Seismic Assessment Of Six Storey Reinforced Concrete Building That Collapsed After Duzce Earthquake

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2014Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2014Dünyanın en aktif fay hatlarından olan Kuzey Anadolu Fay Hattı (KAF) üzerinde 1999’da gerçekleşen iki büyük deprem, bir doğa olayının bir afete nasıl dönüşebileceğini açıkça gözler önüne sermiştir. Doğu Marmara depremleri olarak geçen bu iki depremden Ms=7.4 büyüklüğündeki 17 Ağustos depremi, Kocaeli merkezli olmak üzere Bolu, Düzce, Yalova ve İstanbul’u içine alan geniş bir bölgede etkili olmuştur. 12 Kasım’da gerçekleşen Ms=7.2 büyüklüğündeki ikinci depremin merkezi ise Düzce’dir. Depremler ülkenin nüfus yoğunluğu yüksek, ülke ekonomisi ve sanayisinde büyük pay sahibi olan bir bölgede meydana gelmiş olması sebebiyle her anlamda yıkıcı olmuştur. Bu depremlerde büyük kayıpların ortaya çıkmasının birincil nedeni, doğu-batı doğrultusunda uzanan KAF hattı boyunca gelişmiş olan bölgedeki güvensiz bina sayısının oldukça yüksek olmasıdır. Bu durum, gerçekçi bir deprem güvenli yerleşim politikası ve planlama anlayışının olmamasına bağlı olarak, çoğunluğu birinci derece deprem bölgesi olarak kabul edilen ülkemizin tamamında geçerlidir. Depremler sonucunda karşılaşılan kötü tablo neticesinde, depreme dayanıklı yapı tasarımı kavramı önem kazanmış ve yeni bir yönetmelik üzerine çalışılmaya başlanmıştır. 2007 yılında yürürlüğe giren Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik (DBYBHY) ile yeni yapılan bina tasarımına dair yeni yöntemler önerilmiş ve çok önemli olan mevcut binaların deprem performansını değerlendirme bölümü eklenmiştir. Bu yöntemler ile mevcut yapılarda deprem durumunda oluşabilecek hasar durumu hakkında detaylı olarak inceleme yapabilmek ve yapıların deprem performansı hakkında yorum yapabilmek mümkün kılınmıştır. Özellikle hızlı kentleşmenin getirdiği nüfus yoğunluğu göz önüne alındığında, yakın zaman içerisinde gerçekleşeceği düşünülen ve İstanbul’u doğrudan etkileyecek büyük bir depremin kolay atlatılamayacak sonuçlar doğuracağı çeşitli çalışmalarla gösterilmiştir. Bunun önüne geçmek ve riski azaltmak için yapılacak ilk işlem, kötü durumdaki, depreme karşı dayanıksız binaları tespit etmektir. Ancak, ülkenin kısıtlı ekonomik kaynakları ve kötü bina stoğunun büyüklüğü düşünüldüğünde bu işlemin detaylı incelemelere dayalı yöntemler ile gerçekleştirilmesi neredeyse imkansızdır. Ayrıca, bina başına uzun incelemeler yapıldığı takdirde, ne zaman meydana geleceği tam olarak belli olmayan bir deprem karşısındaki en büyük değerimiz olan zaman yitirilecektir. Bu aşamada, zararın meydana gelmesini engelleyecek yada zarar oluşumunu en aza indirgeyecek yeni yasal düzenlemelere ve bu yasal düzenlemelere dayalı olarak yapılacak uygulamalara ihtiyaç duyulduğu tartışmasızdır. Bu ihtiyaçla, 16.05.2012 tarih ve 6306 sayılı ‘Afet Riski Altındaki Alanların Dönüştürülmesi Hakkında Kanun’ ile afet riskine ilişkin düzenlemeler getirilmiştir. Bu kanun kapsamında 2013 yılında, deprem etkisi altında yıkılma veya ağır hasar görme riski bulunan binaların tespitinde kullanılmak üzere, yeni bir yöntem geliştirilmiş ve Riskli Binaların Tespitine Yönelik Esaslar (RBTE) adı altında yürürlüğe girmiştir. Bu esaslar ile yapılan inceleme DBYBHY-07 Bölüm.7’deki yöntemlerin benzeri olup sonuçları belirlemede bir takım kolaylıklar getirilmiştir. Yalnızca binadaki göçme potansiyeli en yüksek olduğu tahmin edilen kritik kat elemanları için elde edilecek sonuçlardan yola çıkarak, binanın deprem etkisinde göçme riskinin bulunup bulunmadığına karar verilmektedir. Mevcut binaların deprem etkisi altındaki hasar görebilirlik analizleri, deprem zararlarının azaltılması faaliyetlerinde önem taşımaktadır. Bu alanda uygulanabilen, dünyada kabul görmüş ve literatürde ‘hızlı değerlendirme’ olarak tanımlanan çeşitli yöntemler de mevcuttur. Bu yöntemler ile 3-D yapı analizi yapılmadan ve eleman bazında detaylı inceleme yapılmadan, bina bazlı hızlı bir değerlendirme ile hem zaman, hem de finansman açısından kazanç sağlanarak, deprem altında yıkılacak olan yapılar hızlıca tespit edilebilmektedir. Binanın göçme sınırını aşıp aşmadığını belirleyen hızlı değerlendirme yöntemleri ile depremde tamamen yıkılacağı düşünülen büyük ölçüde dayanımsız binalar tespit edilmekte ve böylece can kaybının önüne geçilebilmektedir. Yapının projesi ya da rölövesi üzerinde gerçekleştirilecek bir takım ölçümler, gözlemler ve hesaplamalar sonucunda elde edilen parametreler yardımı ile göçmeye aday binaların ayıklanmasına yarayan ‘P25 Puanlama Yöntemi’, hızlı değerlendirme yöntemlerinden biridir. Bu çalışma kapsamında, sayısal uygulama olarak 12 Kasım 1999 Düzce depreminde yıkılmış bir bina seçilerek, yukarıda değinilen DBYBHY-07, Bölüm 7’deki doğrusal elastik hesap yöntemleri, RBTE (2013) ve P25 yöntemleri ile deprem güvenliği incelenmiştir. Bu yöntemler ile elde edilen sonuçlar, gerçekte deprem etkisinde yıkılmış olan binanın davranışı ile karşılaştırılmıştır. Daha sonra, ilk incelemelerde proje değerlerine göre düşük olarak kabul edilen yapının beton dayanımı artırılmış ve etriye aralığı azaltılarak tasarımda şart koşulan etriye sıklaştırması uygulanması durumunda bina üzerinde tekrar inceleme yapılarak bu durumun yapı riskini ne ölçüde etkilediği gözlemlenmiştir. Altı bölümden oluşan yüksek lisans tezinin birinci bölümü, konunun açıklanmasına ve konu ile ilgili çalışmaların gözden geçirilmesine ayrılmış, çalışmanın amacı ve kapsamı hakkında bilgi verilmiştir. İkinci bölümde, 2007 Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik ile ilgili depreme dayanıklı yapı tasarımı ve değerlendirilmesi hakkında bilgi verilmiş, mevcut binaların depreme karşı dayanımının doğrusal elastik ve doğrusal elastik olmayan yöntemler ile belirlenmesi üzerine genel açıklamalar yapılmıştır. Üçüncü bölümde, 2013 yılında yürürlüğe giren ve mevcut bina stoğu içersinden depreme karşı dayanımı zayıf olan binaların daha kısa sürede belirlenmesine olanak tanıyan Riskli Binaların Tespitine Yönelik Esaslar açıklanmış ve uygulamaya yönelik önemli kurallara dikkat çekilmiştir. Hızlı değerlendirme yöntemlerinden olan ‘P25 Puanlama Yöntemi’nin gelişimi ve ülkemiz uygulamalarındaki önemi dördüncü bölümde anlatılmıştır. Yöntemde gözönüne alınan parametreler ve hesap adımları açıklanmıştır. Beşinci bölümde, Düzce 1999 depremi hakkında genel bilgiler verildikten sonra sayısal inceleme için seçilen sözkonusu depremde yıkılmış bir betonarme yapının anlatılan yöntemler ile performans değerlendirmesine dair hesaplar yer almaktadır. xxiii Altıncı bölüm bu çalışmada elde edilen sonuçları kapsamaktadır. Çalışmanın ana hatları ile sayısal hesap sonuçlarının değerlendirilmesi ve incelenen konunun ilerki çalışmalara ışık tutması amacıyla olası genişleme alanları bu bölümde sunulmuştur.Turkey is surrounded by three major African, Arabian and Eurasian plates, and mainly situated on the Anatolian plate. These plates create three major fault lines throughout Turkey, and they are called the North Anatolian Fault (NAF), Northeast Anatolian Fault (NEAF) and the East Anatolian Fault (EAF). As a result of this seismicity in Turkey, a large portion of the country is in first-degree earthquake zone. Many regions of the country suffered and affected by these earthquakes throughout the centuries. On 17 August 1999, the Ms= 7,4 Kocaeli earthquake broke almost 140 km long western part of the 1200 km North Anatolian Fault in a multiple rupture process. Soon after this, on 12 November 1999, another earthquake, which had Ms= 7,2 magnitude in Düzce, exposed a rupture that was almost 40 km on the segment of the same fault. Devastating consequences of these severe earthquakes was a milestone to change the perspective of the country in earthquake preparedness and proactive policy implementation to alleviate future risk of similar occurences. As a result of the changing perception to earthquake readiness globally, performance-based earthquake engineering methods for evaluating seismic performance of buildings have emerged in the recent years through the combined efforts of earthquake engineering researchers. Consequent result of these efforts to policy change in Turkey was the Turkish Seismic Code (TSC-07), which was put into effect in 2007. The code has been effective to quantify the seismic performance of new structures in a more rigorous way than had previously been possible. More importantly, this new code includes a section regarding the assessment of existing building resistance to earthquakes, which was much needed in the country for identifying risky structures. According to TSC-07, there are mainly two different evaluation methods suggested for existing structures, which are linear and non-linear elastic assessment approaches. There are two linear elastic analysis approaches, which are called equivalent static seismic force distribution method and modal superposition method. Equivalent static seismic force method can be used in buildings which are less than 25 meters tall, with less than 8 floors and torsional irregularity coefficient (ηbi) less than 1,4. Otherwise, model superposition method has to be used to assess existing building earthquake resistance. The final performance of the building in an earthquake is determined using the damage distributions of structural components, which are calculated using demand/capacity ratios (r) of the building elements, according to the pre-determined damage limits values. These damage limit values define damage limits of the beams and columns and calculated by using the residual moment capacities of ductile members, while taking the levels of axial and shear forces and the confinement into account. In addition to this, the relative lateral displacement of the vertical structural elements at each floor and column-beam joints must also be checked to define damage level of structure. Existing building assessments suggested in TSC-07 are accurate and detailed in earthquake risk analysis, however they tend to require a thorough investigation which takes time. Time is the most important element of earthquake risk analysis efforts in cities like İstanbul, where a severe earthquake is imminent. Due to excessive migration to urban areas, new residents fled to İstanbul for opportunties, which in turn caused an abundance of risky building stock. This condition was widespread throughout the city. Considering the high population density in İstanbul, in case of a severe earthquake, consequences will once again be devastating like previous earthquakes in Turkey. Many studies and research activities confirm high risk level of İstanbul in case of a major earthquake. Main components of regional earthquake risk level is the probablity of earthquake occurance, residents in the earthquake impact region, proportion of risky structures and vulnerability level of risky structures. Reported damage from recent global earthquakes highlighted vulnerability of existing buildings. Building vulnerability is due to older building design codes, poor design practices, lack of enforcement and poor concrete quality. Most of these buildings urgently need to be reassessed and earthquake strength of inadequate ones should be improved for the purpose of minimizing seismic damage and improving life safety. At this stage, in order to estimate and alleviate potential damage due to a strong earthquake, an immediate assessment of the seismic resistance of existing structures is critical. For this purpose in 2013 through the “Urban Transformation Process”, Basis of Assessment of Seismic Vulnerability for Existing Buildings (RBTE) policy was put into effect. Investigations through this new policy use similar linear approaches also suggested in TSC-07, Section 7. Assessing the weakest floor of the building, which is refered as the critical floor, a determination of “risky” or “no risky” state is made for the entire building. During this analysis, only vertical structural elements of the critical floor are used to make a final determination. In addition, contribution to earthquake resistance of the building of infill walls between the top beam and the right and left columns are also considered in RBTE. According to RBTE, buildings designated as risky after an earthquake, despite their high level of damage, may not necessarily collapse. Residents can be rescued from these buildings without any complications. There are preliminary assessment methods to evaluate risk of collapse for buildings in shorter amount of time. These preliminary assessment methods eliminate the need for a detailed element based 3-D investigation. Instead, using certain building parameters, a whole assessment of the building is achieved. Therefore, significant time and financial saving can be accomplished. Identifying if the building exceeds collapse limits with these methods saves lifes and reduces overall economic burden of these disasters. P25 method is one of the preliminary assessment methods, developed in 2008 through a TUBITAK project, which quickly analyzes building collapse risk by examining building project details or performing a statistical survey summary based on relevant data, considering observations and making simple calculations. xxvii In areas with high density of poor quality building stock, such as Istanbul, understanding which older structure pose more significant life and safety hazard needing immediate attention is very important. For this purpose, P25 method is a very practical approach. This method is mainly based on observing and listing the most critical parameters which affect the seismic response of a building. These parameters are then scored with relevant weighting factors in relation to their relative importance. Seven different scores for corresponding failure modes, P1 to P7, and their interactions are also considered. The final performance score “P” of the building is graded between 0 and 100, varying from the worst to the best, respectively. P-Final Performance Score is determined with the interaction of other seven P1 to P7 scores, according to building parameters and local factors. In this thesis study, the linear elastic methods (which were recommended in TSC-07- Section 7), Basis of Assessment of Seismic Vulnerability for Existing Buildings (RBTE-2013) and P25 Rapid Screening Method have been performed on a building that collapsed during the 12 November Düzce earthquake in 1999. In this way, the results according to different methods could be compared as known the real state of the building. Then, increasing quality level of the concrete and decreasing stirrup spacing used in the building, similar structural analysis was performed again for comparison purposes. In this way, it has been emphasized that the importance of concrete quality and stirrup spacing especially next to joints. This thesis consists of 6 chapters. The first chapter includes the summary, the purpose of the study, literature survey on the subject and the scope of the thesis. Second chapter presents the 2007 TSC, Section 7 ‘Seismic Performance Evaluation and Retrofiting of Existing Buildings’, and explains the existing building earthquake resistance assessment with linear elastic and non linear elastic methods. Third chapter introduces the Basics of Assessment of Seismic Vulnerability for Existing Buildings (RBTE-2013), which simplifies and shortens the time to identify risky buildings and highlights important key points from this document. The development and the steps and the importance of the application of P25 Method is mentioned in the fourth chapter. In addition, key parameters and calculation methodology is explained in this chapter. Fifth chapter includes general information about 1999 Duzce Earthquake and presents the detailed analysis of a collapsed case study six storey RC building during this earthquake. Finally, sixth chapter shows final results of this thesis study. This chapter also has details about the significance and relevance of this study, the comparison of numerical calculations and the further suggestions for the development of this subject for future studies.Yüksek LisansM.Sc