Yan levhalı kolon-kiriş birleşimlerinin yüksek sünek moment aktaran çelik çerçevelerin deprem davranışlarına katkılarının doğrusal olmayan zaman-tanım alanında analiz yöntemiyle incelenmesi
Investigation of the contribution of side-plate beam-column connection to the seismic behavior of special moment frames with the help of nonlinear time-history analysis method
Yazar: GÖKHAN YÜKSEL
Danışman: PROF. DR. İLKER KALKAN
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Kobe depremi = Kobe earthquake

Özet:
Bu çalışmanın amacı, yan levhalı kolon-kiriş birleşim (SPC) detayının süneklik derecesi yüksek moment aktaran çelik çerçeveli (SMF) sistemlerin deprem davranışlarına katkılarının belirlenmesidir. Bu bağlamda, her iki doğrultuda dörder açıklıklı ve dört katlı bir çelik çerçeve modeli kullanılmıştır. Geleneksel alın levhalı (HC) ve yan levhalı (SPC) kolon-kiriş birleşim detaylarına sahip iki farklı çerçeve, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (TBDY) 2018 tasarım ivme spektrumuna göre ölçeklendirilmiş üç deprem kaydı (1990 Manjil, 1995 Kobe, 1999 Hector Mine) altında analiz edilmiştir. Analizlerde depremlerin sadece x ve y doğrultularındaki yatay yer değiştirme kayıtları kullanılmış ve düşey yer değiştirme bileşenleri ihmal edilmiştir. Doğrusal olmayan zaman-tanım alanında deprem analizi yöntemi kullanılarak, farklı deprem tekrarlanma periyodu değerlerine göre (2475, 4950, 9900, 12375, 14850, 17325, 19800, 22275, 24750, 27225, 29700, 32175 yıl) yapılan analizler sonucu, yapıda iki farklı birleşim tipinin bulunması durumunda ortaya çıkacak birleşim bölgesi zorlanmaları ortaya konulmuştur. Bilindiği üzere, tekrarlanma periyodu 2475 yıl olan deprem, 50 yılda aşılma olasılığı %2 olan maksimum depremi, yani DD-1 deprem düzeyini yansıtmaktadır. Analizde kullanılan diğer tekrarlanma periyodu değerleri, DD-1 deprem düzeyinin tekrarlanma periyodunun (2475 yıl) sırasıyla 2, 4, 5, 6, 7, 8 ve 9 katını temsil etmektedir. Bu şekilde deprem şiddeti arttırılarak, yapıyı daha çok zorlayacak deprem hareketleri oluşturulmuş ve iki birleşim türünün varlığının yapının elastik olmayan davranışına etkileri araştırılmıştır.
Yapının yer aldığı konumdaki yerel zemin sınıfı ZD olarak alınmıştır. TBDY 2018 Tablo 5.1C'ye uygun olarak, SMF sistemlerde sınırlı hasar (SH), kontrollü hasar (KH) ve göçme öncesi (GÖ) performans hedeflerine karşılık gelen kiriş dönme sınırlarının, akma dönmesinin (θy), sırasıyla 1, 6 ve 9 katı olduğu kabul edilmiştir. Ayrıca, alın levhalı ve yan levhalı kolon-kiriş birleşimlerinin maksimum dönme kapasitelerinin sırasıyla 0,04 rad (TBDY 2018 Tablo 5C.3) ve 0,06 rad (ANSI/AISC 358-16 Bölüm 11.3) olduğu varsayılmıştır. Çerçevede kullanılan bütün kiriş kesitlerinde, kirişlerde göçmenin başladığı dönme değerleri (9θy), birleşim sınır dönme değerinden (0,04 ve 0,06 radyan) yüksek olduğu için, birleşimlerdeki göçmenin kiriş dönme kapasitesinin aşılmasından değil, birleşimdeki dönme sınırlarının aşılmasından kaynaklandığı gözlemlenmiştir.
Üç farklı deprem hareketinin farklı tekrarlanma periyodu değerlerine göre yapılan analizler, alın levhalı birleşimli çerçevelerde 14850 yıl dönüş periyotlu depremler altında birçok birleşimin tamamen göçtüğünü, yan levhalı birleşimli çerçevelerde ise göçmenin başladığı tekrarlanma periyodu değerinin 19800 yıla çıktığını göstermiştir. Her iki birleşim çeşidi için de en kritik davranışlar, 1990 Manjil depremi etkisi altında ortaya çıkmıştır. Üç deprem kaydı arasında en küçük PGA (maksimum yer ivmesi) değerinin 1990 Manjil depremine ait olmasına rağmen bu depremin süresinin uzun olması (53 saniye) birleşimler için zorlayıcı olmuştur. Dolayısıyla, yan levhalı birleşimin SMF sistem davranışına en ciddi katkısı, bu deprem kaydı altında ortaya çıkmıştır.

Abstract:
The present study aimed at investigating the contribution of the side-plated beam-column connection detail to the seismic behavior of special moment frame (SMF) systems. Within this respect, a steel moment frame model with four bays in each of the planar directions and four stories was used in the present study. Two frames with conventional end plate (HC) and side-plate (SP) types of beam-column connections were analyzed under three seismic records (Manjil 1990, Kobe 1995, Hector Mine 1999), scaled to match the design acceleration spectrum of the Turkish Building Earthquake Code (TBEC) 2018. Only the displacement records of the earthquakes in the x and y planar directions were used in the analyses and the vertical displacement components of the seismic records were ignored. Bu conducting nonlinear time history analyses for varying return periods (2475, 4950, 9900, 12375, 14850, 17325, 19800, 22275, 24750, 27225, 29700, 32175 years) of each earthquake, the responses of the two types of beam-column connections (HC and SPC) were unveiled. As known, the earthquake with a probability of exceedance of 2% in 50 years reflects the DD-1 earthquake level. The remaining return periods correspond to 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9 times the respective period of the DD-1 earthquake. In this way, earthquake motions, having greater effects on the structure, were produced by increasing the seismic intensity and the influence of the presence of the SPC connection on the nonlinear behavior of SMF was examined.
The type of soil, on which the analyzed structure is assumed to rest, was taken ZD. The limiting plastic rotation angles corresponding to the immediate occupancy (IO), life safety (LS) and collapse prevention (CP) performance levels was taken 1, 6 and 9, respectively, times the generalized yield rotation (θy) of the beam according to TBEC 2018 Table 5.1C. What's more, the rotational capacities of the HC and SPC connections were assumed to be 0,04 (TBEC 2018 Table 5C.3) and 0,06 radians (ANSI/AISC 358-16 Section 11.3), respectively. Since the CP plastic rotation angles (9θy) in all of the frame beams exceed the rotational capacities of the beam-column connections (0,04 and 0,06 radians), the connection failure originated from the exceedance of the connection rotational capacity rather than the limiting rotation of the beam end.
The analyses for different return period values of the three seismic records indicated that a majority of the conventional end plate (HC) connections failed under an earthquake with a return period of 14850 years, while the connection failure started at a return period of 19800 years for identical seismic records. The most critical connection behavior aroused under the influence of Manjil 1990 earthquake in the presence of both connection types. Although the smallest PGA value belongs to the 1990 Manjil earthquake among the three records, the longest duration (53 seconds) of this particular earthquake had higher degrees of influence on the beam-column connections. For this reason, the greatest contribution of the SPC connection to SMF behavior was observed in the analyses with the Manjil 1990 earthquake.