Moment aktaran I-Enkesitli kiriş – zayıf eksen H-Enkesitli kolon birleşimlerinin tekrarlı yükler altında doğrusal olmayan davranışı
Nonlinear behavior of moment-resisting I-Beam – to – weak axis H-Column connections subjected to cyclic loading
- Tez No: 960659
- Danışmanlar: DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER
- Tez Türü: Doktora
- 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: 537
Özet
Çelik binalarda deprem yüklerinin karşılanabilmesi için çeşitli yatay yük taşıyıcı sistemlerden yararlanılmaktadır. Bu taşıyıcı sistemlerden biri olan moment aktaran çelik çerçevelerde kiriş-kolon birleşimleri önemli bir rol oynamaktadır. Kirişlerin kolonlara moment aktaracak şekilde rijit ve tam dayanımlı olarak bağlanmasıyla teşkil edilen bu birleşimler, yapının deprem performansını doğrudan etkileyen temel bileşenlerdir. Moment aktaran çelik çerçevelerin tasarımında, ön yeterliliği deneysel ve/veya nümerik çalışmalarla gösterilmiş birleşim tiplerinden faydalanılmaktadır. Bu tür birleşimlerde genellikle kirişlerin kolon başlıklarına, başka bir deyişle, kolon enkesitinin kuvvetli eksenine dik doğrultuda bağlandığı birleşimler tercih edilmektedir. Ön yeterliliği gösterilen ve en yaygın olarak kullanılan birleşimler olarak; tam dayanımlı bulonlu alın levhalı, bulonlu başlık levhalı, tam penetrasyonlu küt kaynaklı, bulonlu T-parçalı ve kaynaklı zayıflatılmış kiriş enkesitli birleşimler örnek verilebilir. Buna karşın, kirişlerin kolon gövdelerine (kolon enkesitinin zayıf eksenine dik doğrultuda) bağlandığı birleşimler ise genellikle moment aktarmayan (mafsallı) şekilde tasarlanmaktadır. Söz konusu birleşimlerin tam dayanımlı olarak teşkil edilmesi, sistemin yatay yük taşıma kapasitesini artırmanın yanı sıra yanal rijitliğini arttırarak ikinci mertebe etkilerin sınırlandırılmasını sağlayabileceği öngörülmektedir. Ayrıca, hiperstatiklik derecesinin artırılması, yapının deprem yükleri altındaki davranışını olumlu yönde etkileyeceğinden, yapı mühendisleri tarafından daha ekonomik taşıyıcı sistem tasarımlarının yapılmasına da olanak sağlayacaktır. Özellikle kullanım amacı ya da mimari kısıtlamalar nedeniyle yatay yük taşıyıcı sistemin yalnızca moment aktaran çelik çerçevelerden oluştuğu binalarda, bina yüksekliği 20 metreyi aştığında, taşıyıcı sistem elemanlarının boyutlandırılmasında yer değiştirme sınırları belirleyici bir faktör haline gelmektedir. Bu gibi durumlarda, taşıyıcı sistemde çelik-beton/betonarme kompozit enkesitli kolonlar ile yüksek gövdeli kirişlerin kullanımı tercih edilebilir. Ancak, kompozit kolonların uygulamadaki zorlukları ve yüksek gövdeli kirişlerin kat yüksekliklerini sınırlaması, bu çözümlerin yerine alternatif yaklaşımların geliştirilmesini gerekli kılmaktadır. Bu noktada, alternatif bir uygulama olarak; I-enkesitli kirişlerin H-enkesitli kolonların gövdelerine bağlandığı moment aktaran kiriş – zayıf eksen kolon birleşimlerinin kullanılması öngörülebilir. Böylece binalarda hem yanal rijitliğin hem de dayanımın artmasında etkili olacak bir alternatifin geliştirilmesi sağlanacaktır. Mevcut standartlarda, deprem dayanımı ve rijitlik gereksinimlerini karşılayan birleşim tipleri, genellikle kirişlerin kolon başlıklarına bağlandığı moment aktaran birleşimlerden oluşmaktadır. Buna karşın, I-enkesitli kirişlerin H-enkesitli kolonların gövdelerine bağlandığı moment aktaran birleşim türleri için yeterliliği deneysel veya analitik olarak gösterilmiş ve standartlarda yer alan bir tasarım yaklaşımı bulunmamaktadır. Ancak, prensip olarak I-enkesitli bir kirişin, H-enkesitli bir kolonun gövdesine rijit ve eğilme momenti aktarabilecek bir şekilde bağlanması uygun bağlantı elemanları vasıtasıyla sağlanabilir. Bu nedenle, söz konusu birleşimlerin davranışlarının kapsamlı bir şekilde anlaşılması, tasarım esaslarının belirlenmesi ve performanslarının analitik ve/veya deneysel yöntemlerle ortaya konulması büyük önem taşımaktadır. Bu doğrultuda bu çalışma, davranışı deneysel yöntemlerle belirlenmiş mevcut birleşim tiplerinden yararlanılarak ve uygun bağlantı elemanları vasıtasıyla oluşturulan, moment aktaran I-enkesitli kiriş - H-enkesitli zayıf eksen kolon birleşimlerinin çevrimsel (tersinir tekrarlı) yükler altında doğrusal olmayan davranışlarının; moment-dönme ilişkisi, rijitlik değişimi, enerji sönümleme kapasitesi ve göçme durumları incelenerek araştırılmasını ve buna bağlı olarak birleşimlerin tasarım esaslarının oluşturulmasını amaçlamaktadır. Böylece ön yeterliliği gösterilen bu tür birleşim tiplerinin; belirlenen prensipler ve uygulama koşulları ile hesap esasları doğrultusunda deprem etkilerinin aktarılması amacıyla güvenli bir şekilde boyutlandırılması sağlanacaktır. Çalışma kapsamında, bulonlu başlık levhalı, tam dayanımlı bulonlu alın levhalı, tam penetrasyonlu küt kaynaklı, kaynaklı azaltılmış I-enkesitli, bulonlu T-parçalı birleşim ve kaynaklı T-parçalı birleşim olmak üzere 6 (altı) adet moment aktaran I-enkesitli kiriş-H-enkesitli zayıf eksen kolon birleşim tipi geliştirilmiştir. Geliştirilen birleşimlerin tasarım esasları AISC 358-22 şartnamesi ve TBDY 2018 yönetmeliğinde ön yeterliliği deneysel olarak gösterilen mevcut birleşim tiplerinden ve literatürdeki benzer birleşim türleri ile ilgili yapılan deneysel ve nümerik çalışmaların sonuçlarından yararlanılarak oluşturulmuştur. Birleşimlerin tasarım esasları belirlenirken, süneklik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçevelerin kiriş-kolon birleşimleri için TBDY 2018'de belirtilen koşullar dikkate alınmıştır. Birleşimler, belirlenen tasarım esasları izlenerek boyutlandırılmıştır. Birleşimlerde kirişlerin kolonlara bağlantısı, kolon gövdesine ve başlıklarının iç kısmına kaynaklanan bağlantı levhaları ve birleşim tipine göre, gerekli olan diğer elemanlar (alın levhası, T-parçalar, rijitleştirici levhalar, başlık levhaları, kayma levhası gibi) vasıtasıyla yapılmaktadır. Bağlantı levhaları, plastik deformasyonların bu elemanlarda oluşmasını engelleyecek şekilde tasarlanmıştır. Böylece, plastik deformasyonların çok büyük ölçüde her bir birleşim tipine göre kirişlerin belirlenen bölgelerinde oluşması sağlanmaktadır. Geliştirilen birleşimlerin çevrimsel yükler altında doğrusal olmayan davranışları; moment-dönme ilişkisi, rijitlik değişimi, enerji sönümleme kapasitesi ve göçme durumları ABAQUS sonlu eleman programı kullanılarak incelenecektir. Öngörülen tasarım esaslarının uygunluğunun bilimsel olarak değerlendirilebilmesi için en uygun modelleme esaslarının belirlenmesi ve uygulanması gerekmektedir. Bu nedenle, sonlu eleman modellerinde kullanılacak; eleman ve malzeme modelleri, katı eleman tipleri, yüzey etkileşimleri ve hasar tanımları gibi modelleme esaslarının doğruluğunun gösterilmesi büyük önem taşımaktadır. Bu amaçla, tez kapsamında geliştirilen kiriş-kolon birleşimlerine benzer birleşimlerin deney sonuçları esas alınarak birleşim tipleri için doğrulama çalışması yapılmıştır. Bu tez kapsamında 4 (dört) farklı birleşim tipi için doğrulama çalışması yapılmıştır. Literatürde yer alan ve tekrarlı yükler altında deneysel analizleri yapılan; T-parçalı, bulonlu başlık levhalı, tam dayanımlı bulonlu alın levhalı ve azaltılmış kiriş enkesitli kiriş-kolon birleşimlerine ait sonuçlardan yararlanılmıştır. Tam penetrasyonlu küt kaynaklı I-enkesitli kiriş ile zayıf eksen yönündeki H-enkesitli kolon birleşiminin bağlantı detayları, azaltılmış I-enkesitli kiriş ile zayıf eksen kolon birleşimi detaylarıyla büyük ölçüde benzerlik göstermektedir. Bu nedenle, azaltılmış kesitli birleşim için yapılan doğrulama çalışması, aynı bağlantı prensiplerine sahip olan bu birleşim tipi için de geçerli kabul edilebilir. Aynı şekilde T-parçalı kaynaklı birleşim için de T-parçalı bulonlu birleşimin doğrulanması yeterli olacaktır. Birleşimlerin doğrulama modelleri, eğilme analizlerinde çok iyi sonuçlar verdiği literatürde de gösterilmiş olan C3D8R doğrusal sekiz düğüm noktalı tek integrasyon noktasına sahip hegzagonal katı elemanlar kullanılarak oluşturulmuştur. Modellerde birbirleriyle temasta olan elemanlar için yüzeyler arası (yüzey – yüzey) temas modeli esas alınmıştır. Elemanların yüzeylerinin birbirleriyle olan etkileşimleri için bileşen özellikleri, normal ve teğetsel bileşen olarak tanımlanmıştır. Kaynaklı olarak birleşen eleman yüzeyleri arasındaki bağlantı,“tie constraint”etkileşim modeli kullanılarak iki yüzeyin aynı serbestlik derecesine sahip olması sağlanmıştır. Çevrimsel yükleme altındaki malzeme davranışını temsil edebilmek için malzemelerin elastik sınırlarının ötesinde sergilediği doğrusal olmayan gerilme–şekil değiştirme davranışlarını tanımlamak amacıyla geliştirilen Ramberg–Osgood denkleminin akma gerilmesini doğrudan denkleme dahil edildiği versiyonu kullanılmıştır. Çelik malzemesinin tekrarlı yükler altında pekleşme modeli olarak, kinematik ve izotropik pekleşmenin birlikte dikkate alındığı, Bauschinger etkisini temsil edebilen ve yük yönünün etkisini göz önünde bulunduran birleşik pekleşme modeli kullanılmıştır. Birleşik pekleşme modelinin kinematik pekleşme bileşeni“half cycle”tanımı ile, izotropik pekleşme bileşeni ise“cyclic hardening”tanımı ile yapılmıştır. Sonlu eleman modelindeki hasar oluşması durumu, sünek hasar tanımı (ductile damage) kullanılarak değerlendirilmiştir. Referans alınan çalışmalarda, kullanılan elemanlara ait malzemelerinin çevrimsel yükler altında mekanik özelliklerinin belirlenmesi için çekme-basınç testi yapılmadığından literatürde yer alan benzer yapı çeliği malzemelerinin kullanıldığı bir deneysel çalışmada elde edilen sonuçlardan yararlanılarak malzeme modelleri ve sünek hasar tanımı parametreleri belirlenmiştir. Birleşim modelleri, çalışmalarda belirtilen çevrimsel yük protokolü uygulanarak analiz edilmiştir. Sonlu eleman analizi ve deney sonucunda elde edilen çevrimsel eğriler karşılaştırıldığında sonuçların yeterince benzer olduğu ve yeterli uyumun sağlandığı gösterilmiştir. Elde edilen sonuçlar, modellemede kullanılan yöntem ve prensiplerin uygunluğunu ortaya koymaktadır. Bu doğrultuda, izlenen modelleme yaklaşımı ve uygulanan tanımların benzer birleşimlerde de kullanılabileceği değerlendirilmiştir. Bu çalışmada, I-enkesitli kirişin H-enkesitli kolonun zayıf eksenine dik doğrultuda bağlandığı birleşim modelleri, doğruluğu gösterilen yöntem ve esaslara dayandırılarak oluşturulacaktır. Ayrıca, hasarın gözlenip rapor edildiği deneysel çalışmalarda, hasarın oluşum şekli ve meydana geldiği bölge ile nümerik analiz sonuçları karşılaştırıldığında, aralarında yüksek düzeyde benzerlik olduğu tespit edilmiştir. Bu sonuç, doğrulama modellerinde kullanılan hasar modeli tanımları ve parametrelerinin, tez kapsamında geliştirilen birleşim modellerinin analizlerinde de kullanılmasının uygun olduğunu göstermektedir. Doğrulama işleminin ardından, tasarımı yapılan her bir birleşimin sonlu eleman modeli, doğrulama çalışması sonucunda uygunluğu gösterilmiş, eleman ve malzeme modelleri, pekleşme özellikleri, yüzey etkileşimi modeli, katı eleman tipleri ve olası hasar durumu gibi önemli modelleme parametrelerinin uygulanmasıyla oluşturulmuştur. Çalışma kapsamında, kullanılacak olan elemanlara ait çelik malzemelerin mekanik özelliklerini belirlemek amacıyla tek eksenli çekme testi ile tekrarlı yükler altındaki davranışın karakterize edilmesine yönelik çekme-basınç testleri gerçekleştirilmediğinden, literatürde bulunan bir deneysel çalışma kapsamında yapılan testlerin sonuçları ile kalibre edilen parametrelerden yararlanılmıştır. Modellerde kolon yüksekliği, ardışık iki katın orta noktaları arasında kalan yükseklik olarak, kiriş uzunluğu ise açıklık ortasına kadar olan uzunluk olarak alınmıştır. Plastik deformasyonların yoğunlaşmasının beklendiği, çatlak oluşumunun meydana gelebileceği potansiyel bölgelerde davranışı doğru temsil edebilmek için bu bölgelerde daha sık sonlu eleman ağı kullanılmaya özen gösterilmiştir. Analizler, ABAQUS yazılımında yer alan“Dynamic, Implicit”analiz türü ve ABAQUS/Standard çözücüsü kullanılarak, zaman tanım alanında (direct integration) dinamik olarak gerçekleştirilmiştir. Bu analiz, yüklemenin göreli olarak yavaş ilerlediği ve atalet etkilerinin sınırlı kaldığı durumları temsil eden“quasi-static”(yarı-statik) yaklaşım çerçevesinde uygulanmıştır. Çözüm sürecinde, doğrusal olmayan denklem sistemlerini çözmek amacıyla“Full Newton-Raphson”yöntemi tercih edilmiştir. Analizler, AISC 341-22 şartnamesinde tanımlanan yükleme protokolüne uygun şekilde, tekrarlı yüklerin kiriş ucundaki enkesitin tamamına yer değiştirme kontrollü olarak uygulanması yoluyla gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar incelendiğinde, plastik deformasyonların kirişte oluşan plastik mafsal bölgesinde yoğunlaştığı, birleşimlerin diğer kısımlarında ise oldukça sınırlı düzeyde plastik deformasyonların oluştuğunu gözlemlenmiştir. Analiz sonucunda, tekrarlı yükler altında birleşimlerin davranışını daha kapsamlı bir şekilde değerlendirebilmek için, eğilme momenti – göreli kat ötelemesi açısı çevrimsel eğrileri oluşturulmuştur. Çevrimsel eğriler değerlendirildiğinde, modellenen tüm birleşimlerin, AISC 341-22 Bölüm E3-6b(a) ve TBDY 2018 Madde 9.3.4.1(a)'da belirtilen, 0.04 rad göreli kat öteleme açısında, kolon başlıklarının ucunda oluşan eğilme momenti dayanımının, kirişin plastik eğilme momenti kapasitesinin %80'inden (0.80Mp) daha az olmadığı görülmüştür. Bazı birleşimlerin analizleri sırasında, %5 ve %6 göreli kat ötelemeleri açısına karşı gelen yer değiştirme düzeylerinde, plastik deformasyonların hasar tanımı için yapılan değere ulaşıp toplam hasar değişkeninin 1 (bir) değerine eşit olmasıyla, en yüksek plastik deformasyonların oluştuğu bölgede sonlu elemanların silinmeye başladığı gözlemlenmiştir. Bu durum, o bölgelerde çatlak oluşumunun meydana gelmeye başladığını göstermektedir. Birleşimlerin sonlu eleman modellerinde plastik mafsal dışındaki bölgelerde hasar tanımı yapılmadığından, bu bölgelerdeki çatlak oluşma olasılığı, kopma indisi (Rupture Index, RI) katsayısından ve eşdeğer plastik şekil değiştirme indisleri (PEEQ Index, PEEQI) kullanılarak değerlendirilmiştir. Bağlantı levhalarındaki plastik şekil değiştirme değerlerinin plastik mafsalda elde edilen değerlerle karşılaştırıldığında, mertebe olarak çok küçük olduğu bu nedenle bu bölgelerde çatlak oluşma riskinin çok düşük olduğu değerlendirilmiştir. Çalışmanın kapsamını genişletmek için, en etkili I-enkesitli kiriş zayıf eksen H-enkesitli kiriş-kolon birleşim tipini belirlemeye yönelik bir çalışma da gerçekleştirilmiştir. Referans olarak belirlenen birleşimin davranışı genel olarak değerlendirildikten sonra, kiriş-kolon bağlantı geometrisinin ve azaltılmış kiriş bölgesinin konumunun birleşim davranışı üzerindeki etkisi de ek olarak geliştirilen 4 (dört) birleşim ile incelenmiştir. Ayrıca, kolonların başlıkları arasına kaynaklanan, kiriş başlıkları ve gövdesi hizasındaki bağlantı levhalarının kalınlıklarının plastik şekil değiştirmelerin yayılımına etkisi araştırılmıştır. Tüm I-enkesitli azaltılmış kiriş-zayıf eksen H-kolon birleşimleri, AISC 341-22 şartnamesinde süneklik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçevelerin birleşimleri için belirtilen şartları sağlamıştır. Bununla birlikte, kiriş başlıkları hizasındaki bağlantı levhalarının kolon başlıklarının ucundan dışarıya doğru eğrisel olarak azalan bir formda uzatılmasının, gerilme yığılmalarını azalttığı gözlenmiştir. Ayrıca, bağlantı levhalarının kalınlıklarının kiriş başlıkları ve gövdesinin kalınlıklarıyla uyumlu hale getirilmesinin, iki bölge arasındaki çatlak oluşma riskini önemli ölçüde azalttığı görülmüştür.
Özet (Çeviri)
In steel buildings, various lateral load-resisting systems are employed to withstand seismic forces. Among these systems, moment-resisting steel frames play a critical role, with beam-to-column connections serving as key components. These connections, formed by rigid and fully restrained joints that allow moment transfer between beams and columns, are fundamental elements that directly influence the seismic performance of the structure. In the design of moment-resisting frames, prequalified connection types, whose adequacy has been demonstrated through experimental studies, are commonly utilized. In such connections, beams are typically connected to the column flanges, that is, perpendicular to the strong axis of the column cross-section. Common examples of widely used, experimentally validated prequalified connections include fully restrained bolted end-plate, bolted flange plate, complete joint penetration welded, bolted T-stub, and welded reduced beam section connections. On the other hand, connections where beams are attached to the web of H-shaped columns are generally designed as pinned (non-moment-resisting) joints. However, forming these connections as fully restrained can potentially enhance the lateral load-carrying capacity and stiffness of the system, thereby limiting second-order effects. Increasing the degree of redundancy (hyperstaticity) also contributes positively to the overall seismic performance of the structure and enables structural engineers to develop more economical framing systems. In buildings where the lateral load-resisting system is composed solely of steel moment-resisting frames, often due to usage requirements or architectural constraint, story drift limits become a governing factor in the member sizing when the building height exceeds 20 meters. In such cases, the use of composite (steel-concrete) columns and deep beams may be preferred. However, practical difficulties with composite columns and floor height restrictions imposed by deep beams necessitate alternative solutions. One such alternative is the use of moment-resisting connections in which I-shaped beams are connected to the webs of H-shaped columns. These configurations are expected to enhance both lateral stiffness and strength, making it a promising option for seismic design applications. Currently, most of the prequalified connection types that satisfy seismic strength and stiffness requirements in existing standards involve beams connected to column flanges. There is no standardized design approach for moment-resisting connections where I-shaped beams are connected to the webs of H-shaped columns. Nevertheless, in principle, such a connection can be configured to be rigid and moment-resisting using appropriate detailing. Therefore, a comprehensive understanding of the behavior of these connections and the development of design criteria through analytical and/or experimental methods is of great importance. Accordingly, this study aims to investigate the nonlinear behavior of moment resisting I-beam-to-weak axis H-column connections, formed using details based on validated connection types, under cyclic loading. The study focuses on evaluating moment-rotation behavior, stiffness degradation, energy dissipation capacity, and failure modes, and ultimately aims to establish design principles for these connections. These principles will support the safe seismic design of such connections according to the identified criteria and application conditions. Within the scope of the study, six (6) different moment-resisting I-beam- to- weak axis H-column connections were developed: bolted flange plate, fully restrained bolted end plate, complete joint penetration welded, welded reduced beam section, bolted T-stub, and welded T-stub connections. The design principles of these connections were derived based on AISC 358-22 and TBDY 2018, based on validated connection types, as well as relevant experimental and numerical studies in literature. In developing these principles, the requirements for special moment-resisting frames (SMRFs) stated in TBDY 2018 were considered. Each connection was designed following the defined design principles. The beam-to-column connection was established using connection plates welded to the column web and the inner surfaces of the column flanges. Depending on the connection type, other components such as end plates, T-stubs, stiffeners, flange plates, and shear tabs were also utilized. These connection elements were proportioned to prevent plastic deformation within themselves, thus ensuring that plastic hinges would primarily develop in the predetermined regions of the beam for each connection type. The nonlinear cyclic behavior of the developed connections was examined using ABAQUS finite element software by evaluating moment-rotation behavior, stiffness degradation, energy dissipation capacity, and failure mechanisms. To ensure the scientific validity of the proposed design criteria, it was essential to identify and apply the most appropriate modeling principles. Therefore, it was of critical importance to validate the accuracy of modeling parameters such as element and material models, solid element types, surface interactions, and damage definitions used in the finite element models. For this reason, several experimentally tested connection types were modeled in ABAQUS and validated by comparing the analysis results with the experimental findings. Within this scope, validation studies were conducted for four (4) different connection types using experimental results from T-stub, bolted flange plate, fully restrained bolted end-plate, and reduced beam section connections under cyclic loading. Due to the similarity of the connection details between the complete joint penetration welded I-beam to weak-axis H-column connection and the reduced beam section connection, the validation of the latter was also considered valid for the former. Similarly, the validation of the bolted T-stub connection was deemed sufficient for the welded T-stub configuration. The finite element validation models were created using C3D8R linear hexahedral solid elements with a single integration point, which have been proven effective in flexural analyses in the literature. A surface-to-surface contact interaction model was used for defining the interaction between connected components. Surface interaction behavior was specified with separate definitions for normal and tangential directions. For components joined by welding, tie constraints were used to ensure equal degrees of freedom across the interacting surfaces. Material behavior under cyclic loading was modeled using a modified version of the Ramberg-Osgood equation, incorporating the yield stress directly. Combined hardening models were adopted to simulate the Bauschinger effect and loading direction dependency, using a“half-cycle”definition for kinematic hardening and“cyclic hardening”for isotropic hardening. The onset of damage in the connections was evaluated using the ductile damage model available in the ABAQUS software. In order to implement this damage definition, it is necessary to first define the damage initiation criterion. For this purpose, the ductile criterion was employed. According to this approach, the equivalent plastic strain at the onset of damage must be specified for the condition where the damage variable is zero. Under monotonic uniaxial loading, this strain value can be assumed equal to the ultimate strain corresponding to the tensile strength on the stress–strain curve obtained from tensile testing. However, for structural components subjected to cyclic loading, the uniaxial tensile test alone does not adequately represent the expected material behavior. As reported in the literature, cyclic tests were conducted on steel plate specimens, and the results were used to calibrate the equivalent plastic strain values at damage initiation for use in numerical simulations, in order to replicate the experimentally observed stress–strain behavior under cyclic loading. In the validation studies where no direct cyclic tension–compression testing data were available for the structural steel used, the damage parameters were adopted from previously calibrated models. In the finite element models, due to multiaxial stress states induced by cyclic loads, the equivalent plastic strain at damage initiation was defined as a function of stress triaxiality. The calibrated equivalent plastic strain values corresponding to different stress triaxiality levels were defined in tabular form and used directly in the simulation environment to capture the complex damage initiation behavior under cyclic loading. Each model was analyzed using a loading protocol consistent with AISC 341-22, applying displacement-controlled cyclic loads to the entire cross section at the beam end. The resulting hysteresis curves showed good agreement with experimental data, confirming the validity of the adopted modeling approach. Consequently, the same modeling principles were applied to the I-beam to H-column (weak-axis) moment connection configurations developed in this study. In addition, in those experimental studies where damage was observed and reported, the damage locations and patterns were found to match closely with those predicted by the numerical models. This further supports the suitability of the damage model definitions and parameters used in the validation models for application to the developed connection types. Following validation, the finite element models for the designed connections were developed using the verified element types, material definitions, hardening models, surface interactions, and damage criteria. Since no uniaxial tensile or cyclic tension-compression tests were conducted for the materials used in this study, calibrated parameters from similar experimental studies were adopted. In the models, column height was defined as the distance between midpoints of two consecutive stories, while beam length was taken as the half-span. Finer mesh discretization was used in regions where plastic deformation and potential crack initiation were expected. Analyses were performed using the“Dynamic, Implicit”analysis procedure available in the ABAQUS software and solved with the ABAQUS/Standard solver in the time domain (direct integration). This analysis approach was applied in a quasi-static manner, representing scenarios where loading progresses relatively slowly and inertial effects remain limited. During the solution process, the Full Newton-Raphson method was used to solve the nonlinear system of equations. Results showed that plastic deformations were concentrated in the expected plastic hinge regions of the beam, with limited deformation in other parts of the connection. Hysteresis curves were generated based on the bending moment at the column face and the corresponding story drift ratio. All modeled connections were found to satisfy the requirements defined in AISC 341-22 Section E3-6b(a) and TBDY 2018 Clause 9.3.4.1(a), which states that the measured flexural resistance of the connection, determined at the column face, shall equal at least 80% of the beam plastic moment (0.80Mp) at a story drift angle of 0.04 radians. During the analysis of some connections, at story drift ratios of 5% and 6%, elements began to be removed in regions of maximum plastic deformation due to reaching the critical damage index value (D = 1). This phenomenon was observed in the regions of highest plastic deformation and was interpreted as an indication of crack formation starting to occur in those areas. Outside the plastic hinge region, rupture risk was evaluated using rupture index (RI) and equivalent plastic strain index (PEEQI). Plastic strains in connection plates were found to be significantly lower than those in the beam plastic hinge region, suggesting low fracture risk in those areas. To extend the scope of the study, a parametric investigation was conducted to identify the most effective I-shaped reduced beam-to-weak-axis H-column connection configuration. Following an overall evaluation of the behavior of a selected reference connection, four additional models were developed to examine the influence of geometry of the connection plates and the location of the reduced beam section on connection performance. Additionally, the effect of the thickness of the connection plates—positioned in alignment with the beam flanges and web and welded between the column flanges—on the distribution of plastic strains was investigated. All of the modeled I-shaped reduced beam-to-weak-axis H-column connections were shown to meet the seismic performance requirements for special moment frames specified in AISC 341-22. Moreover, it was observed that extending the connection plate beyond the column flange in a curved and tapered form helped to reduce stress concentrations. Ensuring thickness compatibility between the connection plates and the beam flanges and web at their corresponding positions was also found to significantly mitigate the risk of crack formation at the interface between these regions.
Benzer Tezler
- Zayıflatılmış kiriş enkesitli (ZKE) çelik çerçevelerin deprem yükleri altında doğrusal olmayan karşılaştırmalı performans hesabı
Comparative performance assessments of steel frames wi̇th reduced beam section (RBS) under earthquake loads
CANSU KARİP
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
- Seismic behavior of steel I-beams modified by a welded haunch and reinforced with glass fiber reinforced polymers
Polimerle güçlendirilmiş cam elyaf ile desteklenmiş, kemer takviyeli çelik I kirişlerinin sismik davranışı
TİMUR ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
İnşaat Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsüİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. OĞUZ ÖZĞÜR EĞİLMEZ
- Numerical study of enhancement of plastic rotation capacity of seismic steel moment connections by fiber reinforced polymer materials
Sismik çelik moment birleşimlerinin plastik dönme kapasitelerinin elyaf polimer malzemeler kullanılarak artırılmasının nümerik modelleme ile incelenmesi
DENİZ ALKAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsüİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
OĞUZ ÖZGÜR EĞİLMEZ
- Depreme dayanıklı çelik çerçevelerde hasar alan veya almayan yüksek enerji tüketen moment birleşimlerinin geliştirilmesi
Development of damaged or non-damaged high energy dissipative moment connections in seismic resistant steel frames
ORKUN YILMAZ
Doktora
Türkçe
2022
İnşaat MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERKAN BEKİROĞLU
- A numerical study on degradation of steel I-section beams
Çelik I-kesit kirişlerde dayanım ve rijitlik azalmasının sayısal olarak incelenmesi
ANIL KARAGÜMÜŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEM TOPKAYA