Bina Tasarım Sistemi Zemin-Yapı Etkileşimi [ Probina Orion Bina Tasarım Sistemi, betonarme bina sistemlerinin analizini ve tasarımını gerçekleştirerek tüm detay çizimlerini otomatik olarak hazırlayan bütünleşik bir çözüm paketidir. Probina Orion, ülkemizde ve yurt dışında binlerce profesyonel inşaat mühendisi tarafından kullanılmaktadır. ] www.probina.com.tr Prota Yazılım Ltd. Şti.
PROTA YAZILIM BİLİŞİM ve MÜHENDİSLİK LTD. ŞTİ. ODTÜ Teknokent Teknoloji Geliştirme Bölgesi Galyum Blok No: 20 ANKARA Tel: (312) 210 17 88 Fax: (312) 210 17 86 Email: probina@prota.com.tr Web: www.prota.com.tr Probina Orion Bina Sistemleri 3-boyutlu Sonlu Elemanlar Analizi-Dizaynı-Çizimi PROTA Yazılım Bilişim ve Mühendislik Ltd. Şti. nin tescilli markasıdır ve yazılımın tüm hakları PROTA Yazılım Bilişim ve Mühendislik Ltd. Şti. firmasına aittir. Tüm eğitim ve kullanım kılavuzları veya herhangi bir program bileşeni hiçbir nedenle kopyalanamaz ve lisans sözleşmesi kapsamı dışında kullanılamaz.
Zemin-Yapı Etkileşimi Probina Orion Yapı-Zemin Etkileşimi amaçlı olarak iki yöntem içermektedir. Kullanıcı elindeki modül içeriğine göre bu yöntemlerden istediği birini kullanabilir. Zemin Yayları Otomatik Hesabı Yöntemi Bu yöntem, Sonlu Elemanlar Temel Modelinin analizi sonucunda üst-yapıdan aktarılan yükler ve bu yükler altında gerçekleşen deplasmanlar kullanılarak üst-yapı modelinde kolon ve perde mesnetlerine uygulanacak zemin yaylarının belirlenmesine dayanmaktadır. Bu yöntemde, zemin rijitliğinin modellenmesi amacıyla üstyapı modelindeki her bir kolon ve perdenin altına yerleştirilecek zemin yaylarının rijitlikleri hesaplanmaktadır. Bu yöntemde, her bir düşey eleman için tüm kombinasyonlar sonucunda elde edilen en büyük değerler yay sabiti olarak kullanıldığı için, ikinci yönteme göre biraz daha yaklaşık sonuçlar elde edilmektedir. Birleştirilmiş Temel Modeli Yöntemi Bu yöntem ise hazırlanan Sonlu Elemanlar Temel Modelinin üst-yapı modeli ile birleştirilerek ortak çözümüne dayanmaktadır. Her yük kombinasyonunda zeminin daha gerçekçi davranışı gözönüne alındığı için, bu yöntem Zemin Yayları Otomatik Hesabı Yöntemi ne oranla daha kapsamlı bir analitik modele dayanmaktadır. Her iki yöntemde, zemin etkileri ile analizi gerçekleştirilen üst-yapıdan temel modeline aktarılan yeni kuvvetlerle daha ekonomik bir temel modeli oluşturularak analizi gerçekleştirilebilir. Zemin Yayları ile Otomatik Hesabı Yöntemi Bu yöntem Probina Orion Komple ve Pro modüllerinde kullanılabilmektedir. Bu yöntemde, özetle, sabit mesnetler kullanılarak üst yapı modeli analiz edildikten sonra, temele aktarılan yüklerle sonlu elemanlar temel modeli hazırlanmalı ve analiz edilmelidir. Temel analizi esnasında temelin ve zeminin rijitliğini temsil eden yay sabitleri otomatik hesaplanır ve üst-yapıdaki kolon ve perdelere atanır. Üst-Yapı modeli yeniden analiz edilmelidir. Yöntemin uygulama adımları: Adım 1: Üst-yapının Sabit Mesnetler Kullanılarak Analizi Yapılacak ilk temel analizi için kolon ve perdelerden temele aktarılan yüklerin belirlenmesi amacıyla hazırladığınız üst-yapı modelinin analizini gerçekleştirin. Bina analizinden önce Model Seçenekleri sekmesinde yeralan Kullanıcı-Tanımlı Mesnetler seçeneğinin işaretli olmasına dikkat edin. Bu analizde zemin yayları kullanılmayacaktır. Adım 2: Temel Modelinin Oluşturulması Tekil, Sürekli ve/veya Radye temel sisteminin Grafik Editör ortamında tanımlanması gereklidir. Tüm düşey elemanları kapsayan bir temel modeli hazırlanmış olmalıdır. Adım 3: Temel Modelinin Sabit Mesnetler ile Hesaplanan Yüklerle Analizi Bina analizi sonucunda hesaplanan kolon ve perde yükleri ile hazırladığınız temel modelini Sonlu Elemanlar Temel Hesabı modülü ile hesaplattırın. Temel Hesabı modülünün her kullanımı sonucunda kolon ve perdelerin altına yerleştirilecek olan zemin yaylarının özellikleri hesaplanarak kaydedilecektir. Adım 4: Bina Analizinin Zemin Yayları ile Yeniden Yapılması Temel modeli analiz edildikten sonra Analiz Formunda yeralan Model Seçenekleri sekmesindeki Otomatik Zemin Yayları seçeneğini işaretleyin. Karşınıza gelen formda yeralan Düşey Yay kullanımı opsiyonlarından uygun gördüğünüzü seçin ve Tamam butonu ile formu kapatın. Bu işlem sonucunda zemin yayları bilgileri tüm Kolon ve Perdelere atanmış olacaktır. İsterseniz bu yayların özelliklerini Mesnet Tipleri Tanımı menüsünü kullanarak inceleyebilirsiniz. Bina analizini gerçekleştirin. Analiz sonucunda bina zemin ve temel sistemi rijitlikleri gözönüne alınarak analiz edilmiş olacaktır. Probina Orion Zemin-Yapı Etkileşimi - 1
Adım 5: Temel Modelinin Zemin Etkisi ile Hesaplanan Yüklerle Yeniden Analizi Bu aşamada, isterseniz zemin etkisi hesaba katılarak elde edilmiş olan kolon ve perde yükleri ile Sonlu Elemanlar Temel Hesabı nı yeniden gerçekleştirebilirsiniz. Üst yapıdan aktarılan yükler değişmiş olacağından ve özellikle perde taban momentleri azalacağından dolayı, temeli yeniden hesaplamanız daha ekonomik bir tasarım sağlayacaktır. Bütünleşik Temel Modeli Yöntemi Bu yöntem sadece Probina Orion Pro modülünde kullanılabilmektedir. Bütünleşik Temel Modeli yöntemi, daha önce hazırlanmış bir Sonlu Elemanlar Temel Modelinin üst-yapı modeli ile birleştirilerek ortak çözümüne dayanmaktadır. Her yük kombinasyonunda zeminin daha gerçekçi davranışı gözönüne alındığı için, bu yöntem Zemin Yayları Otomatik Hesabı Yöntemi ne oranla daha kapsamlı bir analitik modele dayanmaktadır. Yöntemin uygulama adımları: Adım 1: Üst-yapının Sabit Mesnetler Kullanılarak Analizi Yapılacak ilk temel analizi için kolon ve perdelerden temele aktarılan yüklerin belirlenmesi amacıyla hazırladığınız üst-yapı modelinin analizini gerçekleştirin. Bina analizinden önce Model Seçenekleri sekmesinde yeralan Kullanıcı-Tanımlı Mesnetler seçeneğinin işaretli olmasına dikkat edin. Bu analizde zemin yayları kullanılmayacaktır. Adım 2: Temel Modelinin Oluşturulması Tekil, Sürekli ve/veya Radye temel sisteminin Grafik Editör ortamında tanımlanması gereklidir. Tüm düşey elemanları kapsayan bir temel modeli hazırlanmış olmalıdır. Adım 3: Temel Modelinin Analizi Bina analizinden sonra hazırladığınız temel modelinin analizini gerçekleştirin. Bu analiz sonucunda Sonlu Elemanlar Temel Modeli hazırlanmış ve üst-yapı modeli ile birleştirilmeye hazır olacaktır. Adım 4: Temel Modeli ile Birleştirilmiş Olarak Bina Analizinin Yeniden Yapılması Bütünleşik Bina Modelini oluşturmak istediğinizi belirtmek amacıyla Analiz Formunda yeralan Model Seçenekleri sekmesindeki Bütünleşik Temel Modeli seçeneğini işaretleyin. Bu işlem sonucunda Bina Analizini yeniden gerçekleştirdiğinizde binanın analitik modeli, temel modeli ile üst-yapı modeli birleştirilerek oluşturulacaktır. Adım 5: Temel Modelinin Zemin Etkisi ile Hesaplanan Yüklerle Yeniden Analizi Bu aşamada, isterseniz zemin etkisi hesaba katılarak elde edilmiş olan kolon ve perde yükleri ile Sonlu Elemanlar Temel Hesabı nı yeniden gerçekleştirebilirsiniz. Üst-yapı dan aktarılan yükler birleştirilmiş temel modelinin etkisi ile değişmiş olacağından ve özellikle perde taban momentleri azalacağından dolayı, temeli yeniden hesaplamanız daha ekonomik bir tasarım sağlayacaktır. Önemli Notlar Zemin Yayları Otomatik Hesabı Yöntemi nde Kabuk Elemanlar ile Oluşturulan Perde Modelleri Perde modelinin orta-kolon yöntemi ile oluşturulması halinde, isteğe bağlı olarak düşey zemin yaylarını kullanmayabilirsiniz. Orta-kolon modelinde her perdenin altına tek bir yay elemanı yerleştirilmektedir. Bu yayların Z yönünde ötelenme, X ve Y eksenleri etrafında dönme rijitlikleri tanımlanabilmektedir. Ancak, perde modelinin kabuk elemanlar kullanılarak oluşturulması durumunda, perdenin alt düğüm noktalarının her birine yay tanımı yapılır. Bu yayların da Z yönünde ötelenme, X ve Y eksenleri etrafında dönme rijitlikleri tanımlanmıştır. Ancak, yay elemanlarının Z yönündeki düşey bileşenlerinin ihmal edilmesi durumunda bu perdelerin alt kenarlarının asal eksen doğrultusunda eğilmesi mümkün olamayacaktır. Bu nedenle, kabuk elemanların kullanımı durumunda düşey yayların kulanılmaması, zemin etkisinin de tamamen ihmal edilmesi anlamına gelecektir. Probina Orion Zemin-Yapı Etkileşimi - 2
Düşey Yayların Üst-yapı Sonuçlarına Etkisi Düşey doğrultuda zemin yaylarının kullanımı kat seviyelerinde farklı düşey deplasmanlara neden olacağından, üst-yapı sonuçlarını ve eksenel yük dağılımını önemli ölçüde etkileyebilir. Bu yayların rijitliğinin doğru bir şekilde belirlenmesi son derece önemlidir ve yatak katsayısına doğrudan bağımlıdır. Yay sabitleri doğru olarak belirlense bile, özellikle çok zayıf zeminlerde küçük yatak katsayısı kullanımı, üst-yapı sonuçlarını büyük oranda değiştirir. Bu tür zeminlerde yatak katsayısı sabit olmadığı için, zemin-yapı etkileşimi dikkate alınırken üst-yapı sonuçlarının olumsuz derecede etkilenmemesi amacıyla, özellikle düşey yayların kullanıldığı durumda, yatak katsayısının zemin raporunda verilen aralığın üst limitlerinde kullanılması önerilir. Negatif Zemin Gerilmesi Probina Orion Versiyon 2012 ve öncesinde doğrusal elastik zemin yayları kullanmaktadır. Dolayısıyla bu yaylar kullanıldığında zemin gerilmesi değerleri özellikle temel kenarlarında çekme (negatif) çıkabilmektedir. Zeminin çekme taşımadığı gözönüne alınırsa, kullanıcının (mühendisin) temel sisteminin geometrisini çekme bölgelerini ihmal edilebilir düzeylere indirecek şekilde tasarlaması önemlidir. Temel sistemi tüm yükleme kombinasyonları için analiz edilerek zarf sonuçları kullanılmaktadır. Dolayısıyla, doğrusal-olmayan zemin yaylarına benzeşim yapmak amacıyla iteratif yaklaşımla çekme alan zemin yaylarını silmek doğru bir yaklaşım değildir. Çünkü bir kombinasyonda çekme taşıyan yay, diğer kombinasyonda geçmeyebilir. Bu da her kombinasyon için farklı bir yay seti (dolayısıyla değişik temel modeli) kullanılması anlamına gelir. Bu tür yaklaşımlar sadece bir yükleme kombinasyonu ile yapılan analizlerde kullanılabilir. Doğrusal olmayan bir problem teşkil eden yayların çekme taşımaması durumu, yük halleri altında çözülerek sonradan süperpozisyon yapılarak ele alınamaz. Çünkü doğrusal olmayan problemlerde süperpozisyon geçerli değildir. Bu tür doğrusal olmayan analizlerin direk olarak yükleme kombinasyonları altında yapılması gerekir. Bütünleşik Temel Modelinde Düşey Eleman Boylarının Uzatılması Bütünleşik Temel Modeli yöntemi kulanıldığında temele bağlanan düşey elemanlar temel alt kotuna kadar uzatılmaktadır. Bu nedenle analiz sonucunda elde edilen eksenel yükler, ek olarak temel alt kotuna kadar uzatılan elemanların öz ağırlıklarını da içerecektir. Farklı Yatak Katsayılarının Kullanımı Probina Orion, aynı temel sisteminde her bir plak için farklı yatak katsayısı kullanımına olanak vermektedir. Özellikle düşük yatak katsayısına sahip zeminlerde, Temel modelini hazırlarken temel kenarlarında ince bir döşeme bandı oluşturup bu döşemelerin yatak katsayısının iki katı büyütülmesi önerilebilir. Probina Orion Zemin-Yapı Etkileşimi - 3
5 Katlı Bina Test Çalışması 5 Katlı Bina modelinde temel yaylarının etkisi incelenmiştir. Bina planda simetriktir ve her yönde iki adet perde bulunmaktadır. Bu bina modeli Sabit mesnetler kullanılarak ve Yapı-Zemin Etkileşimi kullanılarak 50.000, 10.000 ve 5.000 kn/m/m2 yatak katsayıları ile analiz edilmiştir. Buna göre elde edilen sonuçlar aşağıdaki tabloda özetlenmiştir: Z Yaylar ile Analiz Sonuçları... -x (DX) -z (G) Deplasmanlar Taban Taban Momenti (knm) N (G) (kn) P1 Sabit Mesnet 4.518 0 615.6 116.32 k=50,000 6.289-0.192 507.99 116.43 k=10,000 7.57-0.668 367.32 115.168 k=5,000 9.106-1.143 300.94 114.55 Entegre Model Sonuçları... P1 Sabit Mesnet 4.518 0 615.6 116.32 k=50,000 8.071-0.387 438.97 122.81 k=10,000 9.169-1.406 328.99 125.28 k=5,000 9.838-2.305 309.91 125.3 Sonuçlar ve Önemli Notlar Yukarıdaki tabloda özetlenen sonuçlara bakıldığında, Zemin-Yapı Etkileşimi olan modellerde perde taban momenti, yatak katsayısı azaldıkça azalmaktadır. Bunun sebebi yatak katsayısı azaldıkça, zeminin çökmeye ve dönmeye karşı daha az direnç göstermesidir. Küçük yatak katsayısı olan durumlarda zemin-yapı etkileşimi tasarım kuvvetlerini önemli ölçüde azaltabileceğinden dikkatli kullanılmalıdır. Gereken yerlerde ankastre mesnetli model ile karşılaştırma yaparak tasarım kuvvetleri gözden geçirilmelidir. Probina Orion Zemin-Yapı Etkileşimi - 4
Buradaki örnekte, statik denge kurallarından ve simetriden dolayı, eksenel yükler hemen hemen değişmemiştir. Sadece Entegre modelde, düşey elemanlar temel alt kotuna kadar uzatıldığından eksenel yüklerde az miktarda bir artış gözlenmiştir. Zemin-Yapı Etkileşiminin dikkate alındığı yapılarda toplam eksenel yük değişmemesine karşın, eksenel yükün dağılımı değişebilir. Bir kolonun eksenel yükündeki azalma, diğer bir kolonda artış anlamına gelebilir. Dolayısıyla, bu tür bir durumda, binadaki deplasman ve eksenel yüklerin beklendiği şekilde oluştuğu gözden geçirilmeli ve model dikkatlice incelenmelidir. Yatak katsayısı azaldıkça düşey yükler ve deprem altında yapılan deplasmanların arttığı gözlemlenmiştir. Binanın periyodunda da uzama beklenmelidir. Tasarım açısından düşünüldüğünde, periyodun gerçekçi olmayan bir şekilde uzaması, daha az deprem yükü hesaplanmasına sebebiyet verebilir. Dolayısıyla, deplasman dağılımları ve miktarları da dikkatle incelenmelidir. Özellikle, zemin-yapı etkileşimi çatlamış kesitlerle birlikte kullanılırsa, deplasman ve periyotlardaki artış daha fazla olabilir. Yapı-Zemin Etkileşimi dikkate alındığında, temeldeki kolonların altlarında oluşacak göreceli deplasmanlar üstyapıya doğrudan etki edeceğinden, özellikle üst-yapı kirişlerinin iç kuvvet diyagramlarında bozulmalar meydana gelebilir. Yüksek katlı yapılarda bu durum daha da vurgulanmış olabilir. Bu nedenle, yüksek katlı yapılarda "İnşaat Aşamaları Analizi zemin-yapı etkileşimiyle birlikte kullanılabilir. Bütünleşik Temel Modeli Yöntemi kulanıldığında temele bağlanan düşey elemanlar temel alt kotuna kadar uzatılmaktadır. Bu nedenle yukarıda elde edilen eksenel yükler, ek olarak temel alt kotuna kadar uzatılan elemanların öz ağırlıklarını da içermektedir. Probina Orion Zemin-Yapı Etkileşimi - 5