Tam dayanımlı bulonlu alın levhalı kiriş-kolon birleşimlerinin çevrimsel yükler altında doğrusal olmayan davranışı
Nonlinear behavior of extended end-plate beam to column connections subject to cyclic loading
Yazar: SELİN YARDIMCI
Danışman: DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Deprem bölgeleri = Earthquake zones ; Doğrusal olmayan davranışlar = Nonlinear behaviors ; Kiriş-kolon birleşimi = Beam-column collection

Özet:
Tam dayanımlı bulonlu alın levhalı birleşimler, moment aktaran kiriş kolon birleşim tipleri arasında en sık tercih edilen birleşimlerden biridir. Bu tür birleşimler, gerek saha kaynağı ve bunlar için kontrol testleri gerektirmemesi, gerekse şantiye koşullarında bulonlu birleşimlerin montaj kolaylığı sağlaması nedeniyle tercih edilir. 
Deprem bölgesi olan ülkemizde yaygın olarak kullanılan bu birleşimlerin, sismik yükler altında davranışını anlamak oldukça önemlidir. TBDY 2018'de deprem kuvvetlerini karşılayan moment aktaran çelik çerçevelerde kullanılması uygun olan tam dayanımlı alın levhalı kiriş-kolon birleşim detayları mevcuttur. Dört bulonlu rijitlik levhasız, dört bulonlu rijitlik levhalı ve sekiz bulonlu rijitlik levhalı birleşimler olarak üç farklı tip birleşim için uygulama sınırları da bu yönetmelikte yer almaktadır. Bu tür birleşimlerin uygulanma şekilleri; bulon yerleşimi, kiriş enkesit yüksekliği, bulon kalitesi, birleşen elemanların malzeme kalitesi, alın levhası kalınlığı ve benzeri geometrik ve malzeme karakteristiklerini kapsayan koşullar getirilerek sınırlandırılmıştır. Bu sınır şartlarının sağlanması ve TBDY 2018 tasarım esasları doğrultusunda güçlü kolon-güçlü birleşim bölgesi-zayıf kiriş felsefesi ile birleşimin boyutlandırılması durumunda, tekrarlı tersinir yükler altında söz konusu birleşim tiplerinin 0.04 radyan göreli kat ötelemesi açısı değerinde dönme kapasitesine sahip olduğu belirtilmiştir. 
TBDY 2018'de yer alan uygulama sınırları Avrupa profilleri için düzenlenmiştir. Bu sınır koşulları Amerikan profilleri için AISC 358-16'da yer almaktadır. Bu iki yönetmelik arasında karşılaştırma yapıldığında TBDY 2018'de uygulama sınır koşullarını sağlayan bazı kiriş profillerinin AISC 358-16 yönetmeliğine göre bu koşulları sağlamadığı görülmüştür. 
Akgönen ve diğ (2015) AISC 358-16 yönetmeliğine göre deprem bölgelerinde uygulama koşullarını sağlamayan bazı Avrupa profillerinin çevrimsel yükler altında davranışını incelemiş, ancak deney düzeneğindeki yükleme sisteminin yük düzeyi kapasitesinin yetersiz kalması nedeniyle kiriş enkesitleri belirli bir eğilme momenti kapasitesini aşmayacak şekilde sınırlandırılmıştır. Bu tez çalışması, Akgönen ve diğ. (2015) tarafından gerçekleştirilen deneysel çalışmada çevrimsel yükleme altında davranışı araştırılamayan kiriş enkesitlerinin doğrusal olmayan sonlu eleman modelleri yardımıyla nümerik olarak incelenmesini kapsamaktadır.
Bu çalışma kapsamında oluşturulan üç boyutlu sonlu eleman modelleri, ABAQUS yazılımında kullanılmak üzere hazırlanmıştır. Birleşimlerin gerçek davranışının uygun bir şekilde simüle edilebilmesi, uygun sonlu eleman tipinin seçimi, doğru malzeme modelinin tercihi, yüzeyler arası etkileşimin gerçek davranışı yansıtır biçimde temsil edilmesi, sınır koşullarının doğru tanımlanması, sonlu eleman ağlarının teşkil ediliş biçimi gibi birçok parametreye bağlıdır. 
Sonlu eleman modellerinde, birleşim elemanlarının temsili C3D8R sonlu eleman tipi ile gerçekleştirilmiştir. Yüzeyler arası etkileşimler için "general contact" tanımlaması kullanılmıştır. Temas halindeki yüzeylerin normal doğrultudaki davranışı; basınç gerilmelerinin sıfırdan büyük olduğu durumda elemanların birbirine girişiminin engellendiği "hard contact" etkileşim modeli kullanılarak tanımlanmıştır. Gerçek davranışı yansıtır biçimde elemanların birbirinden ayrılmasına izin verilmiştir. Temas halindeki yüzeylerin rölatif kayma şeklindeki etkileşimi "penalty" tanımı uygulanarak temsil edilmiştir.
Sonlu eleman modellerinde birleşen elemanların tekrarlı tersinir yükleme altında davranışının gerçek davranışla uyumlu olmasını sağlayan en önemli faktörlerden biri doğru malzeme parametrelerinin seçimidir. Malzemenin elastik davranışının doğru tanımlanmasının yanı sıra, plastik bölgenin, özellikle pekleşmenin gözlenmesi hedeflenen kiriş elemanları için uygun şekilde tanımlanması gerekmektedir. Sonlu eleman modellerinde pekleşmesi öngörülen kiriş elemanları için kinematik pekleşme modeli, "combined hardening" modeli ile "parameters" yöntemi seçilerek tanımlanmıştır. 
Sonlu eleman modellerinde, sonlu eleman ağı oluşturma teknikleri, analiz sonuçlarını büyük ölçüde etkilemektedir. Sonlu eleman ağlarının model geometrisi ve davranışı ile uyumsuz teşkil edilmesi, analizlerde yakınsama problemlerine sebep olabilmektedir. Bu çalışma kapsamında sonlu eleman ağları oluşturulurken, yapılandırılmış (structured) ve "sweep" sonlu eleman ağı oluşturma teknikleri uygulanmıştır. Sonlu eleman ağlarının oluşturulma biçimi gibi, ağ sıklığının önemi, doğruluk düzeyi yüksek çıktılar elde etmek açısından oldukça fazladır. Bu sebeple, deformasyonun yüksek olması beklenen bölgelerde ağ sıklığı arttırılmış ve eğilme etkisindeki elamanlar kalınlıkları boyunca uygun sıklıkta sonlu eleman ağları ile modellenmiştir.
Sonlu eleman modellerinin, gerçek davranışı uygun bir biçimde temsil edebilmesi için bu modellerin doğrulanması gerekmektedir. Bunun için deneysel sonuçların referans olarak kullanılması uygun olmaktadır. Bu çalışma kapsamında Akgönen ve diğ. (2015) tarafından gerçekleştirilen deneysel çalışmada yer alan kiriş-kolon birleşimi numunelerinden bir tanesi için deney koşullarını uygun sınır şartları ile temsil edecek şekilde sonlu eleman modeli oluşturulmuştur. Deneysel çalışmada numuneye uygulanan test prosedürü analiz modelinde temsil edilmiştir. Numuneye ait malzeme parametreleri, test düzeneğinin geometrisi, mesnet koşulları ve birleşim detayının karakteristik detayları göz önünde bulundurularak oluşturulan ileri düzey sonlu eleman modeli sonuçlarının, test sonuçları ile uyumlu olduğu görülmüştür. Analiz sonuçlarının deneysel çalışma sonuçları ile uyumlu olması; sonlu eleman modellerinin, sınır koşulları, yüzey etkileşimleri, malzeme modeli ve sonlu eleman modelini oluşturan diğer bileşenler bakımından gerçek birleşim davranışını simüle edebildiğini göstermektedir.
Bu çalışma kapsamında, AISC 358-16'ya göre kiriş enkesit yüksekliği ve kiriş başlık genişliği uygulama sınırlarını sağlamayan kiriş enkesitlerinden oluşan birleşimlerin çevrimsel yükler altında doğrusal olmayan davranışları incelenmiştir. Bu birleşimlere SAC çevrimsel yükleme protokolü uygulanmıştır. Analizler sonucunda moment-dönme eğrileri elde edilmiştir. Elde edilen moment dönme eğrileri, birleşimin dönme ve moment kapasitesini içermektedir. Elde edilen moment-dönme bağıntılarına göre, TBDY 2018 ve Çelik Yapıların Tasarım Hesap ve Yapımına Dair Esaslar (ÇYTHYE) Yönetmeliği 2018'e uygun olarak tasarlanan birleşimlerin, AISC 341-16'da öngörülen koşulları sağladığı görülmüştür. Bu durumda, TBDY 2018 Tablo 9B.1'de verilen kiriş enkesit yüksekliği sınırlarının uygulanabilir olduğu, alın levhası genişliği sınırlarının da genişletilerek güncellenebileceği belirtilebilir.

Abstract:
Extended end plate connections are one of the most commonly used moment connections. These types of moment connections are preferred due to the fact that it consists assemblies welded in shop, does not require field welding, field weld tests, and because of the ease of in situ erection of bolted connecitons.
It is crucial to understand the cyclic behavior of these connections, which are widely used in our country, located in a seismically active region, under seismic loads. In TBDY 2018, prequalified extended end plate connection details are available to be utilized in special and intermediate steel moment frames. Parametric limitations for three different types of extended end plate connections, which are four-bolt unstiffened, four-bolt stiffened and eight-bolt stiffened, are also included in this regulation. These parametric limitations include bolt arrangement, beam depth, bolt grade, steel grade of connecting elements, end-plate thickness with other geometric characteristics. It is stated in TBDY 2018 that if these parametric limitations are met and structual design of the connection satisfies the strong column-strong connection-weak beam philosophy in line with the TBDY 2018 design principles, extended end-plate connections mentioned shall have a rotation capacity of 0.04 radian inter-storey drift angle under cyclic loads.
Parametric limitations as per TBDY 2018 for extended end-plate connections subject to seismic loads are met by most of commonly used European steel profiles. These limitations given in AISC 358-16 are suitable for American profiles. When two regulations are compared, it is observed that some steel profiles that meet the parametric limitations included in TBDY 2018 do not meet these limitations according to AISC 358-16.
Akgönen et al. (2015) investigated the behavior of some European profiles under cyclic loads that do not meet the parametric limitations for extended end-plate to be utilized in seismic zones according to AISC 358-16, but had to limit the beam depth to a certain extent due to insufficient hydraulic actuator capacity in the test setup. This thesis is a continuation of the aforementioned study, Akgönen et al. (2015), for simulating the behavior of extended end plate connections subject to cyclic loads with connecting beams with higher depths whose behavior under cyclic loading could not be examined.
Advanced three-dimensional finite element analysis models are prepared within the scope of this study , by using ABAQUS software. Accurately simulating the real behavior of connections through finite element models depends on many parameters such as, appropriate finite element type selection, determination of the right material model, representing the interaction between surfaces in contact, defining the boundary conditions correctly, and constructing the optimized finite element mesh arrangement.
In the finite element models, representation of connecting members is achieved with the finite element type C3D8R. Definition of "general contact" is used for interactions between contact surfaces. Behavior of surfaces in contact, in the normal direction is reflected into analysis model using the definition of "hard contact", the interaction model in which the elements are prevented from interfering with each other when the pressure stresses are greater than zero. Elements are allowed to be separated from each other, reflecting actual behavior. The interaction in the tangential direction is introduced to the analysis model using the definition of "penalty" and slip coefficient.
Selection of right material parameters is one of the most important factors when it comes to simulate the behavior of the connection members in finite element models compatible with the actual behavior under cyclic loading. In addition to the correct definition of the elastic behavior of the material, definition of the plastic region, especially for the beam elements which are expected to go through hardening, is of great importance and attention. The hardening model is defined for beam elements predicted to harden in finite element analysis models by introducing yield stress, kinematic hardening modulus and the rate which kinematic hardening modulus decrease with increasing plastic strain values to ABAQUS "parameters" section in "combine hardening" module.
In finite element models, finite element meshing techniques greatly affect the analysis results. The inconsistency of finite element meshes with model geometry and behavior can cause severe convergence problems. Within the scope of this study, "structured" and "sweep" finite element mesh generation techniques are applied while creating finite element meshes. In addition to mesh generation techniques being in high significance, the importance of mesh density is very high in obtaining high-fidelity outputs. For this reason, the mesh density is increased in the regions where the deformation is expected to be high, and finite element meshes are arranged with a suitable density along their thicknesses for the elements under bending.
Whether the finite element models adequately reflect the actual behavior can be determined by constructing verification models. In other words, a finite element analysis model accurately reflects the real behavior, as it results with outputs which comply to the test results of an experimental study. Within the scope of this study, a verification finite element model is constructed for one of the specimens tested in scope of the experimental study perfomed by Akgönen et al. (2015). The test procedure applied to the sample as per the experimental study is represented in the analysis model, but loaded monotonically. It is observed that the outputs of the advanced finite element model, which arecreated by considering the material parameters of the sample, the geometry of the test setup, the boundary conditions and the characteristic details of the joint detail, are compatible with the test results. It is concluded that the analysis results are compatible with the experimental study results and that the finite element models can simulate the actual connection behavior in terms of boundary conditions, surface interactions, material model and all components forming the finite element model.
In order to examine the cyclic behavior of extended end-plate connections with connecting beams that do not meet the parametric limitations of beam depth and flange width, finite element models, verified by experimental study, are established given for four-bolt extended end-plate moment connections , which are suitable to be applied in seismic regions in accordance with AISC 358-16. SAC cyclic loading protocol is applied to these connection models. As a result of the analyses, moment-rotation curves are obtained. The resulting moment-rotation curves include the moment and rotation capacity of the connection. According to moment-rotation curves obtained, it is observed that extended end-plate connections, designed in accordance with TBDY 2018 and ÇYTHYE 2018 requirements, also complies with the requirements in AISC 341-16. In this case, one may state that parametric limitations in TBDY 2018 Table 9B.1 such as beam depth and end-plate width can be expanded and updated.