A study on effectiveness of buckling-restrained braces in mitigating earthquake response of framed buildings

Abstract

Çelik çapraz elemanlar deprem hareketi süresince yanal ötelenmeyi azaltmak ve enerjiyi sönümlemek için yapılarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte deprem gibi tekrarlı yükler altında, çapraz elemanlar burkulmaya, yanal ötelenmeye ve yük taşıma kapasitelerinin düşmesine neden olan eksenel çekme-basınç etkisine maruz kalırlar. Son yıllarda, aşırı yüklemeler altında oluşan bu olumsuz davranışların üstesinden gelebilmek için, kararlı histeretik davranışa, yüksek süneklik düzeyine ve yüksek oranda enerji sönümleme kapasitesine sahip burkulması önlenmiş çapraz sistemlerin geliştirilmesi için önemli çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, burkulması önlenmiş çaprazların (BÖÇ), yanal yüklemeye maruz kalan yapıların korunması ve tepkilerin azaltılması üzerindeki etkisi ile ilgili analitik (sayısal) bir araştırma sunulmuştur. Bunun için sıradan ve burkulması önlenmiş çapraz sistem bulunduran farklı çerçeveli yapıların sismik davranışları doğrusal olmayan statik analiz yöntemiyle incelemiştir. Vaka çalışması olarak FEMA 356?da belirtilen kat ötelenme oranı sınırlarını sağlamayan 2, 4, 6 ve 8 katlı sıradan moment aktaran çelik çerçeve binalar tasarlanmıştır. Her bir binanın çerçevesi 5 m?lik 4 eşit açıklığa sahiptir. Daha sonra, burkulması önlenmiş çaprazlar farklı şekillerde, ters-V, diyagonal, ayrık-X ve V-çapraz sistemler olarak her bir binanın dış çerçevelerine yerleştirilmiştir. BÖÇ bulunduran ve bulundurmayan binaların performansları doğrusal olmayan analiz ile araştırılmıştır. Sonuç olarak, farklı özelliklere sahip çerçevelerin katlararası ötelenme indeksleri, genel hasar indeksleri, kapasite eğrileri ve plastik mafsal oluşumları karşılaştırılmalı olarak değerlendirilmiştir.Anahtar kelimeler: Burkulması önlenmiş çapraz; Sıradan çerçeve; Performans özellikleri; Yapısal tepki.

Steel bracing members are widely used in the structures to reduce lateral displacement and dissipate energy during earthquake motions. However, under cyclic loads such as earthquake, the bracing members are subjected to cyclic tension and compression axial loads which results in buckling of bracing members, increase in member lateral displacements and reduction in the load resistance capacities. In recent years, to overcome this negative behavior of bracing members, significant research efforts have been intended for developing buckling restrained bracing with stable hysteretic behavior, significant ductility, and large energy dissipation. In this study, a numerical investigation is presented on the effectiveness of BRBs to protect and mitigate response of structures subjected to lateral loading. For this, nonlinear static analysis was performed in order to examine the seismic behavior of different ordinary and buckling restrained braced frame buildings. As a case study, 2, 4, 6, and 8 storey ordinary moment resisting steel frame buildings were designed with lateral stiffness insufficient to comply with drift limitations given in FEMA 356. Frames of each building had equal four bays of 5 m. Then, BRBs with different configurations, namely chevron, diagonal, split-X, and V-bracing systems were inserted into the exterior bays of each building. The performances of the frames with and without BRBs were investigated through nonlinear analysis. As a result of the analysis, inter-storey drift index, global damage index, capacity curves, plastic hinge formations, and deflected shape were obtained for the bare frames and buckling restrained braced frames and discussed comparatively.Keywords: Buckling-restrained brace; Ordinary frame; Performance characteristics; Structural response.