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
- Tez No: 849761
- Danışmanlar: PROF. DR. CAVİDAN YORGUN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 117
Özet
Süneklik düzeyi yüksek çelik çerçeveler, plastik moment kapasitelerinin yüksek olmasından dolayı deprem olasılığının yüksek olduğu bölgelerde tercih edilmektedir. Yapıda yatay taşıyıcı sistem olarak kullanılan moment dayanımlı çelik çerçevelerin yüksek süneklik düzeyine sahip olabilmesi için, ilgili yönetmeliklerde belirtilen şartları sağlayacak şekilde dizayn edilmesi gerekmektedir. Süneklik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçevelerin birleşim bölgelerinde kolonların kirişten daha güçlü olması, panel bölgesinin gerekli kesme dayanımına sahip olması ve kirişlerin yanal olarak desteklenmesi gerekmektedir. Moment aktaran çelik çerçeveler tasarlanırken yapının deprem(sismik) yükleri altında istenilen dayanımı ortaya çıkarması için plastik mafsal bölgesindeki plastik deformasyonların kirişler üzerinde yoğunlaşması ve kolonları bu bölgenin dışında tutulması amaçlanmaktadır. Böylece büyük depremlerde aynı kattaki tüm kolonların üst ve alt kesitlerinde plastik mafsalların oluşması engellenmektedir. Bazı durumlarda kiriş kolon bağlantısının gerekli dayanıma sahip olabilecek şekilde tasarlanması için kiriş kesitlerinin zayıflatılması da tercih edilmektedir. Moment aktaran çelik çerçevelerde kiriş-kolon birleşimini oluşturmanın bir yolu kolona kaynaklı konsol kiriş-kiriş birleşimidir(Column-tree-connection-CTC). Bu birleşimlerde konsol kiriş başlığı kolona kaynaklanırken gövdesi bulonlu veya kaynaklı bağlanabilmektedir. Kolona kaynaklı konsol kiriş-kiriş birleşimi(CTC) saha kaynağını en aza indirirken kötü hava koşullarına karşı montajı kolaylaştırmaktadır. Bu sayede inşaat ve işçilik süresini azaltabilmektedir. Kolona kaynaklı konsol kiriş kiriş birleşimi Amerika Birleşik Devletleri ve Güney Kore gibi doğu asya ülkelerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bazı dönemlerde alın kaynaklı kiriş-kolon birleşimlerinin geliştirilmesiyle saha kaynaklı birleşimler de popüler hale gelse de özellikle 1994 Northridge depreminden sonra saha kaynağından kaçınmak için CTC kullanımı artmıştır. Kolona kaynaklı olarak belirtilen konsol kiriş-kiriş bağlantısı ile ilgili, kiriş-kolon bağlantı davranışını etkileyen farklı özelliklerin dikkate alındığı birçok deneysel çalışma bulunmaktadır. Bu çalışmalarda yönetmeliklere göre tasarlanan plakalı kirişkiriş bağlantılarının sismik yükleri aktaran moment aktaran çerçevelerde kullanılmak üzere tasarlanabileceği gösterilmiş ve güçlü kolon, güçlü birleşim bölgesi ve zayıf kiriş prensibinin kullanılması gerektiği kanıtlamıştır. Moment aktaran çelik çerçeveler tasarlanırken hem deprem yükleri altında istenen performansı göstermesi hem de kiriş-kolon birleşimlerinin yeterli dayanıma sahip olması yanında, plastik deformasyonların kiriş uçlarında oluşması ve plastikmafsalların yeterli dönme kapasitesine sahip olması gerekmektedir. Bu çalışmada süneklik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçevelerin kirişlerinin kolona birleştiği kapasitesi korunmuş bölge içinde teşkil edilen kiriş ekinin (kiriş-kiriş birleşimlerinin) doğrusal olmayan davranışı incelenmiş ve bu bağlantıların kiriş-kolon birleşimine olan etkisi araştırılmıştır. Bulonlara uygulanan önçekme kuvvetinin aşılması halinde, sürtünme kuvvetinin aşılmasının etkileri de bu çalışma kapsamında araştırılmıştır. Bu çalışmada üç farklı kiriş-kiriş birleşimi; başlık ve gövde levhaları içeren ve sadece gövde levhası kullanılan birleşimler olarak tasarlanmıştır. Başlık ve gövde levhalı kiriş-kiriş birleşiminde gövde levhaları kiriş gövdesine bulonlu, başlık levhaları ise kiriş başlıklarına kaynaklı olarak bağlanmaktadır. Sadece gövde levhalı kiriş-kiriş birleşiminde gövde bağlantısı bulonlu olarak teşkil edilirken, kiriş başlıkları tam penetrasyonlu küt kaynak uygulanarak birleştirilmiştir. Yanal burulmalı burkulmanın önlenebilmesi amacıyla kirişlerin başlıkları belirli noktalardan yanal olarak desteklenmiştir. Kiriş-kolon birleşimleri kuvvetli kolon - zayıf kiriş koşulu göz önüne alınarak tasarlanmıştır. Kiriş ve kolon olarak kullanılan profillerin enkesitleri, AISC 341- 16'ya uygun olarak, yüksek süneklik için tanımlanan koşulları sağlamaktadır. Bu çalışma kapsamında, daha önce ABAQUS ile modellenmiş benzer bir kiriş-kiriş birleşimi bulunarak ilgili makaleden alınan verilerle ABAQUS modeli oluşturulmuştur. Bu model, sonlu eleman ağı, malzeme bilgisi ve tanımları, yüzey temas etkileşimleri gibi ABAQUS modelleme prensiplerinin doğruluğunu ispatlamakiçin kullanılmıştır. Sonlu elemanlar modeli için Zhang ve diğ. (2017) tarafından incelenen bulonlu ve kaynaklı kiriş-kiriş birleşimi seçilmiştir. Birleşimlerin tekrarlı yükler altındaki göçme şekilleri ve moment-dönme eğrileri incelenmiş, makaleden elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Sonuçlar incelendiğinde sonlu eleman modelinin birleşim davranışını yeterli yaklaşıklıkta temsil ettiği ve modelleme yönteminin diğer birleşimler içinde uygulanabileceği gözlemlenmiştir. Doğrulaması yapılan modelde uygulanan tasarım yöntemleri diğer modellerde de kullanılmıştır. ABAQUS gibi sonlu eleman modellleri ile oluşturulan birleşimlerde elemanların tekrarlı yükler altındaki davranışının en doğru şekilde gösterilmesi için malzeme bilgisi doğru seçilmelidir.Elemanların elastik davranışının ve pekleşmenin doğru bir şekilde tanımlanması gerekmektedir. Yapılan sonlu eleman modellerinde –combined hardening- tanımı kullanılmıştır. ABAQUS'de oluşturulan modellerde, moment-dönme eğrilerinde daha doğru sonuçlar verdiği için C3D8R doğrusal sekiz düğüm noktalı eleman tanımı yapılmıştır. Elemanlar arasındaki temas etkileşimi olarak yüzey-yüzey temas tanımı kullanılırken temas eden yüzeyler arasındaki etkileşim için normal ve teğetsel olarak 2 adet davranış tipi tanımlanmıştır. Yüzeylerin birbirinden ayrılmasını sağlayan hard-contact tanımı normal davranış tipi için seçilirken, teğetsel davranış için Coulomb sürtünme tanımı kullanılmıştır. Temas eden yüzeylerin kayma etkileşimi için –penalty-tanımı seçilmiştir. Birleşimlerde uygulanan kaynaklar sonlu eleman modellerinde açık olarak dikkate alınmamıştır. Bunun yerine, kaynak uygulanan bölgeler, birleşen yüzey ve kenarlar boyunca birbirlerine tam bağlı olacak şekilde (tie–constraint) modellenmiştir Kiriş ve kolon uçlarının mesnet koşulları referans noktaları oluşturularak tanımlanmıştır. Kiriş-kolon birleşiminin davranışı, sonlu eleman modelinin tekrarlı teksinir (çevrimsel) yükler altında doğrusal olmayan analizleri gerçekleştirilerek incelenmiştir. Çevrimsel yükleme adımları için AISC 341-16 Seismic-Provisions-For-StructuralSteel-Buildings dökumanından yararlanılmıştır. Kiriş-kolon birleşiminin davranışı, kapasitesi korunmuş bölge içinde oluşan plastik şekil değiştirmelerin durumu ve eğilme momenti- dönme eğrisinin formu dikkate alınarak değerlendirilmiştir. Bu kapsamda başlık ve gövde levhaları içeren ve sadece gövde levhası kullanılan birleşimler tasarlanmıştır. Ayrıca sadece gövde levhası kullanılan birleşime azaltılmış önçekme kuvveti ve düşük sürtünme katsayısı verilerek birleşimlerin davranışları karşılaştırılmıştır. Analiz sonuçlarına göre, kiriş- kiriş birleşimi nedeniyle kapasitesi korunmuş bölge içinde oluşan enkesit kayıplarının gerilme yığılmalarına neden olduğu, böylece bulon deliği yakınındaki enkesit bölgelerinde plastik şekil değiştirmelerin büyük değerlere ulaştığı görülmüştür. Enkesit kayıpları ve başlık enkesit parçalarında gelişen yerel burkulmalar nedeniyle eğilme momenti-dönme eğrisinde dayanım kaybının meydana geldiği gözlemlenmiştir. Ayrıca daha düşük önçekme kuvveti verildiğinde birleşim yüzeylerinde kayma davranışının oluştuğu ve plastik değiştirmelerin küt kaynak enkesitlerinde yığıldığı gözlemlenmiştir. Yapılan her bir birleşimdeki eğriler değerlendirildiğinde, ABAQUS'de oluşturulan tüm birleşim modellerinin, AISC 341-16'da verilen süneklik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçevelerin bağlantıları için öngörülen kolon yüzündeki eğilme momenti değerinin kirişteki plastik eğilme momentinin minimum % 80'ine 0,04 radyanlık göreli kat öteleme açısında bir kat kayma açısında ulaşması koşulunu sağladığı görülmüştür.
Özet (Çeviri)
The behavior of steel frames under the influence of earthquakes in the beam-column connection is critical for strength. In the design of steel structure systems, different systems can be preferred to load horizontal loads caused by earthquakes. Moment resisting steel frames should be designed to satisfy the requirements specified in the regulations in regions where there is a high probability of severe earthquakes. Accordingly, in the connection zones of steel frames with high ductility levels, it is required to ensure that the column must be stronger than the beam, the panel area has sufficient shear strength and the beam is supported laterally. When designing moment-resisting steel frames, for the structure to show the desired performance under earthquake loads, it is intended to concentrate deformations in the plastic hinge zone on the beams and keep the columns out of it. Thus, in severe earthquakes, formation of the plastic hinges at the upper-lower intersections of columns on the same floor has been prevented. Beam-column connections are designed according to the principle that columns are stronger than beams, to ensure that the plastic hinge zones are formed outside the region bounded by the columns, the beam-column connection should be designed to have sufficient strength, or options such as weakening the beam cross section by reducing it at a certain distance from the face of the column may be preferred. Plastic shapes as a result of experimental studies conducted by FEMA, it has been observed that the regions where changes occur are sensitive to sudden cross-sectional changes and discontinuities caused by structural additions. Since large inelastic shape changes are expected in the end zones of the moment-resisting steel frames with high ductility level during severe earthquake, it is necessary to protect these zones from cross-sectional discontinuities. One way to create a beam-column connection in moment resisting steel frames is a column-welded cantilever beam-to-beam connection (Column-tree connection). In these connections, the cantilever beam is welded to the column while the web is welded or bolted to the beam. Column-tree connection (CTC) minimizes field welding while facilitating installation with better quality and against bad weather conditions. In this way, it can reduce the construction and labor time.The aim of this study is to research how a fully restrained bolted beam splice effects the connection behavior as the connection in moment resisting steel frames with seismic(cyclic) loads when located within the plastic hinge zone. In general, it is adopted as a principle to ensure that sliding behavior does not occur by applying full pre-tension force to the bolts during the installation of such connections. Therefore, the possible effects of sliding in the plastic hinge area, which will occur when the friction force on the connection surfaces exceeded, with the possible loss of pre-tension on the bolts, have also been investigated to expand the scope of the thesis. The thickness of the profiles at the connections was selected from AISC-341-16 and the design was made according to the principle of high ductility. In order to ensure high ductility, the beam connected to the cantilever beam is supported laterally from a certain point, thus ensuring that the panel area reaches sufficient shear strength. For these studies, three models which are the connections consist of fully restrained beam splice connection located in the plastic hinge were studied by using the ABAQUS finite element program. The first one is a fully restrained bolted beam splice connection, the web of the beams is bolted with end plates, the flanges are welded with end-plates. The second study is a fully restrained bolted beam splice connection, web of the beams are bolted with end plates, and the flanges are welded with full penetration, slip critical connection. The last one is a fully restrained bolted beam splice connection, the web of the beams is bolted with end plates, and the flanges are welded with full penetration, bearing type connection. In the connection models, while the column height taken as 3m which is the height between midpoints of two floors, the beam length taken as 3m. The beam and column elements have been selected in accordance with European standards. S235 structural steel has been selected for the column and beam. For the bolted connections high strength 10.9 quality bolts are used. The plates used in the connections on the bottom and top flanges of the beam have been selected as S275 to have more strength than the beam to withstand the high bending moment. In the models, connection of the beam to column is ensured by using corner welds, the adequacy of which has been demonstrated experimentally in terms of strength and performance. Within the scope of this research, the results of a similar beam-column connection, which was previously experimented and modeled with ABAQUS, were used to demonstrate the accuracy of modeling principles such as element and material definitions, element types, surface interactions to be used for fully restrained bolted beam splice connection. The connection type of weakened beam splice investigated in Zhang et all (2017) was selected and modeled with the ABAQUS finite element program. By analyzing the models created with the data taken from the related articles with the ABAQUS finite element program under cyclic loads, moment-rotation curves containing the moment capacity on the column face and the story-drift angle were acquired. Analysis results and failure modes from the model were compared with those from the research, and an agreement in the comparison was found satisfactory. The methods applied in the verification model have also been used in other models. In the solid models created at ABAQUS, hexagonal elements with a single integration point with a linear eight-node point C3D8R were used because it gives very good results in bending analyses. Surface-to-surface definition has been selected as the interaction of contact between elements and separate definitions have been created for each element that contact with each other. While using the surface-to-surface definition, two behavior types have been created for the interaction between surfaces normal and tangential. While hard-contact which allows the separation of surfaces from each other selected in the normal behavior type, the Coulomb friction definition was selected for tangential behavior. In the models made in ABAQUS, two different steps have been created for bolt pre-load, and cyclic load protocol. In principle, the friction surface is created when a pretension force is applied to the bolts in the connections. A slip-critical connection was made with the pre-tension force specified in AISC-16. The pre-tension analysis must be completed before the cyclic load step begins. For the cyclic load protocol, the values given in AISC-16 were taken and applied as a displacement to the center of the section of the end-beam. When these hysteresis curves were evaluated, it was seen that all assembly models provide the condition that the column face bending moment value reaches a minimum of 80% of beam plastic bending moment at a storey drift angle of 4% radians for the connection of steel frames with high ductility level in AISC 341-16. According to the analysis results, plastic deformations around the bolt holes in the protected zone reached large values. Moreover, while a degradation in flexural of the beam-beam connections having cover plates on the beam flanges because of the local buckling of beam flanges, no any loss of strength was observed in the connections. In addition, it has been observed that sliding behavior occurs on the connection surfaces when less pre-tension force is applied, and plastic deformations are stacked at butt welding intersections. Due to the fact that crack formation is not represented in the material models defined in the models, evaluations have been made about the regions where crack onset may occur using equivalent plastic deformation indices (PEEQ Index) and Von Mises stress distribution in regions where the demand for plastic deformation is high locally in finite element methods.
Benzer Tezler
- 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
2017
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER
- Gemilerde bünyesel titreşimlerin incelenmesi
An investigation on the structural vibration behaviour of ships
REYHAN ÖZSOYSAL
Doktora
Türkçe
2004
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. ALİ İHSAN ALDOĞAN
- Deprem etkisindeki çerçevelerde GFRP ve çelik donatılı kolonların bindirme bölgelerinin deneysel ve analitik incelenmesi
Experimental and analytical investigation of lap splices in GFRP and steel reinforced columns of frames subjected to seismic loading
MELTEM ERYILMAZ YILDIRIM
Doktora
Türkçe
2022
İnşaat MühendisliğiEskişehir Osmangazi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EŞREF ÜNLÜOĞLU
- Merkezi çaprazlı çelik bir yapıda yarı-rijit kompozit kolon-kiriş birleşim kullanımının yapının deprem performansına etkisinin incelenmesi
An investigation of the influence of semi-rigid composite column-beam connections on the seismic performance of a building with steel concentrically braced frames
ÖMER YÖNEV
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
İnşaat MühendisliğiSakarya Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET NECATİ YELGİN