Dışmerkez çaprazlı çelik çerçeve sistemde AISC 341-10 koşullarının değerlendirilmesi
Investigation of the AISC 341-10 code conditions of eccentrically braced steel frame
Yazar: ECEM ÖZŞAHİN
Danışman: PROF. DR. CAVİDAN YORGUN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Günümüzde yapılan yapıların tasarımının temelini deprem etkileri oluşturmaktadır. Deprem bölgelerinde yapılacak olan yapıların deprem kuvvetine karşı dayanıklı olması istenmektedir. Bu amaç doğrultusunda farklı yapı malzemeleri kullanılarak yapı sistemleri geliştirilmiştir. Bu yapı sistemlerinde öncelikli amaç deprem enerjisinin bir kısmının yapı tarafından sönümlenmesidir. Genel olarak çelik yapılar hafif ve yüksek enerji sönümleme kapasitesine sahip olmaları nedeniyle, deprem bölgelerinde tercih edilmesi gereken yapı sistemlerinin başında gelir. Ancak, çelik yapılar da kendi içinde farklı yapı sistemlerine ayrılmaktadır. Moment çerçeve sistemler, yüksek deprem enerjisi sönümeleme yeteneğine, çaprazlı çerçeve sistemler ise yüksek yatay rijitliğe sahip olup, yaygın bir şekilde kullanılan yapı sistemleridir. Bu çalışmada bu iki yapı sisteminden oluşan karma sistem olan dışmerkez çaprazlı çelik çerçeve sistemlerin tasarım parametreleri, American Institute of Steel Construction, (AISC 341-10: Seismic Provisions for Structural Steel Buildings) (USA) yönetmelik koşulları altında incelenmiştir.
Dışmerkez çaprazlı çelik çerçeve sistemler yüksek enerji sönümleme yeteneğine sahip olup, yapıda hangi yapı elemanının daha önce kapasitesine ulaşacağının seçilmesine imkan veren sistemlerdir. Ancak yönetmelikler farklı tasarım koşulları içermektedir. Yüksek lisans tezi olarak sunulan bu çalışmada seçilen bir dışmerkez çaprazlı çelik çerçeve sistemde AISC 341-10 yönetmeliğinde yer alan koşullar incelenmiştir. Seçilen yapı modelinde doğrusal olmayan statik itme analizi uygulanarak, doğrusal yapı analizi ile elde edilen sonuçlar kontrol edilmiştir. Bu paralelde çalışma yedi ana bölümden oluşmaktadır.
Birinci bölümde, yapı sistemleri hakkında genel bir bilgi verilmiştir ve çelik yapı sistemleri için deprem kuvveti taşıyan çerçeve sistemler anlatılarak tez çalışmasının amacı hakkında özet bilgiler verilmiştir.
Çalışmanın ikinci bölümünde, süneklik düzeyi yüksek dışmerkez çaprazlı çelik çerçeve sistemler detaylı olarak anlatılmıştır. Ayrıca dışmerkez çaprazlı çelik çerçeve sistemler ile ilgili bağ kirişi uzunluğu ve bağ kirişi dönme açısıyla ilgili detaylı bilgiler anlatılmıştır.
Üçüncü bölümde ise AISC 341-10 Bölüm F3'e göre dışmerkez çaprazlı çelik çerçeve sistemlerde tasarım sırasında yerine getirilmesi gereken koşullar anlatılmıştır. Bu tez çalışması kapsamında ele alınan yapı sisteminin çözümü bu bölümde yer alan tasarım koşulları altında tamamlanmıştır.
Dördüncü bölümde, TDY-07 (Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik) yönetmeliğindeki deprem kuvveti hesabına ait koşullar yerine getirilerek yapı sisteminin üç boyutlu modelinde kullanılacak olan deprem yükleri hesaplanmış ve yapının işletilebilirlik koşulları incelenmiştir.
Beşinci bölümde analiz tamamlanıp, deprem yükleri ve düşey yükler altında taşıyıcı elemanlarda meydana gelen iç kuvvetler elde edilmiştir. Ancak üç boyutlu yapı modelinde bağ kirişi ve bağ kirişi dışındaki kirişler üzerinde eksenel kuvvet okunamadığından incelenecek olan doğrultu için çerçeve çıkarılmıştır. Yatay elemanlar üzerindeki eksenel kuvvetler bu modelden okunurken diğer bütün iç kuvvetler üç boyutlu yapı modelinden elde edilmiştir. En elverişsiz iç kuvvetlere sahip taşıyıcı elemanların AISC 341-10 ve AISC 360-10 yönetmeliklerindeki koşullar altında tasarımı tamamlanmıştır.
Altıncı bölüm, beşinci ve dördüncü bölümde tasarımı yapılmış sistemin doğrusal olmayan statik itme analizi ile ilgili genel bilgileri ve bu analiz metodu için yapının iki boyutlu analitik modellerinin OpenSEES (Open System for Earthquake Engineering Simulation) programı yardımıyla hazırlanmasını ve elde edilen sonuçları kapsamaktadır. Bu çalışma kapsamında üç farklı varsayım altında yapı sisteminin dayanım fazlalığı katsayıları hesaplanmıştır. Bu varsayımlar, binanın tepe yerdeğiştirmesi istemine karşı gelen, tepe noktasının yerdeğiştirmesinin toplam kat yüksekliğinin yüzde 2 sine ulaştığı durumdaki taban kesme kuvveti alınarak dayanım fazlalığı katsayısının hesabı, itme eğrisinin elastik ve elastik olmayan kısmının teğetlerinin kesişim noktasına karşı gelen taban kesme kuvveti kullanılarak dayanım fazlalığı katsayısı hesabı ve bağ kirişi dönme açısının 0.08 radyan değerine ulaştığı andaki taban kesme kuvveti alınarak dayananım fazlalığı katsayısının hesaplanması esasına dayanmaktadır.
Son bölümde ise, yapılan hesaplar kısaca özetlenerek, doğrusal analiz yöntemi kullanılarak yapılan tasarım ile bu yapının doğrusal olmayan statik itme analizi yöntemi ile elde olunan sonuçları verilmiştir.

Abstract:
Seismic effect is an important factor that it considered in design of structures. Espeically, seismic resistant structures must be used in seismic zones. Therefore, different types of structures are developed by using different structural materials such as reinforced concrete and steel. Steel structures are preferred because of their highly ductile behaviour and lightweight. Moreover, steel structures are divided into different types such as moment resisting frames, concentrically braced frames and eccentrically braced frames. Concentrically braced frames has high lateral rigidity and moment frames has highly ductile behaviour, so eccentrically braced frames are hybrid systems has both high lateral rigidity and ductile behaviour.
Eccentrically braced frames are the most effective structures that are preffered in seismic zones and this type of steel structures can absorb the significant portion of the seismic energy. In this study, the eccentrically braced steel frames, which are used worldwide, designed under American Institute of Steel Construction, Seismic Provisions for Structural Steel Buildings (AISC 341-10) code's conditions and the results are checked with the calculated overstrength factors by using nonlinear pushover analysis method.
Eccentrically braced frames are widely used due to their seismic force resistance. Eccentrically braced frames have an advantage that, the engineers can have a prediction about which section of the structure will reach its limit capacity. This prediction provides an advantage that the engineer can take caution about other sections of the structure. Also, the eccentrically braced frames have highly ductile behaviour which is the most important parameter about absorbing the seismic energy. However, every country have different code design requirements. The aim of this study, which was prepared as a master of science thesis, is analysing and detailing of a selected eccentrically braced frame by using AISC 341-10 code conditions. At the end of this study, the pushover analysis is performed on this selected structure and the results which were obtained from lineer analysis were checked by using overstrength factors. In accordance with this purpose, this study is comprised of seven sections.
The selected structure has 6 stories and eccentrically braced frame in one direction and moment frame in other direction. The structure's first storey height is 3.5 meters and other storey heights are 3 meters. Also, the structure is comprised of 4 bays in eccentrically braced frame direction and 3 bays in moment frame direction and each bays are 6 meters. The column and foundation connections are resisted against the displacement and rotation. The link length is 0.6 meters and the connection between the beam and column and between the braces and links are pinned. On the other direction the beams are connected with the columns as moment connection.
In the first part of this study, the linear analysis of structure were performed by using SAP 2000 computer software. The internal forces were obtained by using this software and the design of the sections were obtained by hand calculation. As a second part of this study, the pushover analysis was performed by using Open System for Earthquake Engineering Simulation (OpenSEES) computer software. The required datas and tables were obtained from this computer software. In this study, the shear force-top displacement datas and tables were used to calculate the overstrength of the system.
The pushover analysis method is generally used for evaluation of seismic performance of existing buildings. Pushover analysis method is based on the displacement capacity of the structure under permanent gravity loads. In this method the lateral forces on the structure are increased gradually until the structure reaches the selected displacement. In this study, three assumptions are defined to calculate the overstrength factor of the structure. These assumptions are, the shear force that are used to calculate the overstrength factor at top displacement reaches the 2 percent of the height of the structure, the shear force that are used to calculate the overstrength factor of the structure at the intersection of tangent lines of linear and nonlinear section of push-over curve and the shear force that are used to calculate the overstrength factor of the structure when the link rotation reaches the 0.08 radian angle.
In this study, the seismic loads were calculated by using TEC-07 (Turkish Seismic Code) conditions. The importance factor was taken as "1", the effective ground acceleration factor was taken as "0.4" and the seismic load reduction factor was taken as "7" in the eccentrically braced frame direction and "8" in the moment frame direction.
In the first section, the general information was given about the behaviour of steel structures and the types of steel structures were explained detailed. Also, the main subject of the thesis was defined, and the scope and purpose of the study indicated.
In the second part of this study, the eccentrically braced frames were explained by given examples and explanations. In addition to, the restrictions for link rotation angle and the link legth were explained.
In the third section, the requirements of detailing and designing of eccentrically braced frames according to AISC 341-10 section F3 are explained. The designing and detailing of the structure that is used in this study are calculated according to this code's requirements.
In the forth section, the details of the structure were given such as the geometry of the structure's plan and the sections. Three dimensional model were obtained under considered gravity load such as live load, snow load, floor loads. The seismic load was calculated by using Turkish Seismic Code conditions and the story drift, second order effects are checked according to conditions in Turkish Seismic Code.
Fifth section included the hand calculations of the design details of the structural sections. The internal forces were obtained under gravity and seismic loads and the design of structural sections are checked by using AISC 341-10 and AISC 360-10 code's requirements. If required, the sections were changed until the all sections provides the all requirements of each code.
In the sixth section, the sections that were calculated in the fourth and fifth sections were checked by using the pushover analysis method. To perform this method, the general information about the computer software was given and the method of modelling was explained. The Open System for Earthquake Engineering Simulation (OpenSEES) computer software was used for performing pushover analysis. In this section, the 2 dimensional structure was modeled by using this computer software and datas, tables and results were obtained to compare the results which were obtained by using linear analysis method.
In the last section, the calculations have been briefly summarized and the results which were obtained by using two different analysis method were compared. The results which were obtained by performing linear analysis method were supported by the results which were obtained by performing pushover analysis method.