Yarı rijit birleşimli çelik çerçevelerin yer değiştirme arttırma katsayısının araştırılması
Investigation of displacement amplification factor of steel frames with semi rigid connections
Yazar: AHMET KARABACAK
Danışman: DOÇ. DR. BARLAS ÖZDEN ÇAĞLAYAN ; DR. KEREM PEKER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Deprem Mühendisliği ve Afet Yönetimi Enstitüsü / Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering

Özet:
Moment dayanımlı çelik çerçeveli yapılar emniyet, ekonomi ve estetik gibi yapı
tasarımının önemli performans parametreleri ile öne çıkmaktadır. Moment dayanımlı
çelik çerçeveler bugün yüksek süneklik kapasiteleri ile deprem bölgelerinde az
ve orta katlı ofis türü binalarda sıklıkla kullanılmaktadır. Moment çerçevelerinin
yüksek süneklik özellikleri yatay kuvvetlere maruz kaldığında sistemin enerji
sönüm mekanizmasındaki basitlikte yatmaktadır. Bu sistemlerde özellikle deprem
kuvvetleri altında yapının dayanımında azalma olmadan kirişlerde çok sayıda
akma ve elastik olmayan şekil değiştirme ile sağlanır. Bu tip yapılarda plastik
mafsalların kolonlardan önce kirişlerde oluşmasını sağlamak, yapının sünekliğini
arttırıp, göçmesini geciktirmek için güçlü kolon zayıf kiriş ilkesi uygulanır. Bu kural
gerekenden daha büyük kolon kesitlerinin seçilmesine ve ekonomik olmayan, aşırı
güvenli tasarımlarla sonuçlanmaktadır. 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.
1994 Northridge ve 1995 Kobe depremleri sırasında rijit birleşimli moment dayanımlı
çelik çerçeveli yapılarda ve özellikle tamamen kaynaklı birleşimlerde ağır ve
beklenilmeyen hasarlar oluşmuş ve bu tip yapıların tasarım yöntemlerinin gözden
geçirilmesine neden olmuştur. Bu keşiflerin ardından, SAC ortak girişimi olarak
bilinen profesyonel derneklerin ve araştırmacılardan oluşan bir konsorsiyum, bu
beklenmeyen davranışın nedenlerini belirlemek ve daha sağlam moment çerçevesi
inşası için öneriler geliştirmek için kapsamlı bir çalışma yürütmüştür. Araştırmalar
sonucu, çatlakların ve hasarların, temel birleşim geometrisi, yapısal malzemelerin
kontrolünün eksikliği, iç yapısındaki düşük tokluğa sahip kaynak dolgu metallerinin
kullanılması, kolon başlıklarında divot kırılması, karşılama levhası kaynaklı hasarlar,
yetersiz kalite kontrol ve diğer faktörlerin bir sonucu oldu˘gu tespit edildi. Ortaya çıkan
araştırma, mevcut özel moment çerçeveleri için yönetmelik tasarım gerekliliklerinin
temelini oluşturmuştur.
Bir yapıdaki bütün kolon-kiriş birleşimlerinin tasarımda tam rijit veya ideal
mafsallı kabulünün ne derece doğru olduğu tartışma konusudur. Gerçekte moment
çerçevesinde kullanılan birleşimlerin güçlü veya zayıf eksende olsun, davranışı
incelendiğinde birleşimlerin rijit veya ideal mafsal davranışı göstermesi için çok özel
detaylandırmaların kullanılması şarttır halbuki kullanılan birleşimlerin çoğunluğu rijit ve mafsallı iki uç sınır durumun arasında kalmaktadır. Bu birleşim türleri yarı-rijit birleşim olarak sınıflandırılmaktadır.
Geçtiğimiz yarım asırlık süreçte yapısal tasarım için mühendislerin kullandığı
bilgisayar destekli yazılım araçları önemli gelişme kaydetmiştir. Ancak hala
çelik yapıların modellenmesi ve tasarımı aşamasında yapılan bazı kabuller göze
çarpmaktadır. Özellikle deprem bölgesinde tasarlanan bir çelik yapı için güvenlik
ve ekonomi amacı büyük önem arz eder. Deprem yönetmeliklerinde yer alan yapısal
tasarım felsefesi, makul bir oluşma olasılığı olan bir depremde bile mutlak güvenlik ve hasarsızlığın sağlanamayacağının altını çizmektedir. Bununla birlikte, bazı yapısal ve yapısal olmayan hasarlara izin verip elastik olmayan enerjiyi sönümleyerek yapılarda yüksek bir yaşam güvenliği seviyesini ekonomik olarak sağlamayı hedefler. Bu tasarım felsefesinin bir sonucu olarak, yönetmeliklerde öngörülen yatay tasarım kuvveti yapıyı elastik aralıkta tutmak için gereken yatay kuvvetten daha düşüktür. Yapının elastik zarfta tutulması, yanal harekete maruz kalan tüm yapısal elemanların, herhangi bir kalıcı deformasyon ve hasar almadan başlangıç durumuna geri dönmesinin garanti edilmesi anlamına gelir ki bu durumu korumak, uygulanabilir ve rasyonel olmaktan uzaktır.

Moment çerçevelerinin tasarımı göz önüne alındığında tasarımı yöneten ana parametrenin yer değiştirme olduğu ortaya çıkar. Bu çalışmada deprem yönetmeliklerinde çelik çerçeveli yapıların tasarımında birleşim dönme rijitliği kavramı ve yönetmeliklerin tasarımda kullanılacak gerçek yer değiştirme talebi için tepki değiştirme katsayısı üzerinde durmaktadır. Yer Değiştirme Arttırma Katsayısı, en basit ifadeyle yapının elastik durumdaki yer değiştirme değerinden, elastik ötesi durumdaki yer değiştirme değerini elde etmek için kullanılmaktadır. Bu amaç doğrultusunda az, orta ve yüksek katlı rijit birleşimli moment çerçeveli yapılar belirlenen deprem düzeyi için tasarlanmış, beş farklı dönme rijitliği ile doğrusal elastik olmayan statik ve dinamik analizlerle incelenmiştir. 15 adet çelik çerçeve statik itme analizleri ve tasarım depremi seviyesinde ölçeklendirilmiş 18 adet gerçek yer hareketi ile dinamik analizler yapılmıştır. Bu analiz sonuçları ile her bir çelik çerçeve için yer değiştirme arttırma katsayısı hesaplanmıştır.
Az, orta ve yüksek katlı çerçevelerde, beş farklı birleşim rijitliği altında, statik analizler sonucu, ortalama 4.84, dinamik analizler sonucu, ortalama 3.86 olarak hesaplanan Cd katsayıları AISC ve TBDY-2018 yönetmeliklerinin sırasıyla kullandığı 5.50 ve 8.00 değerinden daha düşüktür. Sonuçlar çelik çerçeveli bir yapıda birleşim rijitliğinin yapının davranışını değiştirdiğini, dolayısı ile çelik çerçeveli yapılar için önemli bir tepki değiştirme katsayısı olan Yer Değiştirme Arttırma Katsayısının değiştirdiği anlaşılmaktadır. Bulunan yer değiştirme arttırma katsayılarındaki farklılık, moment dayanımlı bir çelik çerçevenin doğrusal olmayan değerlendirmesi yapılması durumunda yapıda kullanılan birleşimlerin rijitliklerinin göz ardı edilmemesi gerektiğini göstermektedir. Ayrıca birleşim rijitliğinin azalmasının yapıların süneklik talebinin azaldığını göstermiştir.

Abstract:
Moment resisting steel frames structures stand out with important performance parameters of structure design such as safety, economy and aesthetics. Moment resisting steel frames with high ductility capacities are frequently used in low and medium rise buildings in earthquake zones. The high ductility characteristics of the moment frames in the simplicity of the system's energy damping mechanism when subjected to horizontal forces. In these systems, especially under earthquake forces, a great number of yields in the beams are achieved by inelastic deformation without reducing the strength of the structure. In such structures, the principle of strong column-weak beam is applied to ensure that plastic hinges are formed in the beams before the columns, to increase ductility and delay the collapse of the structure. This rule results in the selection of larger column sections than required and uneconomical, extremely safe designs. In order to solve this problem, especially in the USA, the method is to design only the outer frames of the buildings as horizontal load bearing systems. However, one of the main disadvantages of these structures is that there distribution of the system is limited(low redundancy).
During the 1994 Northridge and 1995 Kobe earthquakes, heavy and unexpected damages occurred in rigid connected moment resisting steel frames structures, and especially in fully welded connections, leading to a review of the design methods of such structures. Following this discovery, a consortium of professional associations and researchers known as the SAC joint venture conducted extensive work to identify the causes of this unexpected behavior and develop recommendations for building a
more robust moment framework. Cracks and damages were found to be the result of basic joint geometry, lack of control of basic materials, the use of weld filler metals with low toughness in the internal structure, divot breakage of column heads, damage caused by the cover plate, inadequate quality control and other factors. The resulting research formed the basis for regulatory design requirements for existing special moment frameworks.
It is debatable to what extent all column-beam joints in a structure are fully rigid or ideally hinged in the design. In fact, when the behavior of the joints used in the moment frame is in the strong or weak axis, it is necessary to use very specific detailing in order to show that the joints exhibit rigid or ideal hinged behavior, whereas the majority of the joints used are between two rigid and hinged end boundary states.
These connection types of classified as semi-rigid connections.
Over the past half century, computer aided software tools used by engineers for structural design have made significant progress. However, there are still some assumptions made during the modeling and design of steel structures. Especially for a steel structure designed in the earthquake zone, the aim of safety and economy is of great importance. The structural design philosophy in the earthquake regulations underlines that even in an earthquake with a reasonable probability of occurrence, absolute safety and damage cannot be ensured. However, it aims to economically provide a high level of safety in buildings by allowing some structural and non-structural damage and absorbing inelastic energy. As a result of this design philosophy, the horizontal design force prescribed in the regulations is lower than the horizontal force required to keep the structure within the elastic range. Retention of the structure in the elastic envelope means that all structural elements subjected to lateral movement are returned to the initial state without any permanent deformation and damage, which is to be maintained, far from practical and rational.
When the design of moment frames is considered, the main parameter that governs the design is displacement. This study focuses on the concept of connection rotation stiffness in the design of steel frame structures with moment resistance in the earthquake regulations, and the concept of the reaction coefficient of change for the actual displacement of regulations to be used in design. The Displacement Amplification Factor is used to obtain the displacement value of the structure from the elastic displacement value in the inelastic state. For this purpose, low, medium and high storied rigid connections moment framed structures were designed for the earthquake level determined and examined with five different rotational stiffnesses by linear inelastic static and dynamic analyses. 15 steel frame static pushover analyses and 18 real-ground motion dynamic time-history analyses were scaled at the design earthquake level. With these analysis results, the displacement amplification factor was calculated for each steel frame.
In low, medium and high-rise frames, Cd coefficients calculated under average of 4.84 for dynamic analysis and 3.86 for dynamic analysis are less than the values of 5.50 and 8.00 used by AISC and TBDY-2018 regulations, respectively. The results show that the stiffness of the connection in a steel-frame structure changes the behavior of the structure, thereby changing the Displacement Amplification Factor, which is an important response coefficient for steel-frame structures. The difference in the displacement amplification coefficients shows that the rigidity of the connections used in the structure should not be ignored if a non-linear evaluation of a moment resisting steel frame is performed. In addition, the decrease in connection stiffness has shown that the ductility ratio of the structures is reduced.