Çelik çekirdekli bir burkulması önlenmiş çaprazın (BÖÇ) histeretik davranışı ve BÖÇ'lü bir çelik bina tasarımı
Hysteretic behavior of steel core buckling restrained brace (BRBs) and design of a steel building incorporating BRBs
Yazar: SEÇKİN ÇETİNKAYA
Danışman: PROF. OĞUZ CEM ÇELİK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bu çalışma, Burkulması Önlenmiş Çapraz'ın (BÖÇ) kuramsal olarak incelenmesini ve numune tasarımı yapılıp, üretiminin gerçekleşmesi sonrasında İstanbul Teknik Üniversitesi Yapı ve Deprem Mühendisliği Laboratuvarı'nda (STEEL) deneysel olarak incelenmesini içermektedir. Ayrıca, Star Seismic firması tarafından üretimi yapılan BÖÇ'ler kullanılarak inşa edilen İTÜ Enerji Teknokent Arı 6 Projesi de Türkiye'de bu tür çaprazların ilk kez uygulanması nedeniyle tez kapsamında incelenmiştir. Çalışma beş ana bölümden oluşmaktadır:Çalışmanın birinci bölümünde, BÖÇ'ler hakkında geçmişten günümüze bir literatür araştırması yapılmıştır. BÖÇ'lerin davranışı hakkında varolan bilgilere ulaşılmış; değinilen önemli noktalar bu bölümde belirtilmiştir. BÖÇ'lerle ilgili olarak hangi konularda eksiklikler olduğu, daha iyi bir performans elde edilebilmesi için neler yapılması gerektiği üzerinde çalışmalar yapılmıştır. Deneysel çalışmada kullanılacak BÖÇ enkesiti seçilip, bu enkesit hakkında gerekli bilgi verilmiştir. Bunlara ek olarak, BÖÇ'ün tümsel stabilitesi ve hesap modelleri üzerinde durulmuştur. Örnek bir BÖÇ projesinden yapım aşamasına ilişkin şantiye fotoğrafları verilmiştir. Diğer bölümlerde yapılacaklar hakkında aşamalı olarak bilgiler sunulmuştur.İkinci bölümde, öncelikle ASTM 370'e göre tasarlanan iki adet S355JR yüksek dayanımlı çelik kullanılarak çekme numuneleri üretilmiştir. İTÜ Malzeme Anabilim Dalı Laboratuvarı'nda çekme (kupon) deneyleri yapılmış, sonuçları değerlendirilmiştir. Sonrasında, aynı çelik kalitesi kullanılarak AISC 341 2010'a göre çelik çekirdek tasarımı yapılmıştır. Buna bağlı olarak sürtünmesiz yüzey malzemesi olarak teflon ile kullanılacak harç belirlenmiştir. Dış tüp tasarımı yapılmıştır. Güçlendirme bölgesinin elastik tasarımına yönelik bilgiler verilmiştir. AISC LRFD 2010'a göre detay hesabı yapılmış, TURKBRACE-BRBSC2 olarak isimlendirilen BÖÇ'ün üretimi gerçekleştirilmiş ve deney düzeneği oluşturulmuştur. AISC 341'e göre yükleme protokolü belirlenip, İTÜ Yapı ve Deprem Mühendisliği Laboratuvarı'nda numune deneysel olarak incelenmiş ve sonuçları irdelenmiştir.Deneysel çalışmanın sonuçlarını kontrol etmek amacıyla AISC 341'10 ve belirtilen diğer yayınlardan yararlanılarak bir hesap modelinin oluşturulması Bölüm 3'te ele alınmıştır. Bu hesap modelinde çekme deneylerindeki sonuçlar kullanılmıştır. Ayrıca, FEMA 356'ya bağlı olarak SAP 2000'de TURKBRACE-BRBSC2 adlı numune modellenmiş, malzeme çekme deneylerindeki sonuçlar kullanılarak statik itme analizi (pushover) yapılmıştır.Elde edilen statik itme analizinden kuvvet-yerdeğiştirme eğrisi ile oluşturulan hesap modeli kuvvet-yerdeğiştirme eğrisi çakıştırılarak uyumluluğu incelenmiştir. Son olarak da hesap modeli ve itme analizi eğrileri ile deney sonuçlarından elde edilen kuvvet-yerdeğiştirme histeretik eğrisi birlikte çizilerek uyumluluk kontrolü yapılmış ve bu çalışmaların gerekliliği hakkında bilgiler verilmiştir.Bu bölümde kuramsal çalışma ile deneysel çalışma arasındaki uyum açıklandıktan sonra deneysel çalışmadan elde edilen ve BÖÇ davranışında önemli olan değişkenlerin açıklanmasına ayrılmıştır. Bunlar arasında çevrim sayısına bağlı olarak ß (basınç dayanım düzeltme çarpanı) ve ? (pekleşme düzeltme çarpanı) değerlerinin değişimi, çevrim sayısına bağlı olarak ayrık ve kümülatif enerji yutma diyagramları, etkin sönüm oranları, çevrim sayısına bağlı olarak elastik eksenel rijitlikteki değişim ve numunenin çeşitli bölümlerine yapıştırılmış olan straingauge'lerden elde edilen yatay kuvvet-şekildeğiştirme diyagramları verilmiştir.Tez yürütücüsünün de içinde bulunduğu yapısal tasarım grubu tarafından BÖÇ'lü bir çelik yapı (İTÜ Enerji Teknokent Arı 6) projesinin tasarım aşamaları incelenmiştir. Bina öncelikle klasik çaprazlı olarak modellenmiş ve sistemin davranış özellikleri belirlenmiştir. Sonrasıda ETB Binası BÖÇ kullanılarak modellenmiş, tasarım aşamaları adım adım açıklanarak bir akış diyagramı şeklinde özetlenmiştir. Sistemin davranış özellikleri (yerdeğiştirmeler, göreli kat ötelemeleri, taban ve kat kesme kuvvetleri, bina rijitlikleri ve yapı ağırlıkları) belirlenmiştir. Bu bilgiler ışığında iki sistem karşılaştırılmıştır. En çok zorlanan çerçeve seçilerek kolon ve kirişlerinde AISC-LRFD'ye göre tasarım kontrolleri yapılmıştır. Ayrıca yapımı devam etmekte olan ETB Binası'na ilişkin fotoğraflara da bu bölümde yer verilmiştir.Beşinci bölümde, çalışma ana hatlarıyla özetlenmiş, ulaşılan sonuçlara yer verilmiş ve BÖÇ tasarımına yönelik çeşitli önerilerde bulunulmuştur.

Abstract:
This study describes an experimental investigation on the inelastic behavior of Buckling Restrained Braces (BRBs). Also, the design steps of a steel building incorporating BRBs is explained. The thesis consists of five main chapters:The first section deals with the objectives and scope of this study. Conceptual issues about BRBs and their historical evolution are given briefly. A detailed literature review about the recent experimental and theoretical works is added. BRBs consist of three principal components: a steel core coated with an "unbonding" substance, concrete (mortar) infill and restrainer steel tube. Especially the steel core plays the primary role by providing the necessary resistance to any applied axial forces. To enhance the behavior under compression by prohibiting buckling, the core is encased in a concrete/mortar filled sleeve. This enables the brace to take advantage of the compressive strength of steel. To preclude bonding between the mortar and steel core an "unbonding" material is applied on to the steel. This enables the BRB axial forces to be restricted to the steel core. Due to the importance of this material, BRBs are often refered as "unbonded braces". The principal advantage of BRBs is their ability to yield both in compression and in tension. In comparison, typical braces such as a steel tube (HSS) or I-beam wide flange section is weaker in compression due to its tendecy to global and local buckling. As BRBs resist buckling, they exhibit a almost symmetric hysteric behavior that is more stable than typical buckling braces. In addition, the mechanics of BRBs are given by using the Euler's buckling analysis.This commercially available seismic braces enhance the earthquake resistance of building structures by providing supplemental strength and dissipating energy. In addition, the buckling restrained braced frame is a relatively new type of Concentrically Braced Frame (CBF) that incorporates the use of BRBs to be principal bracing members.Section 2 covers the experimental study about BRBs. In order to provide yield and tensile strengths of steel material used in the BRB specimen, two coupons were prepared and tested in accordance with ASTM A370 in Structural Materials Laboratory of Civil Engineering Faculty at ITU. The BRB specimen was designed after having characteristic values of steel used. Detailed BRB specimen design including steel core and restrainer tube designs was carried out. The steel core was designed in accordance with the Seismic Provisions (AISC 341), and the restrainer tube was designed to Euler's buckling theory to restrain the steel core from buckling. The unbonded material and mortar used between unbonded material and restrained tube were selected after different materials comparisons. All connections and gusset plates were designed in accordance with AISC-LRFD. After manufacturing process, the specimen, named TURKBRACE-BRBSC2, was cyclically tested according to AISC 341 in a versatile test setup specially designed for steel brace tests at ITU Structural and Earthquake Engineering Laboratory (STEEL).Section 3, theorical investigations are presented for TURKBRACE-BRBSC2 specimen. A general structural analysis program, SAP 2000, was selected for this purpose. All calculations were carried out accordance with AISC 341. Pushover analysis was conducted per FEMA 356 using the material properties obtained from the coupon tests.Structural analysis per AISC 341 were carried out to obtain the characteristic factors, such as ß (strength adjustment factor) and ? (strain-hardening adjustment factor), of the BRB specimen. The specimen characteristic values of Ty (tension yield force), Tmax (max. tension force), Pmax (max. compression force) and ?by (displacement of steel core at first yield point) were also calculated. A displacement controlled loading protocol was adopted.FEMA 356 was adopted in order to achieve the pushover analysis. Plastic hinges were defined and asigned for the critical sections of the specimen in the structural model. A force-displacement curve was plotted as a result of the analysis, and compared with the curve obtained from this experimental study.All other graphs and curves related to BRB behavior, such as straingauge (horizontal force versus strain), ß and ? factors (ß and ? versus each cycle), elastic axial stiffness of core (K versus each cycle), discrete energy (discrete energy versus each cycle), cumulative dissipated energy (cumulative energy versus each cycle), and effective damping ratio (effective damping ratios versus each cycle) graphs, are given.The section 4 in attributed to a case study showing the application of BRBs in a steel building for the first time in Turkey. ITU Energy Teknokent Building Arı-6 project, located on Ayazaga Campus, was designed using BRBs in a chevron braces configuration.A three dimensional (3D) structural model was prepared in order to represent structural and dynamic characteristics of the building with ETABS, which is a specialized structural analysis program on bulding type structures. Seismic analysis is performed using modal superposition method in both orthogonal directions.To compare and evaluate the effectiveness of BRBs, Teknokent project was firstly designed with conventional chevron braces with R=6 (concentrically braced steel frames with high ductility level). Periods, displacements, stresses, drifts etc. of the building were obtained and checked in accordance with "Specification for Building to be Built in Seismic Zone-2007". A collaborative study was carried out with Star Seismic being the BRB manufacturer for this project. Axial forces of the braces were listed and sent to Star Seismic in order to design more proper BRB sections. ETABS models have been updated according to feedback from the responsible firm. R was taken as 8 assuming high ductility level system. All behavioral values of the building were checked again according to the design flowchart obtained from Star Seismic. Finally, CBF and BRBF systems were compared in a table in terms of a first elastic vibration periods, base shear forces, max. drifts, total columns and beams weights and the system total weight. Generated graphs showing each story level displacements, drifts, and shear forces were given as well. Advantages and disadvantages of these two system were explained with the light of these data.In the last section, the study is substantially summarized and the results from these parametric and experimental studies are presented. Various suggestios are made on BRBs and BRBF systems.