Çelik gömme kompozit kolon, kiriş ve bağ kirişli bir binanın yapısal tasarımı ve doğrusal olmayan analizi
Structural design and nonlinear analysis of a building with steel encased composite column, beam and coupling beam
Yazar: GİZEM SIĞLA AÇIKELLİ
Danışman: PROF. DR. KUTLU DARILMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Yapısal sistem analizi = Structural system analysis

Özet:
Çalışma kapsamında, ofis binası olarak kullanılması planlanan 15 katlı bir yapının yapısal tasarımı ve zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizi yapılmıştır. Taşıyıcı sistemi; çelik gömme kompozit kolon, kiriş ve bağ kirişi, betonarme boşluklu perde sistemi ve betonarme döşemelerden oluşan yapının düşey yükler ve deprem yüklemesi altında dayanımı ve performansının belirlenmesi amaçlanmıştır.
Yapının kat yükseklikleri, zemin katta 5 metre, normal katlarda 4 metre olarak belirlenmiştir. Yapı yüksekliği zemin üzerinden 61 metredir. Yapının planda, X doğrultusunda akstan aksa uzunluğu 39.6 metre ve Y doğrultusunda 37.7 metredir. Yapı kat alanı 1555.4 m2'dir. Plan düzleminde yapının merkezinde betonarme boşluklu perde sistemi bulunmaktadır. Taşıyıcı sistem elemanları için C40 sınıf beton, S355 sınıfı yapısal çelik ve B420C sınıfı donatı çeliği kullanılmıştır.
Kompozit kolon elemanların enkesit boyutları ve kullanılan çelik profiller; 1-5. katlarda 80 x 80 cm ve yapısal çelik olarak HD 400 x 421 profil, 6-10. katlarda 70 x 70 cm ve yapısal çelik olarak HD 400 x 314 profil, 11-15. katlarda 60 x 60 cm ve yapısal çelik olarak HD 320 x 127 profil olarak belirlenmiştir. Kompozit kiriş elemanların enkesit boyutları; genişliği 40 cm, yüksekliği 70 cm olarak belirlenmiştir. Kesitte yapısal çelik eleman olarak IPE 450 kullanılmıştır. Kompozit bağ kiriş elemanların enkesit boyutları; 1-7. katlarda genişliği 50 cm, yüksekliği 100 cm ve 8-15. katlarda genişliği 40 cm, yüksekliği 80 cm olarak belirlenmiştir. Bu elemanlarda sırasıyla HE 700 B ve IPE 500 profil yapısal çelik eleman kullanılmıştır. Betonarme perde kalınlığı 1-3. katlarda 60 cm, 4-7. katlarda 50 cm ve 8-15. katlarda 40 cm olarak belirlenmiştir.
Taşıyıcı sistem modellenmesi için ETABS V17 yapısal analiz programı kullanılmıştır. Kolon, kiriş ve bağ kirişi elemanları çubuk eleman olarak modellenmiştir. Perde elemanları ise kabuk eleman olarak modellenmiştir. Döşemeler programda modellenmemiş olup, döşemeden aktarılan yükler kiriş, bağ kirişi ve perde elemanlara tanımlanmıştır. Kolonlar ve perdeler zemin kotunda temele ankastre olarak bağlandığı kabul edilmiştir.
Yapının deprem hesabı Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018 kullanılarak yapılmıştır. Binanın yapılması planlanan arazi İstanbul ili Kadıköy ilçesi Caddebostan mahallesinde bulunmaktadır. Deprem Yer Hareketi Düzeyi olarak DD-2 seçilmiştir. Yerel zemin sınıfı ZD olarak belirlenmiştir. Bina Kullanım Sınıfı (BKS) 3 ve Bina Yükseklik Sınıfı (BYS) 2 olarak belirlenmiştir. Bina normal performans hedefi olarak Kontrollü Hasar (KH) ve değerlendirme/tasarım yaklaşımı Dayanıma Göre Tasarım (DGT) olarak belirlenmiştir. TBDY 2018'e göre taşıyıcı sistem kolonları kompozit olduğundan, Taşıyıcı Sistem Davranış Katsayısı (R) ve Dayanım Fazlalığı Katsayısı (D) çelik bina taşıyıcı sistemleri için verilen katsayılar kullanılmıştır. Yapının deprem hesabında Modal Hesap Yöntemleri kullanılmıştır.
Taşıyıcı sistem elemanlarında etkin kesit rijitliği çarpanlarının tanımlanmasında betonarme elemanlar için TBDY 2018'de, kompozit elemanlar için AISC 360-16'da verilen değerler kullanılmıştır. Bu çarpanlar yalnızca deprem etkili yük birleşimleri içinde yer alan ve bu birleşimlere giren yükler altındaki hesaplarda uygulandığından biri brüt diğeri çatlamış kesitli olmak üzere iki model ile analizler yapılmıştır.
Taşıyıcı sistemin kompozit elemanlarının boyutlandırılmasında Çelik Yapıların Tasarımı, Hesap ve Yapımına Dair Esaslar ve tüm elemanlar için TS 500 ve TBDY 2018 yönetmelikleri esas alınmıştır.
Yapısal tasarımı yapılan taşıyıcı sistemin performansının belirlenmesi için Şekildeğiştirmeye Göre Değerlendirme ve Tasarım Yöntemi tasarım yaklaşımı kullanılmıştır. Doğrusal olmayan hesap yöntemi olarak ise Zaman Tanım Alanında Doğrusal Olmayan Hesap Yöntemi seçilmiştir. Taşıyıcı sistem elemanlarının doğrusal olmayan davranış modelleri tanımlandıktan sonra PEER yer hareketleri veri tabanından elde edilmiş ve Basit Ölçeklendirme Yöntemi ile ölçeklendirilmiş on bir farklı deprem kaydı kullanılarak toplamda yirmi iki adet zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz yapılmıştır.
TBDY 2018'de kompozit elemanlar için şekildeğiştirme sınır değerleri tanımlı olmadığından, betonarme ve çelik elemanlar için tanımlanmış veriler üzerinden karşılaştırılmalar yapılmıştır. Kompozit kolon ve betonarme perde elemanlar için analiz sonuçlarından elde edilen şekildeğiştirmeler, TBDY 2018'de betonarme elemanlar için verilen şekildeğiştirme sınır değerleri ile karşılaştırılmıştır. Kompozit kiriş ve bağ kirişleri için analizlerden elde edilen plastik mafsal dönme verileri ise TBDY 2018'de çelik kirişler için verilen dönme sınır değerleri ile karşılaştırılmıştır. Doğrusal olmayan hesap sonuçlarına göre taşıyıcı sistem, TBDY 2018'e göre öngörülen Kontrollü Hasar performans hedefini sağlamıştır.

Abstract:
Within the scope of the thesis study, the structural design and nonlinear time history analysis of a 15-storey building, planned to be used as an office building, were completed. The purpose of the study is to determinate the strenght and the performance the structural system, consists of steel encased composite column, beam and coupling beam, also reinforced concrete coupled shear wall system and slabs, under vertical and seismic loads.
Steel encased composite sections, using reinforced concrete and structural steel profiles, provide many advantages over common reinforced concrete members and steel members. The concrete provides fire resistance to the steel section and prevents the steel section from buckling. The application of steel reinforced concrete columns has an affirmative effect on the concrete deformation capacity values compared to reinforced concrete columns. They are used due to their load carrying capacity, full utilization of materials, high rigidity and ductility, and high energy absorption capacities.
The story height of the building is determined as 5 meters at ground floor and 4 meters for other stories. The building height is 61 meters above the ground. In the horizontal plane, the axis-to-axis length of the structure is 39.6 meters in the X direction and 37.7 meters in the Y direction. The floor area of the building is 1555.4 m2. There is reinforced concrete coupled shear wall system at the center of the structure in the horizontal plane. C40/50 class of concrete, S355 grade of structural steel and B420C grade rebar are used for the materials of the structural members.
Cross-sectional dimensions and structural steel sections of composite column members are 80 x 80 cm on 1st to 5th floors and HD 400 x 421 structural steel section, 70 x 70 cm on 6th to 10th floors and HD 400 x 314 structural steel section, 60 x 60 cm on 11th to 15th floors and HD 320 x 127 structural steel section. Cross-section dimensions of composite beam elements are 40 cm in width and 70 cm in height. In the section, IPE 450 is used as structural steel element. Cross-sectional dimensions of composite coupling beam members are 50 cm in width, 100 cm in height on 1st to 7th floors and 40 cm in the width and 80 cm in height on the 8th to 15th floors. Respectively, HE 700 B and IPE 500 structural steel sections are used in the coupling beam members. The wall thickness dimensions of the coupled shear wall system are 60 cm on 1st to 3rd floors, 50 cm on 4th to 7th floors and 40 cm on 8th to 15th floors.
ETABS V17 structural analysis software is used for modeling of the structural system. Column, beam and coupling beam members are modeled as frame elements. Shear wall members are modeled as shell elements. The slabs are not modeled and the loads transferred from the slabs are assigned to beams, coupling beams and shear walls. It is accepted that columns and shear walls are joint with fixed support to the foundation at the ground level.
Turkish Seismic Code 2018 (TSC 2018) is used for the seismic analysis of the structure. The planned construction site of the building is located in Caddebostan district of Kadıköy district of Istanbul province. The Earthquake Ground Movement Level is selected as DD-2. The local soil class is defined as ZD. Building Usage Class is 3 and Building Height Class is 2. The targeted performance level of the structure is Controlled Damage Performance Level and the assessment/design approach is Design by Strength. Controlled Damage Performance Level corresponds to the level of damage that is not too heavy and often repairable on building structural system elements to ensure life safety. According to TSC 2018, since the structural system columns are composite, the coefficients given for the steel structural system are used for Structural System Behaviour Factor and Overstrenght Factor. Modal Analysis Method is used for the seismic analysis of the structure.
The values given in TSC 2018 for reinforced concrete members and AISC 360-16 Specification for Structural Steel Buildings for composite members are used in defining the stiffness reduction factors for the structural system members. Since these multipliers are applied only in the calculations under the loads that are in the earthquake effect load combinations and the loads entering these combinations, analyses are made with two models, one of which with gross cross-section and the other one with cracked cross-sections.
The load combinations are determined according to TS 500, TSC 2018 and Principles of Design, Calculation and Construction of Steel Structures Code. Totally, 37 load combinations are assigned to the model of the structural system.
Structural design is based on Principles of Design, Calculation and Construction of Steel Structures Code for composite members, also TS 500 and TSC 2018 for all structural members.
In order to determine the performance of the structural system, the Method of Evaluation and Design According to Deformation is used as design approach. Nonlinear Time History Analysis is selected as the nonlinear calculation method. Under the seismic effects, the Nonlinear Time History Analysis corresponds to step-by-step direct integration of the set of differential equations corresponding to the equations of motion of the structural system in the time domain. During the analysis, the change in stiffness of the member due to nonlinear behavior is also taken into consideration.
To estimate the performance of the building, a model for nonlinear analysis is set up at ETABS software. Column, beam and coupling beam members are modeled as frame member and shear walls are modeled as shell member. Calculation of effective stiffness to use for nonlinear analysis is indicated in TSC 2018 for only reinforced concrete members. The effective stiffness of the structural system members are calculated using these equations. Then effective stiffness coefficients are defined in the sections.
According to TSC 2018, two types of nonlinear hinge are used for defining the plastic behaviour of the structural members: Concentrated Nonlinear Hinge Model and Distributed Nonlinear Hinge Model. As the Concentrated Nonlinear Hinge Model assumes that plastic deformations occur uniformly along finite length regions where internal forces reach their plastic capacities, the Distributed Nonlinear Hinge Models, such as fiber hinge models, are used for considering plastic deformations occur at finite length plastic deformation regions or along the entire length of the member. For the columns, Fiber P-M2-M3 nonlinear hinge models are assigned to the top and bottom joints of the members through plastic hinge length. Similarly, Fiber P-M3 nonlinear hinge models are assigned to the shear wall members throughout member height. On the other hand, Moment M3 nonlinear hinge models are used for beam and coupling beam members, as a concentrated nonlinear hinge model. The moment – curvature relations of the sections are determined and assigned to the both start and end joints of the members.
After defining nonlinear hinges to structural system members, nonlinear time history analyses are performed in 22 times using 11 different earthquake records obtained from PEER Ground Motion Database and scaled by Simple Scaling Method. Seismic loading is combined with vertical load effects in the time history analysis. In this context, the vertical load effect in the analysis model is defined as the case of nonlinear static loading. Since time history nonlinear loading cases are defined, nonlinear static load case under vertical load effect is selected as the initial condition.
The deformation values of the nonliner hinge models are estimated from the results of the analyses. From the fiber hinge model data, strain values of the materials are obtained. On the other hand, rotation values are given by the analyses for the moment hinge model. In the case of members with ductile behavior, the basis for evaluation is calculated as the average of the largest absolute values of the results obtained from each of the analyzes performed.
Since the deformation limit values for composite members are not defined in TSC 2018, comparisons are made on the values defined for reinforced concrete and steel members. The deformations obtained from the analysis results for composite column and reinforced concrete shear wall members are compared with the strain limit values given for the reinforced concrete members in TSC 2018. Plastic rotation data obtained from the analyses for composite beams and coupling beams are compared with the rotation limit values given for steel beams in TSC 2018. According to the nonlinear calculation results, the structural system achieved the targeted performance level.