Bir çelik endüstri yapısının süneklik düzeyi yüksek olarak tasarımı ve doğrusal olmayan dinamik analizi
High ductile seismic design of an industrial steel building and nonlinear dynamic analysis
Yazar: MUSTAFA KÜRÇE
Danışman: PROF. DR. KONURALP GİRGİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Sanayi tipi yapılar, spor salonları, hangarlar ve ihtiyaca göre tasarlanan tek katlı çelik yüksek yapılar yerleşim alanlarının gelişmesi, sanayileşmenin artması ve insanların bu alanlardaki ihtyaçlarının artması ile birlikte tercih sebebi olmaya başladı. Bu tip yapılarda yüksekliklerin ve açıklıkların fazla olması tasarımlar sırasında daha dikkatli olunması ve tasarımlarda yeni yöntemler geliştirilmesi gerekliliğini doğurmuştur.
Deprem kuşağında bulunan ülkemiz coğrafyasında depreme dayanıklı yapıların önemi de giderek artmaktadır. Güncel yönetmelikler bu yönde geliştirilmektedir. Bu nedenler performans analizini daha önemli kılmaya başlamıştır. Yapının deprem etkisi altında nasıl davranış sergileyeceğini performans analizi sayesinde gerçeğe en yakın olarak inceleyebiliriz. 2007 yılında yönetmelikte yerini alan performans analizi yeni yönetmelikle beraber daha ayrıntılı hale gelmiştir.
Bu çalışma kapsamında da iki doğrultusu için farklı çerçeve tipi seçilmiş bir süneklik düzeyi yüksek endüstri yapısı incelenecektir. Bir doğrultusu moment aktaran çerçeve, diğer doğrultusu ise merkezi çelik çaprazlı çerçeve olarak tasarlanmıştır. Öncelikle tüm elemanlar doğrusal davranış gösterecek şekilde tasarlanmıştır. Tasarımlarda Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018, Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapım Esaslarına Dair Yönetmelik 2018 ve American Institute of Steel Construction 341-16 yönetmelikleri kullanılmıştır. TBDY 2018 yönetmeliğinde bulunmayan bazı tasarım koşulları için AISC 341-16 kullanılmıştır. Tasarımı tamamlanan model üzerinde doğrusal olmayan analizler yapılmıştır. Merkezi çaprazların bulundukları doğrultuda depremi doğrusal olmayan deformasyon göstererek sönümlenmesi hedeflenir. Plastikleşen çaprazlar eksenel yük dayanımlarını büyük bir oranda kaybedeler ve sonuç olarak da çerçevelerin göçme moduna geçmemeleri gerekmektedir. Kolonlarda çarpaz elemanların plastikleşmesinden sonra oluşabilecek ek iç kuvvetler tasarımlarda gözönünde bulundurulmalıdır. Kolonların moment aktaran çerçeve doğrultusunda tutulu boylarının merkezi çelik çaprazlı çerçeve doğrultusuna göre daha fazla olması bu yönü kritik yapabilmektedir ve dikkatle incelenmesi gereken bir durumdur. Sonuçlar değerlendirildiği zaman yapının beklenen davranışı gösterdiği görülmüştür. 
Yapı modellemesinde SAP2000 programı kullanılmıştır. Tüm tasarımlar ayrıca program dışında da yapılmış olup tutarsız olabilecek sonuçlar engellenmiştir.
Çalışma kapsamında ilk olarak giriş bölümü bulunmakta olup çalışma amacı ve kapsamı, literatür araştırmaları bulunmaktadır.
İkinci bölümde yapıdaki tüm elemanlar için ayrı ayrı tasarım koşulları anlatılmıştır. Tasarımlarda dikkat edilmesi gereken önemli noktalar bu kısımda belirtilmiştir. Üçüncü kısımda yapı hakkında genel bilgilere yer verilmiştir. Tüm yükleme durumları ve hesaplamaları bu bölümde gösterilmiştir. Yapı hakim periyotları hesabı ve düzensizlik kontrolleri de burada yer almaktadır. 
Dördüncü bölümde her bir eleman için boyutlandırma hesapları gösterilmiştir. Yine tasarımlar dikkat edilmesi gereken ek koşullar bu bölümde ayrıntılı bir şekilde işlenmiştir. 
Beşinci bölümde doğrusal olmayan analiz için genel şartlar belirtilmiştir. İvme kayıtlarının seçilmesi, benzeştirilmesi, eleman ve sistem performans hedefleri ve SAP2000 programı için modelin doğrusal olmayan analize uygun hale getirilmesi için ek bilgiler bulunmaktadır. 
Altıncı bölümde doğrusal olmayan analiz sonuçları grafikler ve tablolar halinde gösterilmiş olup, yönetmeliklerin belirttiği koşullar ile karşılaştırmalar gösterilmiştir.
Yedinci son bölümde ise genel sonuçlar işlenmiştir ve öneriler sunulmuştur.

Abstract:
Industrial buildings, sports halls, hangars and single-storey high-rise buildings which are made from structural steel designed according to the needs have started to be preferred with the development of residential areas, increasing industrialization and increasing the needs of people in these areas. The building heights and span lengths in these types of structures have led to the necessity of being more careful during the designs and developing new methods in the designs.
The importance of earthquake resistant structures in the geography of our country, which is located in the earthquake zone, is gradually increasing. Current specifications are being developed in this direction. These reasons have begun to make performance analysis more important. We can examine how the structure will behave under the effect of earthquakes as close to reality as possible through performance analysis. The performance analysis which was included in the Turkish Earthquake Code in 2007 became more detailed with the new code in 2018.
Within the scope of this study, an industrial structure with a high ductility level selected from different frame types will be examined. One direction is designed as a moment-frame and the other direction is designed as a multi-tiered concentrically braced frame (MTCBF). MTCBF is a type of lateral load resisting system in building where a tall and single story is required. A braced frame is subdivided into multiple tiers and the struts located in intersection zones in the plane. In such systems, columns are not braced out of plane in tier levels. 
Columns, beams, struts and roof compression beams are selected as H profiles. The selected profiles provide high ductility conditions according to Turkish Earthquake Code 2018. The diaphragm feature is provided with profiles placed crosswise on the roof planes. The cross members on the side facades are designed in two rows along the height of the building. Pipe profiles are preferred for the facade cross members and the same sections are preferred for both rows. There are struts placed along the building in a single row between the facade diagonals. The struts are rigidly connected to the columns and the web of sections are rotated in a horizontal direction. The most important reason for the design of struts in this way is to support the columns against torsion at the points where they are connected. No connection detail calculations have been made for any elements within the scope of the study.
First of all, all elements are designed to show linear behavior. Turkish Earthquake Code in 2018 (Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018), Turkish Structural Steel Design Code 2018 (Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapım Esaslarına Dair Yönetmelik 2018) and the American Institute of Steel Construction 341-16 Specifications are used. AISC 341-16 was used for some design conditions not covered by the TBDY 2018 Code. Nonlinear analyzes were performed on the model whose linear design was completed. The building should achieve the Controlled Damage performance level as the performance target. It is aimed to damp the concentrically braced by showing non-linear deformation of the earthquake in their direction. Plasticized braces lose their axial load strength to a great extent and as a result the frames should not go into collapse mode. Plasticization is not desired in struts placed between concentrically braces. After the axial load strength of the brace members is lost, moment-frames may be formed due to the rigid connection of the struts to the columns. Therefore, the plastic joints that may occur in the strut can transform this direction system into a mechanism. In columns, additional internal forces that may occur after the plasticization of the brace elements must be considered in the designs. The fact that the lengths of the columns retained in the moment-frame direction is higher than that of the braced frame direction can make this aspect critical and is a case that needs to be carefully examined. When the results were evaluated, the structure showed the expected behavior. As a result of the nonlinear time history analysis, the brace elements were the first plastic hinge elements. Plastic joints on columns, beams and struts remain under Limited Damage performance level.
Linear and nonlinear analyzes were performed with SAP2000 software. All linear designs are also made out of the program, avoiding inconsistent results. According to TBDY 2018, 22 nonlinear analyzes were performed with 11 acceleration sets. The acceleration records selected for nonlinear analyzes in the time domain were selected according to the conditions specified in the TBDY 2018. Scaling was done using SeismoMatch.
In the scope of the study, firstly there is an introduction section and the purpose and scope of the study and literature researches. The importance and details that should be shown in the design of earthquake resistant structures are given in this section. It is explained in this section that only an industrial structure is studied on X type braced frame. In addition, some important studies conducted in this field have been summarized under the title of literature research.
In the second part, the design conditions are explained separately for all elements in the structure. Important points to be considered in the design are mentioned in this section.
In the third section, general information about the structure is given. Loading combinations and calculations are shown in this section. Calculation of building dominance periods and irregularity checks are also included here. According to TBDY 2018, only A1 torsional irregularity control was performed as structural irregularity control. Horizontal and vertical displacement boundary condition controls are also included in this section.
In the fourth section, design steps for each element are shown. Again, additional requirements to be considered designs are detailed in this section.
In the fifth chapter, general conditions for nonlinear analysis are given. Additional information is available to select, simulate acceleration registers, element and system performance targets, and to make the model suitable for nonlinear analysis for the SAP2000 program. The system performance target is only available in TBDY 2018 and will be used as a single reference.
In the sixth chapter, the results of nonlinear analysis are shown in graphs and tables and the comparisons with the conditions specified by the codes are shown.
In the seventh chapter, the results are summarized and evaluated. Turkish Earthquake Code 2018 and Turkish Structural Steel Design Code 2018, which are the current regulations, do not have any design rules for single-storey steel industrial buildings and are inadequate. Work is underway to find out the rules for the design of single-storey steel industrial buildings in the current codes. In this study, X type steel braced frame is focused on. There are various types of braced frame systems including V type and reverse V type. In addition, different results can be obtained by adding crane to the structure. In order to make the current codes more comprehensive, studies on various structures should be encouraged.
In the appendix section, the nonlinear results of the elements previously presented as graphs for each element are found in excel tables.