YÜKSEK BİNALARIN PERFORMANSA GÖRE TASARIMINA GİRİŞ
Meslekiçi Eğitim Programı: 26 Nisan – 11 Mayıs 2014
Prof.Dr. MEHMET NURAY AYDINOĞLU, Prof.Dr. SİNAN AKKAR Dr. ŞAMİL ŞEREF POLAT, Dr. CÜNEYT TÜZÜN, Dr. UTKU CELEP
Boğaziçi Üniversitesi
Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü
TÜRK MÜHENDİS VE MİMAR ODALARI BİRLİĞİ İNŞAAT MÜHENDİSLERİ ODASI
İZMİR ŞUBESİ
EĞİTİM PROGRAMI İÇERİĞİ
DERS 1 – Prof.Dr. M. Nuray Aydınoğlu 4 saat: 26 Nisan 2014
• Yüksek Bina Taşıyıcı Sistemleri, Taşıyıcı Sistem Elemanlarının Özellikleri,
• Taşıyıcı Sistemlerin Deprem Etkisi Altında Doğrusal Olmayan Davranışı,
• Yüksek Binalarda Performansa Göre Tasarım Esasları,
• Doğrusal Olmayan Analiz Yöntemleri, Yapısal Performans Kriterleri,
• Depremde Yapı-Kazık-Zemin Dinamik Etkileşimi ,
• Yönetmelik (Kılavuz Döküman – Teknik Önermeler) Esasları,
• Bağımsız Tasarım Kontrolu DERS 2 – Prof.Dr. Sinan Akkar 4 saat: 27 Nisan 2014
• Deprem Tehlikesi Kavramı, İzmir’in Deprem Tehlikesi,
• Sahaya Özel Deprem Tehlikesi Analizleri,
• Performansa Göre Tasarımda Deprem Düzeyleri,
EĞİTİM PROGRAMI İÇERİĞİ
DERS 3 – Dr. Utku Celep
4 saat: 3 Mayıs 2014
• Geoteknik Problemler, Zemin Araştırmalarının Özellikleri,
• Geoteknik Modelleme, Oturma Analizleri, Sığ ve Derin Temellerde Taşıma Gücü, Sıvılaşma Analizi, Zemin İyileştirme Yöntemleri, Bodrum Çevre Perdelerine
Etkiyen Zemin Basınçlarının Tahmini,
• Kazıklı Sistemlerin Deprem Etkisi Altındaki Altındaki Dinamik Davranışı, Deprem Büyütme Analizleri,
• Geoteknik Danışmanlığı
DERS 4 – Dr. Şeref Polat, Dr. Cüneyt Tüzün
12 saat: 4 Mayıs 2014 – 10 Mayıs 2014 – 11 Mayıs 2014
• Yüksek Bina Taşıyıcı Sistem Elemanlarının Deprem Etkisi Altında Doğrusal ve Doğrusal Olmayan Davranış için Modellenmesi ve Analizi,
• Yüksek Binalarda Rüzgar ve Sünme Etkileri Altında Analizler, Göçme Analizi,
• Yüksek Binalarda Performansa Göre Deprem Analizi-Tasarım-Detaylandırma
Yüksek Binaların Tasarımında ve Performans Tahkikinde Sismik
Tehlike Hesapları
Sinan Akkar
Boğaziçi Üniversitesi
Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü Deprem Mühendisliği Anabilim Dalı
İçerik
• Sismik tehlike ve sismik risk
• İhtimal hesaplarına dayalı sismik tehlike hesabının temel ögeleri
• Sismik tehlike sonucu elde edilen ve mühendislik tasarımlarında kullanılan yer hareketi
parametreleri
• Yüksek binaların tasarımında ve performans tahkikinde önerilen performans kriterleri
• Tasarım spektrumları
• Spektrum uyumlu yer hareketleri
Önemli Not
Bu eğitim programı kapsamında verilen bilgiler sismik tehlike çalışmaların temel unsurlarını ve bu çalışmaların mühendislik uygulamalarında kullanımını özetlemektedir.
Konuların teknik detaylarının eğitim programının
kapsamına dahil edilmesi mümkün değildir.
Sismik tehlike ve sismik risk
Sismik Tehlike
Bir sahaya veya bir bölgeye etki etmesi
muhtemel sismik kaynakların temel özellikleri ve deprem üretebilme kapasiteleri dikkate alınarak
gelecekte olabilecek deprem(ler) sonucu yer hareketlerinin genliklerini tutarlı bir şekilde
tahmin edebilmek.
Sismik Risk
Depremler sonucu oluşabilecek kayıplar.
Mühendislik yapıları açısından düşünüldüğünde yapıların depremler sonucu görebileceği
hasarlar. Bu hasarların yapıların işlevselliklerine
olan etkilerinin tümü.
Sismik Risk ≠ Sismik Risk
Sismik Risk = Sismik Tehlike *
*
Bölgesel Gelişim
Hasar Görebilirlik
Sismik Tehlike Bölgesel Gelişim Hasar Görebilirlik Sismik Risk
Yüksek Yüksek Yüksek Yüksek
Orta Yüksek Yüksek Yüksek
Az Yüksek Yüksek Orta/Yüksek
Yüksek Az Az Az/Orta
Mühendisler yapı tasarımlarında hasar görebilirliği azaltmaya yönelik hesaplar yaparak sismik riski azaltmaya çalışırlar.
Sismik tehlike bu çalışmalarda mühendislere tasarımlarında kullanacakları deprem
(yanal) yükleri hakkında bilgi verir
İhtimal teorisine bağlı sismik tehlike
hesabının temel ögeleri
Sismik Tehlike Hesabı – Temel Ögeler
Proje Sahası S1
S2
S3
• Sismik kaynaklar (aktif faylar ve zonlar)
• Sismik kaynakların aktiviteleri
• Sismik kaynakların
yaratabileceği depremler sonucu oluşan yer
hareketlerinin genlikleri
Sismik kaynak
modellemesi
Yer hareketi
modellemesi
Sismik Kaynaklar
• Yer bilimciler tarafından bölgede geçmişte
oluşmuş depremler, bu depremlerin yüzeyde bıraktığı izler ve bölgenin morfolojisi dikkate alınarak belirlenir
SİSMİK KAYNAKLAR
Faylar
Fay Zonları
Arka plan sismik kaynaklar
Doğrudan gözlemlenebilen
yüzey deformasyonları ve sağ atımlı fay
Yaklaşık 5.25 m sağ atım
Fault scarps
Topografik ve
jeomorfolojik
indikatörler
Aktif faylar – örnek –
Arka plan sismik kaynağı – örnek –
Sismik kaynakların aktivitesi
• Sismik kaynaklarda oluşabilecek deprem büyüklükleri (magnitüd), depremlerin büyüklüklerine göre oluşma sıklıkları, bu depremlerin fay mekanizmaları, derinlik dağılımları belirlenir
• Tüm bu bilgiler ulusal ve uluslararası deprem kataloglarından ve güvenilir bilimsel makaleler kullanılarak derlenir
• Katalog bilgilerinin güvenilir olması ve deprem
büyüklüğü açısından homojen kataloglar olmaları sismik kaynak aktivitelerinin en doğru şekilde
tanımlanması açısından önemlidir
Sismik kaynak aktivitesi (deprem tekerrür modeli) – örnek –
M
# of events of m agnitude M or greater (N)
N norm alized by catalogue duration (ν )
4.05 95 0.93
4.15 87 0.85
4.25 77 0.75
4.35 74 0.73
4.45 63 0.62
4.55 57 0.56
4.65 50 0.49
4.75 44 0.43
4.85 33 0.32
4.95 22 0.22
5.05 20 0.20
5.15 17 0.17
5.25 14 0.14
5.35 10 0.10
5.45 8 0.08
5.65 5 0.05
5.95 2 0.02
6.15 1 0.01 Magnitude
4 5 6 7
Mean annual exceedance rate,
0.001 0.010 0.100 1.000
log10()=3.91-0.93m
Yıllık aşılma oranı, ν
M ≥ m
sayısı (N) ν = N/ (katalog süresi) M
Magnitüd, M
∼ 0.02
M ≥ 6 depremlerinin oluşma sıklığı (tekrar aralığı )
ortalamada 50 (1/0.02) yıl
Yer hareketi genliklerinin modellenmesi
Yer hareketi genlikleri proje sahası için dikkate alınan sismik kaynakların yaratabileceği deprem büyüklükleri (M), sahaya olan uzaklıkları (R), fay mekanizmaları (SoF) ve sahanın zemin tipi (SC) dikkate alınarak yer hareketi tahmin denklemleri (YHTD) tarafından hesaplanır.
𝑌 = 𝑒𝑒𝑒 𝑓 𝑀 ⋅ 𝑓 𝑅 ⋅ 𝑓 𝑆𝑆 ⋅ 𝑓 𝑆𝑆𝑆
Yer hareketi
Yer hareketi tahmin denklemleri (YHTD)
• YHTD söz konusu yer hareketi parametresinin ortalama
(medyan) değerini ve deprem hareketindeki doğal belirsizliği (verideki saçılmayı) dikkate alır.
• Seçilen YHTD bölgenin
sismotektonik özelliklerine uygun olmalı, bölgede daha önce
kaydedilmiş yer hareketlerini en iyi şekilde temsil edebilmelidir.
• Yüksek yapılar için YHTD uzun periyotlardaki spektral ivmeyi tahmin edebilmelidir. Aynı
Distance (km)
1 10 100
Peak Ground Acceleration, PGA (cm/s2 ) 1 10 100
1000 median +
median - median
ln 𝑌 = 𝜃 𝑀, 𝑅, 𝑆𝑆, 𝑆𝑆𝑆 + 𝜀 ∙ 𝜎
Maksimum yatay yer ivmesi, PGA (cm/s2 )
Mesafe (km)
medyan medyan
medyan
Sismik tehlike hesabı sonucu
mühendislik hesapları için elde edilen
yer hareketi parametreleri
İhtimal hesaplarına dayalı sismik tehlike hesabı
• İhtimal hesaplarına dayalı tehlike hesabı sismik
kaynak modellerinde ve yer hareketi genliklerinde gerçekleşmesi muhtemel tüm deprem
senaryolarını dikkate alarak, söz konusu yer hareketi parametresinin yıllık aşılma olasılığını hesaplar.
• Bu hesap tarzı bir bakıma proje sahasını etkileyebilecek tüm muhtemel deprem
senaryolarını, magnitüd-mesafe-sigma değişimleri
ile geniş bir bant içinde hesaplarına dahil eder.
kır1 kır2kır3 kır4 kırk
…
…
R4 Rk
…
…
Proje Sahası Dikkate
alınan alan P(R=rk)
R
c
Ground Motion (log-scale)
Distance, R (log-scale) M
P(M=mj)
P(Y>y|m,r)
R1
Yer hareketi
Mesafe, R (km) R1
Rk ……. R4
PGA (g)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
Mean annual rate of exceedance
0.0001 0.001 0.01 0.1 1
Yıllık ortalama aşılma oranı, γ
∼0.17g
PGA ≥ 0.17 g değeri her 100 yılda bir aşılabiliyor (= 1/0.01). Diğer bir deyişle ilgili proje sahasında PGA = 0.17 g’nin tekrar periyotu (TR) ortalamada 100 yıl.
Eğer yapının ömrü TE = 50 yıl olarak kabul edilirse, bu süre içinde PGA = 0.17 g değerinin aşılma olasılığı (P):
𝑇𝑅 = − 𝑇𝐸
ln 1 − 𝑃 ⇒ 100 = −
50 ln 1 − 𝑃
⟹ 𝑃 ≅ 0.4
Tehlike eğrisi
Üniform tehlike spektrumu
• Mühendislik hesaplarında deprem yüklerini spektral ivmeler belirler.
Spektral ivmeler, yapının modal periyotlarında maksimum taban kesme kuvvetlerini tarif ederler. Aynı zamanda basit yapı dinamiği bağıntılarıyla yapının deprem etkileri altında maksimum çatı
deplasmanının mertebesini de belirleyebilirler.
• İhtimal hesaplarına dayalı tehlike hesabında, yer hareketi tahmin denklemleri vasıtasıyla maksimum yer ivmesi haricinde, belli bir
periyot bandı için spektral ivmeler de hesaplanır. Her bir periyot için hesaplanan spektral ivmeye ait tehlike eğrilerinden, projenin
gereklerine göre daha önce belirlenmiş yıllık aşılma oranı (tekrar periyotu veya yapının ekonomik ömrü boyunca spektral değerin aşılma ihtimali) için seçilen spektral ivmelerin periyot değerlerine karşı çizilmesinden üniform tehlike spektrumu elde edilir. Üniform tehlike spektrumunda her spektral ivme değerinin aşılma ihtimali (tekrar periyotu veya yapının ekonomik ömrü boyunca spektral
Yüksek yapıların tasarımlarında 50 yıllık bina ekonomik ömrü temel alındığında aşılma olasılığı %50, %10 ve %2 olan benzer tehlike spektrumları farklı performans kriterlerine göre kullanılır.
Bu aşılma olasılıkları sırasıyla T
R= 72 yıl (50%/50 yıl), T
R= 475 yıl (10%/50 yıl) ve T
R= 2475 yıl (2%/50 yıl) tekrar periyotlarına denk
…..
PGA γ
γ*
PGA*
PGA*
Sa γ
γ*
Sa(T1)*
Sa(T1)*
Sa γ
γ*
Sa(Tn)*
Sa(Tn)*
T1 Tn Periyot (s)
Sa
…..
Yıllık aşılma olasılığı γ* olan (veya TR* = 1/ γ*) olan benzer tehlike spektrumu
Deterministik sismik tehlike hesabı
• Deterministik sismik tehlike hesabı doğrudan proje sahasını etkileyen sismik kaynaklar tarafından meydana getirilebilecek olması muhtemel en kritik deprem senaryosunu dikkate alır. Bu deprem senaryosuna kontrol depremi denir. Kontrol depreminden kaynaklanan spektral değerler yapının tasarımında veya performans tahkikinde kullanılır. Deterministik sismik tehlike hesabı kontrol
depreminden kaynaklanan spektral değerleri medyan veya medyan + σ seviyesi olarak kabul edebilir. Standard sapmanın kabul edildiği spektral değerlerde yer hareketindeki belirsizlik daha konservatif olarak hesaplara girer.
• İhtimal hesaplarına bağlı sismik tehlike analizinde olduğu gibi hem kaynak modellemesinde, hem de yer hareketi genliklerindeki
belirsizlikler dikkate alınmadığı için bu yöntemle hesaplanan spektrumlarda sismik tehlikenin aşılma ihtimali benzer değildir.
Deterministik spektrum – örnek –
Proje Sahası S1,(Mmax)1
S2,(Mmax)2
R1
R2 Dikkate
alınan saha
S1,(Mmax)1, R1
S2,(Mmax)2, R2
T* Sa1
Sa2
Periyot (s) Sa
Deterministik spektrum
Deterministik spektrum yüksek binaların tasarımı ve performans tahkiki için yer hareketi geçilme seviyelerini belirgin bir şekilde ifade edememesi nedeniyle tercih edilmeyebilir. Bununla beraber ihtimal hesapları sonucu elde edilen benzer tehlike spektrumlarını
Yüksek binaların performans
tahkikinde önerilen performans
kriterleri
Tasarım ve tahkik için yer hareketi genlik seviyeleri
• D1 – 50 yıllık servis süresinde aşılma ihtimali %50 olan spektral değerler (T
R= 72 yıl). Yüksek yapının ekonomik ömrü boyunca sıkça rastlanabilecek depremler sonucu meydana gelen yer hareketleri
• D2 - 50 yıllık servis süresinde aşılma ihtimali %10 olan spektral değerler (T
R= 475 yıl). Yüksek yapının ekonomik ömrü boyunca az seyrek olarak rastlanabilecek depremler sonucu meydana gelen yer hareketleri
• D3 - 50 yıllık servis süresinde aşılma ihtimali %2 olan
spektral değerler (T
R= 2475 yıl). Yüksek yapının ekonomik
ömrü boyunca tecrübe edebileceği çok büyük bir deprem
sonucu meydana gelen yer hareketleri
Tasarım ve tahkik için performans seviyeleri
• Minimum Hasar / Kesintisiz Kullanım (MH / KK)
Doğrusal olmayan (nonlineer) davranım Doğrusala (lineer) yakın davranım
Yer hareketi seviyeleri ve beklenen performans seviyeleri
Bina sınıfı D1 D2 D3
Normal binalar
(konut, otel, ofis) MH/KK HK/CG İH/GG Özel binalar (sağlık,
eğitim, kamu) - MH/KK HK/CG
• Tasarım aşaması I-A: HK/CG için doğrusal analiz ile ön tasarım (Normal binalar D2, Özel binalar D3)
• Tasarım aşaması I-B: HK/CG için doğrusal olmayan analiz ile tasarım (Normal binalar D2, Özel binalar D3)
• 2x7 adet ivme kaydı
• Tasarım aşaması II: MH/KK için doğrusal analiz ile tahkik (Normal binalar D1, Özel binalar D2)
• Tasarım aşaması III: İH/GG için doğrusal olmayan analiz ile tahkik (Normal binalar D3, Özel binalara HK/CG için performans tahkiki D3 seviyesinde yapıldığı için bu
Tasarım spektrumu
Önemli noktalar
• Yüksek yapılar uzun modal periyotlara sahiptir. Bu
yapıların tasarımları ve tahkikleri için seçilecek YHTD’ler uzun periyotlar için de üniform tehlike spektrumlarını oluşturabilmelidirler
• Tasarım spektrumlarında ihtimal hesaplarına dayalı sismik tehlike hesabından elde edilen üniform tehlike spektrumları kullanılabileceği gibi bu spektrumların düzgünleştirilmiş halleri de kullanılabilir.
• Çalışmalarda düzgünleştirilmiş spektrum eğrileri tercih
ediliyorsa üniform tehlike spektrumlarını özellikle çok
yakından takip etmeleri önemlidir.
Üniform tehlike spektrumu ve ona karşılık gelen düzgünleştirilmiş spektrum birbirlerini ne kadar yakın izlerlerse, spektral ivme değerlerinden elde edilen spektral
deplasmanlar özellikle uzun periyotlarda birbirlerini yakından takip ederler. Spektral deplasman yüksek bina tasarım ve performans tahkiki açısından önemlidir. Eğer
0,1 1,0 10,0 100,0
0,1 1,0 10,0
Deplasman Spektrumu (cm)
Periyot (s) TR=2475 yıl
Düzgünleştirilmiş
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0
Spektral İvme (g)
Periyot (s)
TR = 2475 yıl Düzgünleştirilmiş
Farklı sönüm değerleri için tasarım spektrumları
• Yüksek binaların tasarımında %5 sönümden daha düşük spektral değerlere ihtiyaç olabilir.
• Bu tip bir durumda ASCE 7-10 tarafından %5 sönümlü spektrumu
%2 sönüme çevirebilen faktör olarak 1.25 önerilmiştir.
• İhtiyaç duyulan sönüm oranı %2 ile %5 arasındaysa 1.25 ile 1.0 arasında lineer interpolasyon yapılabilir.
Sönüm
%5 %2
1.0 1.25
η
𝑆𝑆(𝜉) = 𝜂𝑆𝑆(𝜉 = 5%)
Spektrum uyumlu ivme kayıtlarının
seçimi ve ölçeklendirmesi
Temel amaç
Deprem
hareketinde yön belirsizliğini de dikkate alarak,
yapının belirlenen performans
kriterleri içinde
davranımını en
gerçekçi şekilde
kontrol etmek
Temel adımlar ve esaslar (1/6)
• Yüksek yapıların mimari ve yapısal özelliklerine göre birden fazla modal periyot için deprem
ivme kayıtları seçilebilir (Yüksek yapılarda temel mod harici diğer modlar da yapının davranımında etkili olabilir)
• Bu kayıtlar yüksek yapının 3 boyutlu modeline
etkitilir ve belirlenmiş performans hedeflerinin
sağlanıp sağlanmadığı kontrol edilir
Temel adımlar ve esaslar (2/6)
• Her bir modal periyot için ihtimal hesaplarına
dayalı sismik tehlike hesabı sonucu çıkan üniform spektruma ayrıştırma analizi uygulanarak hedef spektral ordinata en çok katkıda bulunan deprem senaryosu magnitüd (M
hedef) ve sismik kaynağa olan mesafe (R
hedef) olarak belirlenir.
• R
hedefve M
hedefiçin proje sahasının zemin koşulları
da dikkate alınarak, birbirine dik iki yatay bileşeni
olan ivme kayıtları arasından bir aday kayıt seti
oluşturulur.
Temel adımlar ve esaslar (3/6)
• Aday kayıt seti oluşturulurken:
– R
hedef– 25 km ≤ R
hedef≤ R
hedef+ 25 km – M
hedef– 1 ≤ M
hedef≤ M
hedef+ 1
– Sismik kaynağın fay mekanizması – Proje sahasının zemin sınıfı
kıstasları dikkate alınabilir. Bu seçim sırasında proje
sahasını içine alan bölgenin sismotektonik özellikleriyle uyumlu depremler ve ivme kayıtlarını içeren güvenilir veri tabanları kullanılmalıdır. Çift bileşenli 7 ivme kaydı için bu aday kayıt seti yaklaşık 20 kayıttan oluşabilir. Belli
durumlarda aday kayıt setindeki kayıt sayısını arttırmak
için yukarıdaki kıstaslar dikkatli bir şekilde esnetilebilir
Temel adımlar ve esaslar (4/6)
• İvme kayıtlarının ölçeklendirmesi dikkate alınan her modal periyot (T*) için hedef spektrumda 0.2T* ve 1.5T* bandı arasında yapılır. Bu bant yapının nonlineer davranımından dolayı oluşabilecek yumuşamayı ve yüksek mod etkisini dikkate alır.
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4
Spektral İvme (g)
( )
∑
= ∑
i
i i
i kayıa i
hedef i
T w
T SA T
SA T
w
f ( )
) ( /
) ( ln
) ( ln
• Her bir ivme kaydı çifti
yukarıda verilen ve seçilen
spektral bant aralığında hedef
spektrum ve ivme kayıtlarına
ait farklılığı minimize edecek
Temel adımlar ve esaslar (5/6)
• Ölçeklendirilen aday kayıtlar içinde hedef spektral şekle en yakın seyreden ve ölçek faktörü çok
büyük olmayan 7 çift hesaplamalarda kullanılmak üzere seçilir.
• Seçilen ivme kaydı çiftlerine ait spektrumların 0.2T*-1.5T* periyot bandı içinde karelerinin toplamının karekökü hesaplanır.
• Tüm kayıtlar için hesaplanan kareköklerin
ortalaması 0.2T*-1.5T* periyot bandı içinde %30
arttırılmış hedef spektrumun %10’undan düşük
olamaz.
Temel adımlar ve esaslar (6/6)
• Hedef
spektrumu %30 arttırmak 2D
analiz sonucu elde edilen spektral
ordinatlarını 3D yapı analizini
dikkate alarak değiştirmektir.
0.01 0.1 1
0.01 0.1 1 10
Spektral İvme (g)
Periyot (s)
T* = 3s
0.2T* = 0.6s 1.5T* = 4.5s
Kayıt seçme ve ölçeklendirmeyle ilgili yeni yaklaşımlar
Kayıt seçme ve
ölçeklendirme için anlatılan yöntem, bu tip çalışmalarda uygulanan tek yöntem
değildir. Daha kapsamlı ve modal periyot ile diğer spektral periyotlar
arasındaki bağıntıyı dikkate alan koşullu ortalama
spektrumlar da kayıt seçme ve ölçeklendirme için hedef spektrum olarak
0.0 0.1 1.0
0.01 0.1 1 10
Spektral İvme(g)
Periyot (s)
VS30= 600 m/s, T1X= 5.2s UHS [email protected]
0.0 0.1 1.0
0.01 0.1 1 10
Spektralİvme(g)
Periyot (s)
VS30= 600 m/s, T1Y= 4.2s UHS [email protected]
0.01 0.10 1.00
0.01 0.1 1 10
Spektral İvme(g)
Periyot (s)
VS30= 600 m/s, T2X= 1.4s UHS [email protected]
0.01 0.10 1.00
0.01 0.1 1 10
Spektral İvme(g)
Periyot (s)
VS30= 600 m/s, T2Y= 1.2s UHS [email protected]
1.00
e(g)
VS30= 600 m/s, T3X= 0.7s UHS
[email protected] 1.00
e(g)
VS30= 600 m/s, T3Y= 0.6s UHS [email protected]