Mevcut bir yapının deprem güvenliği ve güçlendirilmesi ile birinci titreşim periyoduna bölme duvarı ve perde mesned koşullarının etkisi

Abstract

MEVCUT BİR YAPININ DEPREM GÜVENLİĞİ VE GÜÇLENDİRİLMESİ İLE BİRİNCİ TİTREŞİM PERİYODUNA BÖLME DUVARI VE PERDE MESNED KOŞULLARININ ETKİSİ ÖZET 17 Ağustos 1999 İzmit Depremi ile 12 Kasım 1999 Düzce Depreminden sonra mevcut yapıların depreme karşı güvenliklerinin hangi düzeyde olduğunun bilinmesi, özellikle depremselliği yüksek olan bölgelerde daha çok önem kazanmıştır, İstanbul'daki mevcut bir betonarme yapının deprem güvenliğinin saptanması için ayrıntılı incelenmesine girişilmiş, mevcut kesit kapasiteleri ile çeşitli yükleme durumlarında ortaya çıkma olasılığı bulunan iç kuvvetler karşılaştırılarak güçlendirme gereği olup olmadığı sayısal olarak saptanmış, elde edilen bulgularla nasıl güçlendirilmesi gerektiği ve güçlendirmeyi etkileyecek bazı faktörlerin sonuçlara etkisi karşılaştırmalı olarak ele alınmıştır. Bu amaçla seçilen binanın yapısal özellikleri şunlardır. Bina sekiz katlıdır ve 1971 yılında inşa edilmiştir, binada yatay deprem yükleri çerçeveler tarafından taşınmaktadır ve perde bulunmamaktadır, tek doğrultuda nervürlü döşeme sistemine sahip oka binanın, özellikle asma kat döşemesinde (+5.93m kotu) büyük bir boşluk mevcuttur, binanın planda simetrisi bulunmamaktadır ve çıkıntıları mevcuttur, düşey taşıyıcı sistem elemanlarının bazılarının plandaki asal eksenleri gözönüne alman birbirine dik deprem doğrultularına paralel değildir, binanın bölme duvarlarının gevrek fabrika tuğlasından yapıldığı kabul edilmiştir, ön ve arka cephelerde bölme duvarları yoktur, ara akslarda yeralan bölme duvarlarında ise önemli ölçüde boşluklar mevcuttur ve kolondan kolona dolu olarak uzanan bölme duvarların sayısı azdır, yan cephelerde yeralan bölme duvarları ise boşluksuzdur, binanın zemini 1997 deprem yönetmeliğinde tanımlanmış olan Z3 tipi zemindir ve zemin düşey yatak katsayısının geoteknik rapordan 10000 kN/m3 alınabileceği anlaşılmaktadır. Bu zemin özellikleri yapılan hesaplamaların çeşitli aşamalarında mesnet koşulları belirlenirken gözönünde Yapının üç boyutlu matematik modeli çeşitli icralar yapmak üzere şu özellikler dikkate alınarak hazırlanmıştır. Döşemelerin düzlem içi rijitlikleri, eksenel rijitliği yüksek eğilme rijitliği ise düşük çapraz elemanlarla tariflenmiş ve gerektiğinde kaldırılmıştır. Bölme duvarları eşdeğer sanal çapraz çubuk elemanlarla tanımlanmış ve boşluktu bölme duvarların etkisi ise tanımlanmış olan sanal çapraz çubukların eksenel rijitlikleri gerektiğinde azaltılarak kaldırılmıştır. Mevcut temel sistemi winkler zemini olarak kabul edilmiş ve yaylarla tariflenerek dikkate alınmışlar, gerektiğinde ise kaldırılmışlardır. Mevcut sisteme güçlendirme amacıyla yerleştirilen perdeler eksenlerinde kendi rijitlikleriyle temsil edilmiş, komşu kirişlerin perde içinde kalan bölümleri eğilme rijitliği teorik olarak sonsuz kabul edilen kiriş parçalarıyla XVItariflenmiş ve başka bir seçenek olmak üzere karşılaştırmalarda perdelerin kabuk sonlu elemanlarla temsil edilmesi yoluna gidilmiştir. Yapının temelini tarifeden sınır koşulları gerektiğinde değiştirilebilecek şekilde modelde gözönünde bulundurulmuştur. Yukarıda tariflenen modelden yararlanılarak mevcut sistemde düşey yükler ve yatay deprem yükleri altında çeşitli hesaplar ve karşılaştırmalar yapılmış ve gerekli görülen güçlendirme perdeleri için yapılan ön hesaptan sonra perdeler matematik modele dahil edilmiştir. Mevcut yapıda 1997 deprem yönetmeliğinin incelenmesini gerekli gördüğü planda düzensizlik durumları gözden geçirilmiş ve 1997 deprem yönetmeliğinin öngördüğü göreli yerdeğiştirme sınırlan bakımından karşılaştırmalar yapılmıştır. Güçlendirme perdelerinin ilave edildiği durumda da yapının yeterli yanal ötelenme rijitliğine sahip olup olmadığım incelemek için göreli kat yerdeğiştirmeleri bakımından gerekli kontroller yapılmıştır. Bahsedilen karşılaştırmalar yapılırken düşey taşıyıcı sistemin mesnetlerime koşullarının yapının davranışına etkisi üzerinde durulmuş, mevcut sistemdeki bölme duvarlarının özellikle periyot ve dolayısıyla deprem yüklerinin yapıya aktarılmasındaki rolünün ne olduğu araştırılmış ve bölme duvarlı durum ile bölme duvarsız durum arasında meydana gelen değişimler incelenmiştir. Mevcut sistemde döşemede yeralan büyük boşluktan dolayı kat döşemesinin rijit diyafram olarak kabul edilmesi ile esnek diyafram olarak kabul edilmesi arasında bu bina için yapısal davranışta ne gibi değişikliklerin olduğu araştırılmıştır. Döşemede bulunan büyük boşluğun yapının davranışına etkisini incelemek için rijit diyafram kabulü ile düzlem içi yerdeğiştirmeleri dikkate alan esnek diyafram kabulü yapılmıştır. Boşluk etkisinin incelenmesi sonucu, özellikle esnek diyafram kabulü yapıldığında, boşluğun olduğu yerlerdeki kolonların yerdeğiştirmelerinin arttığı, diğer kolonlarda ise yerdeğiştirmelerin daha küçük olduğu gözlenmiştir. Boşluktan dolayı döşemedeki düzlem içi şekil değiştirmelerinin sonucunda iç kuvvet değerlerinde rijit diyafram kabulünün yapıldığı duruma göre değişimler meydana gelmiş fakat bu bina için meydana gelen değişimlerin mertebe bakımından önemli olmadığı görülmüştür. Zemin düşey yatak katsayısının düşük olmasından dolayı projedeki şekliyle aynen uygulandığı kabul edilen mevcut temel sistemi, yaylarla modellenmiş ve karşılaştırmalar yapılmıştır. Karşılaştırmalar sonucunda, temelin ankastre kabul edildiği modellere göre yapının mod şeklinin değiştiği, periyodunun X yönü için % 15, Y yönü için % 32 arttığı ve buna bağlı olarak da etkiyen deprem kuvvetinin azaldığı, yerdeğiştirmelerin ise oldukça arttığı görülmüştür. Yapının depremden dolayı oluşan yatay kuvvetlere karşı başlangıçtaki yatay rijitliğini arttırarak periyodun küçülmesine ve etkiyen deprem yükünün artmasına sebep olan bölme duvarlarının rijitlik ve kütle etkisi gözönüne alınmış ve yapılan karşılaştırmalar sonucunda yapının birinci titreşim moduna ait periyodunun kısaldığı ve eşdeğer deprem yükünün çıplak yapıya göre ortalama %7.4 arttığı gözlenmiştir. Standart bir üretimi olmayan bölme duvarlarının yatay rijitliğe katkıları da önemli ölçüde farklılıklar gösterebilmektedir. Bölme duvarlarının dayanımlarını hesaplamak için deneysel sonuçlardan elde edilen bilgiler ışığında ortaya konulan bağıntılar çok fraklı değerler vermektedir. Bu değerlerle hesaplanan elastisite modülü değerleri de farklı olmaktadır. Bundan dolayı farklı duvar elastisite modüllerinin yapının periyodu üzerindeki etkisi incelenmiş ve mertebe bakımından çok önemli farklar sergilemediği görülmüştür. Boşluktu bölme duvarlarının yapının titreşim karakteristikleri üzerinde xvubeklenildiği gibi etkisinin çok fazla olmadığı, ötelenme rijitliğine katkısının ise bu bina için ihmal edilebilecek düzeyde olduğu görülmüştür. Yaklaşık bağıntılarla yapılan periyot hesaplarıyla tarif edilen deprem yüklerinin ise matematik modelde bölme duvarlarının gözönüne alındığı durumla en fazla %20 farkettiği görülmüştür. 1975 ve 1997 deprem yönetmeliklerine göre elde edilen yatay yüklerden ve düşey yüklerden dolayı oluşan iç kuvvetlerle, ilgili kesitler için yapılan kapasite hesaplarının karşılaştırılmasından zemin kat kolonlarının çoğunlukla eksenel kuvvet ve moment taşıma kapasiteleri bakımından yetersiz kaldığı görülmüştür. Kesit kapasite hesapları yapılırken üç farklı yönteme başvurulmuştur. Yaklaşık bağıntılardan Çakıroğlu-Özer formüllerinde; kesit kapasitesi hesaplan yapılırken bazı durumlarda bu bağıntıların geçerli olduğu bölgenin dışına çıkıldığı görülmektedir. Japonya'da deprem güvenliğini saptama çalışmalarında kullanılan yaklaşık bağıntılar tek eksenli eğilme hali için geçerlidir. Kullanılan diğer yöntem ise kesitte yeralan donatıların koordinatlarıyla girildiği Biaxial adlı bir bilgisayar programıdır. Yapılan karşılaştırmalar sonucunda yukarıda ifade edilen koşullar gözönünde bulundurularak hesaplanan kapasite değerlerinin birbirine yakın çıktığı ve birbirini doğruladığı görülmüştür. Ayrıca binada burulma düzensizliğinin var olmasından ve göreli kat yerdeğiştirmelerinin, özellikle binanın orta katlarında, 1997 deprem yönetmeliğine göre istenen sınır koşulları sağlamadığı ve güçlendirilmesi gerektiği kanaatine varılmıştır. Mevcut sistemin depreme davranışının iyileştirilmesi amacıyla perdeler ilave edilmiş ve gerekli kolonlarda mantolama yapılmıştır. Birbirinden çok farklı yapı davranışlarım yakalamak üzere tam olarak gerçekleşmesi mümkün olmayan mafsallı ve ankastre mesnetlenme koşullan ile daha gerçekçi olduğu düşünülen elastik ankastre mesnet durumları gözönüne alınarak karşılaştırmalar yapılmıştır. Perdelerin temelinde daha çok dönmeye ve çökmeye izin verildiğinde yapının periyodu uzamış ve buna bağlı olarak etkiyen deprem kuvvetleri azalmıştır. Perdelere gelen taban momentleri ve kesme kuvvetleri azalmış fakat taşıyıcı sistemin eksenel kuvvet çifti ile karşılayacağı moment değeri artmıştır. Bu durumda, düşey taşıyıcı sistemin depremden dolayı taşıyacağı eksenel kuvvet değerleri arttığı için gerekli kontroller yapılmalıdır. Perdelerin mesnet koşullarının değiştirilmesiyle, özellikle zeminin durumunu gerçeğe yakın bir şekilde yansıtan elastik ankastre mesnetlenme durumunda gerekli perde temel alam küçültülerek ekonomik olan çözümlere gidilebilir. Yerdeğiştirmelerin incelenmesi sonucu bütün mesnetlenme koşullan için 1997 deprem yönetmeliğinin istediği sınır koşulların da sağlandığı görülmektedir. XVU1

ASSESMENT AND STRENGTHENING OF AN EXISTING STRUCTURE AND FUNDEMENTAL PERIOD AFFECTED BY PARTIONING WALLS AND DD7FERENT BOUNDARY CONDITIONS OF ADDED SHEAR WALLS SUMMARY August 17 Izmit Earthquake and November 12, 1999 Düzce Earthquakes caused serious damage in Marmara region where Istanbul, izmit, Adapazarı, Yalova, Düzce are located. Repair and strengthening works on existing buildings in seismic zones have begun extensively, afterwards. In the regions of high seismicity such as Marmara region, pre-earthquake assessment of seismic strength of reinforced concrete buildings is a must for being sure that they will sustain successfully, especially without developing collapse mechanisms, during an earthquake expected in near future. The building examined herein in detail was constructed in 1971, so it wasn't designed using either the Turkish aseismic code of 1975 or the Turkish aseismic code of 1997. The building is a reinforced concrete structure with eight storeys which consist of one basement, a ground storey, a mezzanine and fiye storeys. Storey heights are 2.85m, 3,08m and 2.90m*6, respectively. Structural system comprises of columns, beams, one way waffle slabs consisting of 10 cm x 37 cm ribs at 50 cm interval spanning in transverse direction and continuous foundations and individual foojtingsconnected with tie beams; Concrete strength is obtained by Schmidt hammer test, extracting cylindrical specimens at several locations and testing in the Structural Materials Laboratory of ITU Civil Engineering Faculty. It can be accepted that the concrete strength is around 10.2fr Mpa. The geotechmcal characteristics of site are determined based on geological, field and. soiL surveys carried out by Geotechnic Department of ITU Civil Engineering Faculty. According to the results achieved at the end of this investigation: Local soil class has choosen as Z3, the maximum ground acceleration- has been taken as 0.30 g and the subsoil coefficient hi vertical direction has been obtained as 10000 kN/m3. In the mathematical model of this buildings the. inplane rigidity of floors are represented by diagonal strut elements which have nearly infinite axial rigidity and small out of plane bending rigidity. Doing: that it become easy to. simulate the existence of big voids in the slabs. Vertical loads are distributed on beams and masses are lumped at columns joints. In mis study an assessment has been carried out first for this existing building in Istanbul where a severe earthquake is exacted m near future. The Turkish aseismic codes of 1975 and 1997 have beenjeferred for this purpose. The big opening at the level of +5.93, partienmg walls, irregularities of building in plan, soil flexibility, different types of modeling of shear watt and support conditions of added shear walls XIXwere all selected as the main parameters of this investigation. Some of their results achieved are summarized below. Effect of big slab openings in plan In order to investigate the effect of large size openings at the level of +5.93 which reduces the natural ability of the diaphragm to transfer the inertia forces and may cause failure, two mathematical models were prepared by using SAP2000® which has been employed in these analyses. In the first model called MD01, all slabs were taken in to account as a rigid diaphragm, so effect of all openings was omitted.In the second model called MD02A, all openings were taken into account in dynamic analysis and all slabs were considered as a elastic diaphragm. Fundamental periods in two directions, base shear forces and overturning moments obtained at the end of analyses are shown in Table 1. It is easy to observe from Table 1 that the differences are at the order of negligence. Table 1. Fundamental periods, base shear forces and overturning moments On the other hand the column S24 which is located near by the big openings has experienced bigger displacements as it is expected at the mezzanine level, [See Fig # 1] depending on the inplane flexibility of diaphragms. Column 824 Column S21 Ay/H 0,0000 0,0010 0,0020 0,0030 0,0040 0,0050 MD01-[Fixed Supportjfcigid Diaphragm] MD02A-[Fixed Support, Elastic Diaphragm] - *--Dyfli =0,0035 0,0000 0,0020 Ay/H 0,0040 Figure 1. Column drifts of S24/S21 Effect of support conditions The seismic motion that reaches to the foundation of a structure on the surface of the ground is influenced by the local soil conditions and also support conditions XXinfluence the behavior of the whole structure during an earthquake. Two mathematical models were prepared according to SAP2000® program. In the first model called MD02A; all columns have been accepted as fixed supports, in the second model called MD02B; all columns have been accepted as elastically fixed supports. After having completed necessary analyses, the fundamental periods in two directions, base shear forces and overturning moments were compared in Table2. Table 2. Fundamental periods, base shear forces and overturning moments If Table 2. is examined, considerable amount of changes on the quantities tabulated are observed Effect of pardoning wall Partioning walls increase the lateral rigidity of the building at the beginning of an earthquake and change the behavior of the structures, so masonry infill walls are represented in mathematical model by diagonal strut elements which have the similar lateral stiffness and strength of existing walls. The following formulae have been used to define the equivalent axial rigidity of the walls. After having completed the analyses, the results given in Table #3 are achieved. (fl=°- hEmt(l.l) or EFm=E.t-Ld-a -£(1.2) Table 3. Fundamental periods of all mathematical models When the Table 3 is examined, natural periods of buildings with partioning walls is smaller than the corresponding periods calculated for bare structure, because the lateral rigidity of partioning walls have more contribution to the Vibrational characteristics man their mass. On the other hand the openings in the partioning walls have minimal effect on the periods in this building, so they can be omitted in modeling and calculations. XXICheck on irregularities and column capacities The building has considerable amount of torsional irregularity. The coefficients connected to the torsional vulnerability calculated depending on model MD01 and MD02A are bigger than 1.20 which is the comparable eccentricity coefficient given by The Turkish aseismic code of 1997. It has irregularity due to reentrant corners and diaphragm discontinuity. Relative storey displacements are higher than the allowable values given in the aseismic code of 1997 for the intermediate storeys of the building, so this means that lateral stiffness of this building is insufficient against lateral forces. In order to check the existing column capacities in the ground storey, three methods have been used. The first one is referred a group of approximate formulae by Çakıroğlu A., Özer, E., the second one is another group of approximate formulae used widely in the assessment works of Japan and the third method referred is, a program called Biaxial At the end of this comparative work, it is found out that the building needs strengthening according to the aseismic codes of 1975 and 1997, because mostly columns have insufficient bearing axial load capacity and bearing bending moment capacity, therefore new shear walls were added and were enlarged the concrete cross sectional area of columns. Modeling of shear wall and support conditions of added shear walls in strengthened buildings Support conditions of the lateral bad bearing vertical elements are important in the strengthened buildings. Some problems may appear to build the large new foundation to fix the shear walls. The proposed solutions may not be economic or insufficient room for them may be encountered. And it should not be forgotten that added shear walls decrease the fundamental periods of structure, which means that higher earthquake redesign forces will be worked with. So support conditions of new added shear walls should be reviewed. Added shear walls in the mathematical models were defined üı two ways. One dimensional beam elements with both flexural and shear rigidities are employed for the first model and in the second one shell elements used. Four different combinations of support conditions for columns and added shear walls were defined, see the second and third columns of Table 4,5. The results tabulated in Table 4,5 are achieved at the end of analyses. Table 4. The results for models in which shear walls were defined as frame element. xxu OQgftMANTASYONTable 5 The results for models in which shear walls were defined as shell element. If the results in the Table 4 and Table 5 are examined, it will be observed that fundamental periods of buildings are increased by changing the support conditions from fixed to hinged. Base shears and overturning moments are decreased depending on the increment in the fundamental periods. Storey drifts for all models are smaller than the allowable values given in the Turkish aseismic code of 1997 for all storeys of the building so this means that lateral stiffness of this building is sufficiently high against lateral forces. : Elastically Fixed Support against rotation and collapse »an