Taşıyıcı sistemi çelik gömme kompozit kolonlar ve çelik kirişlerden oluşan bir binanın tasarımı ve zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizi
Structural design and nonlinear analysis of a building with concrete encased column and steel beam frame
Yazar: FERİT ÖMERBEYOĞLU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ CÜNEYT VATANSEVER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Deprem yönetmelikleri = Earthquake regulations ; Kompozit kesitler = Composite section ; Kompozit kirişler = Composite beams ; Kompozit yapılar = Composite structures ; Çelik kirişler = Steel beams ; Çelik konstrüksiyon = Steel construction ; Çelik yapılar = Steel structures

Özet:
Bu çalışma kapsamında kompozit kolonlu iki doğrultuda moment aktaran çerçevelerden oluşan bir yapının Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (2018) ve Çelik Yapılar Yönetmeliklerine göre yapısal tasarımı yapılarak deprem etkileri altındaki davranışı incelenmiştir
Tez çalışması beş bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde, kompozit tasarım içeren benzer çalışmalara ve bu tezin içeriğine yer verilmiştir.
İkinci bölümde Türkiye Bina Deprem Yöentmeliğinde (2018) yer alan deprem parametreleri ve tasarımda kontrol edilmesi gereken koşullar anlatılmıştır. Çelik yapılar yönetmeliğine göre örnek bir binanın yük ve dayanım katsayıları kullanılarak genel analiz yöntemi ile tasarımı yapılmıştır. Tasarım sırasında rüzgar etkileri terk edilmiştir.
Üçüncü bölümde, başlıklı çelik haç gömme kompozit bir kolonun karakteristik karşılıklı etki diyagramı MATLAB ortamında elde edilmiştir. Uygunluluğunun araştırılması için, aynı kesit opensees ve etabs ortamlarında da modellenmiştir. Elde edilen karşılıklı etki diyagramları karşılaştırılmıştır. Tasarımda gözönüne almak için narinlik etkileri hesaplanmıştır. Bileşik etkiler altında, yapıya ait kompozit kolonların dayanımları kontrol edilerek tasarım sonlandırılmıştır.
Dördüncü bölümde, tasarımı yapılan örnek yapının deprem performans düzeyi belirlenmiştir. Deprem performansı zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz yöntemiyle belirlenmiştir. Analiz için yapı, basit eşdeğer sisteme sadeleştirilerek opensees ortamında yeniden modellenmiştir. Döşeme yüklerinin kolon kiriş birleşim bölgelerinde yığıldığı kabul edilmiştir. 
Kirişlerin kolonlar ile bağlantısını sağlamak için kolon genişliğinin yarısı kadar uzunlukta olan rijit elemanlar tanımlanmıştır. Kolon ve kiriş elemanları lif özelliği gösterecek şekilde modellenmiştir. Kolonlarda yayılı, kirişlerde ise yığılı plastik mafsal modeli kullanılmıştır. Kiriş uçları arasında kalan bölge fiber özellik gösterecek şekilde modellenmiştir. 
Zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz için, yapıyla benzer zemin özelliklerine sahip bölgelerde meydana gelmiş depremlere ait on bir adet deprem kaydı seçilerek ölçeklenmiştir. İvme kayıtları kendi içerisinde doksan derece döndürülerek analizler tekrarlanmıştır. Analizler sonunda kolon ve kiriş elemanlarına ait plastik dönmeler ve göreli kat ötelemeleri zamana bağlı olarak elde edilmiştir.
Beşinci bölümde tez çalışması kapsamında elde edilen sonuçlar verilmiştir. Kiriş uçlarındaki en büyük plastik dönmeler, en alt kattaki kolonların dönmeleri ve her bir deprem çifti için göreli kat öteleme oranları bu bölümde verilmiştir. Buna göre, kiriş elemanlarında meydana gelen en büyük plastik dönmeler sınırlı hasar limitini aşarak belirgin hasar bölgesinde kalmıştır. Kolonların alt uçlarında da meydana gelen en büyük dönmeler belirgin hasar bölgesinde kalmıştır. Böylece yapıda plastikleşmesi beklenen bölgelerin tamamı, ileri hasar bölgesine ulaşmayıp belirgin hasar bölgesinde kaldığından dolayı, yapıda kontrollü hasar performans düzeyi sağlanmıştır

Abstract:
This study covers the structural analysis, design and performance evaluation of an office building with concrete encased columns and steel beam frame according to Turkish Seismic Code for Building 2018 (TBDY) and the Turkish Steel Design Code.
This study consists of five major chapters. In the first chapter, similar studies which includes composite member designs are mentioned in order to give an introduction of the topic.
The second chapter gives information about geometry and structural system. The structure is 23.4 meters' height with six floor levels and it sits on 552 m2 area. It is considered as an office building. It consists of three grids on short side and nine grids on long side. C25 concrete and S275 structural steel and S420 reinforcing steel bar are used as materials. Seismic parameters are obtained geographically from website of Disaster and Emergency Management Authority (AFAD). This website provides design spectrum parameters based on geographical location and soil conditions. Seismic design approach according to TBDY is also given in this chapter. Moreover, chapter covers the structural design of the building. Structural design of the building is made according to Direct Analysis Method with Load and Resistance Factor Design approach. Second order effects are directly taken into account by analysis program itself with reduced stiffness. Notional loads are defined to take into account the initial imperfections off members and all compression members are designed with effective length factor equals to one. Nominal stiffness of elements is used only for modal analyze and deflection limit checks. For calculations of required strength of the frame elements includes the stiffness reduction according to Direct Analysis Method. Secondary beam elements which are indicated as number one on this chapter, are designed as only steel beams and their composite states are ignored. On the other hand, secondary beams stated as number two, are designed as fully composite beams. Shear studs are also designed for fully composite action. For seismic analysis, structure is modelled on ETABS computer software.
On the third chapter, design of concrete encased composite column is explained. To determine the section capacity of column, international regulations are also used for guidance such as American Institute of Steel Construction-360. Due to moment frames on both direction, steel core of composite column consists flanged cruciform section. In order to do so, the interaction diagram of the section is calculated by using MATLAB with acceptance of plastic stress distribution on section where formulations are given. To determine the convenience of the diagram, the composite section is modeled on OpenSEES software and moment curvature analysis is performed. Concrete01(without tension stress) and ElasticPerfectlyPlastic materials are used for concrete and steel material respectively, to provide the plastic stress distribution on the section. Confinement of the concrete is ignored for this procedure. Results of curvature analysis which performed under different level of axial forces are combined together to provide interaction diagram of the concrete encased composite column. Afterwards both diagrams are compared with each other to determine the convenience of the formulation. Since the structural system modeled on the ETABS software, interaction
xx
curve of the column section is also obtained from the model to compare the results. The slenderness factors for columns are calculated and the interaction curve is modified by the modification factor. The design of composite columns under axial force and biaxial bending is finalized.
The fourth chapter, covers the performance evaluation of the structure. This chapter gives information about performance targets and displacement limits. After the design of the structure is finalized for a faster solution, the building is simplified and modeled on OpenSEES with only moment frame. The mass and the loads of the slab is transferred to appropriate moment beams according to load distribution of the slab. To provide length offset on beam ends, rigid elements are defined on column beam connections. Concrete01(without tension stress) and Steel02 Material (Giuffré-Menegotto-Pinto Model with Isotropic Strain Hardening) material model commands are considered and confinement of concrete core and hardening of steel core is taken into account for performance evaluation. Hardening value is taken equal to 0.2% for structural steel elements and 0.6% for reinforcing steel. As per Turkish Seismic Code for Buildings-2018 expected yield points are considered for material models. Beam and column sections are defined as fiber on OpenSEES model. Beams are modeled with, beam with hinges element command on OpenSEES, to obtain plastic deformations at the beam ends directly. Columns are modeled with Force-Based Beam-Column Element command to provide fiber properties.
Seismic acceleration records, are obtained from Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER) website by using the target spectrum to perform nonlinear time history analysis. Soil and seismic zone characteristic properties of the structure area considered for selecting earthquake records. As per seismic code minimum of eleven pairs of records should be selected. Selected real earthquake records are scaled to fit the target response spectrum by minimizing the differences between scaled spectrum and the target spectrum. Plastic rotations, end forces of beams & columns and drift of the structure are obtained from each OpenSEES analysis as an output document.
In the final chapter, the results of the design and performance evaluation is discussed and presented. As the results, the moment frames of the structure are consisting of IPE400 and IPE360 beams and to construct the composite slab and to provide enough rigidity for moment frames, IPE330 and IPE200 steel beams are chosen. To provide moment resisting frames on both directions, the columns are consisting of concrete encased composite section with flanged cruciform steel core (IPE450). The interaction curve for columns is computed by MATLAB, OpenSEES separately. The results are compared to verify the calculations. It can be said that the calculated curves are in harmony and apart from minor differences there correspond to the same result. On the other hand, because of the its calculation algorithm, the curve obtained by using ETABS software has some notable differences. It converts the structural steel material to equivalent concrete material. The difference is especially seen when axial loads goes toward zero. The interaction curve calculated in this study can be developed for a circular concrete encased composite section with flanged cruciform steel cores or for the same section with increased number of the reinforcing bars.