Performance comparison of eccentrical and concentrical braced steel frame structures with non-linear push-over method
Doğrusal olmayan itme analizi yönetemi ile merkezi ve dışmerkezli çaprazlı çelik çerçeve sistemlerin süneklik performanslarının karşılaştırılması
- Tez No: 683920
- Danışmanlar: PROF. DR. ELİŞAN FİLİZ PİROĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 121
Özet
Deprem bölgesinde bulunan tüm yapılar, sismik etkiler göz önüne alınarak boyutlandırılmalıdır. Beklenenden daha büyük bir deprem olması durumunda, yapıların süneklik seviyeleri ve doğrusal olmayan davranışları böyle bir deprem altında oluşacak hasarı etkileyen faktörlerdir. Çelik yapılar, betonarme yapılara göre daha sünek davranış gösterirler. Bu sebeple sismik etkilere direnmek için daha güvenli binalar inşa etmeye çalışan tasarımcılar tarafından çelik yapılar tercih edilmeye başlanmıştır. Malzemelerin ve yapıların elastik olmayan davranışı yıllar boyunca önemli bir araştırma alanı olmuştur. Sünek tasarım hususları, tasarımcıların bölümleri azaltarak maliyetleri en aza indirmelerine ve emniyet ve güvenlik sınırlarını göz önünde bulundurarak hafif sistemler tasarlamalarına olanak tanır. Bu hususta Afet ve Deprem Koordinasyonu Merkezi'nin oluşturduğu Türkiye İnteraktif Deprem Haritaları'nın değeri büyüktür. Her ne kadar sayıca artırılırsa da geniş ölçekte varsayımlar yapmaktan öteye geçemeyen deprem bölge haritaları, nihayet günümüzde kullanılan tasarım yaklaşımlarına uygun bir güncelleme ile mühendislerin kullanımına sunulmuştur. Doğrusal olmayan yapı davranışını hızlı ve güvenli bir şekilde analiz etmek için, bilgisayar destekli sayısal analiz programları yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu programların grafik arayüzleri ve hesaplama kapasiteleri yardımıyla, plastik mafsal oluşumunu ve her yükleme adımındaki taban kesme kuvvetine karşı gelen yer değiştirme talebini yansıtan bir kapasite eğrisi elde ederek, yapıya özgü deprem davranışını belirleyen bir davranış katsayısı olan R elde edilebilmektedir. R katsayısı, depreme dayanıklı yapılar tasarlarken kullanılan yatay deprem yüklerini azaltmak için kullanılmaktadır. Depreme dayanıklı tasarım yapılırken, yapıların deprem sonrasında önceden belirlenmiş hasar sınırlarında kalması gerektiği de tartışılmaktadır. Eşdeğer deprem yükü yöntemi ve tepki spektrumu analizi yöntemi, elastik-statik analiz için en çok tercih edilen yöntemlerden biri olmasına rağmen, yapılar üzerindeki sismik etkileri değerlendirmek için yeterince kapsamlı değildir. Doğrusal olmayan itme analizi adlı yeni bir yaklaşım, araştırmacıları yapıların doğrusal olmayan davranışlarını araştırmak için bir adım daha ileri götürüyor. Araştırmacıların performansa dayalı tasarım ve analiz yöntemini kullanmayı benimsemelerinin nedeni, özellikle deprem etkilerinde yapının güvenlik düzeyini ve bina içindeki insanların güvenlik düzeyini anlama ihtiyacıdır. Yakın geçmişe kadar kullandığımız kuvvet-yer değiştirme ilişkileri yöntemleri, mühendislere yalnızca yanal yük etkilerinin bir varsayımını verirken, performansa dayalı tasarım yöntemleri, her yapının ve elemanlarının deformasyon ve yer değiştirme karakteristiğine ait kapsamlı çıktılar sağlar. Doğrusal olmayan statik itme analizi yapmak için benimsenen yöntem, sistemin kontrol noktasının (en üst kat diyaframı) artan yanal yük uygulanarak hedef deplasman sınırına itilmesidir. Her iki model için de statik itme sonuçları elde edildikten sonra, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018'de verilen denklemler ile deprem tepki modifikasyon faktörleri hesaplanmıştır. Modeller arasında karşılaştırma yapılarak, deprem etkileri sonrası en yüksek tepki modifikasyon faktörü ve üretim ve bakım kolaylığı açısından en etkili olan seçilir. İyi bir süneklik seviyesi elde etmek için çelik elemanların bağlantılarını tasarlamak çok önemlidir. Çelik çaprazlı sistemin elemanlarında herhangi bir kopma olmaksızın iteratif kuvvet-yer değiştirme ilişkisini sürdürmek ve sistemin kapasite eğrisini elde etmek için bu elemanlar çapraz sistemin çevrim yüklemesi sırasında uygulanan maksimum kuvvetler dikkate alınarak tasarlanmalıdır. Bu çalışma çerçevesinde, yatay etkilere karşı iki farklı şekilde güçlendirilmiş bir çelik çerçeve sistemi, doğrusal olmayan itme analizi yöntemi benimsenerek SAP2000 V.22 yapısal analiz programı ile çözümlenmiş ve karşılaştırılmıştır. Yapının performans analizi, Türk Deprem Yönetmeliği 5. Bölümü Deprem Etkisi Altında Binaların Şekildeğiştirmeye Göre Değerlendirme ve Tasarımı İçin Hesap Esasları'na göre yapılmıştır. Tezin içeriği sekiz ana bölümden meydana gelmektedir. İlk bölümde çalışmanın amacı ve içeriği aktarılmış ve incelenecek olan çelik sistemler ile ilgili genel bilgi verilmiştir. Performansa dayalı analizin temel prensiplerinin açıklandığı ikinci bölümde FEMA (Amerikan Federal Acil Durum Yönetim Teşkilatı) uyarınca taşıyıcı sistem hasar sınırları ve davranış katsayısı hakkında bilgi verilmiştir. Üçüncü bölümde AFAD (Afet ve Deprem Yönetimi) uyarınca varolan yapının bulunduğu konumdaki deprem tepki spektrumu ve zemin özellikleri, yapı üzerindeki deprem yüklerinin hesabında kullanılacak Türk Deprem Şartnamesi 2018 spektrum denklemleri hakkında bilgi verilmiştir. Dördüncü bölümde, çelik yapının yapısal bileşenleri için kullanılan yükleme parametreleri ve ilgili mevzuat kaynakları, TS 498: Yapısal Tasarım için Hesaplama Yükleri ve Eurocode 1: Yapılara İlişkin Eylemler'de tanımlı parametreler kullanılarak analiz edilecektir. Beşinci bölümde, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018'e göre her iki çaprazlı çerçeve sistem için deprem yükleri ve kontrol parametreleri hesaplanarak, doğrusal olmayan analizde kullanılacak datalar hazırlanmıştır. İlgili yönetmeliklere göre sınır koşulları kontrol edilmektedir. SAP2000 V.22 yapısal analiz yazılımı kullanılarak ilgili yönetmeliklerle tepki spektrum eğrisini elde etmek için her iki çaprazlı çerçeve sisteminin ilk mod periyotları ve ilgili kütle katılımları hesaplanmıştır. Altıncı bölümde, doğrusal olmayan itme yöntemi açıklanmış ve her iki çaprazlı çerçeve sistem için, hem denklemler hem de SAP2000 V.22 yapısal analiz yazılımı kullanılarak süneklik ve davranış katsayıları hesabı ve limit koşulları ilgili hesaplamalar yapılmıştır. Sonuç bölümünde, lineer olmayan itme yöntemi sonucunda elde edilen süneklik parametrelerindeki farklılıklar gözlemlenmiştir. Dış merkezi çaprazlı çelik çerçeve sisteminin süneklik ve davranış katsayılarının, merkezi çaprazlı çelik çerçeve sistemine göre daha yüksek olmasının nedenleri açıklanmıştır. Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği'ne göre alınan katsayılar ile yapılan hesaplamalar sonucu elde edilen değerler arasındaki farkın sebeplerine değinilmiştir. Her iki sistem için elde edilen süneklik katsayıları karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Enerjinin büyük bir kısmı dış merkezli çaprazların teşkil edildiği bağ kirişleri tarafından absorbe edildiğinden, bağlantı kirişlerinin uzunluğu ve berkitilmesi, yapının sünekliğinde kilit bir rol oynar. Deprem yükünden daha baskın yanal yüklerin varlığında yüksek süneklik performansı gerekli olmayabilir, tasarım öncesi bu koşullar gözlenmelidir. Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018 ile bir önceki tasarım kodu olan Deprem Bölgesinde Yapılacak Bianalr Hakkında Yönetmelik 2017 arasındaki farklı yaklaşımlardan bahsedilmiştir.
Özet (Çeviri)
Modern structures are designed by considering the seismic effects, due to the increasing possibility of earthquake. In the event of an earthquake that larger than expected, the ductility levels and non-linear behavior of the structures are vital factors that may take the damage under control. Steel structures show more ductile behavior than reinforced concrete structures. For this reason, steel structures are preferred by designers who are trying to build safer structures to endure seismic effects. Non-linear behavior of the materials and structures has been a research subject for many years. Today, computer aided analysis softwares are used to analyse the nonlinear behaviour of structures by following plastic hinge formations and mapping the relation in between peak displacement demands and base shear forces to draw the capacity curve of the building. R, response modification factor, which represents the energy absorption capacity of a structure in different directions of the system can be obtained by this curves. It is used to reduce design forces against earthquake effects. It is also discussed that structures should remain within pre-determined damage limits after an earthquake. Within the scope of this study, a steel frame system which is reinforced against lateral forces with two different bracing systems have been analyzed with the SAP2000 V.22 structural analysis software by adopting the nonlinear push-over analysis method. Performance analysis has been done according to Turkey Earthquake Regulations for Buildings Chapter 5: Principles of Evaluation and Design of the Buildings According to Strain. The content of the thesis consists of eight main chapters. In the first chapter, purpose of the study was explained and general information about the structural system to be examined was given. In the second chapter, a general review of performance based design and structural damage levels definitions with respect to FEMA provided from American Federal Emergency Management Agency is given. In the third chapter, by giving information about the methods and parameters used in the whole study, the concepts are expressed more clearly with the help of figures and tables. In accordance with the Turkish Earthquake Regulation for Buildings 2018 and Turkey Earthquake Maps Database by Turkish Disaster and Emergency Management Presidency, earthquake design spectrums and design methods regarding the location of the structure were presented in this section. In the fourth chapter, loading parameters used for structural components of the steel structure and relevant regulations resources will be analyzed using the specifications defined TS 498: Calculation Loads for Structural Design and Eurocode 1: Actions on Structures. In the fifth chapter, earthquake loads and control parameters are calculated for both braced frame systems in accordance with the Turkish Earthquake Regulation for Buildings 2018. Limit conditions were controlled in accordance with the related regulations. First modal periods of the both braced frame systems were calculated to obtain response spectrum curve by relevant regulations using SAP2000 V.22 structural analysis software. In the sixth chapter, non-linear push-over method was explained and applied through both braced frame systems to obtain ductility and response modification factors using both equations and SAP2000 V.22 structural analysis software. Limit conditions were controlled in accordance with the related regulations. In the conclusion part, the differences in ductility parameters were observed as a result of the non-linear push-over method followed. The reasons why the response modification factor of the eccentrically-braced steel frame system is higher than the eccentrically-braced steel frame system are explained. The difference between the factors obtained from calculation of both system are shown in comparison. In presence of dominant loads than the earthquake load, higher ductility performance may not be necessary, such conditions should be observed pre-design to proceeed accordingly. Different approaches in Turkish Earthquake Regulation for Buildings 2018 compared to previous design code, Turkey Earthquake Regulation for Buildings 2007 are also mentioned. Since the main proportion of the energy is absorbed by the link beams incorporating the brace joints, the length and stiffening of the link beams play a key role in the level of lateral energy dissipated, hence on the ductility of structure.
Benzer Tezler
- Merkezi çelik çaprazlı çerçeve taşıyıcı sistemin tasarım kurallarının ve performansının değerlendirilmesi
Evalution the seismic performance of a special concentrically braced frame
BAYRAM TÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CAVİDAN YORGUN
- Seismic behavior of buckling-restrained braced frames
Burkulması önlenmiş olan çaprazlı çerçevelerin sismik davranışı
SHERVİN BASHIRI SINABADI
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
İnşaat MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLAY ALTAY
- Deprem etkilerine karşı geliştirilen pasif ve aktif kontrol sistemleri
Başlık çevirisi yok
MELTEM ŞAHİN
- Çelik çok katlı bir yapıda dışmerkez ve merkezi güçlendirilmiş sistemlerin irdelenmesi
Comparison of concentrically braced and eccentrically braced frames in a high rise steel structure
ÇAĞLAR GÖZÜAÇIK
Yüksek Lisans
Türkçe
2006
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. FİLİZ PİROĞLU
- Nonlinear structural analysis and design of multistorey steel building
Çok katlı çelik binanın lineer olmayan analiz ve dizaynı
VOLKAN SÜLLÜ
Yüksek Lisans
İngilizce
2001
İnşaat MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLAY ALTAY