Non linear time history analysis of a 28 story steel building
28 katlı çelik bir binanın zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizi
- Tez No: 485284
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 115
Özet
Çok katlı yapıların performans analizi tarih boyunca incelenen bir araştırma konusu olmuştur. Çeşitli malzemelerden ve taşıyıcı sistemlerden oluşan yapıların analizinde doğrusal veya doğrusal olmayan analiz türleri üzerinden türlü yöntemler içeren performans değerlendirmeleri yapılmıştır. Bu çalışmada, İstanbul'da bulunan 28 katlı, 110 metre yüksekliğindeki çeşitli yatay taşıyıcı sistemlere sahip bir çelik yapı, zaman tanım alanında doğrusal olmayan hesap yöntemiyle incelenmiştir. Hesap doğrultusunda analiz yazılımı olarak OpenSEES isimli açık kaynak kodlu yazılımdan faydalanılmış, yapıya ait küçük modeler oluşturarak küçükten tüm modele doğru ilerleyerek SAP2000 modeliyle doğrulama yöntemine gidilmiştir. Doğrulama yapıldıktan sonra Türkiye Deprem Yönetmeliği 2007 kapsamında seçilen yedi dizayn depremi doğrultusunda yapı incelenmiştir. Bu doğrultuda göreli kat ötemeleri, kolon başlık uç fiberlerinin şekil değiştirmeleri, çaprazların ve kirişlerin iç kuvvetleri ve plastikleşme durumları incelenmiştir. Performans değerlendirilmesine tabi tutulan bu çelik yapıi moment aktaran çelik çerçeveler, merkez ve dışmerkez çaprazlı çelik çerçeveleri içeren çeşitli yatay taşıyıcı sisteme sahip bir sisteme sahiptir. Bu yapının büyük bir bölümünde kullanılan süneklilik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçeveler, tarih boyunca kullanılan en eski ve en temel çelik taşıyıcı sistemlerin başında gelmektedir. Mimari tasarımlara ve kat yüksekliğine bağlı olarak moment aktaran çerçeveler, çapraz elemanlarla birlikte de kullanılabilmektedir. Moment aktaran çerçevelerin mühendisler tarafından tercih nedeni, genelde mimari konuda avantaj sağlamaları ve yatay kuvvetler etkisinde yüksek plastik enerji sönümlemeleri nedeninden ileri gelmektedir. Fakat bu yüksek enerji sönümleme kapasitesine bağlı olarak yüksek kat ötelemesi talepleri de oluşmaktadır. Bahsedilen yüksek plastik enerji sönümleme özelliklerinin tam verimde kullanılabilmesi için, moment aktaran çerçevelerin standart ve kodların belirttiği şartlara uygun olarak tasarlanmasına özen göstermek gerekmektedir. Moment aktaran çerçevelerin boyutlandırılması Northridge depremi öncesi ve sonrası olarak iki kategoriye ayrılabilir. 17 Ocak 1994 yılında meydana gelen, merkezi üssü Northridge olan ve 6.7 moment büyüklüğüne sahip deprem Amerika Birleşik Devleti'ni vurmuş, 20 milyar dolarlık maddi hasar bilançosuyla o zamana kadarki ABD tarihinin en masraflı afeti olarak tarihe geçmiştir. Deprem sonrası hiçbir çelik yapı çökmemiş, fakat kimi sonradan yapılan incelemelerde kimisi ise tesadüfü olarak bir sürü yerel hasarlar tespit edilmiştir. Bu hasarların geç keşfedilmesinin nedenş, birçoğunun diğer elemanları içinde gizli kalmasından kaynaklanmaktadır. Bu hasarlardan sonra yönetmelikteki çoğu şartlar ve bağlantı türleri yeniden gözden geçirilmiş ve deneysel çalışmaların yenilenmesi kararı alınmıştır. Yapılan araştırmalar sonucu bu bağlantıların hasar görmelerinin tek bir nedene bağlı olmadığı, hasar nedeninin daha komplike olduğu sonucuna varıldı. Bu sepepler doğrultusunda standartlara işçilik ve denetim kontrolleri, kaynak tasarımı, kırılma mekaniği, çeliğin beklenen akma gerilmelerini içeren gerilme sınırları, gerilme birikmeleri, üç eksenli gerilme etkisi, kompozit döşemelerin varlığı ve yükleme sınırlarını göz önüne alan güncellemeler yapıldı. Genel olarak bu şartların başında, çerçevelerde dikkat edilmesi öngörülen güçlü kolon zayıf kiriş ilkesine uygun tasarım yapılması gelir. Bunun başlıca nedeni, deprem kuvvetlerinden gelen yatay kuvvetlerin sonucu oluşan yüksek talep doğrultusunda plastik mafsalların, kiriş uçlarında oluşmasını sağlamak içindir. Bu ilkeye paralel olarak, korunaklı bölge ilkesi de plastik mafsal oluşması beklenen kiriş bölgesine hiçbir müdahele yapılmamasını öngörerek plastik mafsal oluşum bölgesinin değişimini engellemeyi hedef almaktadır. Bununla birlikte, moment aktaran çerçeveler, standartların uygun gördüğü esaslara göre bağlantı detayı tasarımı yapımı yoluna gidilmelidir, veya önceden onaylanmış tipik bağlantıların uygulanması yoluna gidilmelidir. Taşıyıcıda kullanılan bir diğer yatay taşıyıcı sistem olan süneklilik düzeyi yüksek merkezi çaprazlı çerçeveler, çerçeve sistemlerin çapraz elemanlarla desteklenip, bağlantı noktalarının herhangi bir ekzantirisite oluşturmadan bağlanmasıyla elde edilir. Çaprazlı çerçeveler, moment aktaran çerçevelere göre yatay yükler altında daha rijit bir davranışa sahiptir ve kat ötelemeleri engelleme konusunda moment aktaran çereçvelere göre daha etkilidir. Buna rağmen, merkezi çaprazlı çerçeve sistemlerin kapasitesi genellikle basınç etkisinde çapraz elemanın burkulmasıyla sınırılıdır. Çelik elemanların çevrimsel yük altında sabit bir kapasiteye sahip olmadığı, ve her çevrimde basınç kapasitesinin azaldığı bilinmektedir. Deprem yüklerinin de zaman tanım aralığında yönü ve şiddetinin sabit olmadığı bilinmektedir. Dolayısıyla gerçek bir deprem etkisinde basınç elemanının, deprem süresi boyunca aynı basınç kapasitesinde çalışmayacağı hesaba katılmalıdır. Basınç elemanın burkulma evresine kadar geçen süre zarfında, basınç ve çekme çapraz elemanları yatay yükler altında eşit miktarda yük etkisinde kalır. Dolayısıyla bu elemanların birleşim noktasında, normal kuvvetin düşey birleşeni dengelenmiş olur. Bununla beraber, basınç elemanı burkulduktan sonar, çekme elemanının maruz kaldığı eksenel çekme kuvveti, iki katına yakın bir miktarda artış gösterir ve bu sefer bu eksenel yükün düşey birleşenini dengeleyecek bir eleman yoktur. Dolayısıyla bu etki, çaprazların birleşim noktasında kirişe“dengelenmemiş kesme yükü”etkisini gösterir. Günümüzde süneklilik düzeyi yükek merkezi çaprazlı çerçeveler, mimari sınırlara uyduğu takdirde, moment aktaran çerçevelerle birlikte kullanılarak kat ötelemelerini sınırlandıran etkili bir taşıyıcı sistem olarak kullanılabilmektedir. Ülkemizde popülerliği artan ve bu yapıda kıllanılan bir diğer yatay taşıyıcı sistem olan dışmerkez çelik çaprazlı çerçeveler, çapraz elemanların aynı noktada değil, önceden belirlenen dışmerkezlik ile bağlandığı çerçeve sistemlerdir. Bu sayede çapraz elemanların yatay kuvvet etkisinde kaldığı eksenel kuvvetlerin bir kısmını, link elemanı adı verilen kirişin dışmerkezlik içinde kalan parçasına kesme kuvveti olarak aktarmasına olanak sağlar. Bu çerçeveler, moment aktaran çerçeveler ve merkezi çaprazlı çerçeve sistemlerin karışımı olarak düşünülebilir. Dışmerkez çelik çaprazlı çerçeveler, moment aktaran çelik çerçeveler gibi mimari sınırları fazla etkilemeden plastik enerji sönümleme kapasitesine sahipelrdir ve moment aktaran çelik çerçevelerden daha etkili bir şekilde kat ötelemelerini sınırlandırabilirler. Taşıyıcı elemanın davranışı ve mekanizma durumu, link eleman adı verilen kiriş parçasının uzunluğuna göre değişiklik göstermektedir. Kirişin plastik moment kapasitesinin kesme kapasitesine oranıyla elde edilen değere göre link elemanlar kısa, orta ve uzun linkler olarak üç kategoriye ayrılır. Kısa link elemanların, moment etkisinden önce kesme etkisinde plastikleşmesi beklenirken, uzun link elemanlar kesmeden önce moment etkisinde plastikleşirler. Orta linkler ise hem kesme hem de moment etkisi anında aynı anda plastikleşirler. Bu çalışma kapsamında bahsedilen üç ayrı taşıyıcı sistemin OpenSEES'te modellenmesi ve doğrulanması hedeflenmiştir. Moment aktaran çelik çerçevelerin kolon-kiriş elemanı olarak tanımlanıp, bütün elemanları fiber kesit olarak tanımlanmıştır. Bu tasarım ilkeleri doğrultusunda model, zaman tanım aralığındaki davranışı OpenSEES ve SAP2000'de ayrı ayrı incelenmiş ve doğrulanmıştır. Merkezi çelik çaprazlı çerçeveler için bu çerçeve sistemine ek olarak, çapraz elemanlarla birlikte bağlantı plakaları da modellenmiştir. ANSI AISC 341'e göre düzlem dışı burkulmayı başlatabilmek için bu levhanın uzunluğu, aynı plakanın kalınlığının iki katı olarak tanımlanmıştır. Bağlantı plakasının geri kalan bölgesi rijit olarak tanımlanmıştır. Çarpaz elemanın bağlantı plakasından ayrı kalan ve temiz açıklık olarak tanımlanan uzunluğunun orta noktasından, temiz açıklığının belli bir oranı kadar düzlem dışı başlangıç yerdeğiştirmesi tanımlanmıştır. Bu özellik, inelastik davranışı geometrik olarak tanımlayıp, çevrimsel yükler altında çapraz elemanın davranışını simüle etmede yardımcı olması amacıyla yapılmıştır. Dışmerkezi çaprazlı çerçevelerin kolon kiriş modellemesi de önceki iki taşıyıcı sisteme benzer olarak tasarlanmış, çapraz elemanlarında da benzer tasarım ilkeleri öngörülmüştür. Kirişin dışmerkezlikten dolayı oluşan ve link elemanı adı verilen bu parçanın davranışı için bu bölgeye özel olarak fiber kesitler değil, plastikleşmenin uç noktalarda toplandığı eleman özellikleri tanımlanmıştır. Ve uç noktalardaki davranışın tanımı için kesme kuvveti ve şekil değiştirme bazında üç farklı elastisite modülü olan bir malzeme tanımlanmıştır. Bu malzeme uç noktalarda bir yay olarak tanımlanmış ve link elemana atanmıştır. Bu doğrultuda kesmeden dolayı oluşacak olan kesme mafsalının oluşumu daha rahat gözlemlenebilecektir. Doğrulanan çerçeve modeller, daha sonra aks aks 6 kata kadar modellenmiş tekrar doğrulandıktan sonra bütün yapı modellenmiştir. Bu yapının da modal analiz sonuçları orjinal modeliyle uyumlu çıktıktan sonra yedi dizayn depremine göre zaman tanım alanında doğrusal olmayan analize tabi tutulmuştur. Bu analiz sonucunda kat ötelenmeleri, kolon şekil değiştirmeleri, çapraz elemanları şekil değiştirmeleri ve eksenel kuvvet durumları ve link elemanlarının kesme ve moment değerleri incelenmiştir. Göreli kat ötelemeri sonuçlarına bakıldığında dizayn koşullarının sınırladığı 0.02 değerinin aşılmadığı görülmüştür. Yapının davranışı incelendiğinde en büyük kat ötelemeleri, sadece dışmerkez çelik çaprazlı çerçeve sistemlerinin olduğu katlarda, yani ilk dört katta gözlemlenmiştir. En düşük kat ötelemelerinin olduğu bölgeler ise dış merkez çelik çaprazlı çerçeveler ve merkezi çelik çaprazlı çerçevelerinin birlikte olduğu dört ve altıncı katların arasında olduğu gözlemlenmiştir. Bu katlar yapının en rijit bölgesi olarak kabul edilebilir. Analiz öncesinde kolonların elastik kalması beklenmekteydi. Analiz sonuçlarına göre kolon kesitinin başlık kısmındaki uç fiberlerden alınan şekil değiştirme verilerine bakılarak kolonların elastik kaldığı sonucuna varıldı. Aynı şekilde çapraz elemanların da normal kuvvet değerleri ve şekil değiştirmeleri okunarak hiçbirinin akmaya veya burkulmaya ulaşmadığı sonucuna varıldı. Analiz öncesi yapılan hesaplamalarda link elemanların“uzun link”olduğu sonucuna varılmıştı. Yani bu elemanların kesme kuvvetinden önce moment etkisi altında plastikleşmesi öngörülüyordu. Analiz sonuçlarından alınan verilere göre bu elemanlar çalışmaları destekleyen doğrultuda önce moment etkisi altında plastikleşmiştir. Bununla birlikte yapının ilk üç katında hem moment etkisinde, hem de kesme kuvveti etkisinde plastikleşme gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Performance assessment for the buildings under earthquake loads has been popular as a study case for years. Many of the buildings including different material types, structural types has been put through either linear or nonlinear analysis to evaluate the performance of the building. In this study, a 110 m tall, 28 story steel building with different structural framing types including Special Moment Resisting Frames (SMRF), Special Concentrically Braced Frames (SCBF) and Eccentrically Braced Frames (EBF)'s have been put through a nonlinear time history analysis via the ground motions obtained based on TEC2007 and evaluated the performance of the structural elements. The building which has been put through a performance assesment involves several types lateral resisting frame systems. One of them is Special Moment Resisting Frames (SMRF) and they have been used widely across the building. The frame system is the oldest and most basic structural frames than other type of lateral resisting frames. Moment frames have been picked and used by engineers throughout the history. They are almost never interferes with the architectural plans and able to dissipate high amount of plastic energy. However, while dissipating that much of plastic energy, it comes with also big demands in terms of story drifts. So they are often preferred to be used along with braced frames. Other lateral resisting frame system has been used for the study building is Special Concentrically Braced Frames (SCBF). They are the type of framing system supported with braces in frame plane and in theory, as old as the Special Moment Resisting Frames. Braced frames are in terms of controlling drifts, undoubtly gives better results than moment frames but not as better as dissipating plastic energy since the response is more rigid than moment frames. The usage of brace elements are also limited since it generally interferes with the architectural plan. Because of this reason, placement of the braced frames are generally depended on the architectural layout. One of the main complexities of the concentrically braced frames are, the capacity of the framing system is depended on the buckling of the compression brace. Last type of the lateral resisting frame system used for the building is Eccentrically Braced Frames (EBF). They are the type of braced frame systems where the braces are connected to the other structural elements with a pre-defined eccentricity. The beam segment in this eccentricity is also called as“link element”. The behavior of the EBF's are mixture between moment frames and concentrically braced frames. Meaning, they are able to dissipate huge amount of energy, while controlling drifts better than concentrically braced frames. They also do not interfere architectural plans as much as the concentrically braced frames do. The behavior and mechanism of the EBF's are depended on the length of the link element. If the plastic moment capacity to shear capacity ratio is higher than a value that is specified by codes, the link is called as“long links”and expected to yield in flexure first, before shear. In reverse situation they are called“short links”where they are expected to yield in shear first rather than flexure. The values between these often causes a yielding in both shear and flexure at the same time, so that zone is called as“intermediate links”. In this study, OpenSEES has been selected as the main analysis software. Because OpenSEES is open source, short in analysis time and many of the modifications to the analysis is possible. SMRF's has been modelled as beam-column elements, using fibers as plastic hinges throughout the elements and they are verified through a nonlinear time history analysis with SAP2000. The same procedure has been used for SCBF's including modelling the connection plates in agreement with ANSI, determining the length of the gusset plate for two times of the connection plate thickness in order to start out of plane buckling. Rest of the connection plates were modelled as rigid. The clean span between braces has been divided into two and a initial imperfection around a portion of the clear length of the brace has been applied to the perpendicular direction to the framing plane, in order for OpenSEES to be able to start buckling simulation. For the link elements, elements supporting lumped plastic hinges have been preferred. The link element behavior has been defined through a spring at the both ends of the link elements which have tri-linear properties as in shear force deformation, that have three different tangent modulus at pre defined plastic shear force values. After all the modelling and verifying has been carried out in frame base. The structure has been modelled as 6 story grids and they are also verified. Lastly, whole structure has been modelled and put through a modal analysis and compared the results with SAP2000 model. A nonlinear time history analysis has been done to the whole model for seven selected ground motions after all the verifications has been finished. The structure has been checked with drift ratios, column strain ratios, brace axial loads and strains and beam element internal forces. Inter story ratios of the buildings were below the limit of 0.02 which is defined through the codes and standards. Highest drifts occur at the floors where the only lateral resisting systems are EBF's which are between first and fourth floor. Lowest drifts occur at the floors where EBF's and SCBF's exists together, which is between fourth and sixth floor. This is also the most rigid zone of the structure. Columns were expected to remain elastic in order for them to pass the check. Check for columns also has been done via checking the edge fibers at the flanges of the columns. The results showed that all the columns remain elastic. Strain and axial load check for braces also showed that braces have not been yielded nor buckled. According to the calculations before the analysis, the link elements are found to be“long links”therefore they are expected to yield at moment first before shear. Analysis results showed that they are indeed yielded at moment first before shear. Also for the link elements at first four floors yielded at both moment and shear.
Benzer Tezler
- Yapı sistemlerinin dinamik dış etkiler altındaki davranışlarının incelenmesi
Başlık çevirisi yok
YAVUZ DURGUN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiYapı Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERKAN ÖZER
- Birbirine dik doğrultudaki dışmerkez çaprazlı çelik çerçevelerin ortak kolonlarının gerekli dayanım bakımından incelenmesi
Investigation of common columns of eccentrically braced frames perpendicular to each other in terms of required strength
MUHAMMED SALİM YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER
- Betonarme binaların enerji sönümleyici yastıklarla bağlı önüretim perdelerle dışarıdan güçlendirilmesi
Strengthening of rc structures with external energy dissipating rc walls
SELÇUK ZENGİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. İHSAN ENGİN BAL
- Yüksek yapılarda betonarme perde duvarların kesme davranışı üzerine parametrik bir çalışma
A parametric study on the shear behavior of reinforced concrete shear walls in tall buildings
ALİ İHSAN ÖZCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BARIŞ ERKUŞ
- Dört ve sekiz katlı taban ankastre betonarme binalar ile taban yalıtımlı hallerinin deprem performanslarının karşılaştırması
Comparison of preformance analysis for eight and four story reinforced concrete structure with fixed end and base isolation systems
ISAM ATTAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Deprem MühendisliğiBursa Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MELİH SÜRMELİ