Geri Dön

Süneklik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçevelerde güçlü kolon-zayıf kiriş koşulunun yapı davranışına etkisinin araştırılması

Effect of strong column-weak beam ratio on steel special moment frames' behavior

PDF İndir

  1. Tez No: 833245
  2. Yazar: BARIŞ YÜKSEKKAYA
  3. Danışmanlar: PROF. DR. CAVİDAN YORGUN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 135

Özet

Moment aktaran çelik çerçeve yanal yük taşıyıcı sistemleri yaygın olarak kullanılan yapısal sistemlerdir. Mimari açıdan geniş alanların oluşturulmasına olanak sağlaması ve yapısal olarak yüksek sünekliğe sahip olmaları gibi avantajları olsa da sınırlı bir yatay rijitliğe sahip oldukları için yüksek yapılarda tek başlarına kullanılmazlar. Moment aktaran çelik çerçevelerin enerji sönümleme mekanizmaları yatay rijit diyafram hareketiyle sağlanmaktadır. Kirişlerin kolonlara rijit olarak bağlandığı bu çerçeveler yapıya yatay doğrultuda etkiyen yükleri kiriş ve kolonlarda oluşan kesme kuvveti ve eğilme momenti olarak aktarırlar. Taşıyıcı sistem tasarlanırken yapının sismik yükler altında nasıl davranacağını öngörmek oldukça önemlidir. Sismik yüklere yoğun olarak maruz kalınan bölgelerde moment aktaran çelik çerçeveler süneklik düzeyleri yüksek olarak teşkil edilirler. Bu teşkil, ilgili yönetmeliklerde kesit sınırlamaları ve tasarım koşulları ile sağlanmaktadır. Süneklik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçevelerde, kirişlerin büyük oranda plastik deformasyona uğraması ile, sınırlı miktarda da panel bölgesi ve zemin kat kolon alt uçlarında meydana gelen plastik şekildeğiştirmeler ile sismik yükler sönümlenir. Kirişlerde büyük oranda plastik şekildeğiştirme meydana gelirken kolonların genel anlamda elastik kalmasının ise kolonların kirişlerden güçlü olması koşulu ile sağlandığı varsayılmaktadır. Bu koşulun TBDY 2018, AISC 341-16 gibi yönetmeliklerde, düğüm noktalarında kolonların toplam eğilme momenti kapasitelerinin kirişlerin eğilme momentine kapasitelerine oranının 1.0 sınır değerinden büyük olmasıyla sağlandığı kabul edilmektedir. Bu çalışma kapsamında farklı güçlü kolon-zayıf kiriş oranlarına sahip olacak şekilde süneklik düzeyi yüksek 6 katlı moment aktaran çelik çerçeve tasarımları ve analizleri yapılmıştır. Yapısal analizler sonucunda elde edilen veriler, çalışma amacına uygun olacak şekilde ileri derece doğrusal olmayan detaylı sonlu eleman analizleri yapmılmak üzere ABAQUS sonlu elemanlar programında modellenmiştir. Analiz çıktılarının gerçekçi davranışı temsil edebilmesi, uygun eleman tipinin seçilmesi, yüzeyler arası etkileşimin doğru bir şekilde yanıstılması, malzeme modelinin tanımlanmasında gerçek gerilme-şekildeğiştirme değerlerinin kullanılması, sonlu eleman ağlarının uygun boyutta seçilmesigibi parametrelere bağlıdır. Sonlu eleman modelleri, AISC 341-16'da yer alan yükleme protokolüne uygun olarak yer değiştirme kontrollü tekrarlı tersinir yükler altında, 0.08 rad'lık göreli kat ötelemesi açısına kadar devam ettirilmiş ve 6. Kat kolonunun üzerinde bir noktadan tepe deplasmanı şeklinde uygulanmıştır. Taşıyıcı sistem elemanları C3D8I olarak tanımlanan 3 boyutlu katı eleman seçeneği kullanılarak modellenmiştir. Sonlu eleman modelleri sınır koşulları, gerçek davranışa uygun olarak teşkil edilmiştir. Kirişler, kapasitesi korunmuş bölgelerden ve yapı sisteminde tali kirişlerin birleştiği noktalardan yanal olarak desteklenmişlerdir, zemin kat kolon alt ucu ankastre olarak teşkil edilmiş ve analiz sonuçlarının güvenilirliği açısında her bir kattaki kolonların düzlem dışı deplasmanı önlenmiştir. Yapısal elemanların arasındaki yüzey etkileşimi,“Tie Constraint”seçeneği ile tanımlanmıştır. Analiz aşamasında ilk adım yapısal analizden elde edilen eksenel basınç kuvvetlerinin kolonlara kat hizalarından etkitilmesiyle, ikinci adım ise ilgili protokole uygun olarak yer değiştirme kontrollü yüklemenin tepe deplasmanı olarak uygulanmasıyla tamamlanmıştır. Tekrarlı yük uygulanması gerçekleştirildiği için yapısal elemanın pekleşme tanımını en gerçekçi yansıtan birleşik pekleşme tanımı kullanılmıştır. Analiz sonuçlarından kuvvet-yerdeğiştirme eğrileri, eksenel kısalma-yerdeğiştirme eğrileri, kopma indisleri (Rupture Index) ve taşıyıcı sistem elemanlarının eşdeğer plastik şekildeğiştirme indisi (PEEQ Index) değerleri dikkate alınarak değerlendirilmiştir. Değerlendirme sonucunda, zemin kat güçlü kolon-zayıf kiriş oranı 1.0'e yaklaştıkça yapının dayanım kaybının daha dramatik bir şekilde gerçekleştiği ve kolon alt ucunda plastik deformasyonların artmasıyla birlikte kat göçme mekanizmasının oluşabileceği gözlemlenmiştir. Zemin kat güçlü kolon-zayıf kiriş oranı 2.0'nin üzerinde olduğunda ise yapısal sistemde plastik şekildeğiştirmelerin yapı yüksekliği boyunca kirişlere üniform bir şekilde dağıldığı, dolayısıyla daha sünek bir davranış sergilediği gözlemlenmiştir. Ek olarak bu oran azaldıkça eksenel kısalmanın arttığı görülmüştür.

Özet (Çeviri)

In recent years, a variety of lateral load resistance systems have been incorporated into steel structures with the aim of dissipating substantial energy when subjected to strong earthquake ground motions. Steel moment resisting frames are one of the major seismic force resisting systems. There are three types of steel moment-resisting frames which are special, intermediate, and ordinary moment frames. However only special one is used in the regions having an intense seismic risk. Steel moment-resisting frames are widely used structural system as a lateral load-bearing systems. They have advantages such as enabling the creation of large spaces from an architectural perspective because there are no bracing or wall, and they have been viewed as highly ductile system. On the other hand, they lack of lateral rigidity, because of this reason they are not used alone for tall building. The energy dissipation mechanisms of moment- resisting steel frames are provided through the horizontal rigid frame action. These frames, in which beams are rigidly connected to columns, transfer the loads acting in the horizontal direction to the beams and columns as shear forces and bending moments. When designing a building with special steel moment resisting frames, it is essential to meet several requirements specified in the specifications to ensure that the frames exhibit greater ductility when subjected to severe ground motion. It is crucial to predict how a structure will behave under seismic loads when designing a load-bearing system. In areas heavily exposed to seismic loads, moment-resisting steel frames are designed to have high ductility levels. This provision is achieved through design conditions specified in relevant codes and regulations. In special steel moment frames, seismic loads are dissipated through extensive plastic deformation of the beams, limited plastic deformations occurring in the panel zone and the bottom ends of bottom columns. While the beams undergo significant plastic deformation, it is assumed that the columns remain predominantly elastic, provided that with the strong column-weak beam ratio. It is accepted in regulations such as TSCB 2018 and AISC 341-16 that this condition is fulfilled when the total bending moment capacity of the columns at the nodal points exceeds the bending moment capacity of the beams by a factor greater than 1.0. Within the scope of this study, 6-story special steel moment-resisting frames are designed and analyses were conducted with varying strong column-weak beam ratios. The data obtained from structural analyses were then modeled in the ABAQUS finite element program to perform advanced nonlinear detailed finite element analyses suitable for the study's purpose. The realistic representation of analysis outputs depends on parameters such as selecting the appropriate element type, accurately reflecting the interaction between surfaces, accurately reflecting the restrictions, utilizing real stress-strain values in defining the material model, and selecting suitable sizes for the finite element meshes. In order to identify the effect of strong column-weak beam ratio and to understand significant local effects, 3D finite element models which account for both geometrical and material nonlinearities are developed. The finite element models were subjected to displacement-controlled cyclic loads under repetitive loads following the loading protocol specified in AISC 341-16, continuing until a relative story drift of 0.08 radians was achieved, and then applied as top displacement at a point above the model. The structural elements were modeled using 3D solid elements defined as 8-node C3D8I (Incompatible mode elements). Due to convergence issues related to the size of the model, an imperfections cannot be implemented. However C3D8I can capture local instabilities without the need to introduce imperfections. The finite element models were established with boundary conditions representing real behavior in lateral load system. For modeling material plasticity, data from true stress-strain curves are entered in the ABAQUS program. The yield strength of the belonging to the material class is employed for non-beam elements, this value is increased by the characteristic yield stress ratio coefficient to account for potential yield stress. The beams were laterally supported at points where secondary beams connect and where their capacities are preserved, and the bottom end of bottom columns were represented as fully restrained. Also in order to prevent out-of-plane movement of the columns, the columns restricted at each floor. The interaction between structural elements are defined using the“Tie Constraint”connection element from ABAQUS connection library. Full interaction between the connected surfaces is assumed, and there is no need to define additional weld metal. In the analysis, the first step involved applying the axial compressive forces obtained from the structural analysis to the columns, and the second step involved applying displacement-controlled loading as top displacement according to the relevant protocol. Since repeated loading was applied, a combined hardening definition representing the most realistic behavior of the structural element was used. In order to the purpose of ABAQUS analysis' result validation, the ABAQUS model was recreated in structural analysis program as a 2D model, then a cyclic pushover (PO) analysis conducted, and the approach was confirmed to be correct by examining the results of both analysis. The results of the analysis are evaluated based on Von Mises stress (S.Mises), force-displacement curves, axial shortening-displacement curves, the equivalent plastic strain indexes (PEEQ Index) values, which take into account the hardening effect of the material and, rupture indexes (RI) of the load-bearing system elements. Upon evaluation, it was observed that as the strong column-weak beam ratio of the ground floor approached 1.0, the structural resistance loss occurred in a more brittle manner, and the formation of a story collapse mechanism could be observed with increased plastic deformations at bottom. It has been observed that when the strong column-weak beam ratio of the ground floor exceeded 2.0, plastic deformations is formed in the structural system uniformly distributed to the beams throughout the height of the structure, indicating a more ductile behavior. It has been observed that the panel zones stresses are increase when the ratio decrease. Additionally, it was observed that axial shortening increased as this ratio decreased and serious crushing occurs at the bottom end of the ground floor column.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    849761

    An investigation of the effect of beam splice within the plastic hinge zone on the behaviour of beam-to-column connection

    Plastik mafsal bölgesindeki kiriş ekinin kiriş-kolon birleşim davranışına etkisinin araştırılması

    ONUR KUL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CAVİDAN YORGUN

  2. Tez No

    372987

    AISC 360-10 ve Türk Deprem Yönetmeliği (DBYBHB,2007)'ne göre çelik yapıların tasarımı

    Design of steel structures in accordance with the AISC 360-10 and TSC (Turkish Seismic Code-DBYBHB 2007)

    MUSTAFA ÜLKER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    İnşaat MühendisliğiFırat Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. SEDAT SAVAŞ

  3. Tez No

    467213

    Kiriş ucu plastik mafsal bölgesindeki tam dayanımlı bulonlu kiriş ekinin kiriş-kolon birleşim davranışına etkisinin araştırılması

    An investigation of the effect of fully restrained bolted splice connection within the plastic hinge zone at a beam end on the behavior of beam-to-column connection

    KUTAY KUTSAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER

  4. Tez No

    832908

    Seismic performance evaluation of mid-rise steel special moment frames with various span lengths

    Çeşitli açıklık uzunluklarına sahip orta katlı süneklilik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçevelerin sismik performans değerlendirmesi

    ABDISALAM MOHAMED ELMI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Deprem MühendisliğiGebze Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ONUR ŞEKER

  5. Tez No

    474124

    Amplified seismic loads in steel framing systems

    Çelik yapı sistemlerinde arttırılmış deprem etkileri

    BORA AKŞAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Deprem MühendisliğiGebze Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BÜLENT AKBAŞ

Geri Dön