Betona gömülü çelik kompozit kolonlar ile teşkil edilmiş çok katlı yapıların davranışının çok modlu doğrusal olmayan analiz yöntemi ile incelenmesi
Non-lineer analysis of the behavi̇or of multi-story concrete encased steel composite moment resisting frame using multi-mode push
Yazar: MERVE ÇALIŞKAN
Danışman: PROF. DR. BENGİ ARISOY
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Doğrusal olmayan analiz = Nonlinear analysis ; Kompozitler = Composites ; Çelik kolonlar = Steel columns

Özet:
Tez çalışması kapsamında, taşıyıcı sistemi kompozit olan ve taşıyıcı sistemi çelik elemanlar ile teşkil edilmiş iki yapının deprem yükleri altındaki davranışı incelenecektir.  Her iki yapının deprem yükleri altında doğrusal olmayan davranışlarını belirlemek için çeşitli analiz yöntemleri vardır. Bunlar, doğrusal olmayan artımsal statik itme analizleri ve doğrusal olmayan zaman tanım alanında dinamik analizidir. Doğrusal olmayan artımsal itme analizi yöntemlerinden çok modlu itme analizi yöntemi tercih edilmiştir. Çok modlu itme analizi yöntemi artımsal spektrum analizi olarak çokça kullanılmaktadır. Bu yöntem yapının mod davranışlarını baz alarak gerçek sonuçlara olabildiğince yakınsamak amacıyla oluşturulmuştur. Zaman tanım alanında dinamik analiz ise gerçek deprem kayıtlarının ölçeklenerek yapıya etki etmesinden dolayı en doğru sonuçları göstermektedir. Fakat seçilecek kayıtların niteliği ve ölçeklendirme hassasiyetinden dolayı uygulanması zor bir yöntemdir. Bu çalışma yüksek yapılar için performans noktası ve hasar dağılımları açısından kompozit kolonlar ve çelik kolonlar arasındaki farka ışık tutacaktır. Yapılacak yüksek yapılar için taşıyıcı sistem seçiminde yol gösterici olarak rol oynayacaktır. Taşıyıcı sistem elemanlarının farkları gözlemlenecektir. Çok modlu doğrusal olmayan itme analizi sonuçları değerlendirilecek.  Çok modlu itme analiz yöntemi zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz yöntemine alternatif bir yöntem olması için bu çalışma yapılmıştır.
Mevcut yapı 30 m ×30 m toplam 900 m² oturma alanına sahip ve toplam yapı yüksekliği 90 m taşıyıcı sistem elemanları farklı iki yapı incelenecektir. Binaların kullanım amacı konut binasıdır.  Her iki yapı için taşıyıcı sistem dizilimi aynıdır. Yapı 1 olarak adlandırılan yapı; çelik gömme kompozit kolon ve çelik kirişlerden teşkil edilmiştir. Yapı 2 olarak adlandırılan yapı; çelik kolon ve çelik kirişlerden teşkil edilmiştir. Her iki yapının taşıyıcı sistemi moment aktaran çerçevelerden oluşmuştur. Taşıyıcı sistem elemanları için beton sınıfı C30, yapısal çelik sınıfı S275 ve donatı çeliği sınıfı olarak S420C kullanılmıştır. Yapı 1'deki çelik gömme kompozit kolon elemanların enkesit boyutları 800 mm × 800 mm ve yapısal çelik eleman olarak HEB 600 çelik profili, kiriş elemanlarında HEB 400 çelik profili, tali kiriş elemanlarında IPE 240 çelik profili, merkezi çelik çapraz elemanlarda ise boru kesit 165.5×10 cm çelik profil kullanılmıştır. Yapı 2'deki kolon elemanlar da HEB 900 çelik profili, kiriş elemanlarda HEB 300 çelik profili, tali kiriş elemanlarda IPE 240 çelik profili, merkezi çelik çapraz elemanlarda ise boru kesit 165.5×8 cm çelik profil kullanılmıştır. Yapıların katlar arası yükseklikleri 3 metre, toplam yapı yüksekliği 90 metre olarak belirlenmiştir. Yapı planda X doğrultusunda akstan aksa uzunluğu 30 metre ve Y doğrultusunda akstan aksa 30 metredir. Taşıyıcı sistem modellenmesi için Sap2000 V20.2.0 yapısal analiz programı kullanılmıştır. Taşıyıcı sistem elemanları çubuk eleman olarak modellenmiştir. Döşeme modeli eğilme rijitliği olmayan ve yüklerin doğru aktarılmasını sağlayan mebran davranışı olarak tasarlanmıştır. 
Taşıyıcı sistem kompozit ve çelik olan elemanların boyutlandırılması Çelik Yapıların Tasarımı, Hesap ve Yapımına Dair Esaslar ve TBDY 2018 yönetmelikleri baz alınmıştır. Yapıya gelen döşeme hareketli yükü ve çatı hareketli yükü TS498 yönetmeliği baz alınarak hesaplanmıştır. Çelik gömme kompozit kolonun karakteristik karşılıklı etki diyagramı C# yazılım programında kod yazılmıştır. Yazılan kodlara göre çelik gömme kompozit kolonun karakteristik karşılıklı etki diyagramı elde edilmiştir. Aynı kesit Sap2000 V20.2.0 programında modellenerek uygunluğu araştırılmıştır. Tasarımda narinlik etkilerine dikkat etmek için hesaplamalar yapılmıştır. 
Yapının deprem hesabı Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018'den faydalanılarak hesaplanmıştır. Deprem yer hareket düzeyi olarak DD-2, yerel zemin sınıfı olarak ZC olduğu belirlenmiştir. Bina kullanım sınıfı 3, bina yükseklik sınıfı 1 olarak belirlenmiştir. Binanın performans hedefi olarak Kontrollü Hasar ve tasarım yaklaşımı olarak Şekil Değiştirmeye Göre Tasarım olarak belirlenmiştir. Yapının deprem hesabı Mod Birleştirme Hesap modeli uygulanmıştır. Deprem etkileri altında meydana gelen plastik şekil değiştirmeler, plastik dönmeler, iç kuvvet kapasiteleri hesaplanarak Kontrollü Hasar performans hedefi ulaşıp ulaşmadığı konusunda doğrusal olmayan hesap yöntemlerinden yararlanılmıştır.
Doğrusal olmayan hesap yöntemlerinden; çok modlu itme analiz yöntemi uygulanmıştır. Yüksek mod etkileri açısından farklılıkları görebilmek açısından çok modlu itme analiz yöntemi kullanılmıştır. 
Statik itme analizinde Sap2000 V20.2.0 programı kullanılmıştır. Yapılan analiz sonucunda yapının performans düzeyi belirlenmiştir. Çok modlu itme analizi sonucunda değerlendirmeler yapılmıştır. Analiz yöntemi ile elde edilen sonuçlar tez çalışmasının ilgili bölümlerinde verilmiştir. Deprem etkisi altında olan yapıların spektral ivme ve spektral yer değiştirme grafikleri üzerinden taban kesme kuvveti ve tepe noktası yer değiştirme eğrileri çizilerek kapasite spektrum eğrisi gösterilir. Deprem etkisi altındaki yapının yer değiştirme talebi bu noktada kesişmektedir. Bu nokta performans noktası olarak adlandırılmaktadır. Performans noktasına bakılarak plastik mafsal oluşan elemanlar belirlenmektedir. Sap2000 V20.2.0 analiz programı kullanılarak performans noktasına ulaşıncaya kadar yapıya deprem etkisini göstermek üzere yanal yükler uygulanmaktadır. Yanal yüklemeler sonucuna belirlenen yer değiştirme için bir taban kesme kuvveti elde edilir. 
Çok modlu itme analizi sonucunda yapının deprem anındaki taban kesme kuvveti- tepe noktası yer değiştirme grafikleri elde dilmiştir. Yapı elemanlarında oluşan şekil değiştirmeler ve plastik mafsallar incelenmiştir. İncelemeler sonucunda plastik mafsallar güçlü kolon zayıf kiriş prensibine uygun olduğu görülerek kiriş elemanlar gözlemlenmiştir. Yapılarda oluşan plastik mafsal dağılımları ve hasar sınır durumları incelenmiştir. Yapıların hasar sınır durumunun Kontrollü Hasar Sınır durumunda olması amaçlanmıştır. Çelik gömme kompozit kolonla teşkil edilmiş yapının çelik kolonla teşkil edilmiş yapı arasında karşılaştırmalar yapılmıştır. Çok modlu itme analiz yöntemi değerlendirmiştir. Zaman tanım alanında dinamik analiz yöntemine alternatif bir yöntem olması amaçlanmıştır. Bundan sonraki çalışmalara temel hazırlayacaktır.

Abstract:
Within the scope of the thesis, the behavior of two structures, whose structural system is composite and whose structural system is formed by steel elements, under earthquake loads will be examined. There are various analysis methods to determine the nonlinear behavior of both structures under earthquake loads. These are nonlinear incremental static pushover analyzes and nonlinear time history dynamical analysis. Multimodal pushover analysis method was preferred among non-linear incremental pushover analysis methods. Multimodal pushover analysis method is widely used as incremental spectrum analysis. This method was created in order to get as close as possible to the real results based on the modal behavior of the structure. Dynamic analysis in the time domain shows the most accurate results since the real earthquake records are scaled and affect the structure. However, it is a difficult method to implement due to the nature of the records to be selected and the scaling sensitivity. This study will shed light on the difference between composite columns and steel columns in terms of performance point and damage distributions for tall buildings. It will play a guiding role in the selection of the carrier system for the tall buildings to be built. The differences of the carrier system elements will be observed. Multimodal nonlinear pushover analysis results will be evaluated. This study was carried out in order that the multimodal pushover analysis method is an alternative method to the nonlinear analysis method in the time history.
The existing building is 30 m × 30 m, with a total seating area of 900 m² and a total height of 90 m. Two buildings with different structural system elements will be examined. The purpose of use of the buildings is residential building. The carrier system sequence is the same for both structures. The so-called Structure 1; It is composed of steel recessed composite columns and steel beams. The structure called Structure 2; It is composed of steel columns and steel beams. The load-bearing system of both structures consists of moment-transmitting frames. Concrete class C30, structural steel class S275 and reinforcement steel class S420C were used for structural system elements. Cross-section dimensions of the steel recessed composite column elements in Structure 1 are 800 mm × 800 mm and HEB 600 steel profile as structural steel element, HEB 400 steel profile for beam elements, IPE 240 steel profile for secondary beam elements, pipe section 165.5× for central steel cross members 10 cm steel profile is used. HEB 900 steel profile was used for column elements in Structure 2, HEB 300 steel profile was used for beam elements, IPE 240 steel profile was used for secondary beam elements, and pipe section 165.5×8 cm steel profile was used for central steel cross members. The heights between the floors of the buildings were determined as 3 meters and the total height of the buildings was determined as 90 meters. In the plan, the axis-to-axle length in the X direction is 30 meters and in the Y direction is 30 meters from the axis to the axis. Sap2000 V20.2.0 structural analysis program was used for modeling the structural system. The structural elements are modeled as rod elements. The slab model is designed as a membrane behavior that does not have bending stiffness and ensures the correct transfer of loads.
Dimensioning of the elements with composite and steel structural systems is based on the Design, Calculation and Construction Principles of Steel Structures and TBDY 2018 regulations. The floor live load and roof live load on the building are calculated based on the TS498 regulation. The characteristic interaction diagram of the steel embedded composite column was written in the C# software program. According to the written codes, the characteristic mutual influence diagram of the steel embedded composite column was obtained. The same section was modeled in the Sap2000 V20.2.0 program and its suitability was investigated. Calculations have been made to pay attention to the slenderness effects in the design.
The earthquake calculation of the building was calculated using the Turkish Building Earthquake Code 2018. It was determined that the earthquake ground motion level was DD-2 and the local ground class was ZC. The building usage class has been determined as 3 and the building height class as 1. Controlled Damage was determined as the performance target of the building and Design by Deformation as the design approach. The seismic calculation of the structure was applied using the Mode Combination Calculation model. Plastic deformations, plastic rotations, internal force capacities that occur under the effects of earthquakes are calculated and non-linear calculation methods are used to determine whether the Controlled Damage performance target is reached or not.
From non-linear calculation methods; Multimodal impulse analysis method was applied. Multimodal pushover analysis method was used to see the differences in terms of high mode effects.
The Sap2000 V20.2.0 program was used in the static pushover analysis. As a result of the analysis, the performance level of the building was determined. Evaluations were made as a result of multimodal pushover analysis. The results obtained by the analysis method are given in the relevant sections of the thesis. The capacity spectrum curve is shown by drawing the base shear force and peak displacement curves over the spectral acceleration and spectral displacement graphs of the structures under the influence of earthquakes. The displacement demand of the structure under the effect of the earthquake intersects at this point. This point is called the performance point. By looking at the performance point, the elements with plastic joints are determined. By using the Sap2000 V20.2.0 analysis program, lateral loads are applied to the structure to show the earthquake effect until the performance point is reached. A base shear force is obtained for the displacement determined as a result of the lateral loadings.
As a result of the multimodal thrust analysis, the base shear force-peak point displacement graphs of the structure at the time of the earthquake were obtained. The deformations and plastic hinges in the building elements were investigated. As a result of the examinations, it was observed that the plastic hinges were in accordance with the strong column weak beam principle and the beam elements were observed. Distribution of plastic hinges and damage boundary conditions in the structures were investigated. The damage limit state of the structures is intended to be the Controlled Damage Limit state. Comparisons were made between the structure formed by the steel embedded composite column and the structure formed by the steel column. Multimodal impulse analysis method is evaluated. It is intended to be an alternative method to the dynamic analysis method in the time domain. It will lay the groundwork for future work.