Yüksek katlı betonarme tüp sistemlerde kayma gecikmesi tayini ve analiz/tasarımdaki etkileri
Determination of shear lag in high-rise reinforced concrete systems and its effects on analysis and design
- Tez No: 949278
- Danışmanlar: PROF. DR. KUTLU DARILMAZ
- 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: 233
Özet
Tüp tipi taşıyıcı sistemler, yüksek dayanımlı malzemelerin verimli kullanımı ve yanal yük taşıma kapasiteleri sayesinde çağdaş yüksek katlı yapı tasarımlarında giderek daha fazla tercih edilen sistemler hâline gelmiştir. Ancak bu sistemler, kesit boyunca eksenel yüklerin üniform dağılmaması ile karakterize edilen“kayma gecikmesi (shear lag)”olarak adlandırılan bir etkiye maruz kalmaktadır. Kayma gecikmesi, özellikle tüp sistemlerin yanal yük taşıma verimliliğini düşüren temel bir problem olup, bu etkinin yapı sistem parametreleriyle olan ilişkisi henüz yeterince detaylı şekilde incelenmemiştir. Bu çalışma, kayma gecikmesi davranışını etkileyen üç temel yapısal sistem değişkenini; yanal rijitlik, kat planı en-boy oranı ve yapı yüksekliği araştırmayı amaçlamaktadır. Bu amaçla, SAP2000 yapısal analiz programı kullanılarak altı adet sonlu eleman modeli oluşturulmuştur. İlk olarak, yanal rijitliğin kayma gecikmesine etkisini değerlendirebilmek adına, farklı sayıda kuşak kirişi içeren üç model geliştirilmiştir: kuşak kirişi içermeyen model A; bir adet kuşak kirişi içeren model B; iki adet kuşak kirişi içeren model C ve üç adet kuşak kirişi içeren model D. Yapılan karşılaştırmalar sonucunda, kuşak kirişi sayısı arttıkça yanal rijitliğin arttığı ve buna bağlı olarak kayma gecikmesi oranlarının azaldığı görülmüştür. Ayrıca kayma gecikmesinin pozitif değerlere ulaştığı kat seviyesinin, yanal rijitlik arttıkça üst katlara doğru ötelenme eğiliminde olduğu tespit edilmiştir. İkinci olarak, kat planı en-boy oranının etkilerini incelemek amacıyla, model A ile aynı kat yüksekliğine ve sistem tipine sahip, ancak x yönünde açıklığı iki kat artırılmış model E oluşturulmuştur. Bu sayede plan düzleminde x/y oranı değiştirilmiş, yapının y yönü sabit tutulmuştur. Model A ile model E arasında yapılan karşılaştırma sonucunda, yöne dik kenar (flanş) üzerindeki kayma gecikmesi oranlarının yaklaşık iki kat arttığı; yöne paralel kenarde (web) ise bu oranların büyük ölçüde sabit kaldığı görülmüştür. Son olarak, yapı yüksekliği değişkeni incelenmiştir. Başlangıçta oluşturulan model F, 35 katlı bir yapı olarak tasarlanmış ve 30 katlı model A ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen ilk bulgular, yapı yüksekliği arttıkça kayma gecikmesi oranlarının azaldığını göstermiştir. Bu sonuç, mevcut literatürde genellikle kabul gören“yüksekliğin kayma gecikmesini artırdığı”yönündeki görüşlerle çelişmektedir. Bu durumun geçerliliğini test etmek amacıyla, ilave olarak 32, 40 ve 50 katlı modeller oluşturularak analizler genişletilmiştir. Tüm bu modellerde benzer bir eğilim gözlenmiş ve kat sayısı arttıkça kayma gecikmesi oranlarının düştüğü, eksenel yük dağılımının daha üniform hale geldiği belirlenmiştir. Bu durumun olası sebebi olarak, yapı yüksekliği arttıkça eğilme etkilerinin baskın hale gelerek kayma gecikmesi etkisini gölgelemesi ve kolonlar arası eksenel yük dağılımını dengelemesi düşünülmektedir. Sonuç olarak bu tez kapsamında, üç farklı yapısal sistem değişkeninin kayma gecikmesi üzerindeki etkisi detaylı biçimde analiz edilmiş; tüp sistemlerin performansını etkileyen temel faktörler bütüncül olarak değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, mevcut literatüre katkı sağlayacak nitelikte olup, özellikle yapı yüksekliği gibi bazı parametrelerin etkilerine dair alternatif yorumlar geliştirilmesine olanak sunmuştur. Bu çalışma, hem tasarım pratiği açısından yol gösterici olmayı hem de ileride yapılacak benzer araştırmalara altyapı oluşturmayı hedeflemektedir.
Özet (Çeviri)
Tube-type structural systems have emerged as a widely adopted solution in the design of contemporary high-rise buildings due to their high efficiency in resisting lateral loads and their economical use of high-strength materials. These systems, often formed by closely spaced perimeter columns connected by deep spandrel beams, provide a stiff and strong exterior“tube”that resists lateral forces induced by wind or earthquakes. Their ability to significantly reduce the structural demand on interior framing and core walls has made them especially favorable for tall building applications. However, a critical challenge associated with tube systems is the occurrence of a phenomenon known as shear lag, which significantly impacts the effectiveness of axial force transfer along the building's height. Shear lag refers to the non-uniform distribution of axial forces across the cross-section of a structure. This phenomenon results in certain edge columns carrying higher or lower loads than anticipated under ideal uniform stress assumptions, thereby diminishing the structural efficiency. In particular, this uneven axial load distribution is more pronounced under lateral loading conditions where bending dominates. Despite the increasing prevalence of tube systems in practice, the influence of key structural parameters on shear lag behavior remains inadequately understood. Thus, this thesis aims to systematically investigate the impact of three fundamental system parameter which are lateral stiffness, plan aspect ratio, and building height on the shear lag behavior in tube-type structural systems. To address this objective, a parametric study was conducted using CSI SAP2000 version 18, a widely used finite element analysis software. A total of six analytical models were developed and subjected to lateral loading scenarios simulating seismic action. The modeling approach adhered to typical assumptions in tall building design: rigid diaphragm behavior at floor levels, fixed-base support conditions, and moment-resisting connections at beam-column joints. All models employed equivalent structural configurations, varying only in the parameter being evaluated, ensuring a consistent basis for comparison. The results were interpreted by comparing axial force distributions, calculating shear lag ratios, and observing the transition of stress patterns across floor levels. The first parameter examined was lateral stiffness, assessed by altering the number of belt trusses which is horizontal bracing systems that provide additional stiffness and structural integrity to framed tube systems. Four distinct models were created to capture the variation in stiffness: Model A, which had no belt truss; Model B, with a single belt truss at mid-height; Model C, incorporating two belt trusses placed at quarter and three-quarter heights; and Model D, equipped with three evenly spaced belt trusses. The comparative analysis of these models demonstrated a direct relationship between increased lateral stiffness and reduction in shear lag effects. As more belt trusses were added, the lateral rigidity of the system improved, resulting in more balanced axial force distributions among columns. Additionally, the story level at which the shear lag ratio became positive was observed to shift higher in taller models, indicating delayed onset of stress concentration at the flanges as stiffness improved. The second parameter investigated was the plan aspect ratio, defined as the ratio of horizontal dimensions in orthogonal directions. Model E was created by modifying Model A to have double the span in the x-direction, thus increasing the x/y plan ratio while maintaining all other geometric and structural properties constant. The goal was to isolate the effect of plan geometry on shear lag behavior. Analysis of Model E in comparison to Model A revealed a considerable increase in shear lag values in the flange regions which is the sides perpendicular to the seismic load direction. In these regions, the axial forces concentrated more at the corners, while the web sides, parallel to the seismic load, showed negligible changes. This result aligns with the expectation that increasing the width of the structure intensifies the bending moments in the transverse direction, exacerbating the differential force distribution among flange columns and thus amplifying the shear lag effect. The final parameter examined was building height, a factor frequently cited in literature as contributing to increased shear lag due to amplified flexibility and global deformations. To explore this, Model F was designed as a 35-story counterpart to the original 30-story Model A. Contrary to expectations, Model F exhibited lower shear lag ratios. This finding prompted further validation, leading to the development of three additional models with 32, 40, and 50 stories. Each of these models showed a similar pattern: shear lag ratios decreased as building height increased. The load distribution became more uniform, particularly in upper floors. This trend indicates that with taller structures, bending behavior begins to dominate, producing a smoother axial stress profile across the structure. The increasing curvature and flexibility in tall buildings contribute to an equalization of stress among perimeter columns, thereby reducing shear lag intensity. This discovery contradicts prevailing assumptions in the field and suggests that height, in isolation, does not exacerbate shear lag but interacts with other structural parameters to influence overall behavior. In summary, the findings from this study reveal that all three structural system parameters which are lateral stiffness, plan aspect ratio, and building height play a significant role in the formation and mitigation of shear lag. The inclusion of belt trusses effectively enhances lateral stiffness and reduces axial stress differentials. An increased plan aspect ratio tends to worsen shear lag effects in flange regions due to higher bending moments. Surprisingly, increased building height contributes to a more balanced axial force distribution, possibly due to bending-induced stress harmonization. These insights challenge conventional design wisdom and offer a more nuanced understanding of shear lag phenomena in high-rise buildings. This research has important implications for both academic and practical fields. For practicing engineers, the study offers quantifiable evidence on how specific design decisions influence shear lag performance. Optimizing belt truss placement and reconsidering plan proportions could lead to more efficient use of materials and safer structural performance under lateral loads. For researchers, the thesis opens new questions about the nonlinear interactions between system parameters and their impact on stress distribution, particularly in very tall or irregularly shaped buildings. Future studies may incorporate material nonlinearity, time-dependent effects such as creep and shrinkage, or dynamic behavior under real earthquake records to further enrich the understanding of shear lag mechanisms. Furthermore, this thesis encourages a reconsideration of current building codes and design practices, which often address global stability and strength requirements but fall short of providing specific guidance for mitigating shear lag. Integrating findings like those in this study into design manuals and structural guidelines would contribute to more informed, performance-based design approaches in high-rise construction. As cities continue to grow vertically, understanding the subtleties of load distribution in complex structural systems becomes increasingly crucial. In conclusion, this study provides a comprehensive analysis of how shear lag is influenced by key structural parameters in tube-type high-rise buildings. The findings not only clarify the relationships among stiffness, geometry, and height, but also provoke a deeper dialogue about the assumptions embedded in tall building design. By addressing these relationships through a parametric and computational lens, the research contributes to more accurate, resilient, and efficient structural systems in the field of high-rise architecture and engineering.
Benzer Tezler
- Tüp taşıyıcı sistemlerin yatay yükler etkisindeki davranışı 60 katlı betonarme tüp sistem bir yapının statik ve dinamik analiz, tasarım ve incelenmesi
Behavior of tubular buildings under lateral loads and the static and dynamic analyses, design and evaluation of a 60-story reinforced concrete building
SERHAN GÜNER
Yüksek Lisans
Türkçe
2004
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. NECMETTİN GÜNDÜZ
- Experimental study of substandard RC frames enhanced with tube-in-tube buckling-restrained braces
Burkulmasi önlenmiş tüp içinde tüp çaprazlar ile iyileştirilmiş standart alti betonarme çerçevelerin deneysel çalişmasi
EMİNE EVRİM OYGUÇ
Doktora
İngilizce
2025
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDUL HAYIR
- Çok katlı çelik yapılarda ekonomik taşıyıcı sistem tasarımı
Economical structural system design in multi-storey buildings
NURİ TUNCAY
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
İnşaat MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. A. ZAFER ÖZTÜRK
- Kat döşemeleri kompozit, B3 süreksizliğine sahip, karma yüksek yapının deprem etkisinde tasarımı
Under of earthquake effect, design of composite high building that's story floors are composite, has B3 discontinuity
SERPİL BOZKURT
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEKİ HASGÜR
- İncirli-Bakırköy IDO istasyonları arasındaki metro tüneli etki alanının belirlenmesi ve olası yüzey oturma miktarlarının saptanması
Determination of the influence area and possible settlement amounts of the metro tunnel between İncirli- Bakırköy İDO stations
SERPİL KARAKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Jeoloji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiJeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ENVER VURAL YAVUZ