Kompozit yüksek bir yapının deprem performansının zaman tanım alanında doğrusal olmayan yöntem kullanılarak belirlenmesi
Seismic evaluation of a composite high-rise building based on nonlinear dynamic time history analysis
Yazar: GÖKHAN ŞENOĞLU
Danışman: YRD. DOÇ. DR. BARLAS ÖZDEN ÇAĞLAYAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Yapı davranışı = Structure behavior ; Yapı dinamiği = Structural dynamics ; Yapı çeliği = Structural steel ; Yapısal analiz = Structural analysis ; Yapısal hasar = Structural damage

Özet:
Küreselleşme sebebiyle nüfusun büyük bölümünün kentlere yoğunlaşmasıyla birlikte yüksek yapıya olan ihtiyaç ortaya çıkmıştır. Geleneksel tasarım yöntemleriyle dizayn edilen yüksek yapılarda, son 50 yılda meydana gelen orta ve yüksek şiddetli depremler nedeniyle yapısal hasarlar oluşmuştur. Meydana gelen hasarlara bağlı olarak can, ekonomik ve sosyal kayıpların çok fazla olması, deprem etkilerinin gerçeğe en yakın olarak saptanması gerekliliğini doğurmuştur. Deprem etkileri altında dayanım esaslı tasarım yöntemlerine alternatif olarak şekil değiştirme esaslı tasarım yöntemlerinin geliştirilmesine başlanmıştır. Performansa bağlı tasarımın ana felsefesi, deprem etkisi nedeniyle taşıyıcı sistemde meydana gelebilecek yer değiştirme, şekil değiştirme ve hasar seviyelerinin önceden saptanmasıdır. Özellikle son 20 yılda ABD'deki araştırma çalışmalarının sonucunda hazırlanan ATC, FEMA dokümanlarıyla birlikte, kuvvete dayalı dayanım prensipleri, yerini yer değiştirme odaklı performansa göre tasarıma bırakmıştır. Günümüzde deprem etkilerinin dizayna hakim olduğu yüksek yapılar, performansa dayalı tasarım yöntemleriyle yapılmaktadır. Yüksek lisans tezi olarak tamamlanan bu çalışma kapsamında, taşıyıcı sistemi çerçeve ve yüksek sünek merkezi çelik çaprazlardan oluşan 47 katlı kompozit bir binanın ön tasarımı yapılarak, zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz yöntemiyle deprem performansı belirlenmiştir. Sayısal incelemede malzeme ve geometri bakımından doğrusal olmayan yapısal sistem, ETABS sonlu elemanlar yazılımı yardımıyla oluşturulan matematik model sayesinde, İstanbul Yüksek Binalar Deprem Yönetmeliği D3 felaket senaryosu ivme spektrumuna göre ölçeklenmiş yer hareketleriyle çözülmüştür.Yapının düşey yükler altındaki çözümü için AISC 360-10 yönetmeliği yük ve tasarım katsayıları tasarımı (LRFD) yöntemi tercih edilmiştir. Merkezi çelik çaprazların tasarımı için AISC 341-10 yönetmeliğinden de yardım alınmıştır. Doğrusal olmayan malzeme ve kuvvet şekil değiştirme eğrileri için ASCE 41-13 ve ATC-72 dokümanlarından yararlanılmıştır. Yapıya etkiyen yatay yüklerin hesabı için, İstanbul Yüksek Binalar Rüzgar Yönetmeliği 2009 ve İstanbul Yüksek Binalar Deprem Yönetmeliği 2008 esas alınmıştır. Çelik çaprazların ve kolon kiriş birleşim tahkikleri için kapasite prensipleri kullanılarak yapının boyutlandırılması tamamlanmıştır. Sunulan çalışma 6 kısımdan oluşmaktadır. Birinci bölümde, performansa dayalı tasarım ve değerlendirmenin kavramsal açıklaması yapılarak, tasarım yönteminin ortaya çıkmasına neden olan deprem etkileri ve hasar süreçlerinden bahsedilmektedir. Yapılan çalışmanın amacı da gene bu bölümde özetlenmiştir. İkinci bölümde, çok katlı yapıların gelişim aşamalarından bahsedilmektedir. Geçmişten günümüze kadar uzanan çok katlı yapı tasarımları incelenerek, daha yüksek yapılar inşa edilmesine olanak sağlayan taşıyıcı sistemlerin gelişimi anlatılmaktadır. Ayrıca bu bölümde yüksek yapıların bölgelere göre dağılımı ve kullanılan yapısal malzemeler değerlendirilmiştir. Çalışmanın üçüncü kısmında, yüksek bir yapının tasarımı için ele alınması gereken parametreler diğer disiplinleri de içine alarak irdelenmiştir. Bununla birlikte, yapısal taşıyıcı sistemlerin özellikleri ve kullanım durumları ile ilgili detaylı bilgilendirme yapılmaktadır. Yapı taşıyıcı sistemleri sınıflandırılarak, taşıyıcı sistem düzenlenmesi aşamasında önemli noktalara da bu bölümde değinilmektedir. Dördüncü bölümde, performansa bağlı tasarımın gerekliliği ve yöntemlerin tarihsel gelişimi anlatılarak, deprem yönetmeliklerindeki tasarım süreci günümüze kadar değerlendirilmektedir. Bu bölümde ayrıca Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik (2007) 'nin ilgili bölümleri irdelenerek eksik noktalarına değinilmektedir. Tezin beşinci kısmına,  sayısal olarak incelenen çok katlı yapının özelliklerinden, taşıyıcı sisteminden ve tasarım kabullerinden bahsedilerek başlanmıştır. Daha sonra, yapının sismik tasarımında kullanılan İstanbul Yüksek Binalar Deprem Yönetmeliği'nin tasarım ivme spektrumunun oluşturulması için gerekli ifadeler değerlendirilerek, farklı deprem düzeyleri için ivme spektrumları oluşturulmuştur. Çalışmanın önemli kısımlarından deprem yer hareketlerinin seçimi ve ölçeklenmesi bu bölümde yer almaktadır. Deprem kayıtları seçilirken dikkat edilmesi gereken hususlar, yönetmeliklerce öngörülen koşullar incelenmiştir. Yer hareketlerinin ölçeklendirme yöntemlerinin detayları anlatılan bu bölümde ayrıca ölçeklendirme yöntemleri karşılaştırılmıştır. Yüksek bir yapının maruz kaldığı dinamik rüzgar etkilerinin incelenmesi için İstanbul Yüksek Binalar Rüzgar Yönetmeliği kullanılmıştır. Rüzgar yüklerinin hesabı için gerekli olan rüzgar hızı profilinin çıkarılması için gerekli ifadeler anlatılmıştır. Rüzgar etkilerinin ardından yapısal elemanların tasarımlarına geçilmiştir. İlk olarak dairesel enkesitli kompozit kolon tasarımından bahsedilmektedir. AISC 360-10'da yer alan koşullar anlatılarak, tasarım için dikkat edilmesi gerekenler detaylandırılmıştır. Dairesel kompozit kolon tasarımındaki ilgili etki diyagramlarının oluşturulması için gerekli sınır durumlar da ek olarak bu bölümde yer almaktadır. Daha sonra kompozit kirişlerin plastik gerilme dağılımına göre tasarımının anlatımına geçilmektedir. Kesitteki gerilme dağılımı ve tasarım sınır koşullarının irdelendiği bu kısımda, kayma çivilerinin hesabı da bulunmaktadır. Kirişlerin ardından çapraz elemanların boyutlandırılmasında sınır koşullardan bahsedilerek, çekme ve basınç dayanımlarının hesaplanması anlatılmıştır. Sayısal incelemenin bir parçası olarak, merkezi çaprazların birleşimlerinin tahkiki de bu çalışma kapsamında incelenmektedir. Kapasite sınır koşullarına göre çaprazların birleşim hesaplarının aşamaları anlatılmıştır. Ayrıca geometrik ve konstriktif kurallar ilgili ifadelerle desteklenmiştir. Çapraz elemanların plastikleşmesinden dolayı oluşan etkilerle birlikte çaprazların bağlandığı kolon-kiriş birleşim hesabı yine bu bölüm içerisinde yer almaktadır. Beşinci bölümün sonunda doğrusal olmayan analiz modelinin oluşturulmasında dikkat edilmesi gereken hususlardan bahsedilmektedir. Kullanılan malzeme özellikleri ve sönüm değerleriyle birlikte, çevrimsel ve monotonik kuvvet şekil değiştirme eğrileri hakkında bilgiler verilmektedir. Çelik elemanlarda doğrusal olmayan şekil değiştirmeler sırasında meydana gelebilecek bozulmalarla birlikte, zaman tanım alanında analiz tanımlarından bahsedilerek bu bölüm tamamlanmıştır. Altıncı bölümde, yapılan çalışmanın ardından elde edilen sonuçlar ve yapılması düşünülen geliştirmeler için öneriler sıralanmıştır. Çalışma süresince oluşturulan hesaplama tabloları, taşıyıcı sistem elemanlarının boyutlandırılması için veri dosyaları, ölçeklenmiş yer hareketleri, sayısal analiz modeli görüntüleri ve performans değerlendirme sonuçları ekler bölümünde toplanmıştır.

Abstract:
The majority of the population has intensified to major cities by the impact of globalization, causes the need for high-rise buildings. High buildings which have been designed with conventional design procedures, have faced huge structural damages in consequence of middle and high level of earthquakes in past 50 years. Due to damages caused,  great number of life, economical and social losses show the necessity of designation of earthquake impacts close to reality. In earthquake regions, development of deformation based design procedures have been commenced as an alternative method of strength based design. The main philosophy of performance based design is, identification of  displacement, deformation and damage levels of structural members that faced to earthquake forces during the design process. Especially contribution of reports such as ATC, FEMA that  are published results of studies which have performed in USA in last 20 years, performance based design have became more popular than strength based design. Displacement based design procedure is used for current global design method for high-rise buildings in seismic regions. In scope of this study that is completed as a master of science thesis, 47 story composite high-rise building's, which consist of frames and special concentric braces preliminary design has been completed. Also seismic evaluation of a structure has been made with nonlinear dynamic time history analysis. In numerical examination, structural system that have material and geometrical nonlinearity, is analysed with finite element software named Etabs with scaled ground accelerations according to Istanbul High-rise Building Earthquake Code MCE level (D3) earthquake acceleration spectra. AISC 360-10 design code is followed for the gravity load design of the structure with load and resistance factor design. For ductile members, especially special concentric braces are designed according to AISC 341-10 and AISC 360-10.  Nonlinear material properties and idealized force deformation relationship of the members are formed by following ASCE 41-13 and ATC-72 documents. In order to determination of the lateral loads of the structure, local wind and earthquake codes of Istanbul are used. Istanbul High-Rise Buildings Wind and Earthquake codes are not official codes however they both are recommended to be followed for the buildings higher than 60 meters located in Istanbul thats why; in this study these reports are based on determination of lateral effects. Connection of special concentric braces and frames are performed according to capacity principles also design steps are explained with construction rules and limitations. This study consist of 6 parts. In first part, definition of performance based design concept and necessity of seismic evaluation are explained. Moreover, earthquake effects and damage levels caused to create displacement based design method are mentioned. General scope of this study is also summarized in this part. Second part begins with development process of multi story structures. From past to present, design of high buildings are investigated, and evolution of structural systems which allow structural engineers to be able to design higher structures, are indicated as well. Additionally, distribution of high-rise buildings according to regions and materials used is mentioned in this chapter. Third section of the study includes, high-rise building design parameters with taking into consideration of other disciplines as a design team. Also properties of structural systems and application cases for the building types, are explained in detail. While classification of structural systems, significant points are discussed for arrangement of structural system of given building. In fourth chapter, necessity of performance based design and historical development of methods are explained. This part includes design process of seismic design codes until today for the buildings constructed in seismic regions. Moreover, related parts of  Turkish Seismic Code 2007 are investigated while missing topics and concepts are mentioned. Fifth part of the study starts with, explanation of details for high-rise building that is considered in numerical examination, structural system properties and design assumptions are also mentioned. Afterwards, required expressions are given for creating design acceleration spectra for different intensity of earthquakes using with Istanbul High-Rise Buildings Seismic Code. One of the most important section as selection and scaling of ground motions takes place in fifth part as well. Important issues about selecting ground motions and limitations offered by seismic codes are investigated. While methods for scaling ground motions are explained in details, comparison has been made for parameters and results for mentioned scaling methods. In order to investigate dynamic wind effects for a high-rise building, Istanbul High-Rise Wind Provision is followed. Although Turkish Wind Code is on regulation, it has not been updated for a long time and doesn't include dynamic effects of the wind pressure therefore; that code is not considered in this study. Determination of wind loads, required expressions are explained in order to create wind speed profile of the structure. After calculation of wind loads, design phases of structural members are mentioned. First of all, concrete filled tube design according to AISC 360-10 provision is explained in detail with supplied expressions for each step, then major points for taken into consideration during the design are suggested. Limit states for creating capacity curves of concrete filled tubes are also defined in this chapter, these states are supported with expressions. Take advantage of capacity curves, moment axial force design curve including buckling is given as well. Composite beam calculation phases with plastic stress distribution is explained in detail. The part, which composite beam design limitations and rules are identified according to AISC provisions, also includes calculation of shear studs needed for composite action on beam. After columns and beams, calculation and sizing of special concentric braces are mentioned with specifying tension and compression strength of the brace member in ultimate limit states. As a part of numerical examination, connection checks for special concentric braces and frames are investigated with supported equations and geometric limitations. Capacity limit states are applied for identifying maximum effects that connection might encounter, by considering different loading cases. Calculation of typical beam-column connection where brace is also joined, is likewise shown in fifth chapter with taking into consideration of plastic hinge occurrence in brace section. Finally, important issues are discussed for creating nonlinear analysis model. Additionally, nonlinear material properties and damping values are explained, moreover monotonic and cyclic behavior of force-deformation relationship of steel members are indicated. Before concluding this part, reasons of degredations for force deformation relationships in steel elements are discussed and definitions of nonlinear time history analysis application are explained briefly. Section six includes, results of numerical examination of the study and suggestions for further development studies respectively. Calculation tables, charts, figures of numerical analysis model, spreadsheets of structural member design, scaled ground motions and performance assessment results are given in appendix section.