Kiriş enkesiti yüksekliğinde alın levhalı kiriş-kolon birleşimlerinin çevrimsel yükleme altında doğrusal olmayan davranışının incelenmesi
Nonlinear behaviour of flush end-plate beam-to-column connections under cyclic loading
- Tez No: 945205
- Danışmanlar: DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 147
Özet
Sünek çelik yapıların tasarımında, yapının yeterli dayanıma ve rijitliğe sahip olmasının yanı sıra uygulanan yükler altında yüksek miktarda sismik enerji sönümleyebilme yetisi büyük önem taşımaktadır. Bu doğrultuda, plastik şekil değiştirme gösteren ve kapasitesine ulaşmadan önce sünek davranış sergileyebilen birleşim detaylarının tasarlanması, yapının genel sismik performansını önemli ölçüde arttırabilmektedir. Literatürde bu özelliklere sahip birleşimler“enerji sönümleyici birleşimler”(dissipative connections) olarak adlandırılmaktadır. Genellikle yalnızca düşey yükleri taşımak üzere tasarlanan düşey yük taşıyıcı çerçevelerde yer alan birleşim detaylarının da, bu tür enerji sönümleyici mekanizmalara sahip olacak şekilde tasarlanması durumunda, yapının sismik dayanımına önemli ölçüde katkı sağlaması mümkündür. Bunun sonucunda yapının deprem sırasında daha fazla enerji sönümlemesi, dolayısıyla ani göçme riskinin azaltılması sağlanabilir. Bu yaklaşım, geleneksel olarak sadece yatay yük taşıyan taşıyıcı çerçevelere odaklanan sismik tasarım anlayışının ötesine geçerek, düşey yük sistemlerini de aktif enerji sönümleme elemanları olarak değerlendirmeyi mümkün kılmaktadır. Çelik yapıların düşey yük taşıyıcı çerçevelerinde yaygın olarak kullanılan kiriş-kolon birleşim türlerinden biri alın levhalı birleşimlerdir. Tasarım ve işçilik aşamalarında kolaylık sağlaması sayesinde yaygın olarak kullanılan bu birleşimler, yapısal tasarım gerekliliğine göre tam dayanımlı, kısmi dayanımlı veya mafsallı birleşim olarak kullanılabilmektedir. Ülkemizde Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (2018) kapsamında önyeterliliği gösterilen tam dayanımlı kiriş-kolon birleşimlerine yer verilmiştir. Bu çalışmada incelenen kiriş enkesiti yüksekliğinde alın levhalı kiriş-kolon birleşimleri çelik çerçevelerin düşey yük, rüzgar yükü ve küçük sismik yükler taşıması amacıyla tasarlanan kiriş-kolon birleşimlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışma kapsamında 2-bulonlu ve 4-bulonlu kiriş enkesiti yüksekliğinde alın levhalı iki kiriş-kolon birleşiminin tasarımı gerçekleştirilmiştir. Aynı kiriş ve kolon enkesitleri kullanılarak oluşturulan bu birleşimlerde bulon çapı ve bulon sayısı değişkenlik göstermektedir. Birleşimlerde alın levhasının diğer birleşim elemanlarından önce plastikleşerek dayanımda belirleyici olması ve enerji sönümünün levha üzerinden gerçekleşmesi hedeflenmiştir. Bu sebeple ince levha-büyük çaplı bulon tasarım yaklaşımı benimsenmiştir. Birleşimlerin tasarım ve sınıflandırılmasında Amerikan şartnamelerinden ve Avrupa standartlarından yararlanılmıştır. Bu birleşimler Eurocode standardına göre kismi dayanımlı ve yarı-rijit olacak şekilde sınıflandırılmaktadır. Tasarlanan birleşimlerin doğrusal olmayan yüklemeler altında davranışını incelemek amacıyla ABAQUS programı kullanılarak sonlu eleman modelleri oluşturulmuştur. Oluşturulan sonlu eleman modellerinin kurulmasında kullanılan modelleme yöntemini doğrulamak adına, 2-bulonlu benzer bir birleşim üzerine gerçekleştirilen deneysel bir çalışma referans alınmıştır. Çalışmada kullanılan birleşimin geometrisi, malzeme özellikleri ve yükleme biçimi aynı olacak şekilde sonlu eleman modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan modelin çevrimsel yükleme altında analizleri sonucu elde edilen moment-dönme ilişkisi deney sonuçları ile karşılaştırıldığında sonlu eleman modelinin numune davranışını iyi seviyede yansıttığı gözlemlenerek modelleme tekniği doğrulanmıştır. Sonrasında, bu çalışma kapsamında tasarlanan birleşimlerin sonlu eleman modellerinin AISC 358-16 kapsamında belirlelen çevrimsel yükleme protokolü altında analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizler sonucu elde edilen moment-dönme ilişkilerinin tasarım aşamasında hedeflenen eğilme dayanımı ve dönme kapasitesine ulaştığı gözlemlenmiştir. 4-bulonlu birleşimde kiriş başlığına yakın sırada bulunan bulonların diğer bulonlara kıyasla birleşim dayanımı ve rijitliğine düşük seviyede katkı sağladığı görülmüştür. Güncel standartlar kapsamında açıklanan mekanik birleşim modelleri kullanılarak tüm birleşimlerin başlangıç rijitliği ve eğilme kapasitesi hesaplanmıştır. Bu sayede elde edilen sonlu eleman analizi sonuçlarının desteklenmesi ve mekanik modellerin incelenmesi amaçlanmıştır. AISC 341-16 standardında açıklanan akma çizgileri yöntemi ve Eurocode EN 1993-1-8 (2005) standardı kapsamında açıklanan bileşen yöntemi kullanılarak birleşimlerin eğilme dayanımları hesaplanmıştır. Elde edilen eğilme dayanımları sonlu eleman analiz sonuçları ile kıyaslanmıştır. Bileşen yöntemi ile hesaplanan değerlerin sonlu eleman analizi sonuçlarına yakın sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Bileşen yöntemi ile birleşimlerin başlangıç rijitliği hesaplandığında ise bileşen yönteminin tüm birleşimler için %5 ila %12 oranında büyük değerler verdiği görülmüştür. Çalışmanın ikinci aşamasında birleşimlerin sismik yükler altında yapı sistemi davranışına etkisinin incelenmesi hedeflenmiştir. Bu çalışmada ele alınan iki tip alın levhalı birleşimin sonlu eleman analizi sonucu elde edilen moment-dönme davranışı, taşıyıcı sistemi moment aktaran çerçevelerden oluşan ve TBDY (2018) esaslarına uygun olarak tasarlanan dört katlı bir çelik yapının yalnızca düşey yük taşıması planlanan kiriş-kolon birleşimlerine uygulanmıştır. Çelik yapıların deprem yükleri altında doğrusal olmayan davranışının yeterli hassasiyette incelenebilmesi için doğrusal olmayan analizlerinin gerçekleştirilmesi büyük önem taşımaktadır. Bu amaçla OpenSees programı kullanılarak doğrusal olmayan statik itme analizleri, sonrasında TBDY (2018) uyarınca seçilen ve ölçeklendirilen deprem kayıtları ile zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizler gerçekleştirilmiştir. Analizler sonucunda yapının göçme noktasına kadar davranışı ve göçme performansı incelenmiştir. Tüm modellerin dinamik analizinde %2 Rayleigh sönüm oranı esas alınmıştır. Modellerde kompozit döşeme etkisi ihmal edilmiştir. Eşdeğer düşey yük taşıyıcı çerçeve ve moment aktaran çerçeve arasında bağlantılar rijit elemanlar ile oluşturulmuştur. Zayıflatılmış kiriş enkesitinde oluşacak plastik mafsalların moment-dönme ilişkisi güncel IMK modeli ile temsil edilmiştir. Düşey yük taşıyıcı çerçevelerde, kiriş enkesiti yüksekliğinde alın levhalı kiriş-kolon birleşimlerinin davranışı, kolon yüzünde yer alan yay elemanları aracılığı ile, histeretik moment-dönme davranış modelleri kullanılarak tanımlanmıştır. Doğrusal olmayan statik itme analizleri sonucunda, Model GF1 ve GF2 çerçevelerinin ulaştığı maksimum taban kesme kuvvetlerinin, Model BF'ye kıyasla sırasıyla %20 ve %25 oranında daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Bu durum, kiriş enkesiti yüksekliğinde kiriş-kolon birleşimlerinden oluşan çerçevelerin yatay yük taşıma kapasitesine büyük katkı sağladığını göstermektedir. Ayrıca, maksimum taban kesme kuvvetinin tasarım taban kesme kuvvetine oranı olarak tanımlanan dayanım fazlalığı katsayısı (D), yönetmelikte öngörülen değerlerin yaklaşık iki katı olarak hesaplanmıştır. Doğrusal olmayan dinamik analizler, artımsal dinamik analiz yönteminden faydalanılarak gerçekleştirilmiştir. Artımsal dinamik analiz eğrileri kullanılarak, FEMA-P695 standardına uygun olacak biçimde kırılganlık eğrileri elde edilmiştir. Analizler sonucunda, düşey yük taşıyıcı çerçevelerde kiriş enkesiti yüksekliğinde alın levhalı birleşimlerin kullanıldığı modellerin, düşey yük çerçevelerinin göz önüne alınmadığı yapıya kıyasla akmadan sonra daha yüksek rijitlik ve dayanım sergilediği, bunun sonucunda göçmenin önemli ölçüde ertelendiği gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
One of the most important factors for ductile design of steel structures, apart from strength and stiffness, is the ability of the structure to dissipate high amounts of energy under the seismic loads. To this end, the usage of connection details capable of undergoing plastic deformations and exhibiting ductile behavior prior to reaching ultimate capacity can substantially enhance the seismic performance of the overall structural system. Such connections are commonly referred to in the literature as“dissipative connections”. Although connections within gravity load-resisting frames are conventionally designed to support only vertical loads and are assumed not to contribute to lateral resistance and usually ignored during structural analysis, detailing these connections to develop controlled inelastic behavior can significantly improve a structure's seismic resilience. By enabling gravity frame connections to engage in energy dissipation, the structure can absorb higher seismic energy and thereby reduce the likelihood of immidiate collapse. This approach goes beyond the traditional focus of seismic design, which primarily considers moment-resisting frames for lateral load resistance, and allows gravity frames to be considered as active energy-dissipating components within the structural system. One of the most commonly used types of beam-to-column connections in the gravity load-resisting systems of steel structures is end-plate connections. Due to their ease of fabrication and installation, these connections are widely preferred and can be designed as fully rigid, partial-strength, or pinned connections depending on structural design requirements. While only full-strength extended end-plate connections are defined within the scope of the current Turkish earthquake code, other types of end-plate connections are not addressed. The flush end-plate beam-to-column connections examined in this study are commonly used in steel frames designed to carry gravity load, wind load and low levels of seismic demand. In this study, two configurations of flush end-plate connections, two-bolted and four-bolted, were designed using the same beam and column profiles. These connections are aimed to be partial-strength and semi-rigid connections with high energy dissipation characteristics. The connection strength is determined by yield strength of the end-plate focused on the ductile non-linear behaviour of the plate. In order to achieve full plasticity of the end-plate, thin plate behaviour is adapted, where high strength bolts are used to prevent sudden failure of bolts under prying forces. The designed connections are then modeled using ABAQUS finite element analysis software to investigate their moment-rotation behaviour under cyclic loading. In order to confirm the modeling methodology used, a previously carried out experimental work on a two-bolt beam-to-column connection is modeled and analysed. The created model considers the nonlinear material properties, the connection geometry, the bolt preloading and the cyclic loading protocol used in the experimental work. All the connection members were modeled as solid elements and a high density of mesh elements were used. The finite element analysis results and experimental data were then compared to verify the created model. It was observed that the finite element model accurately reflects the moment-rotation behaviour of the experimental work. The plastic deformations and yield lines occurred on the end-plate were similar to the experimented sample. Afterwards, the two connections designed in this study were analysed in ABAQUS under cyclic loading specified in AISC 341-16. The moment-rotation curves obtained from these analyses proved to show sufficient ductile behaviour, as well as partial-strength and semi-rigid connection behaviour as intended in the design process. This study also aimed to evaluate the accuracy of numerical prediction methods provided in established design codes, including Eurocode and AISC. To predict the moment capacity and initial stiffness of the designed flush end-plate connections, component method, specified in Eurocode EN 1993-1-8 (2015), was used. Component method predicted the initial stiffness and moment capacity relatively close to the values obtained from the experiment and finite element analyses. The yield line theory, specified in AISC, determined a closer overall strength prediction for the connections compared to component method. This may be explained by the generalised approach of component method for all end-plate connections, rather than flush end-plate connections specifically. After the moment-rotation characteristics of the connections were obtained, the beam-to-column connections were defined as an analytical model and implemented into the structural analysis program OpenSees. In order to observe the structural stiffness and strength, the connections are implemented to a four-story steel structure with moment resistant frames on the perimeter and gravity framing within. The gravity framing system, which is often ignored in structural performance assesment, is used as a means to utilize the flush end-plate connections and investigate the benefits of these connections in this study. The structure was designed according to Turkish seismic code. Strong column-weak beam approach is utilized in seismic design. Moment resistant frame is created with reduced beam sections. The structure was adapted into an equivalent frame model, utilizing the moment resisting frame and an equivalent gravity frame representing the connections. Three different structural models were created in order to differentiate the effects of the connections. The models utilized an equivalent frame assumption, with one moment resistant frame connected to an equivalent one-bay gravity frame representing all the connections and loads forming the gravity frame system. The first model was used as a reference model, where the equivalent one-bay gravity frame utilized pinned beam-to-column connections. The second and third models (GF1 and GF2 models) were created with 2-bolted and 4-bolted flush end-plate connections used for the equivalent gravity frame beam-to-column connections. Concentrated plasticity approach was used to implement the moment-rotation relationship of the connections to zero length rotational springs located at the face of the column. Elastic beam elements were used for the beams and columns. Modified IMK model is used to define the bahiour of the plastic hinges formed on the beams. Effects of composite floor is ignored in all models. Two percent Rayleigh damping is applied to the structures. Nonlinear static pushover analyses were conducted as well as nonlinear time history analyses on the frame models to investigate the seismic behaviour of the structures. Pushover analyses showed that the structures with gravity frames equipped with flush end-plate connections displayed significantly higher stiffness and reached higher base shear strength capacity. In particular, Model GF1 and GF2 achieved 20% and 25% higher maximum base shear force respectively. Overstrength factor (D) is calculated using maximum base shear force/design base shear force ratio. It was seen that the code recommended values were almost as low as half of the values calculated by the pushover analyses. For the seismic investigation of the structures, incremental dynamic analysis method was used. 11 earthquake records of two components (22 records in total) were chosen and scaled appropriately according to Turkish seismic code to match the target spectrum for the analyses. Incremental dynamic analysis was conducted on the structures using the selected earthquake records on OpenSees. Connections utilizing flush end-plate connections delayed collapse of the structure, while reducing maximum interstory drift ratio under the same ground motion. Both configurations displayed similar initial stiffnesses, while frame 3, utilizing 4-bolted connections, displayed higher strength than frame 2 with 2-bolted connections. From the analysis results, seismic fragility curves of the structures were derived according to FEMA-P695 methodology to quantify the seismic vulnerability. These curves illustrated that the frames with two-bolted and four-bolted flush end plate connections had a significantly lower probability of reaching damage or collapse states at any given intensity level compared to the baseline model. The improved seismic performance of the gravity frames with flush end plate connections underlines the potential of such connection detailing in enhancing the overall resilience and ductility of steel buildings.
Benzer Tezler
- Çok katlı yapılarda üniform olmayan burulma etkilerinin hesabı için bir yöntem
A method to determine the effects of nonuniform torsion on multistory buildings
TUNCAY AYDOĞUŞ
Doktora
Türkçe
2014
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YUSUF ALPAY ÖZGEN
- Depreme dayanıklı yapı tasarımında kayma ve eğilme rijitliklerinin yapı yüksekliğince değişmesi hali için birinci serbest titreşim periyodunun hesabına ilişkin bir yaklaşım
An approach to calculate the first mode vibration period for earthquake resistant structural design in case of changing shear and flexural rigidities along height
AYLİN VARAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
İnşaat MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YILDIRIM ERTUTAR
- 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
- 4 katlı bir okul binasının burkulması önlenmiş çaprazlar kullanımı yöntemiyle ve sismik izolasyon yöntemiyle Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018'e göre analizi
Analysis of the superstructure of a 4 story school building by using buckling restrained brace and seismic base isolaton method according to TBSC-2018
ŞEREF YÜKSEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ PINAR ÖZDEMİR ÇAĞLAYAN
- Yapma enkesitli çift I elemandan oluşan çok parçalı kirişlerin yanal burulmalı burkulması üzerine analitik bir çalışma
On the investigation of lateral torsional buckling analysis of built-up girders with double I-shape
MEHMET FATİH KABAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER