktadır. Bölüm içerikleriaşağıdaki gibi verilebilir:Birinci bölümde yapılan çalışmanın amacı, kapsamı ve izlenilen yöntembelirtilmiştir.İkinci bölümde betonarme kesitlerde genel kesme davranışı, betonarme perdeduvarlarda kesme davranışı ve kesme güç tükenmesi ile ilgili daha önce yapılançalışmalar irdelenmiş ve özetlenmiştir.Üçüncü bölümde, bu çalışmaya konu edilen ve incelenen yapı tanıtılmıştır. Örnekyapı, tezin yazarı tarafından yapısal tasarımı ulusal ve uluslararası yönetmelikleregöre yapılmış ve hali hazırda Antalya'da inşa edilmiş kule türü bir yapıdır.xxDördüncü bölümde, dört farklı betonarme perde duvar kalınlığı için genel yapıdavranışı, betonarme perde duvarların eğilme ve kesme davranışı incelenmiştir. Bubölümde yalnızca doğrusal analizler kullanılarak, tüm parametreler değerlendirilerektoplamda optimum betonarme perde duvar kalınlığı belirlenmiştir.Beşinci bölümde, kesit boyutları ve donatı detayları belirlenmiş yapının zaman tanımalanında doğrusal olmayan analizleri gerçekleştirilmiştir. Eğilme ve kesme davranışıetkileşimi göz önünde tutularak, betonarme perde duvarlarda kesme güvenliği farklıdavranış aşamaları için incelenmiştir.Altıncı bölümde ise yapılan çalışmaların sonuçları özetlenerek bazı önerilere yerverilmiştir

In recent years, with increasing economic power, technological opportunities anddemands a tendency has been emerged toward tall buildings. As a result of thistendency, competition for both engineering and architectural design has come tofruition, and a monumental identity of high structures has also became clear.Together with the instinct of ascending to higher levels of human beings, highbuildings have come to the forefront as a symbolic structure for some importantevents.Existing design and application practice, reinforced concrete shear walls are acceptedas the main element of rigidity lateral stiffness. However, some secondary structuralelements are also used according to the geometry of the structures and the servicerequirements. As a result of this role sharing, the behavior and safety of reinforcedconcrete shear walls under lateral forces determine the behavior and safety of wholestructure.As a result of the reinforced conrete application which is used for about a century,we have serious knowledge and experience accumulation on the section behavior.However, as the interactions of the structural elements increase, the behavior of thebuilding becomes more complex. For this reason, structural design in practicalengineering is carried out not to seek real behavior exactly, but to provide thenecessary structural safety. Mechanisms that form the bending and shear resistancesof the sections must be well understood in order to ensure the safety of the reinforcedconcrete wall. In addition, when detailing shear walls according to thesemechanisms, all the behavioral phases of the structural elements must be consideredin addition to the initial conditions. In this study, the effects of both cross-sectionaldimensions and designs in which sections can safely transfer shear loads underbending and shear interaction were investigated.This master thesis work consists of six parts. Section contents can be described asfollows:In the first part, the purpose, scope and method of study are given. The aim of thisstudy is to investigate shear design approach for shear wall at tubular plan type andshear behavior at damaged sections like cracked sections in tension. The scope ofthis study is nonlinear behavior and performance evaluation of 115.9 m high tubularsection tower with 10 m diameter.In the second part, general shear behaviors in reinforced concrete sections, shearbehavior in reinforced concrete walls and shear failure modes have been examinedand summarized.In the third chapter, the structure that studied is introduced. The sample structure is115 m high and designed by the author of the thesis and is currently built in Antalya.The structure has a tubular core wall plan and have 10 m diameter. Thickness ofshear wall is 80 cm for first XX m and 60 cm for remaining part. This study includes xxiia sensitivity analysis for shear wall thickness to achieve optimum structural behavior.Construction site classified as second earthquake region and Z3-C soil class. In orderto execute nonlinear time-history analysis of structure, original earthquake recordswith scale factors which are presented in seismic hazard report of the constructionssite used. Also analysis are executed at directions at 0° and 45° to cover mostinconvenient cases.In the fourth chapter, general structure behavior, bending and shear behavior ofreinforced concrete shear walls are observed over four different reinforced concretewall thicknesses. In this section, using only linear analyzes, all parameters areevaluated and the most effective working reinforced concrete wall thickness isdetermined. All linear analysis go through with 60 cm, 70 cm, 80 cm and 90 cmshear wall thickness in order to pick most efficient section dimensions. Naturalperiods, axial compressive stress, tension reinforcement, shear reinforcement andlateral displacements vary nearly linearly with shear wall thickness. But increase atbase shear force ratio to mass of structure with 80 cm thickness is optimum withrespect to shear wall thickness.In the fifth section, nonlinear analyzes of the structure with determined sectiondimensions and reinforcement detailing are performed in the time domain. Takinginto account the interaction of bending and shear behavior, shear safety in reinforcedconcrete shear walls has been investigated for different behavioral steps. To executenonlinear time-history analysis, all shear walls are modelled as fiber section withexpected material properties. Shear behavior of shear wall are considered as elasticwith an effective shear modulus. To assess performans of shear walls in bending,strains are monitored with respect to specified thresholds in specifications.To evaluate the performance of tower structure lateral displacement, tension andcompression strains at shear wall, average compressive stress at shear wall sections,average shear stresses at shear wall sections considered with respect to limits atspecifications. Also in order to evaluate shear safety of shear walls, sliding shearfailure mode of shear wall is investigated. As a result of geometry of structure,always nearly half of shear walls are exposed to tension in bending behavior. Shearwall sections which are exposed to tension are considered as vulnerable to slidingshear failure in absense of axial compression. In this very section, no tensioncapacity of concrete, interlocking of aggregates etc. is not considered as amechanism to create shear resistance. Only dowel action of longitudinalreinforcements is liable for shear resistance of shear wall. Combined action of shearand tension on rebars are monitor at every time step in every shear wall section.Except only a fractional part of rebars, all longitudinal reinforcements are adequatefor combined tension and shear action.No nonlinear behavior is considered at steel structure elements of building and allsteel frame structures which placed on top of structure is modelled as elastic frameelement.In the sixth chapter, the results of the studies are compiled and somerecommendations are given. Sensivity analysis that investigates optimum shear wallthickness, exhibits that larger sections does not guarantees safe conditions, neither itdoes not offer an efficient engineering solutions.All the lateral deformations values are within the thresholds of specification withconsidered shear wall thickness.xxiiiThe sample structure achieves `Life Safety` performance criteria. All shear wallsections are achieves safety for axial compressive stress level and deformationslevels. Also detailed sections by linear analysis does contain adequate longitudinalreinforcement for axial tension stress due to earthquake loads. All shear wall sectionshas enough section area for principle compressive capacity for shear demand andenough tranverse reinforcement for principle tension capacity for shear demand.Only longitudinal reinforcements does provide adequate shear resistance againtsliding shear failure without any concrete contribution.