Çerçeve türü yapı sistemlerinde narinlik etkisinin farklı yaklaşımlarla dikkate alınması
Considering the effect of slenderness in frame type building systems with different approaches
- Tez No: 928080
- Danışmanlar: PROF. DR. ERCAN YÜKSEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- 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
Narinlik etkisi kolonların stabilitesini etkileyen önemli faktörlerin başında gelmektedir. Narinlik etkisi ve ikinci mertebe etkileri özellikle kolonlar üzerindeki normal kuvvet fazla olduğunda, kolonların yatay ötelenmeleri fazla olduğunda veya kolon yüksekliklerinin fazla olduğu durumlarda önem kazanmaktadır. Günümüzde yatay ötelenme değerleri yönetmelikler tarafından sınırlandırıldığından ötürü yanal ötelenme kaynaklı ikinci mertebe etkiler çok fazla yapı sistemlerini etkilememektedir. İkinci mertebe etkiler normalde birim deplasman sabitlerini de etkileyip değiştirmektedir ancak yerdeğiştirme etkileri çok fazla etkili olmadığından ötürü birim deplasman sabitlerinin değiştirilmesi genellikle sonuçları çok etkilememektedir ancak özellikle narin olan ve çok fazla yer değiştiren kolonlarda ikinci mertebe etkiler çok daha fazla önem kazanmaktadır. Narinlik oranı arttıkça bir yapının taşıyabileceği maksimum yük değeri azalır ve eğilme momenti etkileri altında ilgili yapının daha fazla yük taşıyacak şekilde tasarımının yapılmasına rağmen narinliğe bağlı olarak burkulma oluşumu meydana geldiği için beklenenden çok daha küçük yükler altında yapı sistemleri göçebilir. Dolayısıyla narinlik etkisi hesaplamalarda gereken durumlarda kesinlikle dikkate alınmalıdır. Narinlik etkisinden dolayı kolonlarda burkulma analizleri gerçekleştirilmeli ve ikinci mertebe hesap etkileri dikkate alınarak hesaplamalar uygulanmalıdır. Bu sebeplerden ötürü eğer bir kolon önemli düzeyde normal kuvvet taşıyorsa veya önemli derecede yatay ötelenme yapmışsa o zaman ilgili kolon üzerinde ikinci mertebe etkiler önem kazandığı için birinci mertebe hesaba göre tasarım yapmak hatalı olacaktır. Genellikle yükseklikleri fazla olan kolonlar yükseklikleri düşük olan kolonlara göre daha narin olarak davranırlar ve burkulmaya daha yatkındırlar aynı zamanda bu tarz kolonlarda ikinci mertebe etkiler önemli derecelere ulaşabilmektedir. Narinlik ve ikinci mertebe etkilerin ilgili yapı sistemlerinde göz önüne alınması çok kolay değildir ve ikinci mertebe etkilerin uygulanabilmesi için yapı sistemlerinin şekil değiştirmiş sistem üzerinden statik olarak çözümlemelerinin yapılması gerekmektedir. Örnek vermek gerekirse yatay ötelenmeden dolayı kolon üzerindeki normal kuvvetin oluşturduğu ekstra moment ifadesi hesaplanmalı ve ilgili kolon üzerinde birinci mertebe hesaptan dolayı oluşan moment ifadesinin üzerine eklenmelidir. Bu tarz bazı zorluklardan ötürü ikinci mertebe hesapların el ile hesaplanması çok zorlaşmış olup günümüzde yazılımlar yolu ile bu hesaplamalar yapılmaktadır. Tez çalışması kapsamında da 4 tane ayrı çerçeve sistem örneği üzerinde kolonların narinliği incelenmiştir. Bunlardan ilk ikisi klasik çerçeve örnekleriyken son iki örnek prefabrik yapılara ait çerçeve sistem örnekleridir. Prefabrik yapılarda kolonlar genellikle yüksekliği fazla olacak şekilde narin kolon olarak tasarlanırlar. Bu sebepten ötürü prefabrik kolonlarda ikinci mertebe etkiler çok büyük önem taşımaktadır. Bu tarz taşıyıcı sistemlerde çoğunlukla narin kolonlar uçlarından mafsallı olarak çatı kirişleri ile bağlanmaktadır. ikinci mertebe etkiler her ne kadar günümüzde yazılımlar tarafından hesaplamalara rahat bir biçimde katılabilse de bu tarz prefabrik taşıyıcı sistemler iki aşamalı olarak tasarlanırlar ve yazılımlarda hem iki aşama hem de ikinci mertebe hesabını bir arada yapabilecek bir imkan bulunmamaktadır. Bu sebepten ötürü bu tarz sistemlerde iki ayrı taşıyıcı sistem kurulmalı ve yük kombinasyonları el yardımıyla oluşturulmalıdır. İkinci mertebe hesap lineer bir çözüm yöntemi olmadığı için direkt olarak yük kombinasyonu yapılamamaktadır ilgili yükler tek bir yükleme adı altında aynı anda yapı sistemine etkitilip ikinci mertebe hesaplamalar gerçekleştirilmelidir. İkinci mertebe hesaplamalar tez çalışması kapsamında SAP2000 ve DC-2B programlarıyla dikkate alınmıştır. İlgili çerçevelerin SAP2000 programı üzerindeki ikinci mertebe hesaplamaları büyük deplasman teorisi (P- Delta plus large displacement) ve P- Delta olmak üzere 2 yöntem ile de incelenmiştir. Burkulma yükü hesabı içinse DC-2B programında determinant kriteri yöntemi kullanılmış olup SAP2000 programı özelinde de programın kendi içerisinde yer alan burkulma yükü hesabı kullanılmış ve bulunan faktör değerleriyle sistemde meydana gelen burkulma yükü hesaplanmıştır. Bu hesaplamaların sonuçlarında ikinci mertebe hesap sonuçları gerçek sonuç ile ve birbirleriyle karşılaştırılmıştır ayrıca gene ilgili programlar üzerinde gerçekleştirilen birinci mertebe hesaplamalar ile de karşılaştırma yapılarak ikinci mertebe etkilerin önemi ortaya konulmuştur. Çıkan sonuçlarda SAP2000 ve DC-2B programlarının birbirleriyle uyumlu sonuç verdiği ve çerçeve sistemlerin birinci ve ikinci mertebe hesaplamalarında ilgili programların birbirlerinin yerlerine güvenle kullanılabileceği görülmüştür. Bu hesaplamaların dışında ilgili tez çalışması kapsamında ikinci mertebe etkileri uygulamanın zorluklarından ötürü ikinci mertebe hesaba alternatif olarak kullanılabilecek bazı yöntemlerin ilgili örnekler üzerinde uygulanabilirlikleri irdelenmiş ve çıkan sonuçlar ikinci mertebe hesap sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Bu yöntemler sırasıyla moment büyütme yöntemi ve fiktif yük metodudur. Fiktif yük metodu mantık olarak ikinci mertebe etkilere neden olan ekstra moment değerlerini bir kesme kuvveti çifti olarak ifade edip bu kesme kuvveti yüklemesini de yapı sistemine ekleyip birinci mertebe hesap çözümünü tekrarlayarak ikinci mertebe etkileri kolay bir biçimde hesaba katmayı hedefleyen bir yöntemdir. Bu yöntem bu tarz örnek çerçeve sistemlerinde gerçek sonuçla yakın değerler vermiş ve kullanılabilir bir pratik yöntem olduğu sonucuna varılmıştır. Moment büyütme yöntemi ise kolona bağlı olan diğer çubukların etkileşimini hesaba katmayıp burkulma boyunu buna bağlı olarak genellikle doğru hesaplamadığından ötürü gerçek değerden saparak çoğunlukla gerçek moment değerine göre büyük sonuçlar vermektedir. Gerçek sonuç ile moment büyütme yöntemi arasındaki fark kolonun narinliği ile kolonun taşıdığı normal kuvvet değerleri arttıkça fazlalaşmaktadır. Bu sayede ilgili yöntemin her zaman kullanışlı bir metod olmadığı sonucuna ulaşılmaktadır.
Özet (Çeviri)
The slenderness effect plays a fundamental role in determining the stability of columns, particularly in structures subjected to high axial loads, significant lateral displacements, or substantial column heights. These factors significantly influence the structural integrity of columns and, by extension, the entire building or framework. Slenderness refers to the ratio of the column's effective length to its cross-sectional dimensions, and it has a direct impact on the column's ability to resist buckling under load. As columns become taller and more slender, their susceptibility to buckling increases. As a result, second-order effects, which involve the interaction between axial forces and lateral displacements, become crucial to consider during the design and analysis of structural systems. Building codes and structural regulations have evolved to limit lateral displacements in order to mitigate the impact of these second-order effects. However, while lateral displacements are controlled within specific limits to prevent significant sway or instability, second-order effects cannot be entirely disregarded. Particularly in cases where columns are slender or exhibit substantial lateral displacement, these effects remain highly significant and can profoundly alter the overall stability of a structure. It is therefore necessary to account for these effects in the design process, ensuring that columns can withstand the loads and deformations expected during the lifetime of the building. Second-order effects typically modify displacement coefficients, influencing the way forces and moments are distributed throughout the structure. In most cases, these effects are minimal, particularly when displacements remain within the allowable limits defined by engineering standards. However, when columns are slender and subjected to high axial loads or large lateral displacements, the second-order effects can become highly pronounced. These effects may lead to additional bending moments and axial forces that are not captured in first-order analysis, highlighting the importance of incorporating them into structural calculations to avoid underestimating the true load-carrying capacity of the structure. As the slenderness ratio increases, the maximum load a column can carry decreases. This reduction in load-bearing capacity is primarily due to the increased risk of buckling under flexural moments. Even though a column may be designed to withstand higher axial loads under bending moments, the onset of buckling can occur at much lower loads than expected. This phenomenon underscores the need for engineers to carefully consider the slenderness effects in their calculations, particularly when designing columns for buildings subject to significant axial forces. Failure to do so can result in premature buckling and catastrophic structural failure, compromising both the safety of the building and its occupants. Buckling analysis for columns with high slenderness ratios must therefore include second-order effects. Second-order analysis goes beyond the basic assumption of linear elastic behavior, considering the non-linear interaction between the axial load and the lateral displacements of the column. These interactions generate additional moments, which can exacerbate the effects of buckling, leading to more significant deformations than initially predicted. For tall and slender columns, it is essential to account for these secondary moments and forces to provide a more accurate and reliable assessment of the column's stability. Columns with greater heights are particularly vulnerable to buckling due to their increased slenderness. The taller the column, the more pronounced the second-order effects become, especially when lateral displacements occur. As the column bends due to lateral forces, the axial load on the column is redistributed, leading to additional moments that can further increase the lateral displacements. The analysis of these interactions requires the evaluation of the structure in its deformed configuration, rather than assuming a perfectly straight column. This consideration of the deformed shape ensures that the additional moments resulting from lateral displacements are properly calculated and factored into the overall design. To accurately model the behavior of slender columns and incorporate second-order effects, engineers must rely on specialized software tools. While manual calculations are theoretically possible, they are impractical due to the complexity and non-linearity of the equations involved. Modern structural analysis software, such as SAP2000 and DC-2B , provides a more efficient means of performing these calculations. These programs enable engineers to conduct second-order analyses that account for both the deformation of the structure and the interaction between axial forces and lateral displacements. In a recent thesis study, the slenderness effects of columns in four distinct frame systems were analysed. Two of these systems were traditional frame structures, while the other two were prefabricated frame systems. Prefabricated structures often involve the use of slender columns, as these columns are designed to accommodate taller buildings and lighter materials. The increased height of these columns makes second-order effects particularly important in the design process. In prefabricated systems, the columns are typically pinned to roof beams, and their design requires a two-phase approach, which separates the design of the columns and the connections. This two-phase design process poses a challenge for modern structural analysis software, which is often unable to handle both the two-phase design and second-order effects simultaneously. Consequently, engineers must manually create load combinations and separate structural models for analysis, ensuring that all relevant loads are applied in a manner that accurately reflects the behavior of the system. Second-order analyses were conducted using both SAP2000 and DC-2B software in this study. In SAP2000, two methods were used for second-order analysis: the standard P-Delta method and the P-Delta Plus Large Displacement method. The P-Delta Plus Large Displacement method is particularly useful for analyzing structures that undergo large lateral displacements, as it accounts for the geometric non-linearities associated with these deformations. Additionally, for buckling load calculations, the determinant criterion method was employed in DC-2B, while SAP2000's internal buckling analysis feature was also utilized. These methods allowed for a comprehensive evaluation of the second-order effects in the four frame systems being studied. The results from both software programs were compared, and the findings revealed that SAP2000 and DC-2B provided consistent and reliable results for both first- and second-order analyses. This consistency demonstrated the reliability and effectiveness of these software tools in accurately modeling the behavior of slender columns and incorporating second-order effects into the design process. By validating the results obtained from these programs, the study highlighted the importance of utilizing advanced structural analysis tools for the design and evaluation of complex structural systems. In addition to using advanced software, the study also explored alternative methods for addressing second-order effects, such as the moment magnification method and the fictitious load method. The fictitious load method simplifies the process of accounting for second-order effects by representing the additional moments caused by lateral displacements as equivalent shear forces. These shear forces are then added to the structure, and a standard first-order analysis is performed to approximate the second-order effects. The results obtained using the fictitious load method closely matched the actual outcomes, proving that it is a practical and effective method for incorporating second-order effects in certain types of structural systems. On the other hand, the moment magnification method, while widely used in some applications, has limitations when applied to slender columns with high axial forces. This method does not fully account for the interaction between connected members and often miscalculates the effective buckling length. As a result, it can lead to overestimated moments, particularly in slender columns subjected to large axial loads. The discrepancy between the results obtained using the moment magnification method and actual results increases as the slenderness ratio and axial forces of the column rise, indicating that this method may not always provide accurate predictions for slender and heavily loaded columns. In conclusion, the study underscored the critical importance of considering slenderness and second-order effects in the design of structural systems, particularly for columns that are slender or subjected to large lateral displacements. The research demonstrated that advanced software tools, such as SAP2000 and DC-2B , are essential for accurately analyzing these effects and ensuring the stability of structural systems. Furthermore, while alternative methods like the fictitious load approach can provide practical solutions for certain cases, methods like moment magnification should be used with caution due to their limitations. This study offers valuable insights for structural engineers and researchers, underscoring the importance of considering second-order effects to ensure building safety and performance.
Benzer Tezler
- Açıklık ve kat sayısının moment aktaran çelik çerçeve sistemlerde maliyete ve sismik taleplere etkisi
The effect of the number of bay and storey on the economy and seismic demands of the steel moment resisting frames
SEMİH AYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
İnşaat MühendisliğiPamukkale Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATİH CETİŞLİ
- Çok katlı betonarme çerçeve sistemlerin deprem etkileri altında göçme güvenliğinin enerji esaslı yöntemle belirlenmesi
Determination of collapse safety of multistory reinforced concrete frame systems with energy based method under earthquake effects
ONUR MERTER
Doktora
Türkçe
2014
Deprem MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA DÜZGÜN
- Çerçeve türü betonarme bir yapı sisteminde yatay yük dağılımının kapasite eğrisine etkisi
Effect of the lateral load distribution on the capacity curve in a frame type reinforced concrete building system
ERMAN CAN SAĞANDA
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERCAN YÜKSEL
DOÇ. DR. KASIM ARMAĞAN KORKMAZ
- Çok katlı çelik yapılarda farklı çapraz durumlarının statik itme analizi
Static pushover analysis of different bracing configurations in multi-story steel structures
ABDULLAH DAĞILAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
İnşaat MühendisliğiKırklareli Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MERVE ERMİŞ
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÜMİT NECMETTİN ARIBAŞ
- An adaptive modal pushover analysis procedure to evaluate the earthquake performance of high-rise buildings
Yüksek binaların deprem performansının değerlendirilmesi için bir uyarlamalı itme analizi yöntemi
MELİH SÜRMELİ
Doktora
İngilizce
2016
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERCAN YÜKSEL