Takviyeli alın levhalı bulonlu kiriş-kolon birleşimlerinin sonlu eleman analizleri
Finite elements analyses of bolted stiffened end plate beam-column connections
Yazar: ANIL ZAFER
Danışman: DOÇ. DR. SERKAN BEKİROĞLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Çelik yapı sistemlerinde sünek davranış oluşması için birleşim bölgelerinin sünek tasarımı, sistemde kullanılan malzemenin sünekliği kadar önemlidir. Yapının deprem altında davranışı, birleşimlerde ortaya çıkabilecek gevrek kırılmalardan önemli ölçüde etkilenir. 1994 Northridge ve 1995 Kobe depremlerinde yapılarda gözlenen hasar tipleri çelik yapılardaki sünek birleşim kavramının revize edilmesine yol açmıştır. Bu amaçla FEMA 350 (Federal Emergency Management Agency) tarafından kurulan "the SAC Steel Project" ekibi çeşitli birleşim tipleri önererek bu birleşimlerin tasarım kriterlerini belirlemişlerdir. 
Bu tezde FEMA 350 tarafından önerilen, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği tarafından da kabul gören takviye alın levhalı bulonlu birleşim tipi incelenmiştir. Tezde önce, çekme kuvvetlerine maruz bulonlu birleşimlerin davranışları incelenmiştir. Böylelikle, sonlu elemanların sonuçlarının deneysel sonuçlarla uyumluluğu irdelenmiş ve ayrıca farklı bulon deliği çapları ve bulonların davranışları araştırılmıştır. Sonlu eleman modellerinin deneysel çalışma verileriyle uyumlu olduğu, uygulanan sonlu eleman tekniklerinin geçerli olduğu tespit edilmiştir. Burada uygulanan teknikler alın levhalı modeller için de uygulanmıştır. Takviyeli alın levhalı bulonlu birleşim için geometrik ve malzeme özellikleri literatür çalışmasından alınmıştır. Deneysel çalışmada oluşmuş olan yükleme şartları sonlu eleman modellerine uygulanmıştır. Deneysel çalışması yapılan deney numunelerinin yatayda ötelenmesinin tutulmaması ve yapma profillerde kaynaktan dolayı başlıkların eğrilmesi gibi değişkenlerle yeni modeller türetilerek bu etkilerin birleşimlerde ortaya çıkardığı farklılıklar araştırılmıştır. Hazırlanan tüm modellerde doğrusal olmayan malzeme davranışı, doğrusal olmayan geometrik davranış ve doğrusal olmayan temas davranışları dikkate alınmıştır.
Çekme kuvvetlerine maruz plakalarda yapılan sonlu eleman analizlerinde bulon delikleri ile bulon çapı arasındaki mesafe arttıkça birleşimin rijitliğinin azaldığı gözlenmiştir. Bulonlu birleşimlerde plakalarda oluşan en büyük gerilme ve gerinim değerleri yüklemeye maruz plakada yüklemeye en yakın bulon delikleri civarında gözlenmiştir. Ayrıca bulon çapı ile bulon deliği arasında mesafe bulunmayan durumlarda bulon gövdesi ile plaka arasında sürtünmeli temas özelliğinin ihmal edilebilir olduğu belirlenmiştir. Takviye alın levhalı modeller incelendiğinde bulonlardaki en büyük çekme kuvvetleri alın levhasının en dışındaki bulonlarda oluştuğu belirlenmiştir. Takviyeli alın levhalı birleşimlerde plastik mafsal oluşma bölgesi birleşimden takviye alın levhasının bittiği bölgede kiriş üzerinde oluştuğu tespit edilmiştir. Yapma profilli kirişlerde kiriş başlıklarının kaynaktan dolayı eğrildiği durumlarda kirişte rijitlik kayıpları gözlenirken bu kayıpların %1 mertebesinde olduğu tespit edilmiştir. Bununla beraber kirişin yatayda tutulu olmadığı durumda %6 oranında rijitlik kayıpları oluşmaktadır.

Abstract:
Ductile design of beam - column connections is as critical as ductile material used in steel structures so that it can provide ductile behavior in the steel structures. Structure behavior subjected to earthquake is significantly affected due to brittle failure of the connections. Structural damages, which are occurred by 1994 Northridge and 1995 Kobe Earthquakes, caused review for the concept of ductile connections in the structures. Therewith, the SAC Steel Project team has determined principles of the beam-column connections which has been offered as multiple and reliable by the team.
In this thesis, the stiffened endplate connection types which are advised from FEMA 350 and included in Turkish Building Earthquake Codes. In the beginning for the understanding of bolt behaviours, the single lap connections are investigated first. Thereby, whether results obtained by using finite element method and experimental studies are compatible or not is scrutinized. Moreover, various bolt-hole size and behaviours of bolts are researched. It is observed that the finite element analyse results and experimental results are compatible each other and the applied finite element techniques are valid. Techniques obtained from single lap connections is used for stiffened end plate connections. The geometry and material properties of the finite element models are obtained a study from literature. The loading procedure of the corresponding study is considered. The finite element models derived from literature study by adding different features such as not to supporting beam laterally or transverse bending on the beam flange caused by welding applications. Nonlinear effects of materials, geometry and contacts are considered, for all finite element models.
It is observed that the rigidity of the single lap connections decreases by increment of the bolt hole size. The maximum stresses are observed in the bolt holes which are nearest to applied forces in the tension member. Moreover, it is observed that the frictional contact between plates can be ignored when the bolt diameter and bolt-hole diameter are equal. Similarly, for the stiffened end plate connections, the highest tension forces are observed in the outer bolts in the end plates. The plastic hinges are occurred approximately same region which is the place where end plate ends. Transverse bending in the beam flange caused by welding process can reason loss of rigidity in the build-up sections and these losses are order of approximately 1%. However, not to supporting the beam in a lateral way can cause approximately 6% loss of rigidity.