Beton dolgulu çelik kutu kolonlar ve dolu gövdeli çelik I kirislerden oluşan çerçevelerin yapı davranış katsayısının (R) irdelenmesi
Evaluating of structural behavior factors (R) of frames composed of steel I beams and concrete filled composite steel tube columns
Yazar: ÇAĞRI AYDIN
Danışman: PROF. A. ZAFER ÖZTÜRK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Kompozit yapılar = Composite structures ; Pushover analiz = Pushover analysis ; R faktörleri = R factors ; Süneklik = Ductility

Özet:
Mevcut modern deprem şartnamelerinde yapıların (özel yapılar hariç) ekonomik ömürleri süresince olası şiddetli deprem yüklerine maruz kaldıklarında can güvenliği korunacak biçimde elastik olmayan davranış sergileyerek sınırlı hasar almalarına izin verilmektedir. Öte yandan, ilk deprem şartnamelerinden beri depreme dayanıklı yapı tasarımında; spektral kuvvetlerle elastik ötesi hesap yerine azaltılmış spektral kuvvetler ile elastik hesaba yer verilmiştir. Azaltılmış spektral kuvvetlerin eldesi sırasında kullanılan katsayı (R), çeşitli şartnamelerde farklı isimlerle anılır; sistem davranış katsayısı, kuvvet azaltma katsayısı, sismik tepki düzeltme katsayısı, vb. Kuvvete dayalı tasarım yöntemleri, neredeyse 80 yıldır dünya ölçeğinde yaygın kullanım alanına sahiptirler. Kaldı ki, günümüzün gelişmiş bilgisayar teknolojisine rağmen mühendislik yapılarının dinamik deprem yükleri altında zaman tanım alanında doğrusal olmayan hesaplamalar esas alınarak boyutlandırılması çok da pratik değildir ve kuvvet esaslı elastik tasarım yöntemleri daha uzun yıllar kullanılmaya devam edilecek gibi gözükmektedir. Ancak, başlangıçta şartname hazırlayan teknik heyetlerin tecrübe ve gözlemlerine dayanılarak tayin edilen ?R? katsayılarının sayısal değerleri, günümüzde dahi pek çok taşıyıcı sistem tipi için henüz bilimsel çalışmalarla doğrulanmamıştır. Pek çok bilim adamı ve mühendis tarafından çeşitli yayınlar aracılığıyla ?R? katsayılarının sistematik olarak kalibre edilmesi gerektiği belirtilmiştir.Bu gereksinime paralel olarak, bu çalışmada gerek ekonomik olmaları, gerekse sismik yükler altındaki performanslarının iyi olması sebebiyle, özellikle gelişmiş ülkelerde kullanımı gün geçtikçe artan beton dolgulu kompozit çelik kutu kolonlar ve çelik (I) kirişlerden tasarlanmış çerçevelerin yapı davranış katsayıları irdelenmiştir. Bu bağlamda, yeterli yaklaşıklıktaki kabuller çerçevesinde, fiber analiz metodu kullanılarak hazırlanan bilgisayar programı vasıtasıyla kompozit kesitlerin doğrusal olmayan davranışları ve moment eğrilik ilişkileri belirlenmiştir. Çalışma kapsamında toplam 12 farklı çerçeve boyutlandırılmıştır. Bu çerçeveler geometrik olarak iki farklı çerçeve gurubuna ayrılmış ve bu guruplar da kendi içlerinde EN1998 de belirtilen süneklik düzeylerine göre tekrar gruplandırılarak; EN1998, EN1994, EN1993 esas alınarak tasarlanmıştır. Bahsi geçen kompozit çerçevelerin Sap2000 V10 programı kullanılarak analitik modelleri oluşturulmuş ve belirlenmiş performans kriterleri çerçevesinde itme analizi yöntemi ile `taban kesme kuvveti ? tepe yerdeğiştirmesi' ilişkisi elde edilmiştir. Uang'ın ?R? formülasyonu esas alınarak, her bir çerçeve için itme analizinden elde edilen dayanım fazlalığı katsayısı, ayrı ayrı Newmark, Nassar-Krawinkler ve Miranda'nın süneklik kaynaklı kuvvet azaltma katsayıları ile çarpılarak üç farklı yaklaşımla R katsayısı elde edilmiştir.Yapılan değerlendirme neticesinde EN1998 ve EN1994 in öngörmüş olduğu tasarım ilkelerinin konservatifliği ve kompozit kesitlerin elastik ötesi davranışlarında etkin olan yüksek pekleşme oranı sebebiyle Eurocode'a göre tasarlanmış kompozit çerçevelerin tasarımında kullanılan R katsayısının konservatif olduğu sonucu çıkartılmıştır.

Abstract:
In the existing modern earthquake codes, structures (excluding special ones) are allowed to restricted deformations by showing non-elastic behavior and preserving safety of lives when they are exposed to earthquake loads during their economical service lives. On the other hand, beginning with the first earthquake codes, instead of non-elastic methods with spectral forces, elastic methods with decreased spectral forces are included in the codes for earthquake resistant structure design. The Coefficient (R) used to obtain decreased spectral forces is named differently in the several codes such as structural behavior factor, seismic load reduction factor, correction factor for seismic reaction, etc. Moreover it is not functional to design engineering structures under dynamic earthquake loads using non-linear analysis methods in the time domain despite having advanced computer technology and it is seemed that force based elastic methods would be used for long years. However, numerical values of R factors obtained through the experiences and judgments of the technical commission preparing the codes are not verified through scientific studies for a great many of structural systems.Parallel to this need, in this study structural behavior factor of frames composed of steel I-beams and concrete filled composite steel tube columns having an increasing usage area in developed countries because of being economical and having a good performance under seismic loads are examined. For that purpose, non-linear behavior and moment-curvature relations of composite sections are determined with computer program formed by using fiber analysis methods within adequate approximations. Within this study, 12 different frames are designed. These frames are geometrically grouped into two and frames in these groups are re-grouped according to the ductility levels described in EN1998 and they are designed according to EN1998, EN1994 and EN1993. These composite frames are analytically modeled using Sap2000 V10 computer program and under specified performance criteria, ?base shear-top displacement? relations are obtained using pushover analyses. Based on R formulation of Uang, three different R factors are obtained by multiplying the ?reduction factors due to overstrength? obtained from pushover analyses of each frames with the ?reduction factors due to ductility? of Newmark, Nassar-Krawinkler and Miranda.After evaluation, R factor used in the design of composite frames, which are prepared according to Eurocode, is concluded to be conservative because of the conservative design principles of EN1998 and EN 1994 and high hardening during non-elastic behavior of composite sections.