Comparison of structural analysis results of central inverted V and X braced frames high-rise steel structures using modal combine method

Abstract

Within the scope of the study, the effects of using inverted V braces or X braces on the performance of the structure have been investigated in the core section and outer centers of the building plan in high-rise steel structures. Considering the TBDY-2019 and ÇYTHYE-2018, 4 different types of structures were modeled in the 35-storey steel structure model, which was using the Etabs program, and the effect of different positioning of the inverted V and X braces was examined. Structural behavior was analyzed using the modal combine method. As a result of the structural analysis, different types of building models were compared over their weights, periods and displacement values. Since the modeling of the braces in the core section causes strain in the axial force in the columns surrounding the braces, the structural weights are higher than the bracing models in the outer openings. The column profiles surrounding the braces in the core section have been enlarged. This change has resulted in an increase in the weight of the structure by 40-50% compared to other models. Within the scope of the study, the cross profile change has little effect on the analysis results, while the position of the crosses has a great effect on the analysis results. For models in which the braces are located in the core, the inverted V braced model performed 4.9% more displacement than the X braced model. For the models in which the braces are located in the outer openings, the X braced model performed 0.57% more horizontal displacement than the inverted V braced model.

Keywords

• High-rise steel structures
• external steel braced frames
• eccentrically braced frame
• concentrically braced frame
• mod combine method.

Merkezi ters V ve X çaprazlı çerçeveli yüksek katlı çelik yapıların mod birleştirme yöntemi ile yapısal analiz sonuçlarının karşılaştırılması

Öz

Çalışma kapsamında, yüksek katlı çelik yapılarda yapı planının çekirdek bölümünde ve planın dış açıklıklarında ters V çaprazların veya X çaprazların kullanılmasının yapının performansı üzerindeki etkileri incelenmiştir. TBDY-2019 ve ÇYTHYE-2018 dikkate alınarak Etabs programı kullanılarak modellenen 35 katlı çelik yapı modelinde 4 farklı tipte yapı modellenerek ters V ve X çaprazların farklı konumlandırılmasının etkisi incelenmiştir. Yapısal davranış mod birleştirme yöntemi kullanılarak analiz edilmiştir. Yapısal analiz sonucunda farklı tip bina modellerinin ağırlıkları, periyotları ve yer değiştirme değerleri karşılaştırılmıştır. Çaprazların çekirdek bölümünde modellenmesi çaprazları çevreleyen kolonlarda eksenel kuvvette zorlanmaya sebebiyet verdiğinden yapı ağırlıkları dış açıklardaki çapraz modellerine kıyasla daha fazladır. Çekirdek bölümündeki çaprazları çevreleyen kolon profilleri büyütülmüştür. Bu değişiklik diğer modellere kıyasla %40-50 oranında yapı ağırlığında artışa sebebiyet vermiştir. Çalışma kapsamında çapraz profil değişiminin analiz sonuçlarına etkisi az iken çaprazların konumunun analiz sonuçlarına büyük etkisi mevcuttur. Çaprazların çekirdekte konumlandığı modeller için ters V çaprazlı model X çaprazlı modele kıyasla %4.9 oranında daha fazla deplasman gerçekleştirmiştir. Çaprazların dış açıklıklarda konumlandığı modeller için X çaprazlı model ters V çaprazlı modele kıyasla %0.57 oranında daha fazla yatay deplasman gerçekleştirmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Yüksek çelik yapılar
• merkezi çaprazlı çelik çerçeveler
• ters V çaprazlı çerçeveler
• X çaprazlı çerçeveler
• mod birleştirme yöntemi.

Kaynakça

1. TBDY-2019. Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği, Deprem Etkisi Altında Binaların Tasarımı İçin Esaslar. Ankara, 2019.
2. E. Bazán and E. Rosenblueth, Seismic response of one-story X-braced frames. Journal of the Structural Division, 100(2), 489-493,1974. https://doi: 10.1061/JSDEAG.0003732.
3. M. Bosco, and P.P. Rossi, A design procedure for dual eccentrically braced systems: Analytical formulation. Journal of Constructional Steel Research, 80: 440-452, 2013. https://doi.org/ 10.1016/j.jcsr.2012.08.003
4. B. Akbaş, Endüstriyel çelik yapıların sismik detaylandırılması. 1. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı, ODTÜ, Ankara, 2011
5. E. Engng, S. Dyn, I. Peruä, and P. Fajfar, On the inelastic torsional response of single‐storey structures under bi‐axial excitation. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 34.8: 931-941, 2005. https://doi: 10.1002/eqe.462.
6. P. Fajfar, D. Marušić, I. Peruš, Torsional effects in the pushover-based seismic analysis of buildings. Journal of Earthquake Engineering, 9.06: 831-854, 2005. https://doi: 10.1080/13632460509350568.
7. S. C. Goel and R. D. Hanson, Seismic behavior of multistory braced steel frames. Journal of the Structural Division, 100.1: 79-95,1974. https://doi: 10.1061/JSDEAG.0003706.
8. Ö. Bozdağ, M. Seçer, Yarı rijit birleşimli çelik çerçevelerin analizi. Türkiye İnşaat Mühendisliği On yedinci Teknik Kongre ve Sergisi, İstanbul, 2004.

9. J. Shen, R. Wen, B. Akbas, B. Doran, Seismic demand on brace-intersected beams in two-story X-braced frames. Engineering Structures, 76: 295-312, 2014. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2014.07.022.
10. A. Lucchini, G. Monti, and S. Kunnath, Nonlinear response of two-way asymmetric single-story building under biaxial excitation. Journal of Structural Engineering, 137.1: 34-40, 2011. https://doi:10.1061/ (ASCE)ST.1943541X.0000266.
11. K. Lee and M. Bruneau, Energy dissipation of compression members in concentrically braced frames: review of experimental data. Journal of Structural Engineering, 131.4: 552-559, 2005. https://doi:10.1061/(ASCE)07339445(2005)131:4(552).
12. Ö. Çavdar, Farklı çapraz elemanlı çelik yapıların dinamik davranışının incelenmesi. 7. Çelik Yapılar Sempozyumu, Gaziantep, Türkiye, 27-29 Ekim 2017.
13. D. E. Nassani, A. K. Hussein, A. H. Mohammed, Comparative response assessment of steel frames with different bracing systems under seismic effect. In Structures, 11: 229-242, 2017. https://doi.org/ 10.1016/j.istruc.2017.06.006.
14. C. W. Roeder et al., Influence of gusset plate connections and braces on the seismic performance of X braced frames. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 40.4: 355-374, 2011. https://doi: 10.1002/eqe.1024.
15. M. E. Kural and Ö. Zeybek, Merkezi̇ çeli̇k çaprazla teşki̇l edi̇lmi̇ş çok katli çeli̇k yapilarin i̇ki̇nci̇ mertebe anali̇zi̇. Ticaret Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 10.20: 1-14, 2011.
16. M. B. Bozkurt ve Ö. Zeybek, Çapraz konfigürasyonunun merkezi çaprazlı çelik çerçevelerin tasarımına ve dinamik performansına etkisi. Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fen ve Muhendislik Dergisi, 23.68: 399-412, 2021. https://doi: 10.21205/deufmd.2021236805.
17. Çelik yapıların tasarım, hesap ve yapımına dair esaslar, Çevre ve Şehircilik Bakanlığı ÇYTHYE-2018, Ankara, 2018.