Dışmerkez çaprazlı çelik çerçevelerde gövdesi boşluklu bağ kirişi kullanımı
Using link beam with perforated web section in eccentrically braced frames
Yazar: HALUK EMRE ALÇİÇEK
Danışman: DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Yatay yüklerin taşınmasında en etkin sistemlerden biri olan dışmerkez çaprazlı çelik çerçeve (DMÇÇÇ) kavramı yirminci yüzyılın başlarında mimari kaygılar ile öne sürülmüş, bu konu hakkındaki bilimsel çalışmalar ise yirminci yüzyılın ikinci yarısında başlamıştır ve günümüzde de artarak devam etmektedir. 
Merkezi çaprazlı çelik çerçevelerin (MÇÇÇ) sahip olduğu rijitlik ve moment aktaran çelik çerçevelerin (MAÇÇ) sahip olduğu süneklik özelliklerini tek bir sistemde birleştirilen DMÇÇÇ sistemlerde, çapraz elemanların en az bir ucu düğüm noktasına dışmerkezlik oluşturacak şekilde bağlanmaktadır. Dışmerkez bağlanan çapraz eleman ucu ile düğüm noktası arasında kalan elemana "bağ kirişi" adı verilmektedir. Bağ kirişlerinin plastikleşmesi ile eneji sönümlenmesi öngörülen bu sistemde, yapı sünekliği ve rijitliği önemli ölçüde bağ kirişi davranışına bağlıdır. Bağ kirişi boyunun kısa olması ile kesme etkisi altında plastik şekildeğiştirmeler oluşmakta ve yapı davranışı MÇÇÇ davranışına yaklaşmaktadır. Bağ kirişi boyunun büyütülmesi durumunda ise, eğilme momentine bağlı plastik şekildeğiştirmelerin etkinliği artmakta ve yapı davranışı MAÇÇ davranışına yaklaşmaktadır. 
DMÇÇÇ sistemlerde enerji sönümleme mekanizmasının bağ kirişinin plastikleşmesi ile gerçekleşmesi öngörüldüğünden, doğrusal olmayan şekildeğiştimelerin bağ kirişinde oluşması gerekmektedir. Dolayısıyla yatay yükler altında bağ kirişleri plastikleşirken, bağ kirişi dışında kalan kat kirişleri, çaprazlar, kolonlar gibi çevre elemanların ve birleşimlerin tamamen elastik kalması gerekmektedir. Bu durumda çevre elemanların ve birleşimlerinin tasarımında; deprem etkisinde oluşan iç kuvvetlerin, pekleşme etkilerinin de dikkate alındığı bağ kirişinin plastikleşmesine karşı gelen iç kuvvetlerle uyumlu olacak şekilde belirlenmesi gerekmektedir. Bunun için tasarımda dikkate alınacak iç kuvvetlerin elde edilmesinde, deprem etkilerinin tasarım büyütme katsayısı ile çarpılarak büyütülmesi gerektiği belirtilmiştir. Tasarım büyütme katsayısı bağ kirişinin pekleşme etkileri de dikkate alınarak hesaplanan maksimum kesme kuvveti dayanımının tasarım kesme kuvveti dayanımına oranı olarak tanımlanmaktadır.
Özellikle kesme kuvveti etkisinde plastikleşen bağ kirişlerinde pekleşme katsayısının 1,5 ve üzerinde olduğu değerlendirildiğinde, tasarım büyütme katsayısı ile büyütülen deprem etkilerinin oldukça yüksek iç kuvvetlere neden olacağı ve çevre elemanlar ile birleşimlerinin tasarımını zorlaştıracağı görülmektedir. 
Bu çalışmada kesme kuvveti etkisinde plastikleşen bağ kirişi gövdesinde oval boşluklar açılarak bağ kirişi dayanımının ve tasarım büyütme katsayısının düşürülmesi, bu sayede çevre elemanların ve birleşimlerinin tasarımında dikkate alınacak iç kuvvetlerin küçültülmesi ve ekonomik bir tasarım yapılması öngörülmüştür. Çalışma kapsamında öncelikle izole bağ kirişleri çevrimsel yükleme altında test edilerek boşluklu bağ kirişlerinin doğrusal olmayan davranışları  incelenmiş, sonrasında doğrusal olmayan davranışı belirlenen gövdesi boşluklu bağ kirişlerine sahip yapı modeli üzerinde doğrusal olmayan statik itme analizleri ile zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizler gerçekleştirilerek, gövdesi boşluklu bağ kirişi kullanımının yapı davranışı üzerine olan etkileri incelenmiştir.
Çalışmanın deney kapsamı, malzeme çekme testleri ve izole bağ kirişi çevrimsel yükleme testleri olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır. Bağ kirişi numunelerinin hazırlandığı IPE200 enkesitli profilin gövde ve başlık enkesit parçasından üçer adet olmak üzere toplamda altı adet kupon numune alınmış ve çekme testi uygulanarak malzeme davranışının karakteristik özellikleri belirlenmiştir. İzole bağ kirişi deneylerinde IPE200 enkesitli profilden imal edilen ve her biri 500mm uzunluğunda olan sekiz adet bağ kirişi yarı-statik tekrarlı tersinir yükleme altında test edilmiştir. İki adet boşluksuz ve 6 adet farklı boşluk yerleşimine ve geometrisine sahip bağ kirişi test sonuçları değerlendirilmiş, değerlendirme sonucunda boşluk içermeyen referans numunenin TBDY 2018'de belirtilen yeterli dönme kapasitesine (0,08rad.) ulaştığı, boşluklu numunelerden, sadece orta iki panel bölgesinde boşluk bulunan numunelerin çok zayıf performans gösterdikleri, tüm panel bölgelerinde boşluk bulunan numunelerin ise (bir tanesi hariç) 0,07rad. dönme kapasitesine ulaştıkları görülmüştür. Ayrıca pekleşme katsayılarının %10 civarında düştüğü gözlenmiştir.
İzole bağ kirişleri sonlu eleman modellerinin analizlerinde referans numune, iki adet gövdesi boşluklu bağ kirişi (iki panel bölgesinde boşluk bulunan gruptan bir örnek, tüm panel bölgelerinde boşluk bulunan gruptan bir örnek) Abaqus yazılımı ile modellenerek deneysel çalışmada kullanılan yükleme protokolü altında sonlu eleman analizleri gerçekleştirilmiştir. Kırılma davranışını da içeren sonlu eleman modellerinin her üç örnekte de hem dönme-kesme kuvveti eğrileri açısından, hem de şekildeğiştirme formu açısından deney numunelerinin davranışlarını temsil edebildiği gözlenmiştir.
Gövdesi boşluklu bağ kirişleri kullanımının yapı davranışı üzerine olan etkilerinin araştırılması amacıyla geliştirilen izole bağ kirişi modelleri ile yapı sistemi analitik modelleri için OpenSees yazılımından yararlanılmıştır. Bu yazılım yardımıyla bağ kirişlerinin davranışı, her iki ucunda eksenel, kesme ve eğilme davranışlarını temsil etmek üzere boyları sıfır olan üç adet yay ve her iki uç arasında bağ kirişi uzunluğu kadar rijit bir çubuk eleman tanımlanarak temsil edilebilmektedir. Bunun için her bir yayın kuvvet/eğilme momenti-şekildeğiştirme/dönme eğrileri elde edilmiştir. Her bir yayın davranış (etki-şekildeğiştirme) modeli için deneysel sonuçlar ile kuramsal esaslara dayalı olarak elde edilen rijitlik ve dayanım ifadelerinden yararlanılmıştır. İlk olarak bağ kirişi modelleme yaklaşımının doğrulanması amacıyla, bağ kirişi modellerinin analizleri sonucunda elde edilen kesme kuvveti-dönme eğrileri, deneysel çalışmadan elde edilen eğrilerle karşılaştırılmıştır. Yapılan karşılaştırmada eğriler arasında yeterli düzeyde bir uyum olduğu görülmüştür.
Gövdesi boşluklu bağ kirişleri kullanımının yapı davranışı üzerine olan etkilerinin araştırılması amacıyla, iki tanesi gövdesi boşluklu bağ kirişleri içermek üzere, üç adet dışmerkez çaprazlı çelik çerçeve sistem esas alınmıştır. Bu çerçeve sistemler bina türü bir yapı sisteminin yatay yük taşıyıcı sistemini oluşturmaktadır. Sistemlerden biri tipik bir dışmerkez çaprazlı çelik çerçeve sistemi olarak boyutlandırılmıştır. İkinci tip sistemde eleman enkesitleri değiştirilmeden sadece gövdesi boşluklu bağ kirişleri kullanılmış, diğerinde ise, gövdesi boşluklu bağ kirişi kullanılmakla beraber elemanların enkesitleri yeterli güvenlik düzeyini sağlayacak şekilde güncellenmiştir. Gövdesi boşluklu bağ kirişlerinde boşluk geometrileri öngörülen tasarım esasları çerçevesinde oluşturulmuş, rijitlik ve dayanım özellikleri, Sap2000 yazılımı ile gerçeklestirilen yapısal analizlerde ve dayanım kontrollerinde dikkate alınmıştır. Tasarım hesapları sonucunda gövdesi boşluklu bağ kirişi kullanılması durumunda DMÇÇÇ ağırlığının %10 oranında azaldığı görülmüştür.
OpenSees yazılımı ile gerçekleştirilen doğrusal olmayan statik itme analizlerinde; yatay kuvvetler, çerçeve sistemler göçmeye ulaşana kadar birinci mod ile uyumlu tek doğrultuda artan şekilde uygulanmıştır. Analizler sonucunda çerçeve sistemlerin tepe yerdeğiştirmesi-taban kesme kuvveti eğrileri elde edilerek dayanım fazlalığı katsayısı, D değerlendirilmiştir. Buna göre tipik dışmerkez çaprazlı çelik çerçeve sistem için 2,96 olarak bulunan dayanım fazlalığı katsayısı, gövdesi boşluklu bağ kirişleri kullanılması durumununda 1,91 ve 1,92 olarak bulunmuştur. Dışmerkez çaprazlı çelik çerçeve sistemlerin göreli kat ötelemeleri ve bağ kirişi dönme açılarının değerlendirilmesi amacıyla, zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizlerden yararlanılmıştır. Bu amaçla, yapı özellikleri ile uyumlu olacak şekilde onbir adet deprem ivme kaydı seçilmiş ve tasarım spektrumuna uygun olarak spektral uyuşum sağlanacak şekilde dönüştürülmüştür. Bunun için SeismoMatch yazılımından yararlanılmıştır. Dinamik analizlerden elde edilen sonuçlara göre, her üç modelde de göreli kat ötelemeleri ve bağ kirişleri dönme açılarının sınır değerleri aşmadığı, dayanım açısından incelenen çevre elemanların ise elastik düzeyde kaldığı görülmüştür.

Abstract:
The concept of eccentrically braced steel frame (EBF) system, which is one of the most effective systems for resisting lateral loads, came up with architectural concerns at the beginning of the twentieth century, and scientific studies on this subject started in the second half of the twentieth century.
The stiffness of the concentrically braced steel frame (CBF) systems and the ductility of the moment frame (MF) systems are combined in a single system in eccentrically braced frames. In eccentrically braced frame systems, at least one end of each brace members is connected to the joint in such a way as to form an eccentricity. The element between the end of the brace and the joint is called the "link beam". In this system, seismic energy is dissipated through the yielding of a link beam under a shear, bending moment (flexural moment), or shear-moment interaction. The length of a link beam is one of the key parameters that control the yielding characteristics of the link beam. Normalized link length , which is defined by link length times the ratio between plastic shear capacity and plastic moment capacity of link beam. Links with normalized length of 1.6 are classified as short (shear) links while links with 2.6 classified as long (flexural) links. Links with normalized length of 1.6<<2.6 are classified as intermediate (shear-moment) links.
Since the seismic energy is dissipated through the yielding of the link, plastic deformations must be concentrated in the link while the adjacent members such as the beam outside of the link, braces, columns, and connections remain essentially elastic at the yielding level. In order to remain the adjacent members elastic, the internal forces from the seismic loads to be used in the design of these members must be determined in such a way that they are compatible with the internal forces corresponding to the adjusted link shear strength (including the strain hardening). In the Turkish Seismic Code for Buildings (TSCB) 2018, it is stated that the internal forces to be considered in the design of the adjacent members should be calculated considering the amplification factor based on the adjusted shear strength of the link. The amplification factor is expressed as the ratio of the adjusted shear strength calculated by considering the strain hardening of the link to the design shear strength. With the strain hardening factor of 1.5 and above, it is thought that the design forces increased by the amplification factor cause quite high internal forces, resulting in difficulties to develop an economic design for adjacent members.
This study aims to reduce the plastic strength and the amplification factor of the short links by opening slot-holes in the web of the link. Thus, this would make reducing the internal forces to be taken into account in the design of the adjacent members and developing an economical design possible. 
Within the scope of the study, the behavior of the links with reduced web section was studied by testing the isolated links under quasi-static cyclic loading. Afterward, nonlinear static pushover and nonlinear time history analyses were performed on the 2D EBF models with and without reduced web section, and the effects of the use of links with reduced web section on the EBF behavior were also investigated.
The experimental study consists of two parts; material tensile tests under monotonic loading and isolated link tests under quasi-static cyclic loading. A total of six coupon specimens, three each, were extracted from the web and flange of the IPE200 shapes which have been used to cut the links and were tested to determine material characteristics. In the second part, eight links, each 500mm long, made of IPE200, were tested under quasi-static cyclic loading. The results of the experimental study indicated that the reference specimen without slot-holes reached the sufficient rotational capacity specified in TSCB 2018 and using slot-holes in the web portion reduces the link shear capacity significantly. The results also show that the failure mechanism of reduced link sections was controlled by fracture at end of the slot-holes and rotation capacities were varying between 0.03rad. and 0.07rad. depending on the slot-hole patterns. Only the specimens with slot-holes in the middle two web panels have shown very poor performance. The rotational capacities of the specimens with slot-holes in all web panels (except for one) have been found 0.07rad. In addition, it was observed that the strain-hardening factor decreased by about 10%.
The reference specimen, two perforated links (one from the group with slot-holes in the two web panels, one from the group with slot-holes in all web panels) were modeled in Abaqus software and finite element analyses were carried out under the loading protocol used in the experimental study. As a result of these analyses in which the fracture behavior was also modeled, very similar results were obtained in terms of both the link rotation-shear force curves and the deformation forms in all three samples.
To represent the behavior of links with reduced web portions with nonlinear springs, behavioral characteristics of the perforated links were developed first. The link was modeled as a rigid beam element with nonlinear axial, shear, and rotational springs at each end. All inelastic action of the link was assumed to be confined to the springs. The expressions for the force-deformation responses of the springs were developed to represent the behavior of the link in axial, shear, and rotational directions. In order to validate the modeling approach of the link, the approach was implemented on the test specimens using OpenSees software. Spring properties were obtained using the proposed expressions. It has been demonstrated that the shear force-rotation curves obtained by the analyses of the models are in reasonably well agreement with the curves obtained from the experimental study.
In order to investigate the effects of the link beams with perforated web section on the structural behavior, three EBF models, two of which contain the links with perforated web portions, have been developed. First, a conventional EBF has been designed as a reference model. One EBF model has been designed with the same steel members as in the reference model and contains perforated links. Another model has been designed with perforated links and the adjacent members optimized based on the adjusted shear strength of the perforated links. The hole patterns and dimensions of the links have been created within the framework of the prescribed design principles, then the stiffness and strength properties have been calculated based on the hole geometries. These parameters were taken into account in the static analyzes and strength calculations. It has been observed that the weight of the EBF is reduced by 10% in the case of using link beams with perforated web section.
In nonlinear static pushover analyzes performed with OpenSees software; Horizontal forces were applied incrementally in one direction, consistent with the first mode, until the frame systems collapsed. According to the first mode-based nonlinear static pushover analyses, using links with reduced web portions in a structural system reduced the system overstrength from 2.96 to 1.91 and 1.92. Eleven earthquake records were selected for the nonlinear dynamic (response-history) analyses in accordance with the building characteristics and converted to the design spectrum by SeismoMatch software to provide spectral compatibility in accordance with the design spectrum. The performance of the eccentrically braced frame models were assessed considering link rotation demands, and demand/capacity ratios for all members. According to the results obtained from the nonlinear dynamic analyses, it was observed that the limit values of the link rotation were not exceeded in all three models, and the adjacent members, which were examined in terms of strength, remained in the elastic range.