Yatay yük taşıyıcı sistemi burkulması önlenmiş çaprazlı çelik çerçevelerden oluşan bir yüksek binanın deprem etkileri altında performansının değerlendirilmesi
Seismic performance evaluation of a high-rise steel building with buckling-restrained braced steel frames under earthquake effects
Yazar: ERAY KAYATAŞ
Danışman: PROF. DR. FETHİ KADIOĞLU
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:
Aktif bir deprem coğrafyasında bulunan ülkemizde; binaların deprem etkilerini etkin bir şekilde karşılayabilmesi için, taşıyıcı sistem tasarımında rijitliği ve sünekliği yüksek deprem kuvveti taşıyan yapı sistemlerinin tercih edilmesi uygun olmaktadır. Deprem kuvveti taşıyan bu tür sistemlerin içinde en uygun yapı sistemlerinden biri burkulması önlenmiş çaprazlı çelik çerçevelerdir.
Merkezi çaprazlı çelik çerçevelerin özel bir uygulaması olan burkulması önlenmiş çaprazlı çelik çerçeveler (BÖÇÇ) yüksek bir sünekliğe ve yatay rijitliğe sahip olmaları yanında, dengeli ve büyük bir enerji sönümleme kapasitesine sahiptir. Bu çalışmada, yatay yük taşıyıcı sistemi burkulması önlenmiş çaprazlı çelik çerçevelerden oluşan çok katlı yüksek bir çelik binanın tasarımı yapılarak deprem etkileri altında doğrusal olmayan davranışı incelenmiştir. Çelik binanın taşıyıcı sisteminin tasarımında Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapımına Dair Esaslar (ÇYTHYE 2016) Yönetmeliği ve Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (TBDY) 2018 esas alınmıştır.
Burkulması önlenmiş çelik çaprazlar, çekme ve basınç etkisi altında simetrik bir doğrusal olmayan davranış gösteren, bu sebeple taşıyıcı sisteme önemli ölçüde enerji sönümleme özelliği kazandıran yapısal elemanlardır. Tez çalışması olarak yürütülen bu araştırmada; 23 katlı deprem etkilerinin tamamını karşılamak üzere burkulması önlenmiş çaprazlı çelik çerçevelerin kullanıldığı yüksek
bir çelik binanın tasarımı ile 11 adet deprem yer hareketi kaydı kullanılarak zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizlerinin (ZTADO) gerçekleştirilmesi ve elde edilen sonuçlar doğrultusunda taşıyıcı sistemin deprem performansının değerlendirilmesinden oluşmaktadır. Bu kapsama uygun olarak, burkulması önlenmiş çelik çaprazların eksenel şekildeğiştirme (uzama ve kısalma) durumları, kat hizası kesme kuvvetleri (diyafram kuvvetleri), sönümlenen deprem enerjisinin taşyıcı sistem davranışı içindeki dağılımı, kat yerdeğiştirme değerleri ve göreli kat ötelemeleri irdelenmiştir.
Tez çalışmasının ilk bölümünde araştırmanın kapsamı ve amacı belirtilmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde, burkulması önlenmiş çaprazlı çelik çerçevelerin karakteristik özellikleri ile bu sistemlerin avantaj ve dezavantajlarından bahsedilmiştir. Burkulması önlenmiş çaprazlı çelik çerçevelerin tasarımına yönelik hesap esasları ile bu tür sistemlerin modellenmesine yönelik bilgiler de bu bölümde yer almaktadır. Üçüncü bölümde, model binaya ait genel özellikler, yükler ve yük birleşimleri, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (TBDY2018) ve Çelik Yapıların Tasarım, Hesap
İle Yapım Esaslarına Dair Yönetmelik (ÇYTHYE 2016) esas alınarak yürütülen tasarım hesaplarına yer verilmiştir. Dördüncü bölüm; tasarımı yapılan bina taşıyıcı sisteminin Etabs ve OpenSees (Open
System for Earthquake Engineering Simulation) yazılımı ile üç boyutlu analitik modelinin hazırlanmasını ve zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizlerini kapsamaktadır.
Beşinci bölümde, analizlerden elde edilen sonuçlar incelenerek, binanın deprem etkilerine karşı performansı değerlendirilmiştir.Tezin son bölümünde ise, elde edilen sonuçlar belirtilerek önerilerde bulunulmuştur.

Abstract:
In our country, which is located in an active earthquake geography, it is appropriate to
prefer earthquake load bearing structural systems with high rigidity and ductility in the
design of the structural system in order for the buildings to effectively withstand the
earthquake effects. Lateral earthquake forces acting on the structure affect the behaviour and strength of the structural elements directly. Anti-Seismic structures require horizontal loadbearing components to earthquake forces directly. One of the most suitable building systems among such systems carrying earthquake forces is steel frames with buckling restrained braced steel frames. Diagonal frame systems are so efficient in withstanding earthquake loads, especially in regions prone to frequent earthquakes, As a special application of center braced steel frames, buckling restrained braced steel frames have a high ductility and horizontal stiffness as well as a balanced and large energy absorption capacity. In this study, the nonlinear behavior of a multi-storey highrise steel building consisting of steel frames with buckling restrained brace is investigated under earthquake effects. Design and nonlinear dynamic analysis in time history in accordance with the Turkish Code for Design and Construction of Steel Structures 2016 (TCDCSS 2016) and Turkish Seismic Code for Buildings 2018 (TSCB 2018), and the results obtained from these analyses.
Buckling-restrained steel braces behave a symmetrical nonlinear behavior under the force of tension and compression. So buckling restrained steel braces reach the same yield stress value in compressive force and tensile force. It forms a symmetrical graphic curve. Due to the fact that the buckling restrained steel braces do not buckle under compressive force, other structural elements are not damaged and thus most of the energy is accumulated in the braces. Therefore, these are structural elements that provide the load-bearing system with significant energy damping properties.
In this research, which is carried out as a thesis study, the design of the 23-storey building is planned to bear all lateral load earthquake effects.
Steel frames with buckling restrained braced are used to resist the horizontal
earthquake forces. The design of a tall steel building is based on 11 earthquake ground
motion records.
Earthquake ground acceleration values were scaled in accordance with FEMA standards and ground acceleration records suitable for the structure were obtained. Nonlinear analysis method in time history analysis is used. It consists of the evaluation of the earthquake performance of the structural system in line with the results obtained after the analyzes. In accordance with this scope, axial deformation (elongation and shortening) of buckling restrained steel braces, storey level shear forces (diaphragm forces), distribution of absorbed earthquake energy within the structural system behavior, storey displacements and relative storey drifts were investigated. So, the buckling restrained steel braces demonstrated the anticipated performance concerning axial
strain, encompassing both elongation and shortening. In the first part of the thesis, the scope and purpose of the research are stated. In the second part of the study, the characteristic properties of steel frames with buckling restrained brace and the advantages and disadvantages of these systems are discussed.
In addition to the second part, the standard guidelines for the analysis and modeling of
buckling restrained steel bracing are mentioned in TSCB2018, AISC 341-10 and AISC
Seismic Design Manual. Calculation principles for the design of steel frames with buckling restrained bracesand information on modeling of such systems are also included in this chapter.
In the third part of the study, design and nonlinear dynamic analysis in time history in
accordance with the Turkish Code for Design and Construction of Steel Structures 2016 (TCDCSS 2016) and Turkish Seismic Code for Buildings 2018 (TSCB 2018), and the results obtained from these analyses. The fourth chapter covers the preparation of a three-dimensional analytical model of
the designed building structural system using OpenSees (Open System for earthquake
Engineering Simulation) and Etabs (Integrated Building Design Software). Parameters of nonlinear structural elements used in OpenSEES analysis programme, finite element properties are defined and information is given. Also analysis steps are explained in time history. In the last chapter, the fifth chapter, In general, the master's thesis is summarised. Results are compared with the values given in the current regulations and the earthquake performance is evaluated. In the results section buckling restrained steel braces demonstrated the anticipated performance concerning axial strain, encompassing both elongation and shortening. Inelastic deformations were observed in the diagonals and energy dissipation occurred in the structural system due to these deformations. Storey level shear forces (diaphragm forces) and relative storey displacement ratio values were investigated and according to the results obtained.
The building structural system has provided the Controlled Damage performance target stipulated in TBDY 2018. It was observed that the relative storey drift ratios did not exceed 2% for DD-2 earthquake level. It is observed that the buckling restrained steel braced frames have sufficient strength and ductility against earthquake forces. It is understood that the capacity design principles stipulated in TBDY 2018 and TCDCSS 2016 are adequate. A similar study can be done using eccentric crosses.