Süneklik düzeyi yüksek merkezi çaprazlı çelik çerçeve sistemlerin deprem performansının değerlendirilmesi
Seismic performance evaluation of special concentrically braced frame systems with high ductility
Yazar: AHMET ALPEREN ÖRGEV
Danışman: DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Merkezi çaprazlı çelik çerçeveler, çerçeve sistemini oluşturan elemanların eksenlerinin tek bir noktada birleştiği sistemlerdir. Yüksek yanal rijitliğe sahip oldukları için yatay etkileri karşılaması amacıyla yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tür sistemlerde yatay etkiler, eksenel çekme kuvveti altındaki çapraz elemanın akması ve/veya eksenel basınç etkisi altındaki çaprazın burkulması ile sönümlenmektedir. Merkezi çaprazlı çelik çerçeve sistemlerde çapraz elemanlar, en elverişsiz içeren yük birleşimleri altında elde edilen eksenel kuvvetlere bağlı olarak boyutlandırılmaktadır. Çaprazların beklenen (olası) dayanımlarına ulaştığı mekanizma durumlarında sistemin diğer elemanları ve birleşimlerin elastik bölgede kalması beklenmektedir. Dolayısıyla çerçeve kolon ve kirişleri ile birleşimler, mekanizma durumu ile uyumlu iç kuvvetleri içeren etkilere bağlı olarak boyutlandırılmaktadır. 
Merkezi çaprazlı çelik çerçevelerde çaprazlar, diyagonal, X, V, ters V ve K olmak üzere farklı formlarda oluşturulabilmektedir. V ve ters V düzenine sahip merkezi çaprazlı çelik çerçeve sistemler büyük boşluklara imkan tanıması sebebiyle mimari açıdan tercih edilmesine karşılık mekanizma durumu dolayısıyla çerçeve kirişlerinde büyük dengelenmemiş kuvvetlere sebep olmaktadır. Bu durum da kirişte büyük eksenel kuvvet, kesme kuvveti ve eğilme momenti oluşumuna neden olmaktadır. Dolayısıyla gerekli dayanımın sağlanabilmesi amacıyla derin kiriş kullanılması zorunlu hale gelmektedir.
Son yıllarda gerçekleştirilen çalışmalarda ters V düzenine sahip merkezi çaprazlı çelik çerçeve kirişlerinde akmaya izin verilmesinin, yapı performansına etkisi araştırılmaktadır. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda kirişin tasarımında farklı bir mekanizma durumunun ele alınmasıyla kirişte akmanın sağlanabileceği, bu durumun yapı performansını olumsuz etkilemeyeceği belirtilmektedir. Belirtilen mekanizma durumunda eksenel çekme etkisindeki çaprazda meydana gelecek iç kuvvet değeri, çaprazın burkulma dayanımı olarak alınmaktadır. 
Tez çalışması kapsamında merkezi çaprazlı çelik çerçeve sistemlerde zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz gerçekleştirilerek yapıların deprem etkisi altındaki performanslarının değerlendirilmesi amaçlanmaktadır. Bu nedenle Türkiye'de yürürlükte olan yönetmeliklerin gerektirdiği mekanizma durumlarına ve kirişte akmaya izin verilmesi durumuna karşılık gelen mekanizma durumlarına göre ayrı ayrı tasarım gerçekleştirilmiştir. Tasarım deprem yer hareketi düzeyi DD-2 olmak üzere, merkezi çaprazlı çelik çerçevelerin uygulanabileceği bina yükseklik sınıfı gözetilerek 3, 6, 9 ve 12 katlı yapıların tasarımı gerçekleştirilmiştir. Yapıların deprem etkisi altındaki performansları, bölgede meydana gelebilecek en büyük deprem yer hareketi düzeyine karşılık gelen DD-1 deprem düzeyine göre üç boyutlu olarak değerlendirilmiştir. Çalışma sonucunda yönetmeliklerin gerektirdiği mekanizma durumuna göre tasarlanan yapı elemanlarında meydana gelen en büyük plastik şekil değiştirmelerin ortalama değerleri göçme bölgesine geçmemiştir. Dolayısıyla deprem yer hareketi düzeyi DD-2'ye göre tasarlanan yapılar, deprem yer hareketi düzeyi DD-1 etkisi altında göçmenin önlenmesi performans düzeyini sağlamaktadır. Merkezi çaprazlı çelik çerçeve kirişlerinde akmaya izin verilmesi durumuna göre tasarlanan yapılar için elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde de yapıların benzer bir performans gösterdiği ve çerçeve elemanlarının hiçbirinde hasar düzeyinin göçme bölgesine geçmediği gözlenmiştir.

Abstract:
Special concentrically braced frames are systems where axes of the frame elements intersect at a single point on a beam. They are widely used as lateral load resisting systems due to their high lateral stiffness. In such systems, horizontal forces are dissipated by the yielding of braces under axial tension and/or the buckling of braces under axial compression. 
Braces of special concentrically braced frames are configured in different forms, such as X, V, inverted V, and K. While V and inverted V braced frames are preferred because of allowing large architectural openings, they result in significant unbalanced forces in frame beams due to the capacity based design. This leads to high axial forces, shear forces, and bending moments in the beams. Consequently, the use of deep beams is necessary to ensure the required strength.
Recent studies have investigated the effect of allowing yielding in beams in inverted V braced frame systems on the seismic performance of the structure. They used smaller beams required according to capacity based design to allow beam yielding. Their experimental and numerical study shows that if beam sizes are decreased enough beams to yield, the tensile forces on braces under tension do not exceed the expected buckling strength of the braces because the vertical displacements at the midspan are increased. Therefore, the braces under tension do not yield.  According to the obtained results, they propose this state as a new mechanism state allowing beams to yield. In this specified mechanism condition, the internal force value in the brace under axial tension is considered as the buckling strength of the brace. Moreover, it is indicated that allowing yielding in beams by considering the proposed design method for designing beams would not adversely affect the structural performance. 
For this study, separate designs were carried out according to the mechanism states required by the current seismic code in Türkiye and the mechanism states corresponding for allowing beams to yield. Braces are designed based on the axial forces resulting under the most critical load combinations in special concentrically braced frame systems. When braces reach their expected strengths, it is expected that other elements and connections of the system remain in the elastic range. For this reason, the current seismic code in Türkiye requires to design of columns, beams, and connections of the braced frame according to smaller demands for mechanism states or the seismic load effect with an overstrength factor. On the other hand, revisions or new versions of codes worldwide require the design by using demands at mechanism states, which is called capacity-based design. Therefore, with the prediction of a new version of the current seismic codes in Türkiye becoming what the requirements of the codes worldwide are, the capacity-based design is adopted.
Within the scope of the thesis study, the seismic performance of special concentrically braced frame systems are evaluated through nonlinear time history analysis according to current seismic code in Türkiye. Therefore, 3, 6, 9, and 12 story buildings were designed for the earthquake ground motion 10% probability of exceedance in 50 years by considering building height limits. The buildings are located in Kadıköy, İstanbul. Soil class is considered as D. Buildings have 7 and 3 bays in the X and Y axes, respectively. All span lengths are 7m. Special concentrically braced frames are placed at the perimeter of the buildings. The story height is 3.5m. Therefore, buildings have 10.5, 21.5, 31.5 and 42m in height, respectively.  All members of the system are sized with a demand capacity ratio close to 1.
Perform3D analysis program is adopted for nonlinear analysis. The backbone curves of the members are obtained according to the current seismic code in Türkiye.  2D representation for both X and Y axes is applied. Leaning column is adopted to consider the effects of the gravity frames on the system.  P-∆ effects are considered for both leaning columns and frame columns. Leaning columns are modeled as elastic bar elements that have no lateral resistance. For braces, inelastic bar definition is adopted. Equal displacement constraints are defined between leaning columns and frame columns at all story levels. Moreover, the rigid zones caused by the height of the sections and connections are determined in the model.
Pushover analysis is applied to the Perform3D models. The results show that buildings designed according to capacity-based design and allowing beams to yield have similar behavior. The overstrength factor is given 2 for special concentrically braced frames in current seismic codes in Türkiye. The buildings allowing beams to yield have similar or higher overstrength factors, which vary between 2.26 and 2.83 compared with the buildings designed according to the current seismic code in Türkiye.
The seismic performances of buildings are evaluated by adopting nonlinear time-history analysis. Ground motion records are selected by considering the fault characteristics of the region buildings are designed. Therefore, the magnitudes of the selected ground motions are larger than 6.5 and the fault type is considered strike-slip or reverse. Also, the ground motions in which the soil class of the record station is C or D are selected. 11 earthquake pairs are used for analysis. The simple scaling procedure is adopted. It requires that the average of the spectrum of the record set should not be under the 1.30 times target spectrum between 0.20Tp and 1.50Tp. The records are scaled to the maximum considered earthquake spectrum and scale factors are obtained for buildings.
The structures were three-dimensionally evaluated under the earthquake 2% probability of exceedance in 50 years, which corresponds to the maximum considered earthquake. The current code requires that the average of the drift ratios should be below 0.03. Results obtained from nonlinear time-history analysis satisfy this limit with the values far below the limit. Moreover, the average drift ratios of buildings designed to allow beams to yield are similar to the values for buildings designed according to the current code in Türkiye. 
The average plastic deformations at the members are individually obtained from nonlinear time-history analysis. The average plastic deformations at braces never exceed the collapse prevention limit for all buildings. Moreover, the average plastic deformations at columns and beams of the special concentrically braced frames are at the level of zero. There is no yielding at the beams of the buildings designed beams allowing to yield. 
As a result of the study, the average damage levels at all of the frame elements are below the limit for collapse prevention performance level for all buildings, designed according to the current code in Türkiye and allowing beams to yield. Therefore, structures designed according to earthquake ground motion 10% probability of exceedance in 50 years present the collapse prevention performance level under the earthquake 2% probability of exceedance in 50 years.