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
Yazar: KUTAY KUTSAL
Danışman: YRD. DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Günümüzde deprem etkileriyle oluşacak yatay yüklerin taşınabilmesi için çelik yapılarda farklı sistemler tercih edilebilmektedir. Bu sistemlerden biri olan moment aktaran çelik çerçeveler, yapının mimarisine ve yüksekliğine bağlı olarak çelik çaprazlı çerçeveler ve çelik levhalı perde sistemleriyle birlikte kullanılabilmektedir. Moment aktaran çelik çerçeveler şiddetli deprem meydana gelme olasılığının yüksek olduğu bölgelerde yönetmeliklerde belirtilen şartları sağlayacak şekilde süneklik düzeyi yüksek olarak tasarlanmalıdır. Buna göre, süneklik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçevelerin birleşim bölgelerinde, kolonun tamamen akma ve pekleşme davranışı gösteren kirişten güçlü olma koşulunun sağlanması, panel bölgesinin yeterli kayma dayanımına sahip olması ve kirişin yanal olarak desteklenmesi gerekmektedir.
Süneklik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçevelerin, kirişlerdeki eğilme nedeniyle oluşan akma davranışı ve panel bölgesinde meydana gelen sınırlı akma davranışıyla, önemli miktarda elastik olmayan deformasyon kapasitesine sahip olması beklenir. Moment aktaran çelik çerçevelerin tasarımı yapılırken, yapının deprem yükleri altında istenen performansı gösterebilmesi için, plastik deformasyonların kirişlerdeki plastik mafsal bölgesinde yoğunlaşması ve kolonların bunun dışında tutulması hedeflenir. Böylece, şiddetli yer sarsıntılarında plastik mafsalların aynı kat içerisindeki tüm kolonların üst ve alt enkesitlerinde oluşmasının önüne geçilerek, büyük göreli kat ötelemesiyle yapıda göçmeye neden olabilecek yumuşak kat mekanizmasının önüne geçilir. Kolonların kirişlerden daha güçlü olması prensibine göre tasarlanan kiriş-kolon birleşimlerinde plastik mafsal bölgelerinin kolonların sınırladığı bölgenin dışında oluşmasını sağlamak amacıyla, kiriş-kolon birleşiminin yeterli bir dayanıma sahip olacak şekilde tasarlanması veya kiriş kesitinin kolon yüzünden belli bir mesafede yerel olarak azaltılarak zayıflatılması gibi seçenekler tercih edilebilmektedir.
FEMA/SAC tarafından deneysel olarak yapılan çalışmalar sonucu plastik şekil değiştirmelerin meydana geldiği bölgelerin ani kesit değişimlerine ve diğer yapısal ilaveler nedeniyle oluşan süreksizliklere hassas oldukları ve buna bağlı olarak da bu bölgelerde çatlak başlangıcının oluşabileceği gözlenmiştir. Süneklik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçeve kirişlerinin uç bölgelerinde şiddetli deprem sırasında büyük elastik olmayan şekil değiştirmeler beklendiğinden bu bölgelerin enkesit süreksizliklerinden korunması gerekmektedir. AISC 341-16 ve FEMA 350 bu bölgelerde başlıklı çelik ankrajları, montaj için bulon delikleri, kaynaklı veya bulonlu ilave bağlantılar, punto kaynak ve kiriş başlığında teşkil edilecek bir ilave bağlantının bulunmaması gerektiğini belirtmektedir.
Bu çalışma kapsamında süneklik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçevelerin kiriş-kolon birleşimlerinin teşkilinde kullanılan bindirme levhalı bulonlu kiriş ekinin plastik mafsal bölgesi içinde teşkil edilmesi halinde, böyle bir kiriş ekinin kiriş-kolon birleşimi davranışına olan etkisi araştırılmıştır. Bu çalışma ile AISC 341-16, TBDY ve FEMA 350'de korunan bölge olarak tanımlanan bölge içinde teşkil edilen bu ekin tekrarlı yükler altında birleşimin davranışını ne şekilde etkilediği nümerik olarak gözlenmiştir. Genel olarak bu tür birleşimlerin montajında bulonlara tam önçekme kuvvetinin uygulanmasıyla kayma davranışının oluşmamasının sağlanması prensip olarak benimsenmektedir. Dolayısıyla, bulonlardaki olası bir önçekme kaybıyla, birleşim yüzeylerinde sürtünme kuvvetinin aşılması halinde meydana gelecek kaymanın plastik mafsal bölgesindeki olası etkileri de çalışma kapsamının genişletilmesi amacıyla araştırılmıştır.
Bu çalışmalar için ABAQUS sonlu eleman programından yararlanılarak kiriş ekinin plastik mafsal bölgesi içinde bulunduğu, kiriş ekinin plastik mafsal dışında teşkil edildiği ve kiriş eki bulunmayan birleşim olarak üç farklı doğrusal olmayan sonlu eleman modeli geliştirilmiştir. Modellerde kolon yüksekliği, ardışık iki katın orta noktaları arasında kalan yükseklik olarak, kiriş uzunluğu ise açıklık ortasına kadar olan uzunluk olarak alınmaktadır. Kiriş eki bulunan modellerde kolona kaynaklı konsol kiriş-kiriş birleşimleri esas alınarak, her bir birleşimde kirişin kolona bağlantısı, dayanım ve performans bakımından yeterliliği deneysel olarak gösterilen çepeçevre köşe kaynaklar kullanılarak sağlanmaktadır.
Bu çalışma kapsamındaki birleşim tiplerinin, doğrusal olmayan sonlu eleman modellerinin doğruluğu, mevcut benzer özellikteki birleşimleri içeren deneysel çalışmaların sonuçları kullanılarak gösterilmiştir.
Bulonlu kiriş eki bulunan modellerde izlenen yöntemin doğruluğu için benzer bir birleşim, kiriş eki bulunmayan modelin doğruluğu için ise AISC 358-16'da ön yeterliliği gösterilmiş olan kiriş kolon birleşiminin deneysel sonuçları kullanılmıştır. İlgili makalelerden alınan verilerle oluşturulan modellerin tekrarlı yükler altında ABAQUS sonlu eleman programı ile analizleri gerçekleştirilerek kolon yüzü moment kapasitesi ile göreli kat ötelemesi açısını içeren çevrimsel eğriler elde edilmiştir. Analiz sonucu elde edilen bu çevrimsel eğriler ile deney sonucunda elde edilen çevrimsel eğriler karşılaştırıldıklarında yeterli yaklaşıklığın sağlanmasıyla doğrulama işlemi gerçekleştirilmiştir.
ABAQUS'te oluşturulan katı modellerde, eğilme analizlerinde çok iyi sonuçlar verdiği literatürde de gösterilmiş olan C3D8R doğrusal sekiz düğüm noktalı tek integrasyon noktasına sahip hegzagonal elemanlar kullanılmıştır. Elemanların yüzeylerinin birbirleriyle olan etkileşimleri normal ve teğetsel bileşen olarak tanımlanmıştır. Çelik malzemesinin tekrarlı yükler altında pekleşme modeli olarak, kinematik ve izotropik pekleşmenin birlikte dikkate alındığı birleşik pekleşme tanımı kullanılmıştır.
Doğrulaması yapılan sonlu eleman modellerinin geliştirilmesindeki yöntem ve prensiplerin, oluşturulan modellerde kullanılmasıyla birlikte her bir modelin doğrusal olmayan analizleri gerçekleştirilmiştir. Kolon yüzündeki eğilme momenti dayanımı ile göreli kat ötelemesi açısını içeren çevrimsel eğriler, AISC 341-16'da tanımlanan yer değiştirme kontrollü tekrarlı yüklemenin kiriş ucuna uygulanmasıyla elde edilmiştir. Bu çevrimsel eğriler değerlendirildiğinde tüm birleşim modellerinin AISC 341-16'da süneklik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçevelerin birleşimleri için öngörülen 0.04 radyan göreli kat ötelemesi açısında, kolon yüzü eğilme momenti değerinin kiriş plastik eğilme momentinin minimum %80'ine (0.80Mp) ulaşılması koşulunu sağladığı görülmüştür.
Modellerde tanımlanan malzeme modellerinde çatlak oluşumunun temsil edilmemesi nedeniyle sonlu eleman yöntemlerinde yerel olarak plastik deformasyon talebinin yüksek olduğu bölgelerde kırılma indisi (RI) ve eşdeğer plastik şekil değiştirme indisleri (PEEQ Index) kullanılarak çatlak başlangıcının oluşabileceği bölgeler hakkında değerlendirmeler yapılmıştır. Kiriş ekinin plastik mafsal bölgesi içinde bulunduğu birleşim modelinde, kiriş başlığındaki ilk sıra bulon deliklerinde gerilme ve şekil değiştirme yığılmalarının oluşması nedeniyle RI değeri diğer modellere göre oldukça yüksek elde edilmektedir. Dolayısıyla, bu bölgelerde çatlak oluşma olasılığının yüksek olduğu ve bu olasılığın deneysel olarak da araştırılması gerektiği anlaşılmaktadır.
Kiriş ekinin plastik mafsal bölgesinde teşkil edildiği birleşimde, bulonlarda önçekme kaybının artması nedeniyle birleşim yüzeylerindeki sürtünme kuvvetinin aşılmasının birleşim yüzeylerinde rölatif kaymaya neden olduğu ve bu davranışın birleşimin enerji sönümleme kapasitesini küçük bir miktar azalttığı, ancak dayanım bakımından önemli derecede bir azalma oluşturmadığı görülmüştür.

Abstract:
In recent years, various types of lateral load resisting system are used in steel structures, expected to dissipate large energy during strong earthquake ground motion. Steel moment resisting frames are one of the seismic force resisting systems, which could be used with steel braced frames and steel plate shear walls, depending on the architectural concept and height of the structure. The types of steel moment resisting frames are determined according to the earthquake levels in the regions that the structures are going to be constructed. While ordinary and intermediate moment frames are used in the regions having a low seismic risk, with the increasing probability of the severe earthquake special moment frames are preferred in high seismic zone. When a building with steel moment resisting frames to be built in high seismic zone is designed, several requirements, which are indicated in specifications, shall be satisfied to obtain frames that are more ductile under severe ground motion. Strong-column/weak-beam condition, the shear strength of panel zone and lateral bracing of the beam are some of those that shall be satisfied as per AISC 341-16 for the special moment frames.
With the flexural yielding of beams and limited shear yielding of panel zone, steel special moment frames are expected to provide large plastic deformation capacity to the system. When the steel moment frames are designed, it is aimed to concentrate the large plastic deformations in the plastic hinge region, which is intended to occur in beams, and to keep the high plastic deformation away from the column so that the structure could exhibit superior performance in earthquakes. The formation of the single-story mechanism which leads to unexpected collapse of the building because of the large story drift, nearly all earthquake-induced lateral displacement, in the same story, is prevented by avoiding the formation of plastic hinges in the upper and lower sections of all the columns in the same story. In steel special moment frames that are designed considering strong-column weak-beam requirement, it is expected that plastic hinges could form in just outside of rigid moment connections, or a certain distance away from the column face if reduced beam section is used to accumulate the inelastic deformations over the reduced section length.
Experimental studies done by FEMA/SAC have shown that the regions having high-order plastic deformations are susceptible to discontinuities due to rapid cross-section change and other structural extensions in those regions, and crack initiation may occur in these regions. The expected plastic hinge zone in the connection of steel special moment frames could also be regarded as one of these susceptible zones as it is expected to be subjected to intense plastic deformation during a severe earthquake. These regions are defined as "protected zone" according to AISC 341-16 and AISC 358-16. Any applications in protected zone, that have been done during erection or fabrication, such as tack welds, holes, erection aids, air-arc gouging, and unspecified thermal cutting should be repaired as specified in AISC 341-16. Using of welded, bolted and screwed attachments, shear studs and any application that leads to disturbance of the beam flange also shall not be permitted in this zone in which the large inelastic deformations are concentrated.
The purpose of this thesis is to investigate how a fully restrained bolted beam splice affects the connection behavior as a connection in steel special moment frames under seismic loads when located within the plastic hinge zone. The impacts of an attachment in protected zone are also observed with locating fully restrained bolted beam splice in the plastic hinge zone which could be identified as protected zone as per AISC 341-16. Generally, this type of connection consists of slip-critical connection, and it is designed in such a way that the slip between the surface of the splice plates does not occur. For this reason, the unfavorable effects of slippage of the bolts in plastic hinge zone that would occur if the friction force on the joint surfaces is exceeded due to a possible pretension loss in the bolts were also investigated in order to extend the scope of the study.
Finite element software called ABAQUS was utilized to simulate all models that had been intended to create in the scope of this study. The 3D solid models that have been developed using ABAQUS includes three types of connections which are the connection having fully restrained beam splice located in the plastic hinge location, the connection having fully restrained beam splice located out of the plastic hinge region and the connection without beam splice. The height of the column was taken as the height between the middle of the two consecutive columns, and the beam length was taken as a length of a half-span. The connection models with fully restrained bolted beam splice were developed based on steel column-tree connection, and the connection between beam and column is provided by a connection in such a way that the beam flange and beam web are connected to the column by fillet weld whose strength and seismic performance under cyclic loading has been experimentally verified.
In this study, the verification of the use of parameters such as element types, element definitions, the interaction between elements, type of analysis, material plastic model and material hardening model in solid models developed in ABAQUS finite element program are shown by modeling the specimens included in the other experiments containing similar features in literature.
In order to verify the method for the models with the connection having fully restrained beam splice, a similar connection is considered; whereas for the connection model without beam splice, the experimental results for a pre-qualified welded unreinforced flange welded web connection model is used. The models based on the information obtained from the related researches on the experimental details were analyzed using ABAQUS finite element software. Besides, hysteresis loops, as a function of flexural moment strength at column face and story drift angle, were obtained. As the hysteresis loops obtained from the analysis and from the experiments were compared, since they provide sufficient similarity, the definitions were decided to be applicable for modeling.
For the models developed with ABAQUS, 8-node linear brick element C3D8R, which is giving remarkable results for flexural analysis as shown in the literature, is used. Interactions between the surfaces of the elements were defined as normal and tangential components. For the hardening model of steel under cyclic loading, combined hardening model was used, consisting of kinematic and isotropic hardening models.
With the application of the methods and principles developed for the verified finite element models to the generated connection models in this study, non-linear analysis for each model was performed. The hysteresis loops as a function of flexural moment strength at column face and story drift ratio were obtained by applying a displacement controlled cyclic loading defined in AISC 341-16, to the beam end. According to these hysteresis loops, all connection models satisfied the requirement for the special moment frame connections providing at least 0.80Mp of flexural resistance, determined at column face, at 0.04 rad story drift angle, as stated in AISC 341-16.
Since the fracture formation is not defined in the stress-strain behaviour of the material in connection models, in finite element methods, by using the rupture index (RI) and equivalent plastic strain index (PEEQ Index) for the regions with high local plastic strain demand, the evaluations were made on the regions where fracture initiation could occur. In the connection model having fully restrained beam splice located in the plastic hinge, compared to the other models, RI is higher due to the formation of the stress-strain concentration around the first bolt holes in the beam flange. Therefore, it was decided that the probability of fracture formation is higher in these regions and also it has to be investigated experimentally.
In the connection models having fully restrained beam splice located in the plastic hinge, due to the pretension loss in the bolts, the friction force between the contact surfaces is exceeded and this results in a relative slip. The energy dissipation capacity of the connection reduces due to this relative slip; however, it does not have a significant impact on the strength.