Taşıyıcı sistemi süneklik düzeyi yüksek kompozit kolonlu moment aktaran çelik çerçevelerden oluşan binalar için tasarım esaslarının değerlendirilmesi
Examination of design rules for high ductile steel buildings with composite column moment frames
Yazar: BULUT ERTAŞ
Danışman: PROF. DR. CAVİDAN YORGUN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bina tasarımında en çok tercih edilen taşıyıcı sistemler olan yapısal çelik ve betonarmenin birbirlerine göre avantajları mevcuttur. Çelik, yüksek mukavemet, yüksek süneklik düzeyi, malzeme imalatında düşük hata oranı ve yapım kolaylığı gibi özellikleriyle ön plana çıkarken beton da ekonomiklik ve basınç etkilerine karşı mukavemetiyle tasarımcıya avantaj sağlamaktadır. Her iki sistemin avantajlarından yararlanmak ise kompozit yapı sistemleri ile mümkün olmaktadır. Yapılarda çelik ve betonun kompozit olarak kullanımı tarihte ilk kez 1894 yılında Amerika Birleşik Devletleri'nde görülmektedir.
Kompozit elemanların önemi, 1906 San Francisco Depremi ve ardından yaşanan yangınlar sonrasında beton veya tuğla içine gömülü çelik yapıların o dönemde kullanılan diğer tüm yapı sistemlerine göre daha iyi performans göstermesi sonrasında anlaşılmıştır. Bu olaydan sonra kompozit kolon ve kirişlerin çok katlı yapılarda kullanımı artsa da uzun bir süre kompozit etkinin dayanım ve rijitlik üzerindeki etkisi göz ardı edilmiş, sadece yangın güvenliğine katkısı dikkate alınmıştır. Daha sonra, gelişmiş ülke yönetmeliklerinde çelik kompozit elemanların yer almasıyla birlikte kompozit yapı sistemleri daha sık kullanılmaya başlamıştır. Sağladığı avantajlar nedeniyle de günümüzde oldukça sık tercih edilmektedir.
Bu çalışma kapsamında ilk olarak kompozit yapı sistemleri kompozit elemanlar ve kompozit taşıyıcı sistemler başlıkları altında incelenmiştir. Kompozit elemanlar kendi içlerinde kompozit döşemeler, kompozit kirişler, kompozit kolonlar, kompozit çaprazlar ve kompozit perde duvarlar başlıklarına ayrılarak bu yapı elemanlarının özellikleri kısaca değerlendirilmiş, ardından kompozit taşıyıcı sistemler kendi içlerinde moment aktaran kompozit çerçeve sistemler ve çaprazlı kompozit çerçeve sistemler olarak iki ana başlıkta incelenmiştir.
Bir sonraki bölümde kompozit yapı tasarımının Amerika Birleşik Devletlerindeki gelişimi ele alınmıştır. ABD'de geçmişten günümüze yayımlanan ve çelik yapı tasarım kurallarını içeren yönetmelikler ile deprem etkisi altında çelik yapı tasarım kurallarını içeren yönetmeliklerdeki değişiklikler kompozit elemanlar açısından değerlendirilmiştir. Sonrasında Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapım Esasları 2016 yönetmeliği kompozit elemanlar bölümünde verilen tasarım kuralları kompozit kolonlar için detaylı bir şekilde incelenmiş ve bu bölümün mevcut ABD yönetmeliği ile karşılaştırılması yapılmıştır. Daha sonra Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018'de kompozit kolonlu çelik yapılar için belirtilen özel tasarım kuralları anlatılmıştır.
Yönetmeliklerin detaylı incelemesinin ardından Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapım Esasları 2016 ve Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018'e göre süneklik düzeyi yüksek kompozit kolonlu moment aktaran çerçeveli örnek bir yapı çözümü
xxvi
yapılarak elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. Örnek yapıda beton dolgulu kompozit kolon kullanılmıştır. Yapısal analiz için ETABS 2016 v16.0.3 bilgisayar programı kullanılmış, yapısal tasarım yöntemi olarak burkulma boyu yöntemi ve genel analiz yöntemi ayrı ayrı uygulanmıştır. Örnek yapının analizine geçilmeden önce programın genel analiz yönteminin temel esasları olan rijitlik azaltmalarını ve ikinci mertebe etkilerini dikkate alış şekli basit bir çerçeve sistem üzerinde incelenmiş ve elde edilen sonuçlar tablolar halinde sunulmuştur. Yapıya etkiyecek yükler ilgili yönetmeliklere göre belirlenmiş, yapıya etkiyecek yatay deprem etkileri, eşdeğer deprem yükü yöntemine göre ve mod birleştirme yöntemine göre ayrı ayrı dikkate alınmıştır. Analiz sonucunda elde edilen sonuçlara göre ilk olarak Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018'e göre yer değiştirme ve eşdeğer deprem yükü kontrolleri yapılmış, ardından her bir tasarım yöntemi için yapılan analiz ile elde edilen iç kuvvetlere göre yapıda kullanılan ikincil kirişler, çerçeve kirişleri ve kompozit kolonların dayanım kontrolleri yapılmıştır. Dayanım kontrollerinin ardından elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir.
Yapılan tasarım çalışmasında yapıda eleman boyutlarını belirleyen temel etmenin göreli kat ötelemeleri olduğu görülmüştür. Moment aktaran çelik çerçevelerden oluşan sistem oldukça esnek davranış göstermekte, bu da yer değiştirme kriterlerinin dayanım kriterlerinin önüne geçmesine neden olmaktadır. Yapılan dayanım kontrollerinde de 4 tasarım durumu için de oldukça yakın kapasite oranları elde edilmiş, gerekli dayanımların kapasitelerin oldukça altında olduğu görülmüştür.
Yapılan çalışmada süneklik düzeyi yüksek kompozit kolonlu moment aktaran çelik çerçevelerden oluşan bir çelik binanın tasarım kuralları değerlendirilmiştir. Analizde kullanılabilecek olan eşdeğer deprem yükleri ve modal deprem yüklerinin tasarımda kullanılan burkulma boyu yöntemi ve genel analiz yöntemi ile uyumluluğu araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre TBDY'ye göre kullanılabilir olması halinde eşdeğer deprem yükü ile analizin her iki tasarım yöntemi ile de tutarlı sonuçlar verdiği görülmüştür. Modal deprem yüklerinin kullanılması durumunda ise ikinci mertebe etkilerin iç kuvvetlere katkısını dikkate almak için ETABS'de ön tanımlı düşey yükler altında yapılan ikinci mertebe analizi sonucunda rijitliği azalan yapıya etkiyen deprem yüklerinin de azaldığı, fakat buna rağmen ikinci mertebe etkiler sebebiyle iç kuvvetlerin beklendiği gibi arttığı gözlemlenmiştir.
Genel analiz yönteminin gereği olan rijitlik azaltmalarının yapılması ve modal analizin rijitliği azaltılmış sistemde ikinci mertebe teorisine göre yapılması durumunda ise yapı rijitliği ciddi miktarda azalmaktadır ve bu durum modal deprem yüklerinde önemli ölçüde düşüşe sebep olmaktadır. Buna bağlı olarak malzemelerin doğrusal olmayan şekil değiştirmeleri ve rijitlik belirsizliklerinin dikkate alınması için uygulanan genel analiz yöntemi, iç kuvvetleri arttırması beklenirken önemli ölçüde azaltmıştır. Bu durumun temel sebebi kompozit kolonlarda eğilme rijitliği azaltma katsayısı τb'nin eksenel yükten bağımsız olarak 0.8 alınmasıdır. Fakat modal deprem yüklerinin genel analiz yöntemi ile birlikte yaklaşık ikinci mertebe analizi ile dikkate alınması durumunda ise modal deprem yüklerinde herhangi bir azalma olmadığından daha makul sonuçlar elde edilmektedir. Bu sonuca göre kompozit kolonlu çelik yapılarda genel analiz yönteminin modal deprem yükleri ile birlikte kullanılması yaklaşık ikinci mertebe analizi ile birlikte uygun görülmüştür.

Abstract:
Reinforced concrete and structural steel, the two most preferred structural systems in building design, have advantages over each other. While steel stands out with properties such as high strength, high ductility, low margin of error in material production and ease of construction, reinforced concrete provides advantages to the designer with its affordability and resistance to the effects of pressure. It is possible to make use of the advantages of both systems by using composite structural systems. The composite use of steel and concrete in structures was seen for the first time in 1894 in the United States.
The importance of composite members was understood after the 1906 San Francisco Earthquake and the subsequent fires, when steel structures encased in concrete or brick performed better than all other structural systems used at the time. Even though the use of composite columns and beams in multi-story structures increased following this event, the effect of composite action on strength and stiffness was overlooked for a long time and only its contribution to fire safety was taken into consideration. Afterwards, composite structural systems started to be used more often as steel composite members were included in developed countries' regulations. Today, they continue to be frequently preferred due to the advantages they provide.
Within the scope of this study, firstly composite structural systems are analyzed under the categories of composite members and composite structural systems. Composite members are divided into composite slabs, composite beams, composite columns, composite braces and composite shear walls. The characteristics of these structural members are briefly reviewed, and then composite structural systems are analyzed under the two main categories of composite moment frame systems and composite braced frame systems.
In the next section, the development of composite structural design in the United States is discussed. The changes over time in Specifications for Structural Steel Buildings and Seismic Provisions for Structural Steel Buildings are evaluated in terms of composite members. Then, the rules of design provided in the composite members section of the 2016 regulation Principles of the Design, Calculation and Construction of Steel Structures are examined in detail for composite columns, and this section is compared against the current regulation in the USA. Afterwards, the special rules of design for steel structures with composite columns specified in Turkish Earthquake Code for Buildings 2018 are described.
After detailed examination of the regulations, an example building of high ductile moment frames with composite columns is analyzed according to Principles of the Design, Calculation and Construction of Steel Structures 2016 and Turkish Earthquake Code for Buildings 2018, and the results are evaluated. Concrete filled composite columns are used in the example structure. ETABS 2016 v16.0.3 software is used for
xxviii
structural analysis; effective length method and direct analysis method are applied separately as the method of design. Before proceeding with analysis of the example building, the software's handling of stiffness reduction and second order effects, which are the basic principles of direct analysis method, is examined on a simple frame system and the results are presented in tabular format. The loads which will apply to the structure are identified according to the relevant regulations, and the horizontal seismic load effects are applied usingmode superposition method and equivalent static load method separately. After structural analysis, displacement and equivalent static seismic load checks are performed according to Turkish Earthquake Code 2018, and then strength checks of the secondary beams, moment frame beams and composite columns are performed relative to the internal forces obtained from the analysis performed for each method of design. After strength checks, the results obtained are evaluated.
It is observed during structural design that the essential factor determining dimensions of structural members is relative story displacements. The steel moment frame system displays quite flexible behavior, which causes displacement criteria to be the determining factor rather than strength criteria. Strength checks also yield quite close capacity ratios for the 4 design types, and it is observed that required strengths are fairly below capacities.
The study covers an investigation of the compatibility of the two methods of seismic analysis which can be used in the analysis of a high ductile steel building with composite column moment frames, equivalent static seismic load method and modal seismic load method, with the two methods used in analysis of the building, effective length method and direct analysis method. The results show that for both methods of design, analysis with equivalent static seismic load (if Turkish Earthquake Code 2018 allows its use) yields consistent results. When modal seismic loads are used, it is observed that the seismic loads which apply to the building are reduced along with a reduction in the rigidity of the structure due to the second order analysis performed on ETABS with preset gravity loads to account for the impact of second order effects on internal forces. Nevertheless, internal forces are increased as expected due to second order effects.
When stiffness is reduced as per the requirements of direct analysis method and modal analysis is performed on this reduced-stiffness system according to second order theory, the structure's stiffness is considerably reduced and this leads to a significant decrease in modal seismic loads. By extension, direct analysis method, which is employed to account for non-linear deformations and stiffness uncertainties of materials, significantly reduces internal forces whereas it was expected to increase them. The main reason for this is that the τb coefficient to reduce flexural stiffness in composite columns is taken as 0.8 regardless of axial load. But when modal seismic loads together with direct analysis method are used with amplified first order analysis, more reasonable results are obtained as there is no decrease in modal seismic loads. Based on this result, it is found acceptable for direct analysis method to be used together with modal seismic loads in steel structures with composite columns when amplified first order analysis is employed.