Deprem etkisindeki yüksek binalarda çoklu dıştan destek (outrigger) kirişlerinin konumunun tasarıma etkisi
Effect of outrigger beam location to the structural design of high-rise buildings under seismic loads
Yazar: UĞUR ÖZORPAK
Danışman: PROF. DR. KUTLU DARILMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Dıştan destekli sistemler; merkezde bulunan çekirdeğin bir veya iki kat yüksekliğindeki rijit elemanlar (destek kirişi, outrigger kirişi) vasıtasıyla çevre kolonlara bağlandığı taşıyıcı sistemler olarak tanımlanırlar. Bu sistemlerin çalışma prensibi yatay yükler (rüzgâr veya deprem) altında dönmeye çalışan çekirdek perdenin hareketinin rijit elemanlar ve çevre kolonları yardımıyla kısıtlanması üzerine kuruludur. Çekirdek perdenin dönmesiyle beraber rijit elemanlar çevre kolonlarını, üstlerinde basınç ve çekme kuvveti oluşturarak, mobilize ederler. Kuvvet çifti şeklinde oluşan bu eksenel kuvvetler sistemde; çekirdek perde devrilme momentinin azaltılması, sistem tepe deplasmanının azaltılması şeklindeki iki önemli etkiyi meydana getirirler. Literatürde yapılan çalışmalarda dıştan destekli sistemler; üzerinde dönme yayı bulunan konsol bir çubuk ile idealleştirilmişlerdir. Sistemde konsol çubuk çekirdek perdeyi temsil ederken, dönme yayı destek sisteminin eşdeğeri olarak kabul edilmiştir. Ayrıca çalışmalarda bu eşdeğer yayın rijitliğinin destek kirişlerinin altında bulunan çevre kolonlarının eksenel rijitlikleriyle (EA) doğru, kolon yüksekliği ile ters orantılı olarak değiştiği sonucu elde edilmiştir. Birinci dereceden hiperstatik olan bu sistem üzerinde yapılan hesaplar sonucu perde devrilme momentinin azaltılması açısından destek kirişinin sistemin tabanına yakın yerleştirilmesi, tepe deplasmanı açısından ise sistem ortasına yerleştirilmesi gerektiği sonucuna ulaşılmıştır. Bu tez çalışması kapsamında dıştan destekli sistemlerin deprem yükleri altındaki davranışı iki destek kirişine sahip 40 katlı binalar kullanılarak incelenmiştir. Literatürdeki çalışmaların azlığı göz önünde bulundurularak destek kirişleri betonarme yapı elemanı olarak seçilmiş, betonarme hesabı araştırma konusuna dâhil edilmiştir. Günümüz yönetmeliklerinde dıştan destekli sistemlerin tasarım ve boyutlandırılması ile ilgili kurallar bulunmamaktadır. Bunun yerine, 2019 yılı itibarıyla yürürlüğe girecek olan TBDY ve PEER-TBI dokümanında tavsiye niteliğinde; destek kirişlerinin dayanım fazlalıklarının sınırlandırılmasının gerekliliğine dikkat çeken maddeler bulunmaktadır. Yönetmeliklerimizde tasarıma yönelik maddelerin bulunmamasından dolayı bu çalışma kapsamında dıştan destekli sistemlerin davranışı doğrusal ve doğrusal olmayan olmak üzere iki aşamada incelenmiştir. Çalışma altı ana bölüm altında toplanmıştır. Birinci bölümde yüksek binalar ile ilgili genel bilgiler verilmiş, taşıyıcı sistemlerin oluşturulma süreci üzerinde durulmuştur. Bölüm sonunda, yapılan çalışmanın amacından kısaca bahsedilmiştir. İkinci bölümde literatürde yapılan çalışmalara yer verilmiştir. Özellikle dıştan destekli sistemler ile ilgili yapılan ilk çalışmalar olan destek kirişinin konumunun etkisi ve bu sistemlerin deprem davranışının incelendiği çalışmaların özetlerine yer verilmiştir. Üçüncü bölümde dıştan destekli sistemlerin davranışı literatürdeki çalışmalar kullanılarak basitleştirilmiş sistemler üzerinde incelenmiş, en uygun destek kirişi konumu üzerinde durulmuştur. Dördüncü bölümde, bina yüksekliği H olmak üzere, 0.33H-0.66H konumunda bulunan iki destek kirişine sahip betonarme bir binanın doğrusal ve doğrusal olmayan davranışı incelenmiştir. Destek kirişinin betonarme hesabı için elemanın yükleme durumu ve boyutları itibarıyla Bernoulli-Navier hipotezinin dışına çıkması göz önünde bulundurularak çubuk model yöntemi (strut-and-tie model) kullanılmıştır. Yöntemde kullanılan çubuk modelin teşkilinde destek kirişinin sık sonlu elemanlar ile idealleştirilmesi sonucu elde edilen gerilme yörüngelerinden yararlanılmıştır. Sistemin doğrusal olmayan davranışı için yapı kapasitesinin deprem yer hareketinden bağımsız olarak elde edilebildiği itme analizi yöntemlerinden olan; Artımsal Eşdeğer Deprem Yükü Yöntemi kullanılmıştır. Beşinci bölümde, dördüncü bölümdeki taşıyıcı sistemde bulunan destek kirişlerinin konumlarının değiştirilmesiyle elde edilen dört farklı sistemin (0.25H-0.75H, H-0.25H, H-0.50H, H-0.75H) analizleri yapılmıştır. Sistemler için elde edilen sonuçlar doğrusal ve doğrusal olmayan hesaba göre iki kısımda karşılaştırılmıştır. Son bölümde, tez çalışmasında elde edilen tüm sonuçlar aktarılmıştır.

Abstract:
Outrigger braced systems contain core wall and exterior columns which connected by rigid girders to core. These rigid elements depth size can be one or two-storey height. When outrigger braced systems exposed lateral loads pheriperal columns which restrained by outrigger beams resist core rotation. This restistance causes tension and compression forces on exterior columns. There are two main results of this resistance; decreasing overturning moment of the core wall and decreasing top deflection of the system. In theoretical studies, outrigger systems are idealized by a single-redundant cantilever which restrained by rotational spring. In this system cantilever beam represents core wall and rotational spring represents sum of outrigger beams and exterior columns. Furthermore, in the same studies it is obtained that rigidity of rotational spring changes in direct proportion to the axial-rigidty (EA) of exterior columns which under the outrigger beam and it changes in the inverse proportion to the height of exterior columns. By using this idealized system, in order to reduce overturning moment of core wall, outrigger beam must be located at bottom of structure. On the other hand, in order to reduce top deflection of bulding outrigger beam must be located at midheight of structure. In this thesis, behaviours of structural outrigger braced systems under earthquake loads are studied with using 40 storeys building that has two outrigger beams. In consideration of the lack of studies in the literature, outrigger beams are selected reinforced concrete structural members and reinforced concrete design of outrigger beam is included in the research topic. There are no rules for design and sizing of the outrigger systems in actual codes. However there are some recommendation clauses which point to the necessity of limiting of overstrengths of outrigger beams in TBDY code that being come into force at 2019 and PEER-TBI guideline. In this thesis, behaviours of the outrigger braced structural systems are studied in two stages, linear and non-linear analysis due to lack of design rules in codes. The study is classified in six main section. In the first section, general informations about high rise buildings are given and the process of determining the structure load-bearing systems is emphasized. At the end of the first section, the aim of the studies are briefly mentioned. Second section is the literature review part. It includes summary of studies that analyzed effects of outrigger beams location and systems behaviour under earthquake effects. In the third section, effects of outrigger beams location are studied on idealized systems which includes in literature review parts in second section. In the fourth section, linear and non-linear behaviour of a reinforced concrete building which height is H and has two outrigger beams at 0.33H-0.66H location are investigated. Strut-and-tie method is used for reinforced concrete calculation of outrigger beam. Outrigger beam is not suitable to the Bernoulli-Navier hypothesis cause of the load and the size of the beam. Stress orbits are the result of idealization of the outrigger beam with frequent finite elements which are used for generating the strut-and-tie model. Incremental equivalent earthquake load method that one of the pushover method which is the capacity of the structure can be obtained independently of earthquake ground motion is used for non-linear behavior of the system. In the fifth section, analyzes of four different systems (0.25H-0.75H, H-0.25H, H-0.50H, H-0.75H) obtained by changing the positions of the outrigger beams in the structural system used in the fourth section were performed. The results obtained from the systems are compared in two parts as linear and nonlinear analysis. In the last part, all the results obtained from this dissertation are summarized.