Yarı rijit birleşimli çelik çerçevelerin deprem performansının değerlendirilmesi
Seismic performance assessment of moment resisting steel frames with semi rigid connections
Yazar: NİHAN DOĞRAMACI AKSOYLAR
Danışman: PROF. A. ZAFER ÖZTÜRK ; PROF. DR. AMR S. ELNASHAI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Deprem davranışı = Earthquake behavior ; Dinamik analiz = Dynamic analysis ; Fourier analiz = Fourier analysis ; Pushover analiz = Pushover analysis ; Çelik çerçeveler = Steel frames

Özet:
Moment dayanımlı çelik çerçeveli sistemler, yüksek süneklik kapasiteleri ve ekonomik tasarım olanakları nedeniyle depremselliği yüksek bölgelerde az ve orta katlı binalarda sıklıkla kullanılmaktadır. Bu tip yapılarda plastik mafsalların kolonlardan önce kirişlerde oluşmasını sağlamak ve yapının sünekliğini arttırıp, göçmesini geciktirmek için güçlü kolon zayıf kiriş ilkesi uygulanır. Az katlı büyük açıklıklı yapılarda uygulanan bu ilke gerekenden daha büyük kolon kesitlerinin seçilmesine ve ekonomik olmayan, aşırı güvenli tasarımlara neden olabilmektedir. Bu sorunu gidermek için özellikle Amerika'da uygulanan yöntem yapıların sadece dış çerçevelerini yatay yük taşıyan sistemler olarak tasarlamaktır. Ancak bu yapıların başlıca dezavantajlarından biri, sistemin yeniden dağılım imkânının sınırlı olmasıdır. Ayrıca 1994 Northridge ve 1995 Kobe depremleri sırasında rijit birleşimli moment dayanımlı çelik yapılarda ve özellikle tamamen kaynaklı birleşimlerde ağır ve beklenilmeyen hasarlar oluşmuş ve bu tip yapıların tasarım yöntemlerinin gözden geçirilmesine neden olmuştur. Bu çalışmalar kapsamında yarı rijit birleşimlerin doğru tasarlandığı takdirde deprem etkileri altında yeterli sünekliğe ve kararlı histeretik davranışa sahip olduğu gösterilmiştir. Ayrıca az katlı yapılar için rijit çerçevelerin en ekonomik ve uygun çözüm olmadığı belirtilmiştir.Bu çalışmada, depremselliği yüksek bölgelerde enerji sönümlemesinin kiriş kolon düğüm noktalarında oluşacağı yarı rijit birleşimli, az katlı büyük açıklıklı yapılar tasarlanmış ve farklı birleşim kapasiteleri, çerçeve geometrileri ve deprem etkileri altında performansları analitik olarak incelenmiştir. Yapıların bu şekilde tasarlanmasıyla güçlü kolon zayıf kiriş ilkesinin gerekliliği ortadan kaldırılmış ve sadece dış çerçeveleri yatay yük taşıyan sistemlere alternatif ekonomik sistemler araştırılmıştır. Sahada kaynak gerektirmeyen sadece bulonlu bağlantıları bulunan birleşimlerin kullanılmasıyla 1994 Northridge ve 1995 Kobe depremlerinde ortaya çıkan sorunlar büyük ölçüde giderilmiştir. Ayrıca yarı rijit birleşimli çerçevelerin, rijit birleşimli çerçevelere göre daha elverişli sonuçlar verdiği koşullar da araştırılmıştır.Bu amaçla farklı geometrik özelliklere sahip çerçeveler, rijit, %70, %60 ve %50 eğilme kapasiteli birleşimler kullanılarak tasarlanmıştır. Yarı rijit birleşimlerde %10 ve %40 olmak üzere iki ayrı pekleşme oranı ele alınmıştır. Ardından bu çerçevelerin deprem performansları özdeğer, doğrusal olmayan statik itme ve zaman tanım alanında doğrusal olmayan dinamik analizlerle değerlendirilmiştir. Statik itme analizleriyle, yapıların kapasite eğrileri, lokal ve global sınır değerlerinin gerçekleşme anları, performans parametreleri, plastik mafsal oluşum sıraları ve yerleri, hedef deplasman ve kabul edilebilirlik değerleri belirlenmiştir. Dinamik analizlerde 25 adet gerçek yer hareketi 3 farklı deprem seviyesine göre ölçeklendirilmiş ve 26 örnek çerçeveye 1950 adet analiz yapılmıştır. Devamında ise 3 farklı azalım ilişkisiyle 9 adet faya uzak ve 9 adet faya yakın yapay yer hareketi üretilerek 4 farklı deprem seviyesi için 26 örnek çerçeveye 1872 adet analiz yapılmıştır. Analizler neticesinde, çerçevelerin maksimum kesme kuvveti ? maksimum deplasman değerleri, kat ötelemeleri, kiriş, kolon gerilmeleri ve yay dönmeleri, plastik mafsal sayıları ve birleşim dönmeleri belirlenmiştir. Ayrıca tepe ivme tepkileri Fourier analiziyle incelenmiş ve yapıların elastik ötesi periyotları irdelenmiştir.Tasarlanan 26 örnek çerçeveden 25'inin, tüm kabul edilebilirlik şartlarını sağladığı ve deprem etkileri altında güvenilir bir performansa sahip olduğu görülmüştür. Ayrıca faya yakın kayıtlar altında, SMTR birleşim modelli tüm yarı rijit çerçevelerde, rijit birleşimli çerçeveden daha az tepe deplasmanı oluşmuştur. Hem faya yakın, hem de faya uzak kayıtlar altında en düşük tepe deplasmanları 7.0m açıklıklı çerçevelerde %70 birleşim kapasiteli, 9.0m açıklıklı çerçevelerde ise %60 birleşim kapasiteli yarı rijit çerçevede gözlenmiştir. Sonuç olarak az katlı büyük açıklıklı sistemlerde rijit birleşimli yapıların en uygun çözüm olmadığı, birleşim rijitliği ve kapasitesi değiştirilerek en uygun çözüme ulaşılabileceği gösterilmiştir.

Abstract:
Moment resisting steel frames are used frequently in low and mid rise buildings located in high seismic areas due to their high ductility and economic solutions. In this type of structures strong column weak beam requirement should be used in order to provide plastic hinges occur at beams prior than columns, increase the ductility of the structure and postpone the collapse. This requirement results in larger column sections and overdesign in low rise long span buildings. Perimeter frames are used especially in United States in order to overcome these shortcomings. But low redundancy and lack of redistribution capacity are the main disadvantages of these frames. Also moment resisting steel frames, especially fully welded connections were heavily and unexpectedly damaged during 1994 Northridge and 1995 Kobe earthquakes. As a result, the design philosophy of this type of structures has been reconsidered. In some parts of these researches alternative connection types to fully rigid connections were investigated. And it was shown that properly designed semi rigid connections have adequate ductility and stable hysteretic behavior under seismic loads. Also it was stated that moment resisting frames with rigid connections are not the optimum solutions for low rise buildings.In this study, low rise long span frames with energy dissipation zones in connections are designed in high seismic areas and their seismic performances are evaluated analytically with different connection capacities, frame geometries and earthquake levels. By dissipating energy in connections the necessity of strong column weak beam requirement is eliminated and alternative economic systems to perimeter frames are investigated. The problems occurred during the 1994 Northridge and the 1995 Kobe earthquakes are eliminated by using field bolted connections. Also the conditions in which semi rigid frames show a better performance than rigid frames are searched.Frames with different geometric properties are designed by using rigid, 70%, 60% and 50% capacity connections. Semi rigid connections are taken into account with two different strain hardening levels as 10% and 40%. Then seismic performances of these frames are evaluated with Eigenvalue analyses, nonlinear pushover analyses and nonlinear time history analyses. As a result of pushover analyses capacity curves, local and global limit states, performance parameters, plastic hinge occurrence locations and sequence, target displacements and acceptance criteria are determined. 25 real strong ground motion records are scaled to 3 earthquake levels and 1950 time history analyses are conducted for 26 sample frames. Then by using three different attenuation relations, 9 far fault and 9 near fault artificial records are generated and scaled to 4 different earthquake levels. 1872 time history analyses are conducted for 26 sample frames under these records. As a result of time history analyses maximum shear forces - maximum displacements, story drifts, beam and column stresses and chord rotations, plastic hinge numbers and connection rotations are determined. Moreover Fourier analyses of top lateral acceleration records are done and the changes in the period are investigated.25 of 26 sample frames satisfied all the acceptance criteria?s and showed a reliable performance under the earthquake effects. Under the near fault records, top displacements of all semi rigid frames with SMTR connection behavior model are smaller than rigid frame. Under both near and far field records, the smallest top displacement is calculated in 70% frame among 7.0m span frames and in 60% frame among 9.0m span frames. As a result, it was shown that, rigid frames are not the optimum solution in low rise long span buildings. The optimum solution can be obtained by changing the connection stiffness and capacity.