Moment aktaran süneklik düzeyi yüksek çelik çerçeve ile dışmerkez çaprazlı çelik çerçevenin birlikte oluşturduğu sistemin doğrusal olmayan davranışının incelenmesi
Investigation of nonlinear behaviour of steel special moment frame and steel eccentrically braced frame dual system
Yazar: ÇAĞLAR UZUNKAŞ
Danışman: DOÇ. DR. BARLAS ÖZDEN ÇAĞLAYAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Çelik yapılar = Steel structures

Özet:
Günümüzde yapı tasarımında deprem etkileri belirleyici etkenlerin başında gelmektedir. Depreme dayanıklı yapı tasarımı felsefesi; hafif şiddetteki depremlerde yapısal ve yapısal olmayan elemanların hasar görmemesi, orta şiddetteki depremlerde yapısal ve yapısal olmayan elemanlarda hasarın sınırlı ve onarılabilir düzeyde kalması, şiddetli depremlerde ise can güvenliğini sağlayarak binanın çökmesinin önlenmesidir. Bu tasarım felsefesine uygun olarak farklı yapı malzemeleriyle bina tasarımı yapmak mümkündür. Çelik yapılar, yüksek enerji sönümleme kapasiteleri ve hafif olmaları nedeniyle depreme karşı yapı tasarımında en çok tercih edilen sistemlerin başında gelmektedir. Depreme etkilerine karşı dayanıklı çelik çerçeve sistemler için birçok alternatif bulunmaktadır. Bu çerçeve sistemlere; moment aktaran çerçeveler, merkezi çaprazlı çelik çerçeveler ve dışmerkez çaprazlı çelik çerçeveler örnek gösterilebilir.
Bu çalışmada, moment aktaran süneklik düzeyi yüksek çelik çerçeve ile dışmerkez çaprazlı çelik çerçevenin oluşturduğu ikili sistemin TBDY 2018'e göre tasarımı yapıldıktan sonra doğrusal olmayan itme analizi ile deprem performansı incelenecektir. 6 katlı olan yapının deprem kuvvetini karşılayan çerçevesi 5 açıklıktan oluşmaktadır. Orta açıklıkta dışmerkez çaprazlı çelik çerçeve, yan iki açıklığında düşey yüklere çalışan basit kirişler, en dış açıklıklarda ise moment aktaran süneklik düzeyi yüksek çelik çerçeveler bulunmaktadır. Bu kapsamda çalışma altı ana bölümden oluşmaktadır.
Birinci bölümde, depreme dayanıklı yapı tasarımı hakkında bilgi verilip, moment aktaran çelik çerçeveler, merkezi çaprazlı çelik çerçeveler ve dışmerkez çaprazlı çelik çerçeve sistemlerin deprem etkilerine karşı özelliklerinden bahsedilmiştir. Sonrasında çalışmanın amacı ve kapsamı anlatılmıştır.
İkinci bölümde ise, depreme dayanıklı çelik çerçeve sistemler ile ilgili çalışmalar araştırıldıktan sonra özetlenmiştir. Yapılan araştırmalar sonucunda, moment aktaran süneklik düzeyi yüksek çerçeveler ve dışmerkez çaprazlı çelik çerçeveler ile ilgili çalışmaların bu iki sistemin beraber kullanılmasından oluşan ikili sisteme oranla daha fazla olduğu görülmüştür. Bu sebeple, tez kapsamında ikili sistemin deprem performansını incelemek uygun görülmüştür.
Çalışmanın üçüncü bölümünde, binanın genel özelliklerin bahsedilmiş ve yapısal analiz detaylarına yer verilmiştir. İlk olarak genel bina sistemi anlatılıp, sonrasında tasarımda dikkate alınacak sabit yükler, hareketli yükler, kar yükü ve deprem yükleri hakkında bilgi verilmiştir. Analiz sonucunda TBDY 2018 gereğince düzensizlik kontrolleri, göreli kat ötelemesi kontrolleri ve ikinci mertebe etkisi kontrolü yapılmıştır.
Çalışmanın dördüncü bölümünde, analizi gerçekleştirilen binanın boyutlandırılması yapılmıştır. İlk olarak dışmerkez çaprazlı çelik çerçevenin boyutlandırma detaylarından bahsedilmiştir. Bağ kirişleri kayma etkisiyle akma dayanımına ulaşacak şekilde seçilmiştir. Bağ kirişi dışındaki diğer elemanlar tasarım deprem kuvveti etkisinde elastik bölgede kalmaları için arttırılmış deprem etkileri altında boyutlandırılmıştır. Daha sonra, moment aktaran süneklik düzeyi yüksek çerçevenin deprem kuvvetinin %25'ini tek başına karşılayacak şekilde boyutlandırılması yapılmıştır. Son olarak, moment aktaran süneklik düzeyi yüksek çerçevenin dışmerkez çaprazlı çelik çerçeve ile beraber olduğu durumdaki düşey yükler ve rijitliği oranında aldığı deprem kuvveti etkisinde boyutlandırılması yapılmıştır.
Çalışmanın beşinci bölümünde, doğrusal olmayan analiz hakkında genel bilgiler verilmiştir. Sonrasında, doğrusal olmayan itme analizi yapılacak çerçevenin üç boyutlu modeli temsil etmesi için dikkat edilen hususlar ve malzeme modelleri açıklanmıştır. OpenSEES programındaki modellemeyle ilgili olarak genel bilgiler verilmiştir. Son olarak, itme analizi gerçekleştirilen çerçevenin taban kesme kuvveti, deplasman büyütme katsayısı, eleman dayanım kapasiteleri ve elemanların dönme değerleri incelenmiş, tasarımda yapılan kabullerle karşılaştırılması yapılmıştır.
Çalışmanın son bölümünde, doğrusal olmayan analizden elde edilen sonuçlar özet olarak verilmiş, yönetmelikteki kabuller ile karşılaştırılıp yorumlanmıştır.

Abstract:
Today, earthquake effects are one of the main determining factors in structural design. Earthquake resisting design philosophy; structural and non-structural elements are not damaged in mild earthquakes, the damage in structural and non-structual elements is limited and reperiable in modarate earthquakes, and the structure is prevent from collapsing by providing life safety in severe earthquakes. It is possible to design structures with different strucutral materials in accordance with this design philosophy. Steel structures are one of the most preferred systems in building design against earthquakes due to their hih energy absorption capacity and light weight. There are many alternatives for earthquake resistant steel frame systems. To these frame systems; steel special moment resisting frames, steel concentrically braced frames and steel eccentrically braced frames and dual systems with steel special moment frames capable of resisting at least %25 of prescribed seismic forces and steel eccentrically braced frames are examples.
The purpose of earthquake resistant building design is to achieve the predicted performance target under earthquake ground motion throughout the life of building. Within the scope of modern earthquake codes, earthquake resistant structure design is carried out linear and nonlinear calculation methods. Within the scope of linear calculation methods, the earthquake calculation of the structural system is made by determining the reduced earthquake loads corresponding to the system ductility capacity for the projected performance target by making certain assumptions. The nonlinear calculation methods take into account the displacements and structural damages that occur under the effects of earthquakes.
It is to design a structural system considering the elastic earthqauke loads, to assume that no damage occurs in the system and the frame elements remain in the elastic zone. In severe earthquakes, it becomes impossible to design a system under elastic earthquake loads economically and in terms of cross-section sizes. Therefore, the structures are designed to show inelastic behaviour under severe earthquake effects.
In this study the dual systems with steel special moment frames capable of resisting at least %25 of prescribed seismic forces and steel eccentrically braced frames according to TBDY 2018 and the earthquake performance will be examined with nonlinear pushover analysis method. The frame of the 6-storey building that resist the earthquake forces consists of 5 spans. There are steel eccentrically braced frame in the middle span. There are simple beams resisting to vertical loads in the next right and left spans. There are steel special moment frames at the first and last spans. Accordingly, the study consists of six main sections. 
In the first chapter, information about the earthquake resisting building design is given and the properties of steel special moment resisting frames, steel concentrically braced frames and steel eccentrically braced frames against erathquake effects are mentioned. Steel special moment resisting frames resist the effects of earthquakes with plastic hinge caused by flexure at the end regions of columns and beams and panel zone deformations caused by shear force at columns' panel zones. In addition, they provide high ductility under earthquake effects. Steel concentrically braced frames resist earthquake effects with plastic hinge caused by axial force effects at braces. Since they provide high rigidity, they have an advantage in terms of rigidity compared to other steel frame systems. Steel eccentrically braced frames show the high ductility feature of steel special moment frames and have high rigidity feature of steel concentrically braced frames. Steel eccentrically braced frame consists of column, beam, brace and link element. They resist the earthquake effects with the plastic hinge caused by shear or flexural effect occuring in the link element. The plastic rotation capacity of the link element provides high ductility and the braces provide high rigidity. Afterwards, the purpose and scope of the study was explained.
In the second part, studies on erthquake resistant steel frame systems are researched and summarized. As a result of the researches, more studies have been found on steel special moment resisting frames and steel eccentrically braced frames compared to dual systems with special moment frames capable of resisting at least %25 of prescribed seismic forces and steel ecctrically braced frames. For this reason, earthquakes performance of the dual system has been examined within the scope of the thesis.
In the third part of the study, the general features of the building are mentioned and structural analysis details are given. The building to be analyzed has 6 floors. The floor height consists of 18.5 meters, 3.5 meters on the ground floor and 3.0 meters on the other floors. The building plan is rectangular and their side lengths are 30 meters in the X direction and 18 meters in the Y direction. The axis distance in the entire building is 6 meters. Information was given about the dead loads, live loads, snow loads and earthquake loads to be considered in the design. As a result of the analysis, irregularity controls, drift control and second-order effect control were done in accordance with TBDY 2018.
In the fourth part of the study, the dimensioning of the building carrying out the analysis has been made. Firstly, the sizing cross sections of the steel eccentrically braced frame. Link beam are determined to reach yield strength by shear effect. Other elements other than the link beam have been dimensioned to remain in the elastic zone under the effects of increased earthquke forces. Later, the special moment resisting frame was dimensioned to meet %25 of the earthquake force alone. Finally, the dimensioning of the dual system was made under the effect of the earthquake force taken in the ratio of its stiffness and vertical loads.
In the fifth part of the study, general information about nonlinear analysis is given. Nonlinear analysis methods are used to examine the earthquake performance of structures. In this study, the nonlinear pushover analysis, which is one of the most widely used methods, was preferred. Nonlinear pushover analysis is the process of increasing the horizontal load step by step under vertical loads on the structure and determining the performance of the structure by considering the plastic deformantions in the elements. Then, the considerations for the frame to be nonlinear pushover to represent the three-dimensional model are explained. Material models are explained. General information about modeling is given in OpenSEES program. Finally, the base shear force, displacement amplification coefficient, strength capacities of the frame elements and rotation of the elements were examined and compared with the assumptions made in the design.
In the last part of the study, the results obtained from the nonlinear analysis are summarized, compared with the acceptances in the codes and interpreted. It has been determined that the rotation values of the link element at the top floors obtained as a result of the performance analysis are smaller than the rotation values calculated at the design stage.