INTERACTION OF EXPERT COMPUTER PROGRAM “DURTES” BY GENERAL PURPOSE FINITE ELEMENT PROGRAMS
Rasim TEMÜR Civil Engineer University of stanbul Faculty of Engineering Department of Civil Engineering
Istanbul, Turkey
Nam"k Kemal ÖZTORUN Assoc. Prof. Dr.
University of stanbul Faculty of Engineering Department of Civil Engineering
Istanbul, Turkey
ABSTRACT
Due to the existing, earthquake danger in our country, analyses have to be carried out on constructions to find out the condition they are in and whether they should be strengthened. In Turkey considering present constructions stock, the number of trained personals and methods which are used, it needs a lot of time to understand the condition all of constructions in the country.
It was provided an integration between expert computer program (DURTES) and some finite element programs. The interaction module speeds up the modeling and the analysis process of the structures whose the initial estimations were defined by expert computer program DURTES. Any model which can be prepared in about one or two days by present methods can be prepared in about one or two hours by the developed interaction module.
Also it has been seem that the results of analysis are very close the facts.
UZMAN B LG SAYAR PROGRAMI “DURTES” LE
GENEL AMAÇLI SONLU ELEMAN PROGRAMLARININ ETK LE M
Rasim TEMÜR n2aat Mühendisi
stanbul Üniversitesi Mühendislik Fakültesi n2aat Mühendisli4i Bölümü
stanbul, Türkiye
Nam"k Kemal ÖZTORUN Doç. Dr
stanbul Üniversitesi Mühendislik Fakültesi n2aat Mühendisli4i Bölümü
stanbul, Türkiye
ÖZET
Ülkemizdeki deprem tehlikesine kar2" mevcut yap" sto4unun en k"sa zamanda durum tespitinin ve ayr"nt"l" analizlerinin yap"lmas", gerekli görülenlerin güçlendirilmesi gerekmektedir. Türkiye’deki mevcut yap" sto4u, yeti2mi2 eleman say"s" ve kullan"lan yöntemler göz önüne al"n"rsa ülkedeki bütün binalar"n durum tespiti ve ayr"nt"l" analizleri için çok uzun zaman gerekir.
Mevcut çal"2mada, yap"lar"n h"zl" durum tespiti için geli2tirilen uzman bilgisayar program" DURum TESpit ile sonlu eleman programlar"n"n etkile2imli çal"2mas"
sa4lanm"2t"r. Geli2tirilen entegrasyon modülü, DURTES ile durum tespiti yap"lan yap"lar"n modelleme ve analiz sürecini büyük ölçüde h"zland"rm"2t"r. Mevcut yöntemlerle birkaç günde haz"rlanan bir modelin, otomatik bilgi olu2turma opsiyonu ile birkaç saatte olu2turuldu4u ve analizlerde do4ruya çok yak"n sonuçlar verdi4i görülmü2tür.
G R
Depremlerin ve di4er afetlerin zarars"z atlat"labilmesi için güvenli yap"lar"n in2aa edilmesi, mevcut yap"lar"n ise durum tespitlerinin yap"lmas", gerekli olanlar"n"n en k"sa zamanda güçlendirilmesi 2artt"r. Ancak Türkiye’deki mevcut yap" sto4u, yeti2mi2 eleman say"s" ve kullan"lan yöntemler göz önüne al"n"rsa ülkedeki bütün binalar"n durum tespiti için çok uzun zaman gerekmektedir ve oldukça maliyetlidir. Konunun önemi sebebi ile bu sürecin h"zland"r"lmas"nda büyük yarar vard"r. Bunun için yeni analiz yöntemlerine ihtiyaç duyulmaktad"r.
AMAÇ
Yap"lar"n h"zl" durum tespiti amac"yla stanbul Üniversitesi Mühendislik Fakültesi n2aat Mühendisli4i Bölümü bünyesinde yeni bir yöntem geli2tirilmi2tir. Buna göre yeti2mi2 elemanlar"n binalar"n durum tespitini h"zl" ve en az hata ile yapabilmeleri için bir yard"mc" bilgisayar program" geli2tirilmi2tir. Mevcut çal"2mada DURTES adl" uzman bilgisayar program"n"n sonlu eleman yöntemiyle çal"2an genel amaçl" bilgisayar programlar"yla entegre çal"2mas" amaçlanm"2t"r. Ref [1-7]’da detaylar" anlat"lm"2 olan verilerle genel amaçl" sonlu eleman programlar" için üç boyutlu matematiksel model datalar" haz"rlamak mümkündür. Ref. [8-11]’te görülen bilgisayar programlar"na otomatik veri haz"rlanabilmektedir. Bu durumda “DURTES” yorumlar"n"n kesin çözüm sonuçlar" ile k"yaslanmas" mümkün olmaktad"r.
Çal ma Yöntemi:
DURTES program"na iki tip veri girilmektedir Ref.[1-7]. Bunlardan birincisi program için özel haz"rlanm"2 formlar. Formlarda bina ile ilgili 100’e yak"n teknik de4erlendirme kriteri vard"r. Bu kriterler:
Binadaki düzensizlikler, binan"n malzeme kalitesi, i2çilik kalitesi, yap"m kusurlar", binan"n ta2"y"c" sistem özelikleri, zaman ba4l" olu2an hasarlar, mevcut donat" durumu vb.
bilgilerdir. Formlardaki bilgiler bilgisayar ortam"na aktar"ld"ktan sonra DURum TESpit program" bu kriterleri Bay"nd"rl"k Bakanl"4"’nca 1997 y"l"nda haz"rlanm"2 “Afet Bölgelerinde Yap"lacak Yap"lar Hakk"nda Yönetmelik” esas alarak de4erlendirmekte ve buna göre binaya göreceli bir puan vermektedir.
kinci veri tipi ise binan"n röleve bilgisi olarak adland"r"lan bilgilerdir. Röleve bilgileri yap"n"n ve ta2"y"c" sisteminin geometrisine, yap"sal elemanlar"na, kesit ve malzeme özelliklerine, vs. ait bilgilerdir. Genel amaçl" bir bilgisayar program" için gerekli olan tüm bilgiler mevcuttur. Söz konusu mevcut verilerden yararlan"larak matematiksel sonlu eleman modeli varsa yap"sal hasarlar" da hesaba katacak 2ekilde otomatik olarak haz"rlanabilmektedir.
Ayr"nt"l" bir analiz için uygun bir model haz"rlanmas" istendi4i takdirde binlerce dü4üm noktas" ve yap"sal eleman"n tan"mlanmas"na bunun için de büyük bir çaba ve zamana ihtiyaç vard"r. Bu nedenle özel bir otomatik bilgi olu2turma alt program"n"n olu2turulmas" dü2ünülmü2tür. Ayn" kat plan"na sahip çok katl" yap"lar"n veri giri2 datas"
genelde binlerce veri sat"r"ndan ve bilgisinden olu2mas"na ra4men, alt program sayesinde birkaç sat"rla olu2turulmas" mümkündür. Ba2lang"ç-biti2 noktalar"n"n koordinatlar" eleman ve malzeme özellikleriyle birlikte yap"n"n s"n"r 2artlar" ve zemin–yap" etkile2imini hesaba katan yay rijitlikleri yan" s"ra yap"n"n d"2 yüklerini içeren ve sonlu eleman program"na veri olu2turacak tüm bilgiler otomatik olarak olu2turulmakta ve gerekli dosyalar geli2tirilmi2 olan opsiyonlarla otomatik olarak haz"rlanmaktad"r. Tüm perde duvar, dö2eme pla4" gibi yap"sal elemanlar tan"mlan"rken gerek düzlemsel gerekse düzlem d"2" etkiler (serbestlikler) hesaba kat"lmaktad"r.
Otomatik Bilgi Olu turma Modülü ve Sonlu Eleman Program n n Data Yap s :
Genelde detayl" bir sonlu eleman analiz datas"n" haz"rlamak için binlerce dü4üm noktas" ve yap"sal eleman"n tan"mlanmas"na ihtiyaç vard"r. Mevcut çal"2mada anlat"lan otomatik veri olu2turma (mesh generation) opsiyonu söz konusu zaman" ortadan kald"rmakta ve birkaç saniyelik bilgisayar süresine indirgemekte, bunun yan" s"ra olas"
Meshgen
DURTES.DAT DURTES.O
Dü4üm noktas" koordinatlar"
Çerçeve elemanlar"n"n konumlar"
Çerçeve elemanlar"n"n kesit ve malzeme özellikleri Kabuk elemanlar"n"n konumlar"
Kabuk elemanlar"n"n kesit ve malzeme özellikleri Yay elemanlar"n"n konumlar"
Yay katsay"lar"
Yükler ve yük halleri
Sap90 & Sap2000
BAMLA
TUNAL
Analiz Sonuçlar" DXF Ç"kt"lar" Ekran Görüntüsü
B T R
ekil 1 - Otomatik Bilgi Olu2turma Modülü Makro Ak"2 Memas"
kullan"c" hatalar"n" minimuma dü2ürmektedir. Bu a2amada uzman bilgisayar program"
DURTES, sonlu eleman programlar" ile entegre çal"2abilir. Sonlu elemanlar yöntemi bilimsel ortamda do4ruya en yak"n sonuçlar" verdi4i kabul edilen bir yöntem oldu4u için tercih edilmi2 ve mevcut çal"2mada kesin çözüm yöntemi olarak kullan"lm"2t"r. A2a4"da matematiksel modelde yap"sal elemanlar"n art"r"m"nda kullan"lan esaslar ve varsay"mlar ayr"nt"l" olarak aç"klanm"2t"r.
Dü4üm Noktas Koordinatlar :
Sonlu eleman programlar"na haz"rlanan matematiksel modellerin kullan"c" taraf"ndan kolay anla2"l"r ve düzenlenebilir olmas" gerekmektedir. Geli2tirilen modül DURum TESpit program"nda tan"mlanan koordinatlar" okuyup her koordinata X ve Y ekseninde birer aks yerle2tirir. Z eksenindeki akslar kat yükseklikleri kullan"larak bütün katlar boyunca olu2turulurlar. Akslar"n kesi2im noktalar"n"n her birine birer dü4üm noktas" tan"mlan"r.
Dü4üm noktas" numaraland"r"lmas" modelin düzenlenebilir olmas" için belli bir sistemati4e sahiptir. Sabit art"r"m de4eri sayesinde modele yeni dü4üm noktas" eklenmesi mümkün olmaktad"r.
ekil 2a - Yatay Düzlemde Tan"mlanan Akslar
ekil 2b – Akslar"n Kesi2im Noktalar"nda Olu2turulan Dü4üm Noktalar"
7 katl" örnek binan"n modellenmesi için X-Y düzleminde tan"mlanan akslar Mekil 2a’da görülmektedir. Mevcut yöntemle matematiksel model X ekseninde 10, Y ekseninde 9 ve Z ekseninde 7 kat yüksekli4inden olu2turulan 8 aks olmak üzere 26 koordinat bilgisiyle, bir düzlemde 90 (Mekil 2b), modelin tamam"nda ise 720 dü4üm noktas" olu2turuldu.
Çerçeve Elemanlar n n Konumlar , Kesit ve Malzeme Özellikleri:
Modellemede kolonlar"n konumland"r"lmas" için DURTES’e tan"mlanan koordinatlar, kolonun ba2lang"ç noktas" kabul edilir. Kolonun ba2lang"ç dü4üm noktas" koordinatlar"n"n matematiksel modeldeki dü4üm nokta numaras" kar2"l"4" bulunmaktad"r. Geli2tirilen matematiksel model art"r"m modülü, DURTES datas"nda bir kat için tan"mlanan kolonlar"
1000 sabit art"r"m de4erini kullanarak devam ettikleri katlar boyunca Z ekseninde ço4alt"lmaktad"r. Herhangi bir yap"sal eleman, örne4in bir kiri2 eleman", matematiksel modelde birden fazla sonlu eleman kullan"m"n" gerektirebilir. Bu problem geli2tirilmi2 olan bilgisayar program" taraf"ndan otomatik olarak gerçekle2tirilebilmektedir. X-Y düzleminde bir kat için tan"mlanan kiri2ler, dü4üm noktalar" ve eleman numaralar", sabit art"r"m de4eriyle devam ettikleri katlar boyunca Z ekseninde ço4alt"larak modellenirler.
ekil 3a - Modül çinde Tan"mlanan Kiri2ler
ekil 3b – Kiri2lerin Matematiksel Model çin Bölünmü2 Mekli
Mekil 3a’daki örnekte kiri2ler, akslarla kesi2tikleri noktalarda Mekil 3b’deki gibi bölündükleri için 18 parça ile tan"mlanan kiri2ler bir katta 126, 7 katta toplam 882 parça halinde modellenmi2tir.
DURum TESpit program"nda bütün kolon ve kiri2lerin kesit boyutlar", a4"rl"klar" ve elastik modülü hesaplanmaktad"r. Matematiksel modelin art"r"m yap"lan elemanlar"nda kesit özelliklerinin katlar boyunca de4i2medi4i varsay"lmaktad"r. Mevcut yap"lar"n ço4unda özellikle kolon kesitlerinin, yük da4"l"m" göz önüne al"narak katlar boyunca azald"4" bilinmektedir. Bu yüzden modülün haz"rlad"4" matematiksel modelin analizden
önce gözden geçirilmesi, e4er varsa art"r"m yap"lan elemanlar"n kesit ve malzeme özelliklerindeki de4i2ime göre yeniden düzenlenmesi gerekmektedir.
Kabuk Elemanlar n n Konumlar , Kesit ve Malzeme Özellikleri:
Dö2emeler ve perde duvarlar kabuk eleman" olarak modellenirler. Dö2eme elemanlar"
akslar"n kapatt"4" en küçük alanlarda tan"mlan"rlar. Geli2tirilen modülde, bir kata ait dö2eme eleman" düzgün geometrik bir 2ekle sahip olmasa bile kö2e noktalar"
koordinatlar"yla tek parça halinde tan"mlanabilir. Tek parça halinde tan"mlanan dö2eme eleman", modül taraf"ndan, sahip oldu4u koordinatlar aras"nda akslar"n kapatt"klar" en küçük parçalara bölünerek modellenmektedir. Böylece dü4üm noktalar"n"n tüm kom2u elemanlar taraf"ndan ortak kullan"lmas" 2art" gerçekle2tirilmektedir.
ekil 4a - Tek Parça Halinde Tan"mlanan
Dö2eme ekil 4b – Dö2emenin Matematiksel Model
çin Bölünmü2 Mekli
Perde duvarlar ise devam ettikleri katlar boyunca art"r"l"rlar. T"pk" kiri2lerde oldu4u gibi dü2ey kabuk elemanlar"n" kesen akslar varsa modül taraf"ndan, eleman parça parça modellenmektedir. Mevcut çal"2mada, perde duvarlar ve dö2emeler, devam ettikleri katlar boyunca kesit ve malzeme özelliklerinin sabit kald"4" varsay"larak modellenmektedirler.
Dö2eme tek parça tan"mlansa bile yap"lardaki aç"kl"4a ve kullan"m amac"na ba4l" olarak dö2eme kal"nl"4"n"n de4i2ebilece4i unutulmamal"d"r.
Yukar"daki örnekte 7 katl" bir binaya ait dö2eme, kö2e noktalar"n"n koordinatlar"yla s"f"r poligonu olu2turacak 2ekilde tan"mlanm"2t"r(Mekil 4a). Bu eleman akslar aras"nda kalan en küçük alanlara bölünüp, devam etti4i katlar boyunca ço4alt"lm"2t"r(Mekil 4b).
Yükler ve Yük Halleri:
Analizde dü2ey yükler ve deprem yükleri kullan"lmaktad"r. Yap"ya etkiyen dü2ey yükler DURum TESpit program" datas" içinden al"n"p dö2eme elemanlar"na –Z yönünde yay"l" yük olarak uygulanmaktad"rlar.
Yap"n"n her kat"na gelen deprem yükleri DURum TESpit program"
taraf"ndan hesaplan"r ve rapor dosyas"na eklenir. Modeldeki dö2eme parçalar"n"n alan", dö2emenin ba4l" bulundu4u dü4üm noktalar"na e2it olarak payla2t"r"l"r. Deprem yükleri DURum TESpit raporundan okunarak noktalara, payla2t"r"lan alanlar toplam"n"n, toplam dö2eme alan"na oranlanmas"yla da4"t"l"r.
Analiz Sonuçlar :
Mevcut çal"2ma daha önce elle modellenen 7 katl" betonarme bir yap"
üzerinde örneklendirilmi2tir.
Modülün haz"rlad"4" matematiksel model, asansör ve merdiven bo2luklar", sahanl"k, asma kat dö2emeleri ve kiri2leri ile kolon kesitlerindeki de4i2imlere göre yeniden düzenlendikten sonra analizde kullan"lm"2t"r.
ekil 5b - Deprem Yükleri çin Dö2eme Alanlar"n"n Dü4üm Noktalar"na Da4"t"lmas"
ekil 6 – Olu2turulan Matematiksel Model
Matematiksel model art"r"m yöntemiyle olu2turulan ve üzerinde gerekli düzenlemeler yap"lan modelin analiz sonuçlar", elle haz"rlanan modelin analiz sonuçlar" ile kar2"la2t"r"lm"2 ve sonuçlarda çok küçük sapmalar tespit edilmi2tir. Analiz sonuçlar"ndaki sapmalar"n sebebi bilgisayar program" modülün deprem yüklerini da4"t"rken dö2emelerde asansör ve merdiven bo2luklar"n" hesaba katmamas"d"r. Modül sadece betonarme yap"lar"n modellenmesi için uygun olup, olu2turulan modelin a2a4"da anlat"lan art"r"m esaslar" ve varsay"mlar göz önüne al"nmas", gerekli düzenlemelerden sonra analiz edilmesi do4ru sonuçlar elde etmek aç"s"ndan önemlidir.
SONUÇ
Mevcut yap" sto4unun durum tespiti için geli2tirilen uzman bilgisayar program"
DURTES ile sonlu eleman programlar"n"n entegrasyonu sa4lanm"2, elle 1-2 günde haz"rlanan bir modelin, mevcut bilgisayar program" modülüyle 1-2 saatte olu2turuldu4u ve analizlerde do4ruya çok yak"n sonuçlar verdi4i görülmü2tür.
Bu a2amada yap"lar"n emniyetleri çok h"zl" bir 2ekilde belirlenebilmekte ve sonuçlar genel amaçl" sonlu eleman programlar" ile k"yaslanabilmektedir. Ayr"ca bilgilerin sonlu eleman programlar"na aktar"lmas" sonucunda güçlendirme analizleri ve tasar"mlar"nda büyük kolayl"klar getirilmi2tir.
KAYNAKLAR
1. Y"ld"zlar, B., Gürsoy, G., Damc", E., Öztorun, N., Çelik, T., “Mevcut Yap" Sto4unun Deprem Riski Aç"s"ndan Durum Tespiti çin Bir Yöntem ve Sonlu Elemanlar Yöntemi
le K"yaslanmas"”, Gümü2hane ve Yöresinin Kalk"nmas" Sempozyumu, Karadeniz
Teknik Üniversitesi, Gümü2hane Mühendislik Fakültesi, Gümü2hane Atatürk Kültür Merkezi, Gümü2hane, Ekim 2002.
2. Y"ld"zlar, B., Gürsoy, G., Damc", E., Öztorun, N., Çelik, T., “Bak"rköy lçesi Yap"
Sto4unun Deprem Riski Analizi”, Gümü2hane ve Yöresinin Kalk"nmas" Sempozyumu, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Gümü2hane Mühendislik Fakültesi, Gümü2hane Atatürk Kültür Merkezi, Gümü2hane, Ekim 2002.
3. Gürsoy, G., Y"ld"zlar, B., Öztorun, N. K., Çelik, T., “Mevcut Yap" Sto4unun Deprem Riski Aç"s"ndan Durum Tespiti çin Önerilen Yöntem ile Bak"rköy lçesi Verileri”, Mühendislik Bilimleri Genç Ara2t"rmac"lar I. Kongresi MBGAK’ 2003, stanbul Üniversitesi Avc"lar Kampüsü, stanbul, Mubat 2003.
4. E. Damc"., B. Y"ld"zlar, G. Gürsoy, N. K. Öztorun, T. Çelik, “Bak"rköy Özelinde, Türkiye Genelinde Yap" Durum Tespiti çin Bir Algoritma”, Be2inci Ulusal Deprem Mühendisli4i Konferans", .T.Ü. Süleyman Demirel Kültür Merkezi, stanbul. May"s 2003,
5. B. Y"ld"zlar, M.G.Gürsoy, N.K. Öztorun, T. Çelik, “Mevcut Yap" Sto4unun Deprem Riski Aç"s"ndan Durum Tespiti çin Bak"rköy lçesi Örne4i le Önerilen Yöntem”, Deprem Sempozyumu, Kocaeli 2003, Kocaeli, Mart 2003.
6. M.K.Kele2o4lu, N.K.Öztorun, S.F.Çinicio4lu, .Bozbey, S.Öztoprak, C.Özyazgan, T.Çelik, “Deprem Risk Analizi : Bak"rköy lçesi Örne4i”, Küçükçekmece ve Yak"n Çevresi Teknik Kongresi, Deprem ve Planlamas", Küçükçekmece Belediyesi, stanbul, 2003.
7. M.G.Gürsoy, B. Y"ld"zlar, N.K. Öztorun, T. Çelik, “Mevcut Yap" Sto4unun Deprem Riski Aç"s"ndan Durum Tespiti çin Bak"rköy lçesi Örne4i le Önerilen Yöntem”, Küçükçekmece ve Yak"n Çevresi Teknik Kongresi, Deprem ve Planlamas", Küçükçekmece Belediyesi, stanbul, 2003.
8. SAP90, SAP2000 Structural Analysis Program – Computers and Structures, Inc.
9. Oztorun, N.K., Citipitioglu, E. and Akkas, N. ”Three-Dimensional Finite Element Analysis of Shear Wall Buildings”, Computers & Structures, 68, 41-55, Edinburgh, UK, 1998.
10. Oztorun, N.K., Citipitioglu, E. and Akkas, N. “Computarized Investigation of the Common Assumptions for the Analysis of Shear Wall Buildings”, Proc. Of the International Conference on Computational Methods in Structural and Geotechnical Engineering, V.1, 170-175- Hong Kong Dec 1994.
11. Oztorun, N.K., Citipitioglu, E. and Akkas, N. “Mesh Generation and Data Structures for the Finite Element Analysis of Shear Wall buildings”, Developments in Computational Techniques for the Structural Engineering, Civil-Comp Pres, 367-382, Edinburgh, UK.
12. Afet Bölgelerinde Yap"lacak Yap"lar Hakk"nda Yönetmelik, Bay"nd"rl"k ve skan Bakanl"4", Ankara 1997.
13. Türk Standartlar", TS500 Betonarme Yap"lar"n Hesap ve Yap"m Kurallar" Türk Standartlar" Enstitüsü, Ankara 2000.
14. Türk Standartlar", TS498 Yap" Elemanlar"n"n Boyutland"r"lmas"nda Al"nacak Yüklerin Hesap De4erleri, Türk Standartlar" Enstitüsü,
15. Öztorun, N. K., “Perde Duvarl" Yüksek Yap"lar"n Bilgisayarla Analizi çin Üç Boyutlu Bir Yöntem”, Gazi Üniversitesi, M.M.F. Dergisi, Cilt:12, Say":1-2, Sayfa:167-181, Ankara, Aral"k 1997.
16. Öztorun, N. K., “Tünel Kal"pla n2a Edilen Binalarda Dö2eme ve Zemin Rijitli4inin Perde Duvarlar Üzerindeki Etkisi”, Gazi Üniversitesi, M.M.F. Dergisi, Cilt:13, Say":1- 2, Sayfa:1-16, Ankara, Aral"k 1998.
17. Öztorun N. K., Ç"t"p"t"o4lu E. ve Y"lmaz Ç., “Çok Katl" Betonarme Perdeli Yap"lar"n Bilgisayarla Statik Analizi”, I. Ulusal n2aat & Çevre Sempozyumu, Salihli, Eylül, 1994.
18. Öztorun, N. K., “Tünel Kal"pla Yap"lan Binalar"n Bilgisayarla Üç Boyutlu Analizi”, X.
Ulusal Mekanik Kongresi, TÜ, Maslak, stanbul, Eylül 1997.
19. Öztorun, N. K., “Tünel Kal"pla Yap"lan Binalarda Dö2eme ve Zemin Rijitli4inin Perde Duvarlara Etkisi”, X. Ulusal Mekanik Kongresi, TÜ, Maslak, stanbul, Eylül 1997.
