Çelik plakalı perde duvar sistemleri
Steel plate shear walls
Yazar: HALİL FURKAN TAŞTAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖMER TUĞRUL TURAN ; DOÇ. DR. BARLAS ÖZDEN ÇAĞLAYAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bu tezde Amerika ve birçok ülkede kodlarda bulunan ama Türkiye'de henüz yönetmeliğe girmemiş çelik plakalı perde duvar sistemleri işlenmektedir. Farklı disiplinlerin gereksinimleri doğrultusunda yapıların yatay kuvvete karşı dayanımında aranan şartları sağlamakta gayet etkin bir sistem olan çelik plakalı perde duvar sistemleri, bu tez içerisinde hem pratikte hem de teoride anlatılmış, avantajları ve dezavantajları üzerinde durulmuştur. İlk ana bölümde çelik plakalı perde duvar sistemleri açıklanmış, avantajları ve dezavantajları üzerinde durulmuş, yönetmelikte olan ve yönetmeliğe girebilecek sistemler tanıtılmıştır. Tipik çelik plakalı perde duvar sistemleri yatay kuvvete karşı özellikle yüksek binalarda kullanılan bir sistem olsa da, sistemin elemanları veya davranışı gereği farklı tiplerde taşıyıcı istem türleri önerilmiştir. Deneyler ve yazılımlarla desteklenen bazı yeni sistemler yönetmeliklerde bulunmamasına rağmen yapının davranışına göre taşıyıcı sistemde düzelmeler sağlayarak, hem ekonomik olarak hem de yapı elemanı olarak tasarımcıya daha uygun şartlar sağladığı gözlemlenmiştir. Ayrıca tarihte şartlar ve gereksinimler gereği yapılarda kullanılan bu taşıyıcı sistemler örneklenmiş, diğer yatay kuvvete karşı dayanım gösteren diğer taşıyıcı sistemlere göre farklılıkları anlatılmıştır. İkinci ana bölümde tek katlı çelik plakalı perde duvar sisteminin yönetmeliğe göre hesaplamaları gösterilmiş ve hesaplanan sistemde AISC yönetmeliğince istenen şartlar sağlanmıştır. Ayrıca sistemde söz konusu bazı elemanlar üzerindeki kuvvet değerlerini bulmak için farklı yöntemler önerilmiş ve bu yolların avantaj ve dezavantajları anlatılmıştır.
Üçüncü ana bölümde çok katlı bir çelik yapının ana yatay kuvvete dayanım sistemi çelik plakalı perde duvar sistemi olarak tasarlanmış ve hesaplamaları gösterilmiştir. Katlarda bulunan çelik plakalı perde duvar sistemlerinin birbirleri üzerindeki performans etkileri dolayısıyla hesaplamalar yeniden gösterilmiş ve ikinci ana bölümde olmayan yapıdaki diğer eleman hesaplarını gerektiren diğer hesaplamalar da verilmiştir. Yapının tasarımında esas olarak Türk deprem ve çelik yapılar yönetmeliği kullanılsa da Amerikan Deprem ve Çelik yönetmeliğine de bazı durumlarda başvurulmuştur. Ayrıca yönetmelikte kullanılması izin verilen iki farklı yöntemden biri seçilerek yapı tasarlanmış ve bunun yanı sıra diğer yöntem de açıklanmıştır. Dördüncü ana bölümde, ikinci ana bölümde yönetmelikler tarafından verilen formüller kullanılarak el hesaplamaları gösterilmiş çelik plakalı perde duvar sisteminin ABAQUS yazılımı ile analizi yapılmıştır. Bu bölümle çelik plakalı perde duvar sistemlerinin yatay yük etkisinde davranışı, çelik plaka ve sınır elemanlarının dayanım üzerindeki etkisi ve çelik plakalardaki geometrik kusurların dayanıma etkisi anlatılmıştır. Yapılan hesaplamalar, açıklamalar ve örneklemeler üzerine çelik plakalı perde duvar sisteminin yapı üzerinde yatay kuvvete dayanım açısından etkin bir sistem olduğu kanıtlanmış ve gerektiğinde sistem türü değiştirilerek daha ekonomik sonuçlar elde edilebileceği gösterilmiştir. Henüz Türk yönetmeliklerine girmemiş bu taşıyıcı sistemin, ileri tarihlerde Amerikan yönetmeliğindeki yeri ve türleri güncellendiğinde ülkemizin yönetmeliklerine en kısa zamanda girebileceği ve Türk mühendislerine etkin bir tasarım aracı olarak sunulması umulmaktadır

Abstract:
In this thesis, the steel plate shear wall systems ,which are included in American and other national codes but not in Turkish codes, are discussed. To satisfy the expectation and requirements from other branches like architectures and mechanical engineers, the steel plate shear wall systems that are effective systems against lateral forces in structures, are explained theoratically and practically. Some new steel plate shear walls
systems with their advantages and disadvantages are discussed according to reference documents. Also the steel plate shear wall systems, which are used because of strength requirements, easy construction, their advantages in old buildings like hospital and libraries, are shown and explained why these systems are used instead of the other
lateral load resisting systems. Finally, advantages and disadvantages of typical steel plate shear walls systems are discussed in this thesis. In the first main chapter, typical steel plate shear wall systems are explained,
advantages and disadvantages are considered, new steel plate shear wall systems, which are not in Turkish codes, are described. Although steel plate shear wall systems are effective lateral load resisting systems especially in tall buildings, some new systems are suggested because of member and behavior of steel plate shear wall systems. Even though new systems ,which are proved as better systems for specific conditions by experiments and some finite element softwares, are not included in other national codes, it is observed that they have better conditions regarding economy and structural member for structural engineers because of their improved systems. Also some building examples in history showing why steel plate shear wall systems are used instead of other bearing systems and why steel plate shear wall systems differ from other lateral load resisting systems, are mainly explained in this chapter. In the second main chapter, single storey steel plate shear wall system is calculated according to codes and the conditions given in AISC. In that chapter, only main calculations like design of steel plate and boundary members are shown and some other calculations like the connections between steel plate and boundary members, connections between horizontal and vertical boundary elements are not shown. Basic requirements like minimum moment of inertia of boundary elements, minimum thickness in boundary elements are fulfilled. Besides some methods to find the forces on members of the system are suggested and advantages and disadvantages of these
methods are explained. In the third main chapter, 4 storey steel structure ,where main lateral load is resisted
by the steel plate shear wall system, is designed and the calculations are given. The same basic calculations in the second main chapter are demonstrated again to show the effects of the systems in different stories on each other. Some calculations not included in the second main chapter are carried out because these calculations are needed for the other structural members. Although the Turkish seismic code as well as Turkish steel structures code are used in these calculations, American seismic code must be used in some parts of calculations due to necessity. Also even though there are 2 solution methods which are allowed in American codes, one of the method is used where the other method is described. Finally, time history and pushover analyses are used to evaluate the structure behavior and results are disccussed and compared to some reference documents. In the forth main chapter; the steel plate shear wall, which calculations according to formulas from the relevant codes is shown in the second main chapter, is analyzed with ABAQUS software and compared to some reference documents. The lateral load
behavior of steel plate shear wall, the effects of steel plate and boundary members on steel plate shear wall, the effects of buckling modes on steel plate shear walls and the effect of initial imperfection of thin and thick steel plate are shown step by step in that chapter. Also the results,which are got from ABAQUS software, are compared to the model data,which is collected from SAP2000 model, and hand calculations. In summary, behavior of steel plate shear walls is analogous to a vertical plate girder cantilevered from its base. Similar to plate girders, the steel plate shear wall system optimizes component performance by taking advantage of the postbuckling
behavior of the steel infill panels. A steel plate shear wall frame can be idealized as a vertical cantilever plate girder, in which the steel plates act as the web, the columns act as the flanges and the cross beams represent the transverse stiffeners. The theory that governs plate design should not be used in the design of SPW structures since the relatively high bending strength and stiffness of the horizontal and vertical boundary elements have a significant effect on the post-buckling behavior. Capacity design of structures is to control failure in a building by pre-selecting localized ductile fuses (or weak links) to act as the primary location for energy dissipation when a building is subjected to extreme loading. The structure is designed such that all inelastic action (or damage) occurs at these critical locations (the fuses), which are designed to behave in a ductile and stable manner. Conversely, all other structural elements are protected against failure or collapse by limiting the load transfer to these elements to the yield capacity of the fuses. In steel plate shear wall systems, the infill plates are meant to serve as the fuse elements. When damaged during an extreme loading event, they can be replaced at a reasonable cost and restore the full integrity of the building. In general, steel plate shear wall systems are categorized based on their performance, selection of structural and load-bearing systems, and the presence of perforations or stiffeners. Also in this thesis, It is proved that steel plate shear wall systems are effective lateral load resisting system according to calculations, explanations and examples given in this thesis and new bearing systems can be used for specific conditions for economy and better structural behavior. Especially in high buildings, the steel plate shear walls are prefferred thanks to high energy dissipation and ductility, high stiffness and architectural advantages. Even though it is temporarily not a part of Turkish codes, it is hopefully expected that this system will be a part of Turkish codes thanks to improvements in other codes.