The effect of coupling ratio on nonlinear behavior of coupled shear walls

Binaların betonarme perde elemanlarında genellikle binanın kullanım amacına veya mimari gereksinimlere göre kapı veya pencere boşlukları bırakılması gerekmektedir. Bırakılan boşlukların düşeyde sürekli ve düzgün olması durumunda aralarında kalan her iki perde parçasını birbirine bağlayan yatay elemanlara bağ kiriş, perde sistemin geneline ise bağ kirişli (boşluklu) perde denir. Deprem davranışı altında konsol perdelerde plastikleşme sadece perde tabanında gerçekleşirken, bağ kirişli boşluklu perdelerde uygun tasarım yapıldığı takdirde plastik davranış perde yüksekliği boyunca yayılabilir. Böylece daha sünek davranış elde edilerek enerjinin sönümlenmesine katkıda bulunabilirler. Boşluklu perde sisteminin yatay yükler altında davranışı sırasında bağ kirişlerinde oluşan kesme kuvvetleri bağlandığı perdelerin birine eksenel basınç kuvveti olarak aktarılırken, diğerine eksenel çekme kuvveti olarak aktarılır. Böylece sisteme dış yükler tarafından aktarılan devrilme momentinin bir kısmı bağ kirişlerin iki ucundaki kesme kuvvetlerinin toplamından oluşan perde normal kuvvetlerinin momenti ile karşılanmış olur. Karşılanan bu momentin yapıya etkiyen toplam devrilme momentine oranına, bağ kiriş katkı oranı denir. Bağ kiriş katkı oranı, perdelerin ve bağ kirişlerin rijitliğine bağlı olup, doğrusal elastik analiz yöntemine göre yapılan tasarımda eleman boyutlandırmalarının ve analizlerin tamamlanmasından önce hesaplanamamaktadır. Pratik uygulamalarda analizden elde edilen bu bağ kiriş katkı oranının yönetmeliklerin bağ kirişli perde için gerektirdiği minimum değeri sağlaması durumunda, tasarım yapıldıktan sonra tekrar irdelenmemektedir. Öte yandan, bağkiriş katkı oranının düşük veya yüksek olmasına bağlı olarak perdelerin iç kuvvetlerinde ve doğrusal olmayan davranışında büyük farklar oluşmaktadır. Bu tez çalışmasında boşluklu perdelerin doğrusal olmayan davranışında bağ kirişi katkı oranının etkileri kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Tez toplam 7 bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde tezin amaç ve kapsamı verildikten sonra ikinci bölümde, literatürde yer alan daha önce boşluklu perde sistemleri ve bağ kiriş elemanlar ile ilgili teorik, deneysel ve sayısal çalışmalar bulguları ile birlikte özetlenmiştir. Tezin üçüncü bölümünde, bağ kirişli perde sistemlerinin tasarım yöntemleri incelenmiştir. Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik (2007) ve ACI 318 (2011)'in vermiş olduğu kuvvet bazlı tasarım kriterleri özetlenmiştir. Günümüzde halen bir çok yönetmelik, yapı elemanlarını kuvvet bazlı yönteme göre tasarım yaptırmaktadır. Fakat, bu yaklaşımda perde ve bağ kiriş elemanlarının aynı anda akması temel alındığından, yapının gerçek doğrusal olmayan davranışını yansıtmamaktadır. İkinci olarak bu bölümde son yıllarda yaygınlaşan performansa göre tasarım ilkeleri incelenmiştir. Bu tasarım yöntemine göre ön tasarımı yapılan boşluklu perde yapı sisteminin daha önceden belirlenen performans hedeflerini sağlaması gerekmektedir. Kuvvet bazlı yöntemden farklı olarak, performansa göre tasarımda yapı elemanları farklı zamanlarda akmaya geçebilmektedir. Ayrıca elemanların hasar sınırları içerisinde plastik şekil değiştirme yapmasına izin verilmektedir. Bu bölümde son olarak Priestley ve diğerlerinin (2007) önerdiği Direkt Yer Değiştirmeye Göre Tasarım yöntemi incelenmiştir. Yukarıda verilen iki yöntemden farklı olarak direkt yer değiştirmeye göre tasarımda, boşluklu perdelerde bağ kiriş katkı oranı tasarımın ilk adımı olarak belirlenebilmektedir. Öte yandan bu yöntemde bağ kirişlerin tamamının aynı özellikte olduğu ve yapı yüksekliğince aynı kesme kuvvetini paylaştığı kabul edilmektedir. Tezin dördüncü bölümü çapraz donatılı betonarme bağ kirişlerin doğrusal olmayan matematik modelinin oluşturulmasını kapsamaktadır. Modelleme teknikleri mikro ve makro olarak iki grupta sınıflandırılmaktadır. Mikro modellemede yapı mekaniğinin prensiplerinden yararlanarak sonlu elemanlar yöntemi ile gerilme ve birim şekil değiştirme değerleri hesaplanır ve değerlendirilmesi yapılır. Bu model tekniği ile gerçeğe oldukça yakın sonuç alınabilmekle birlikte, analiz süresi ve sonuçların yorumlanabilmesi oldukça uzun sürmektedir. Öte yandan, son yıllarda yapılan çalışmalarda çubuk ve elasto-plastik mafsal yardımıyla oluşturulan çeşitli makro modellemelerin de yeterli seviyede iyi sonuçlar verebildiği gösterilmiştir. Sunulan çalışmada çapraz donatılı bağ kirişlerin makro modellenmesi ile ilgili değişik yöntemleri kullanan Naish ve diğerleri (2013), Lu ve Chen (2005) ve Barbachyn ve diğerlerinin (2012) geliştirdiği modeller irdelenmiştir. Lu ve Chen (2005) modelinde bağ kirişi elastik kısım, uçlarda yayılı plastik mafsal, donatı sıyrılma ve uzamasını temsil eden dönme redörleri, ortada kayma mafsalı olmak üzere toplam dört adet alt elemandan oluşmaktadır. Naish ve diğerlerinin (2013) geliştirdiği modelde ise, eleman uçlarında eğilme moment mafsalı yayılı plastik olarak verilmiştir, buna karşılık moment-dönme ilişkisinde dayanım azalması tanımlanmıştır. Barbachyn ve diğerlerinin (2012) geliştirdiği model ise diğerlerinden farklı olarak betonarme kafeste basınç (strut) ve çekme (tie) çubukları kullanılmıştır. Bu yöntemde çok sayıda düğüm noktası oluşturulduğundan pratik değildir, ayrıca kiriş-perde birleşimlerinde donatı uzama ve sıyrılması tanımlanmamıştır. Yukarıda bahsedilen üç farklı makro model yaklaşımı daha önceden gerçekleştirilmiş deneysel sonuçlar ile karşılaştırıldığında Naish ve diğerleri (2013) tarafından oluşturulan modelin en iyi sonucu verdiği gözlemlenmiştir. Dolayısıyla tezin son bölümünde yer alan sayısal incelemede boşluklu perdelerin oluşturulmasında bağ kirişleri için bu model baz alınmıştır. Ek olarak bağ kirişlerde çapraz donatının uzama ve sıyrılmasına bağlı olarak kesitin etkin eğilme rijitliğinin belirlenmesi için parametrik bir inceleme yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre açıklığın derinliğe oranına ve dayanımına bağlı olarak bağ kirişlerin etkin eğilme rijitliklerinin çatlamamış kesitin eğilme rijitliğinin %8-11 aralığında olduğu gözlemlenmiştir. Yapılan bu sayısal incelemeler ile bağ kiriş modellemesinde eleman ucunda bulunan donatı uzama/sıyrılması için oluşturulan elastik dönme redörleri kaldırılarak model daha basit hale getirilebilmiştir. Tezin beşinci bölümünde boşluklu perdelerin tasarımında kullanılan doğrusal ve doğrusal olmayan analiz yöntemlerini özetlemektedir. Günümüzde boşluklu perdeler yönetmeliklerde verilen doğrusal elastik analiz yöntemleri ile tasarlanabilmektedir. Öte yandan boşluklu perdelerin tasarım aşamasında doğrusal olmayan analizler ile çalışılması perdeler ve bağ kirişlerde plastik davranışa geçiş aşamalarını irdeleme fırsatını vermektedir. Bu bölümde ayrıca doğrusal olmayan davranış altında çekme ve basınç perdeleri arasındaki moment ve kesme iç kuvvetlerinin tekrar dağılımı prensibi anlatılmaktadır. Altıncı bölümde, boşluklu perdelerin doğrusal olmayan davranışında bağ kiriş katkı oranının etkilerini incelemek üzere sayısal incelemeler yer almaktadır. Örnek olarak 8, 16 ve 24 katlı ve bağ kiriş katkı oranları düşük, normal ve yüksek olmak üzere toplam 9 adet tipik dikdörtgen kesitli boşluklu perdeli yapı sistemleri incelenmiştir. Perde elemanları için eşdeğer çubuk elemanlar kullanılarak yapılan doğrusal elastik analiz sonuçlarına göre, aynı kat adedine sahip yapılar aynı kütleye sahip olmalarına karşılık, bağ kiriş katkı oranı yüksek olan yapıların etkin periyodu çok daha fazla kısa olduğundan taban kesme kuvvetlerinin diğer yapılara göre %30 kadar daha olduğu gözlemlenmiştir. Analiz sonuçlarından elde edilen iç kuvvetlere göre boşluklu perdelerin ön tasarımı yönetmeliklere uygun olarak yapılmıştır. Ön tasarımı tamamlanan 9 adet boşluklu perde sistemlerinin elastik ötesi davranışlarını irdelemek üzere OpenSees (2013) analiz programı ile doğrusal olmayan modelleri oluşturulmaktadır. Programda perde elemanları tek doğrultuda çalışan fiber elemanlardan oluşturulmuştur. Bağ kirişleri ise, tezin üçüncü bölümünde açıklanan Naish ve diğerlerinin (2013) geliştirdiği modelleme için önerilen iyileştirmeler de kullanılarak modellenmiştir. İlk olarak perde ve bağ kirişlerin doğrusal olmayan davranışını daha iyi anlayabilmek ve irdeleyebilmek için sadece 8 katlı yapılarda uygulanmak üzere doğrusal olmayan itme analizi uygulanmıştır. İtme analizi sonucunda bağ kiriş katkı oranı yüksek olan sistemde basınç perdesinin çekme perdesine göre çok daha fazla eğilme momenti ve kesme kuvveti aldığı gözlemlenmiştir. Daha sonra boşluklu perde yapılarının tamamına uygulanmak üzere zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizler yapılmıştır. Hedef performanslara göre değerlendirme yapılabilmesi için 50 yılda aşılma olasılığı %50 olan deprem için; Hemen Kullanım (HK), aşılma olasılığı %10 olan tasarım depremi için; Can Güvenliği (CG) ve aşılma olasılığı %2 olan deprem için Göçmeme Güvenliği (GG) hedef performansları değerlendirilmiştir. Her yapı tipi ve her deprem seviyesi için 20şer kaydın ortalaması alınmak suretiyle toplam 420 kayıt elde edilmiştir. Sonuç olarak elde edilen bağ kirişi plastik dönme değerlerine göre normal seviyede bağ kiriş katkı oranı olan yapılar her üç deprem performasını uygun şekilde sağlamaktadır. Öte yandan bağ kiriş katkı oranı düşük olan sistemlerde bazı performans seviyelerinin sağlanmadığı görülmüştür. Bununla beraber, bağ kiriş katkı oranı yüksek olan sistemlerin yeterince sünek davranış sergilemediği ve bağ kirişlerinde beklenenden daha az plastik dönme meydana geldiği gözlemlenmiştir. Yapılan zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizlerde ayrıca perdelerin her ikisinde oluşan iç kuvvetlerin değişimleri irdelenmiştir. Bağ kirişlerinden dolayı çekme kuvveti altında olan perde elemanı basınç altında olan perdeye göre çok daha erken akmaya başladığından, moment istemlerinin geri kalanını basınç perdesi taşımak durumunda kalmaktadır. Bağ kiriş katkı oranı yüksek olan sistemlerde her iki perde tabanındaki moment oranının 3.25'e kadar çıktığı gözlemlenmiştir. Öte yandan, bağ kiriş katkı oranı düşük olan sistemlerde bu oranın 1.40'ın altına düştüğü gözlemlenmiştir. Buna bağlı olarak yönetmelikte yer verilen doğrusal elastik analizde boşluklu perdelerde uygulanan eğilme momentinin tekrar dağılım kuralı irdelenmiş olup, bu doğrultuda önerilerde bulunulmuştur. Analiz sonuçlarına göre, bağ kiriş katkı oranı %35'in altında bulunan yapılar için yönetmelikte yer verilen moment tekrar dağılım oranının %30'dan %15'e düşürülebileceği önerilmiştir. Yatay yükler altında çekme perdesinde oluşan plastikleşme aynı zamanda çekme perdesinden basınç perdesine kesme kuvvetlerin iletilmesine sebep olmaktadır. Literatürde bu olaya "kesme göçü" de denilmektedir. Yapılan sayısal incelemelerde, bağ kiriş katkı oranına bağlı olarak perdeler arasındaki kesme göçünün toplam taban kesme kuvvetine olan oranının %16'ya kadar çıktığı belirlenmiştir. Tez çalışmasında ek olarak 9 adet örnek yapının tamamına, PGA değerleri giderek artan 50 adet deprem kaydı kullanılarak oluşturulan bulut yaklaşımı kullanılarak, zaman tanım alanında analizleri yapılmıştır. Bu sayede yapılara uygulanan her bir deprem kaydı için artan bağ kiriş plastik dönme değerlerine karşılık bağ kiriş katkı oranındaki değişim gözlemlenmiştir. Bu sayısal çalışmanın sonucunda bağ kiriş katkı oranının doğrusal elastik analizde belirlendiği gibi sabit kalmadığı ve başlangıçta seçilen tasarım değerinin %40'ına kadar azalma meydana gelebileceği görülmüştür.