Birbirine dik doğrultudaki süneklik düzeyi yüksek merkezi çaprazlı çelik çerçevelerin ortak kolonlarının tasarımı ve doğrusal olmayan davranışlarının incelenmesi
Design of common columns of special concentrically steel braced frames placed perpendicular to each other and investigation of their nonlinear behavior
Yazar: FATİH FURKAN DOĞAN
Danışman: DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Ülkemizin aktif bir sismik bölgede yer alması, yapıların yönetmelikler doğrultusunda depreme dayanıklı bir şekilde tasarlanmasını zorunlu kılmaktadır. 2018 yılında yürürlüğe giren Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (TBDY), bilimsel gelişmeler doğrultusunda güncellenen tasarım esaslarını içerecek şekilde oluşturulmuştur. Deprem bölgelerinde yapılacak çelik binalar için; kullanım amacı, mimari durum ve yapısal özellikler, en uygun yatay yük taşıyıcı sistemin TBDY 2018'de belirtilen esaslara göre belirlenmesinde etkin rol oynar. Yatay yük taşıyan sistemler içinde, genellikle sağladıkları dayanım ve rijitlik sebebiyle çelik çaprazlı çerçeveler tercih edilmektedir. Ayrıca çelik çaprazlı çerçeveler oluşturulurken, süneklik düzeyleri ve çelik çaprazların konfigürasyonları da yapının deprem performansında önemli bir rol oynamaktadır.
Bu çalışmada, yatay yük taşıyıcı sistemi her iki yönde de süneklik düzeyi yüksek (SDY) merkezi çaprazlı çelik çerçevelerden oluşan 8 katlı çelik bir binanın, Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapım Esaslarına Dair Yönetmelik 2018 (ÇYTHYEY) ve Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (TBDY) 2018'e göre tasarımı ve zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizler yardımıyla deprem performansı değerlendirilmiştir. Bu değerlendirme yapılırken özellikle her iki yönde de süneklik düzeyi yüksek merkezi çaprazlı çelik çerçevelere bağlanan ortak çelik kolonlar incelenmiştir. TBDY 2018'e göre, süneklik düzeyi yüksek merkezi çaprazlı çelik çerçevelere ait kolonların gerekli dayanımlarının, deprem etkilerinin dayanım fazlalığı katsayısı D ile çarpılarak büyütülmesiyle belirlenen iç kuvvetlerden elde edileceği ve bu iç kuvvetlerin kapasite tasarım ilkesi'nin gereği olan akma (mekanizma) durumu ile uyumlu iç kuvvetlerden büyük olamayacağı ifade edilmektedir. Ancak yapılan doğrusal olmayan analizlerin sonuçlarına göre, ortak kolonların deprem etkilerinin dayanım fazlalığı katsayısı ile arttırılan iç kuvvetlere göre tasarımı durumunda, bu kolonlarda plastik şekildeğiştirmelerin oluştuğu gözlemlenmiştir. Dolayısıyla, tez kapsamında yürütülen bu çalışmanın sonuçlarına göre, bu kolonların boyutlandırılmasında çaprazlı çerçevelerin mekanizma durumlarının esas alınması önerilmektedir.
Toplam beş bölümden oluşan tezin ilk bölümünde giriş, tezin amacı ve kapsamı ile literatür araştırmaları yer almaktadır.
İkinci bölümde, tez kapsamında esas alınan, yatay yük taşıyıcı sistemi süneklik düzeyi yüksek merkezi çaprazlı çelik çerçevelerden oluşan 8 katlı örnek çelik yapının tasarım bilgilerine yer verilmiştir. İşyeri olarak kullanılması öngörülen 8 katlı çelik binanın yapısal analizleri ve taşıyıcı sistem elemanlarının boyutlandırılmasında ETABS bilgisayar programından yararlanılmıştır.
Üçüncü bölümde, örnek çelik bina için Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018'e göre esas alınan performans düzeyi belirtilerek, bina taşıyıcı sisteminin zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizlerinde taşıyıcı sistem elemanları için öngörülen doğrusal olmayan davranışları temsil etmek üzere, plastik mafsalların özellikleri tanımlanmaktadır. Ayrıca bu bölümde, zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizlerde kullanılacak deprem yer hareketi ivme kayıtları verilmektedir.
Dördüncü bölümde, tasarımı yapılan örnek çelik binanın zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizleri için deprem yer hareketi ivme kayıtlarının yönetmelikteki hedef spektruma uygun olarak ölçeklenmesi anlatılmaktadır. Ayrıca, analiz sonuçlarına göre örnek çelik binanın taşıyıcı sistem elemanlarının performans düzeyleri değerlendirilmiştir.
Son bölümde ise, elde edilen sonuçlar belirtilerek önerilerde bulunulmuştur.

Abstract:
The fact that our country is located in an active seismic zone necessitates the
earthquake-resistant design of the buildings in accordance with the regulations. Turkish Seismic Code for Buildings 2018 was created to include design principles that are updated in line with scientific advances. For steel buildings to be built in earthquake zones; the purpose of use, architectural situation and structural features play an active role in determining the most suitable horizontal load bearing system according to the principles specified in TBDY 2018. In systems carrying horizontal loads, steel braced frames are generally preferred due to the strength and rigidity they provide. In addition, when creating steel braced frames, ductility levels and configurations of steel braces also play an important role in the earthquake performance of the structure.
According to AISC 341-16, after the yield occurs in steel structure consisting of special concentrically braced steel frame, the axial loads acting on these braces are distributed again within the system. Braces that are subjected to horizontal cyclical loads reach their yield capacity for a while and tend to plastic elongation and shortening. This situation causes large displacements in floors and causes bending in columns. Therefore, in such systems, it is stated that the dimensioning of the columns by taking into account the mechanism conditions of the braces, ie before and after buckling, will resist major earthquakes.
In this study, the design and eartquake performance of an eight-story steel structure consisting of special concentrically braced steel frame in both direction is evaluated using nonlinear time history analysis in accordance with ÇYTHYEY 2018 and TBDY 2018. During this evaluation, common steel columns connected to special concentrically braced steel frames in both directions were investigated. According to the TBDY 2018, it is stated that the required strength of the columns belonging to the special concentrically braced frames will be obtained from the internal forces
determined using load combinations including seismic effects amplified by the overstrength factor D and these internal forces cannot be greater than the internal forces which are in accordance with the mechanisim condition required by the capacity design principle. However, according to the results of the nonlinear analysis, it was observed that plastic deformations occured in these columns when the common colums were designed according to the internal forces from the load combinations with seismic effects increased by the overstrength factor. Therefore, according to the results of this study conducted within the scope of the thesis, it is recommended to base on the
mechanism states of the steel braced frames in the dimensioning of these columns.
According to TBDY 2018 4.4.2, the earthquake effects in vertical direction to each
other on the horizontal should be combined in ±Ed(X,Y) ± 0.3Ed(Y,X) forms. Combining earthquake effects as specified; If these effects are not determined on the basis of mechanism states, it may result in insufficient dimensioning of common columns. In this study conducted within the scope of the thesis, combining the effects of earthquake effects into ±Ed(X,Y) ± (0.3, 0.6, 0.9)Ed(Y,X) and combining the effects obtained from mechanism states into ±Ed(X,Y) ± 0.3Ed(Y,X) are evaluated in terms of the design and nonlinear behavior of common columns.
The first chapter of the thesis, which consists of five chapters in total, includes the
introduction, purpose and scope of the thesis and literature researches.
In the second chapter, the design information of the eight-story sample steel structure, which is based on the thesis, consisting of special concentrically braced steel frames was given. The ETABS software was used in the structural analysis and dimensioning of the structural system elements of the 8-storey steel building, which is intended to be used as a workplace. The building, whose horizontal load-bearing system in both directions perpendicular to each other is formed by special concentrically braced steel frame in both direction, is dimensioned so that even if some of the brace members under pressure are buckled, there is no significant loss of strength in the system.
In the third part, for sample steel structure in thesis, the properties of plastic hinges were defined to represent nonlinear behaviour foreseen for structural elements in the nonlinear analysis by indicating the performance level taken as a basis by TBDY 2018. Also, in this section, earthquake ground motion acceleration records to be used in nonlinear analyzes in the time domain were given. In the time history, 11 earthquake records containing two horizontal components perpendicular to each other were used for nonlinear analysis. Internet access software developed by PEER was used to obtain these records.
In the fourth chapter, scaling of earthquake ground motion acceleration records in accordance with the target spectrum in the regulation is explained for nonlinear analysis in the time domain of the sample steel building. In addition, performance levels of the structural system elements of the sample steel building were evaluated according to the analysis results.
In the last part, suggestions were made by stating the results obtained. It was observed that when the common columns of the braced frames are dimensioned considering the mechanism conditions, the cross members remained in the limited damage zone, while no plastic deformation occurred in the columns. However, as specified in TBDY 2018, when the columns of the braced frames are dimensioned based on the internal forces increased by the overstrength factor D of the earthquake effects, the braces remain in the boundary damage zone, while the plastic deformations remaining in the limited
damage zone were observed in the columns connected to special concentrically braced steel frame in both directions. In this case, if the earthquake effects amplified with the D coefficient are taken as basis, it is foreseen to take 60% and 90% of the earthquake effect in one direction instead of 30%. However, it was observed that the effects calculated in this way did not increase the internal forces enough to require the change of the cross sections of the columns.
As a result, the use of overstrength factor D for calculating the internal forces to be taken as basis in dimensioning of common columns may cause plastic deformations at limited damage level in such columns. If it is desired to avoid plastic deformations in common columns, it can be suggested that according to the results of the analyzes carried out within the scope of this thesis study, the special concentrically braced steel frames should be combined in the form of effects obtained from the mechanism states. It is suggested that the studies on this subject should be expanded on the basis of buildings of different heights with different types of horizontal bearing systems.