Süneklik düzeyi yüksek dışmerkez çaprazlı çelik çerçeveli binaların yakın fay etkisi altındaki performansının incelenmesi

Abstract

Arka Plan—Merkezi çaprazlı çelik çerçevelerde bulunan yüksek rijitlik ve moment aktaran çerçevelerde bulunan yüksek süneklik özelliklerinin birleşmesiyle yeni bir tasarım türü olarak ortaya çıkan dışmerkez çaprazlı çelik çerçeve (EBF) sistemlerinde tasarım felsefesi, sismik yükler altında plastik deformasyonun bağ kirişi adı verilen en zayıf elemanda gerçekleşmesini ve taşıyıcı elemanların elastik bölgede kalmasını sağlamaktır. Kiriş üzerinde yer alan bu ‘’bağ kirişi’’ hasarın kolon, kiriş ve çapraz gibi diğer taşıyıcı elemanlara yayılmasını engelleyerek yapının stabilitesini korumakta ve kuvveti kararlı bir şekilde sönümlemektedir. Bu özeliğiyle bağ kiriş elemanı meydana gelen depremden sonra değiştirilebilmekte ve onarılabilmektedir.

Amaç—Bu çalışmada bağ kirişi elemanı aracılığıyla sağlanan yüksek sünekliğin, özellikle yakın fay deprem etkisi altındaki performans üzerinde ne denli etkili olduğu belirlenmiştir. Çalışmanın amacı, farklı kat sayılarına sahip dışmerkez çaprazlı çelik çerçeve binaların yakın deprem fay etkisi altında sismik performansını incelemektir.

Yöntem—Çalışma kapsamında, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018 ve Çelik Yapıların Tasarım Hesap ve Yapım Esasları yönetmeliklerine göre SAP2000 yazılımı yardımıyla tasarımı yapılan 3 binanın yakın fay etkisinde zaman tanım aralığı yöntemi kullanılarak analizi sonucunda davranışları karşılaştırılmıştır. EBF sistemlerin yakın fay deprem kayıtları altında gösterdiği performans ve bağ kirişinin genel yapı sistem sünekliği üzerinde ne denli bir etkisi olduğu araştırılmıştır.

Bulgular—Analiz sonuçları, bağ kirişlerinin kararlı kesme akması sergileyerek ve geniş histeretik döngüler oluşturarak sistemin enerji sönümleme kapasitesine baskın bir katkı sunduğunu göstermiştir. Uygulanan kapasite tasarımı ilkeleri sayesinde bağ kirişi dışındaki kolon, çapraz ve çerçeve kirişi gibi ana taşıyıcı elemanların elastik sınırlar içinde kaldığı ve yapısal hasardan başarıyla korunduğu sayısal olarak teyit edilmiştir. Tüm modellerde ortalama bağ kirişi plastik dönme talepleri TBDY 2018 0.08 rad tasarım sınırının ve FEMA 356 Can Güvenliği sınırlarının altında kalırken; şiddetli darbe içeren bireysel kayıtlarda yerel tepe dönmelerin tasarım sınırlarını aşabildiği gözlemlenmiştir.

Sonuç—Bu çalışma, süneklik düzeyi yüksek EBF’lerin yakın fay yer hareketleri altında etkin bir sismik performans ve onarılabilirlik sergilediğini kanıtlamaktadır. Bununla birlikte, en büyük yer hızı (PGV) ve darbe periyodunun plastik şekil değiştirme talepleri üzerindeki belirleyici etkisi; çok katlı EBF tasarımlarında bağ kirişi boyuna duyarlı pekleşme bağıntılarının ve ikinci mertebe etkilerinin kapasite tasarımına titizlikle dahil edilmesi gerektiğini ortaya koymaktadır.

Keywords

• Kapasite tasarımı
• Çevrimsel pekleşme
• Süneklik düzeyi yüksek dışmerkez
• Bağ kirişi
• Yakın fay etkisi
• Doğrusal olmayan zaman tanım analizi

Seismic performance of steel eccentrically braced frames subjected to near-fault ground motions

Abstract

Context—Eccentrically Braced Frame (EBF) systems emerged as a novel design concept by combining the high stiffness of Concentrically Braced Frames (CBFs) with the high ductility of Moment-Resisting Frames (MRFs). The underlying design philosophy of EBF systems is to ensure that plastic deformations under seismic loads occur predominantly within the weakest element, known as the link beam, while the remaining primary structural members stay within the elastic range. Positioned along the beam, this 'link' prevents damage from propagating to other primary structural components such as columns, beams, and braces, thereby maintaining the overall structural stability and dissipating seismic energy in a stable manner. Owing to this unique characteristic, the link element can be repaired or replaced following an earthquake event.

Objective—This study reveals the crucial role of high ductility provided by the link beam element on structural performance, particularly under near-fault seismic effects. The primary objective of the study is to thoroughly investigate the seismic performance of eccentrically braced steel frame buildings with varying numbers of stories under near-fault ground motion effects.

Method—The seismic responses of three buildings—designed using SAP2000 software in accordance with the Turkish Building Seismic Code (TBSC 2018) and the Design, Calculation, and Construction Principles of Steel Structures—were analyzed and compared using time-history analysis under near-fault effects. Furthermore, the performance of Eccentrically Braced Frame (EBF) systems under near-fault ground motion records and the extent of the link beam's impact on overall structural ductility were thoroughly investigated.

Results—The analysis results demonstrated that the link beams predominantly contributed to the energy dissipation capacity of the system by exhibiting stable shear yielding and forming wide hysteretic loops. Through the implementation of capacity design principles, it was numerically verified that primary structural members outside the link beam—such as columns, braces, and frame beams—remained within elastic limits and were successfully protected from structural damage. While the mean link beam plastic rotation demands across all models remained below the TBDY 2018 design limit of 0.08 rad and the FEMA 356 Life Safety criteria, peak local rotation demands under individual ground motions containing severe velocity pulses were observed to exceed the design thresholds.

Conclusion—This study proves that eccentrically braced steel frames (EBFs) with high ductility exhibit effective seismic performance and post-earthquake repairability under near-fault ground motions. Nonetheless, the decisive influence of peak ground velocity (PGV) and pulse period on inelastic deformation demands highlights the necessity of rigorously incorporating link-length-dependent strain hardening formulations and second-order effects into capacity-based design procedures for multi-story EBF systems.

Keywords

• Capacity design
• Cyclic strain hardening
• Eccentrically braced frames with high ductility level
• Link beam
• Near-fault effect
• Nonlinear time-history analysis

References

1. Z. Ay, İ. D. Çelik, “Dışmerkez çelik çapraz perde bir sistemde bağ kirişi boyunun 2007 Türk Deprem Yönetmeliği açısından incelenmesi”, Teknik Dergi, 23(111), 5827–5843, 2012. https://izlik.org/JA65HG44KS.
2. Y. Alp, “Finite element analysis of eccentrically braced frame shear links with reduced web sections”, M.S. thesis, The University of Texas at Austin, Austin, TX, USA, 2019.
3. Y. Altan, “Merkezi ve dışmerkez çaprazlı çelik bina yapılarında deprem performansının belirlenmesi”, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Gelişim Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye, 2020.
4. E. M. Ün, M. A. Q. Al-Janabi, C. Topkaya, “Seismic performance evaluation of eccentrically braced frames with long links using FEMA P695 methodology”, Engineering Structures, 258, 114104, 2022. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2022.114104.
5. Ç. Uzunkaş, “Moment aktaran süneklik düzeyi yüksek çelik çerçeve ile dışmerkez çaprazlı çelik çerçevenin birlikte oluşturduğu sistemin doğrusal olmayan davranışının incelenmesi”, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye, 2021.
6. M. A. Q. Al-Janabi, C. Topkaya, “Seismic performance of eccentrically braced frames designed to AISC341 and EC8 specifications”, Structures, 29, 339–359, 2021. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2020.11.031.
7. V. Mohsenian, R. Filizadeh, I. Hajirasouliha, R. Garcia, “Seismic performance assessment of eccentrically braced steel frames with energy-absorbing links under sequential earthquakes”. Journal of Building Engineering, 33, 101576, 2021. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.101576.
8. M. S. Büyük, “Dışmerkez çaprazlı çelik çerçeveli çok katlı bir yapının doğrusal ve doğrusal olmayan dinamik analiz yöntemleriyle incelenmesi”, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye, 2022.

9. N. A. Khan, A. Bilal, “Seismic performance evaluation of eccentrically braced steel frame buildings”, Sigma Journal of Engineering and Natural Sciences, 41(6), 1128–1138, 2023. https://doi.org/10.14744/sigma.2023.00075.
10. M. D. Engelhardt, E. P. Popov, “On design of eccentrically braced frames”, Earthquake Spectra, 5(3), 495–511, 1989. https://doi.org/10.1193/1.1585537.
11. P. W. Richards, C. M. Uang, “Testing protocol for short links in eccentrically braced frames”, Journal of Structural Engineering, 132(8), 1183–1191, 2006. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9445(2006)132:8(1183).
12. S. Koboevic, S. O. David, “Design and seismic behaviour of taller eccentrically braced frames”, Canadian Journal of Civil Engineering, 37(2), 195–208, 2010. https://doi.org/10.1139/L09-131.
13. E. M. Ün, “Numerical modeling and seismic performance assessment of steel eccentrically braced frames with short and long links”, Ph. D. dissertation, Middle East Technical University Graduate School of Natural and Applied Science, Ankara, Türkiye, 2022.
14. H. E. Alçiçek, C. Vatansever, “An investigation of strain hardening factor for link beams made of European H- and I shapes”, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 38(2), 975–987, 2023. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1074538.
15. B. Alavi, A. Krawinkler, “Behavior of moment-resisting frame structures subjected to near-fault ground motions”, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 33(6), 687–706, 2004. https://doi.org/10.1002/eqe.369.
16. E. Kalkan, S. K. Kunnath, “Effects of fling step and forward directivity on seismic response of buildings”, Earthquake Spectra, 22(2), 367–390, 2006. https://doi.org/10.1193/1.2192560.
17. Z. Tonyalı, M. Yurdakul, H. Sesli, “Dynamic response of concentrically braced steel frames to pulse period in near-fault ground motions”, Turkish Journal of Science and Technology, 17(2), 357–373, 2022. https://doi.org/10.55525/tjst.1113021.
18. N. Mansour, C. Christopoulos, R. Tremblay, “Experimental validation of replaceable shear links for eccentrically braced steel frames”, Journal of Structural Engineering, 137(10), 1141–1152, 2011. https://doi.org/10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0000350.
19. Computers and Structures Inc., “SAP2000 v22.1.0 - Integrated Software for Structural Analysis and Design”, Berkeley, CA, USA, 2020, http://installs.csiamerica.com/software/SAP2000/22/ReadMeSAP2000v2210.pdf.
20. Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı, “Türkiye deprem tehlike haritası”, https://www.afad.gov.tr/turkiye-deprem-tehlike-haritasi (08.01.2026).
21. Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı, “Türkiye bina deprem yönetmeliği: Deprem etkisi altında binaların tasarımı için esaslar”, Ankara, Türkiye, 2018. https://www.resmigazete.gov.tr/eskiler/2018/03/20180318M1-2-1.pdf.
22. Computers and Structures Inc., “ETABS v22.0.0 - Integrated Software for Structural Analysis and Design, Berkeley, CA, USA, 2024. https://www.csiamerica.com/software/ETABS/22/ReleaseNotesETABSv2200.pdf.
23. Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings, FEMA 356, Federal Emergency Management Agency, Washington, DC, USA, 2000.
24. PEER Ground-Motion Database, “The PEER ground-motion selection web application”, Pacific Earthquake Engineering Research Center, University of California, Berkeley, USA, https://ngawest2.berkeley.edu/ (01.04.2026).
25. D. Birlik Kayı, “Üstyapı modelleme kabullerinin sismik izolasyon ile güçlendirilen betonarme bir binanın deprem tepkisine etkisi”, Doktora Tezi, Bursa Teknik Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Bursa, Türkiye, 2024.
26. J. L. Harris III, M. S. Speicher, “Assessment of First Generation Performance Based Seismic Design Methods for New Steel Buildings, Volume 3: Eccentrically Braced Frames”, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, USA, NIST Technical Note 1863-3, 2015. https://doi.org/10.6028/NIST.TN.1863-3.