Yatay yük taşıyıcı sistemi merkezi çaprazlı çelik çerçevelerden oluşan mevcut bir çelik binanın deprem performansının değerlendirilmesi
Evaluation of seismic performance of an existing steel building with a lateral load-resisting system consisting of concentrically braced steel frames
- Tez No: 992851
- Danışmanlar: DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- 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: Belirtilmemiş.
Özet
Merkezi çaprazlı çelik çerçeve sistemleri, modern çelik yapı tasarımında deprem etkilerine karşı en yaygın kullanılan yatay yük taşıyıcı sistemlerden biridir. Bu sistemlerde diyagonal elemanlar, deprem sırasında oluşan yatay yükleri güvenli bir şekilde taşıyarak yapı rijitliğini artırır ve enerji sönümleme kapasitesi sağlar. Özellikle süneklik düzeyi yüksek merkezi çaprazlı çerçeveler, deprem enerjisinin büyük bir kısmını çapraz elemanlar üzerinde tüketmeyi hedefleyen tasarım ilkeleri sayesinde hem güvenli hem de ekonomik çözümler sunar. Bu özellikleri nedeniyle, deprem tehlikesinin yüksek olduğu bölgelerde, çelik yapılarda bu sistemler sıkça tercih edilmektedir. Bu tez çalışmasında, yatay yük taşıyıcı sistemi merkezi çaprazlı çelik çerçevelerden oluşan mevcut sekiz katlı bir çelik bina sisteminin deprem davranışı kapsamlı ve çok yönlü bir şekilde incelenmiştir. Yapının taşıyıcı sistemi, modern çelik yapı tasarım ilkelerine uygun biçimde oluşturulmuş olup, deprem etkileri altında sünek bir mekanizma geliştirmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda, çalışma boyunca hem yapının genel davranışına hem de eleman düzeyindeki tepkilere odaklanılmış ve sistemin deprem performansını etkileyen tüm temel parametreler detaylı biçimde değerlendirilmiştir. Yapıda kullanılan merkezi çaprazlı çelik çerçeve sistemi, deprem enerjisinin büyük bölümünü çapraz elemanlar üzerinde tüketmeyi hedefleyen bir tasarım yaklaşımına sahiptir. Bina yüksekliği boyunca her iki kat içinde teşkil edilen X-çapraz sistemi (ayrık X-çaprazlı sistemi), taşıyıcı sistemin her iki doğrultuda da düzenli ve dengeli bir davranış sergilemesine katkı sağlamaktadır. Bu düzenleme, özellikle deprem sırasında oluşacak yatay yüklerin güvenli bir şekilde aktarılmasını ve yapının süneklik kapasitesinin etkin biçimde kullanılmasını mümkün kılar. Yapının deprem performansının değerlendirilmesi amacıyla, gerçek deprem kayıtları kullanılarak zaman tanım alanında doğrusal olmayan dinamik analizler gerçekleştirilmiştir. Bu analiz yaklaşımı, deprem süresince yapıda oluşan yer değiştirmeleri, iç kuvvet değişimlerini ve olası plastik şekildeğiştirme bölgelerini zamana bağlı olarak takip edebilme imkânı sunduğu için daha gerçekçi sonuçlar elde edilmesini sağlar. Çalışmada kullanılan deprem kayıtlarının farklı özelliklere sahip olması, yapının çeşitli deprem senaryoları altındaki davranışının karşılaştırmalı olarak değerlendirilmesine olanak tanımıştır. Modelleme çalışmaları kapsamında, yapı hem genel davranışın hem de eleman düzeyindeki tepkilerin doğru bir şekilde temsil edilebilmesi amacıyla birden fazla analiz programında oluşturulmuştur. Özellikle OpenSees yazılımı, doğrusal olmayan davranışın ayrıntılı bir biçimde incelenmesi için tercih edilmiş ve kesit hücresi (lif) eleman modelleri sayesinde çelik elemanların çevrimsel yükler altındaki tepkileri gerçekçi biçimde elde edilmiştir. Buna ek olarak, SAP2000 ve ETABS programlarında oluşturulan modeller, sistemin genel davranışının kontrol edilmesi ve modelleme doğruluğunun sağlanması amacıyla kullanılmıştır. Böylece, farklı platformlardan elde edilen sonuçlar karşılaştırılarak analizlerin güvenilirliği artırılmıştır. Analiz sonuçları, yapının deprem performansının yönetmeliklerde öngörülen sınırlar içinde kaldığını göstermektedir. Göreli kat ötelemeleri, tüm deprem kayıtları için, belirlenen sınır değerin (0.02) altında elde edilmiştir. Bu durum, taşıyıcı sistemin deprem etkisi altında yeterli yatay rijitlik sergilediğini ve yapının genel stabilitesinin korunduğunu ortaya koymaktadır. Kat kesme kuvvetlerinin dağılımı incelendiğinde, beklenen mekanizmanın oluştuğu ve deprem enerjisinin büyük kısmının çapraz elemanlar üzerinde tüketildiği görülmüştür. Eleman düzeyinde yapılan değerlendirmelerde, plastik şekildeğiştirmenin ağırlıklı olarak çapraz elemanlarda meydana geldiği, kolon ve kirişlerin ise genel olarak elastik sınırlar içerisinde kaldığı belirlenmiştir. Bu durum, kapasite tasarımı yaklaşımının başarıyla sağlandığını ve ana çerçevenin deprem süresince dayanımını koruduğunu göstermektedir. Çapraz elemanların çevrimsel yükler altındaki şekil değiştirme kapasiteleri ve enerji tüketme davranışları, süneklik açısından beklenen performans düzeyinin elde edildiğini ortaya koymaktadır. Sonuç olarak, bu çalışma merkezi çaprazlı çelik çerçeve sisteminin deprem etkileri altındaki güvenilirliğini doğrulamaktadır. Yapının hem genel hem de eleman düzeyindeki tepkileri, sistemin tasarım ilkeleri ile uyumlu olarak gelişmiş ve deprem performansı açısından hedeflenen davranış başarıyla sağlanmıştır. Elde edilen bulgular, bu tür yapı sistemlerinin deprem mühendisliği uygulamalarında etkin bir çözüm sunduğunu göstermekte ve benzer yapıların tasarım süreçlerine önemli katkılar sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
Concentrically Braced Frames (CBFs) represent one of the most widely adopted and effective lateral load-resisting systems in contemporary steel construction, especially in regions exposed to significant seismic hazard. Their popularity stems from the combined advantages of high lateral stiffness, effective control of story drifts, and substantial energy dissipation capacity through the tension and compression behavior of diagonal bracing members. In particular, X-type high-ductility bracing configurations have been shown to provide robust and predictable seismic performance due to their ability to develop stable hysteretic behavior and control the distribution of inelastic deformations within the structural system. These characteristics enable CBFs to serve as an efficient structural solution for mid-rise steel buildings where both economic considerations and life-safety performance requirements play a crucial role. From a broader engineering perspective, the seismic behavior of concentrically braced frames has been extensively studied in the past several decades, and modern design codes—including the Turkish Seismic Code for Buildings (TSCB-2018), and AISC Seismic Design Manual—have incorporated performance-based requirements to ensure reliable behavior during severe ground motion. A consistent theme across these design philosophies is the emphasis on concentrating inelastic behavior within the bracing members while maintaining elastic behavior in columns, beams, and connections that form the gravity load-carrying system. This philosophy not only enhances predictability but also facilitates post-earthquake repair strategies by allowing damaged braces to be replaced more easily than frame members. Against this background, the present thesis provides a comprehensive seismic performance evaluation of an existing eight-story steel building that employs concentrically braced steel frames as its main lateral load-resisting system. The building features inverted-V braces at the lower stories and V-shaped braces at the upper levels, forming a continuous vertical bracing system along the height of the structure. The configuration reflects a typical mid-rise CBF layout commonly used in practice, where the bracing elements carry the majority of lateral forces and effectively limit story drifts. Rather than redesigning the structure, the primary objective of this study is to evaluate its seismic performance under the design-level earthquake by examining both global response parameters and localized member behaviors. To ensure an accurate and meaningful assessment, detailed member sizing and connection design calculations were carried out. While these calculations are not the primary focus of the research, they were essential for establishing realistic member properties—including section sizes, slenderness parameters, and material strengths—for use in the numerical modeling phase. The structure incorporates S355 steel sections for columns and S275 steel sections for beams and bracing members, consistent with common engineering practice and capacity design principles. This combination ensures that while the bracing members are expected to yield or buckle under large seismic demands, the beams and columns remain predominantly elastic, thereby protecting the gravity frame and preventing undesirable failure mechanisms such as soft-story formation or column instability. The nonlinear dynamic behavior of the building was evaluated using a numerical model that captures both material and geometric nonlinearity. Although the study deliberately avoids excessive technical detail regarding modeling parameters, it adopts well-established analysis techniques widely used in contemporary earthquake engineering research. The numerical model includes beam–column elements capable of capturing the spread of inelasticity, allowing for a realistic representation of brace buckling, axial yielding, stiffness degradation, and cyclic strength loss. Geometric nonlinearity is incorporated to reflect P-Delta effects and potential stability-related behavior during large lateral displacements. Initial imperfections are assigned to bracing members to better simulate real structural conditions and achieve realistic buckling behavior during compression cycles. To evaluate the building's response under realistic earthquake conditions, a suite of eleven ground motion records was selected from the PEER Ground Motion Database in accordance with TSCB-2018 requirements. The selected records represent a variety of magnitudes, fault mechanisms, rupture distances, and site conditions, providing a comprehensive spectrum of seismic input motions to test the building under different seismic scenarios. Each pair of horizontal components was applied simultaneously to the model, and the records were scaled to ensure consistency with the target design spectrum. This approach ensures that the analysis captures multi-directional effects and reflects the variability inherent in real ground motion characteristics. Global seismic response assessment focused primarily on interstory drift ratios, base shear demands, story shear distributions, and displacement profiles. The analysis results indicate that story drift ratios remain well below the determined limiting value (0.02) for the design earthquake level (DD-2) defined in TSCB-2018. The distribution of drifts along the height of the building follows a smooth and stable trend, with slightly elevated drift concentrations around mid-height stories—a behavior commonly observed in similar braced-frame configurations. Importantly, no soft-story mechanism, sudden stiffness loss, or out-of-plane instability was detected. The base shear values obtained from nonlinear dynamic analyses were higher than the equivalent static design base shear, reflecting the influence of higher-mode effects and inelastic behavior; however, they remained within acceptable ranges consistent with expected brace strengths. The evaluation of story shear distributions revealed that the highest shear forces occurred in the lower stories, gradually decreasing toward the upper levels. This pattern is typical of mid-rise CBF systems subjected to strong seismic excitation, as the lower levels tend to attract more lateral force due to cumulative stiffness and mass distribution. The story shear demands were compared to the expected strengths of the bracing members, and all stories demonstrated sufficient capacity to resist the imposed loads without exceeding performance limits. Local component-level behavior was analyzed with special emphasis on the bracing members due to their critical role in energy dissipation. The braces exhibited a combination of tensile yielding, compressive buckling, and cyclic strength degradation during the analyses. The axial force–deformation relationships consistently displayed stable hysteresis loops across all ground motions, indicating robust energy dissipation capacity. This behavior aligns well with the expected performance of high-ductility bracing members and reinforces the suitability of CBFs for seismic applications. Axial strain demands were evaluated against the deformation limits specified in TSCB-2018 Appendix 5C. The majority of braces fell within the Limited Damage (SH) and Controlled Damage (KH) performance ranges, demonstrating that despite experiencing substantial inelastic action, the braces did not undergo excessive deterioration that would compromise their structural function. In contrast, beams and columns remained predominantly elastic throughout the analyses, with demand-capacity ratios significantly below unity. This confirms that the capacity design principles were successfully implemented and that the energy-dissipating mechanisms were effectively concentrated within the bracing members. As a result, no undesirable redistribution of forces or formation of plastic hinges in beams or columns was observed. This finding further validates the structural robustness of the building and highlights the importance of proper hierarchy in designing braced systems for seismic resistance. The overall stability of the structure during the analyses was examined through residual deformation assessments, displacement time histories, and the consistency of stiffness degradation patterns. The results indicate that the building maintained stable seismic behavior throughout the duration of strong ground motion. No torsional irregularity, lateral–torsional coupling, or global instability was detected. Residual drifts were minimal and fell within acceptable limits, suggesting that the structure would remain functional and repairable following a design-level earthquake. In conclusion, the findings of this study confirm that the examined eight-story steel building satisfies the seismic performance objectives prescribed by TSCB-2018 for the design-level earthquake. The results demonstrate that the structure possesses adequate lateral stiffness, ductility capacity, and energy dissipation capability to withstand severe seismic demands without significant damage. The concentration of inelastic behavior within the bracing members, the stability of global drift patterns, and the elastic response of the primary frame members collectively validate the effectiveness of concentrically braced steel frames as a reliable lateral load-resisting system for mid-rise steel buildings. Furthermore, the study highlights the importance of using realistic nonlinear analysis methods and appropriately selected ground motion records when evaluating the performance of existing steel structures. Overall, the research contributes meaningful insight into the seismic reliability of CBF systems and supports their continued use in earthquake-prone regions where structural safety and performance-based design considerations are of paramount importance.
Benzer Tezler
- Dışmerkez çaprazlı çelik çerçeveler için kapasite tasarımı yaklaşımının ve deprem performansının zaman tanım alanında doğrusal olmayan hesap yöntemi ile değerlendirilmesi
Capacity design and nonlinear time history analysis approach to seismic performance assessment of eccentrically braced steel frames
ALPAY IŞIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER
- Yatay yük taşıyıcı sistemi süneklik düzeyi yüksek merkezi çaprazlı çerçevelerden oluşan çelik binalarda yerdeğiştirme büyütme katsayısının incelenmesi
An investigation of deflection amplification factor for steel buildings with special concentrically braced frames
NAZLICAN KARAMANOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CAVİDAN YORGUN
- Yatay yük taşıyıcı sistemi burkulması önlenmiş çaprazlı çelik çerçevelerden oluşan bir yüksek binanın deprem etkileri altında performansının değerlendirilmesi
Seismic performance evaluation of a high-rise steel building with buckling-restrained braced steel frames under earthquake effects
ERAY KAYATAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FETHİ KADIOĞLU
- Birbirine dik doğrultudaki süneklik düzeyi yüksek merkezi çaprazlı çelik çerçevelerin ortak kolonlarının tasarımı ve doğrusal olmayan davranışlarının incelenmesi
Design of common columns of special concentrically steel braced frames placed perpendicular to each other and investigation of their nonlinear behavior
FATİH FURKAN DOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER
- Non linear time history analysis of a 28 story steel building
28 katlı çelik bir binanın zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizi
MURAT KANAT
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER