Capacity Design and Seismic Performance Assessment of Eccentrically Braced Steel Frames Using Nonlinear Time History Analysis

Yıl 2025, Cilt: 16 Sayı: 1, 243 - 256

Alpay Işın , Cüneyt Vatansever

https://doi.org/10.24012/dumf.1592049

Öz

In this study, the seismic performance of a seven-storey office building designed in accordance with the principles specified in the Turkish Seismic Code for Buildings-2018 (TSCB-2018) and resisting the lateral loads in both principal directions with highly ductile eccentrically braced steel frames is evaluated using nonlinear time history analysis method. The nonlinear behavior of the structural members is based on the lumped plastic behavior (plastic hinge) model. In the study, a total of twenty-two nonlinear time history analyses were performed using eleven different earthquake ground motions. Storey and floor shear forces, relative storey drifts, internal force demands on diagonals and columns, shear force - displacement and moment - rotation demands on tie beams were taken into account in the evaluation. Based on the average values of the demands obtained as a result of twenty-two nonlinear analyses, the adequacy of the capacity design approach prescribed in TSCB 2018 for eccentrically braced frames was investigated and seismic performance of the structural system was also assessed.

Anahtar Kelimeler

Eccentrically Braced Frame, Nonlinear Time History Analysis, Earthquake Performance Evaluation, Link Beam, Plastic Hinge, Plastic Behavior

Dışmerkez Çaprazlı Çelik Çerçevelerde Kapasite Tasarımı Yaklaşımının ve Deprem Performansının Zaman Tanım Alanında Doğrusal Olmayan Hesap Yöntemi ile Değerlendirilmesi

Öz

Bu çalışma kapsamında, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği-2018 (TBDY-2018)’de belirtilen boyutlandırma esaslarına uygun olarak tasarımı yapılan, her iki asal doğrultusunda yatay yüklerin süneklik düzeyi yüksek dışmerkez çaprazlı çelik çerçeveler tarafından karşılandığı yedi katlı bir ofis binasının deprem performansı, zaman tanım alanında doğrusal olmayan hesap yöntemi kullanılarak değerlendirilmiştir. Taşıyıcı sistemi oluşturan elemanların doğrusal olmayan davranışları için yığılı plastik davranış (plastik mafsal) modeli esas alınmıştır. Çalışmada, on bir farklı deprem yer hareketi kullanılarak toplam yirmi iki adet zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz gerçekleştirilmiştir. Değerlendirmede taban ve kat kesme kuvvetleri, göreli kat ötelenmeleri, çapraz ve kolonlarda oluşan iç kuvvet talepleri, bağ kirişlerindeki kesme kuvveti – yer değiştirme ve moment – dönme talepleri dikkate alınmıştır. Zaman tanım alanında doğrusal olmayan yirmi iki adet analiz sonucu elde edilen taleplerin ortalama değerleri esas alınarak, TBDY 2018’de dış merkez çaprazlı çelik çerçeveler için öngörülen kapasite tasarımı yaklaşımının yeterliliği araştırılmış ve bina taşıyıcı sisteminin deprem performansı değerlendirilmiştir.

Anahtar Kelimeler

Dışmerkez Çaprazlı Çelik Çerçeve, Zaman Tanım Alanında Doğrusal Olmayan Analiz, Deprem Performans Değerlendirmesi, Bağ Kirişi, Plastik Mafsal, Doğrusal Olmayan Davranış

Kaynakça

• [1] Bouwkamp, J., Vetr, M. G. and Ghamari, A., “An analytical model for inelastic cyclic response of eccentrically braced frame with vertical link (V-EBF)”, Case Studies in Structural Engineering, vol. 6, pp. 31-44, May. 2016.
• [2] Caprili, S., Mussini, N. and Salvatore, W., “Experimental and numerical assessment of EBF structures with shear links”, Steel and Composite Structures, vol. 28, no. 2, pp. 123-138, Nov. 2018.
• [3] Silva, A. R. D. et al., “Refined Elastoplastic Analysis of Plane Steel Frames Under Extreme Dynamic Loading”, in Proceedings of the XXXIV Iberian Latin-American Congress on Computational Methods in Engineering CILAMCE2013, Pirenópolis, GO, BRAZIL, 2013, pp. 2-18.
• [4] Popov, E. P., Ricles, J. M. and Kasai, K., “Methodology for optimum EBF link design”, in Proc. Earthquake Engineering Tenth World Conference, Balkema, Rotterdam, 1992, pp. 3983-3988.
• [5] Bosco, M., Rossi, P.P., “Seismic behavior of eccentrically braced frames”, Engineering Structures, Vol.31, pp. 664-674, 2009.
• [6] Koboevic, S. and David, S.O., “Design and Seismic Behaviour of Taller Eccentrically Braced Frames”, Canadian Journal of Civil Engineering, Vol. 37, pp. 195-208, 2010.
• [7] Durgun, Y. ve diğ., “Dışmerkez Çaprazlı Bir Çelik Perdenin Deprem Performansının Doğrusal Olmayan Dinamik Hesap Yöntemi İle Değerlendirilmesi”, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, Vol. 19, no. 6, pp. 266-274, 2013.
• [8] Khan, N. A., and Bilal, A., “Seismic performance evaluation of eccentrically braced steel frame buildings”, Sigma Journal of Engineering and Natural Sciences, Vol. 41, no. 6, pp. 1121-1131, Dec, 2023.
• [9] Büyük, M.S., “Dışmerkez Çaprazlı Çelik Çerçeveli Çok Katlı Bir Yapının Doğrusal ve Doğrusal Olmayan Dinamik Analiz Yöntemleri ile İncelenmesi”, Yüksek Lisans Tezi, İnşaat Müh. İstanbul Teknik Üniv., İstanbul, Türkiye, 2022.
• [10] Esmaili, M. R., “Seismic Performance of Eccentrically Braced Frames Designed According to Canadian Seismic Provisions”, M.Sc. thesis, Dept. Building, Civil and Env. Eng., Concordia Univ., Montreal, Canada, 2015.
• [11] Biradar, B.B., et al., “Seismic Evaluation of Eccentric Brace Frame Designed by Force-Based Design and Performance-Based Plastic Design Methods”, in Lecture Notes in Civil Engineering Proc. of 17th Symposium on Earthquake Engineering (Vol.2), Vol. 330, pp. 393-407, 2023.
• [12] Mortazavi, P., et al., “Seismic Performance Assessment of Steel EBFs with Conventional Replaceable Yielding Links Designed with ASCE 7-16”, J. Struct. Eng. ASCE, Vol. 150, no. 5, pp. 1-18, 2024, DOI: 10.1061/ JSENDH.STENG-13093
• [13] Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği, Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı, Ankara, 2018.
• [14] Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (TBDY 2018) Eğitim El Kitabı Açıklamalar ve Uygulama Örnekleri, TMMOB İnşaat Mühendisleri Odası, 2018.
• [15] Türkiye Deprem Tehlike Haritaları, Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı, 2018. “https://tdth.afad.gov.tr/”
• [16] ETABS (ver. 21.0.1) [Computer Software], “Integrated software for structural analysis and design program”, Computers and Structures Inc., Berkely, California.
• [17] Perform 3D (ver. 8.1.0) [Computer Software], “Nonlinear Analysis and Performance Assesment of 3D Structures”, Computers and Structures Inc., Berkely, California.
• [18] Gilberson, M. F., “Two nonlinear beams with definitions of ductility”, J. Struct. Eng., ASCE, Vol. 95, no. 2, pp. 137-157, 1966.
• [19] Chen, P. F. and Powel, G. H., “Generalized plastic hinge concepts for 3D beam-column elements.”, EERC Report No. 82-20, Earthquake Eng. Res. Cntr., Univ of California, Berkeley, 1982.
• [20] Roader, C. W. and Popov, E. P., “Inelastic behavior of eccentric braced steel frames under cyclic loadings”, EERC Report No. 77-18, Earthquake Eng. Res. Cntr., Univ of California, Berkeley, 1977.
• [21] Kasai, K. and Popov, E. P., “General behavior of WF steel shear link beams.” J. Struct. Eng., ASCE, Vol. 112, no. 2, pp. 362-382, 1986.
• [22] Ricles, J. M. and Popov, E.P., “Composite action in eccentrically braced steel frames.” J. Struct. Eng. ASCE, Vol. 115, no. 8, pp. 2046-2066, 1989.
• [23] Ricles, J. M. and Popov, E.P., “Inelastic link element for EBF seismic analysis.”, J. Struct. Eng., ASCE, Vol. 120, no. 2, 1994.
• [24] Ramadan, T., and Ghobarah, A., “Analytical model for shear-link behavior.” J. Struct. Eng., ASCE, Vol. 121, no. 11, pp. 1574-1580, 1995.
• [25] Richards, P.W., “Testing protocol for short links in eccentrically braced frames.”, J. Struct. Eng., ASCE, Vol. 132, no. 8, pp. 1183-1191, 2006.
• [26] Badalassi, et al., “Influence of steel mechanical properties on EBF seismic behavior.”, Bull. Earthquake Eng., Vol. 11, pp. 2249-2285, 2013.
• [27] Badalassi, et al., “Influence of variability of material mechanical properties on seismic performance of steel and steel-concrete composite structures.”, Bull. Earthquake Eng., Vol. 15, no. 4, pp. 1559-1607, 2017.
• [28] PEER Strong Motion Database, Pacific Earthquake Engineering Research Center, California, 2017. “https://ngawest2.berkeley.edu/”