Süneklik düzeyi yüksek bina türü bir endüstri yapısına ait kiriş-kolon birleşim bölgesinin tasarımı ve doğrusal olmayan analizi
Design and nonlinear analyses of the beam-to-column (eaves) connections for high ductile portal frames
Yazar: YAĞMUR KULAK
Danışman: DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Çelik tek katlı endüstri yapılarının taşıyıcı sistem tasarımında kullanılan çerçeveler, süneklik düzeyi yüksek bina türü endüstri yapıları için yaygın olarak kullanılan yapısal sistemlerdir. Deprem etkisi altında çelik çerçevelerin kiriş-kolon birleşim bölgelerinde büyük eğilme momentleri oluşabilmektedir. Çerçeve sisteminin düzlem içi stabilitesinin sağlanabilmesi ve deprem etkileri altında, öngörülen performansı gösterebilmesi için kiriş uçlarında plastik eğilme momenti kapasitesi ile yeterli dönme kapasitesine ulaşıldığında, kiriş-kolon birleşimi içindeki elemanların elastik kalması sağlanmalıdır. Bu nedenle kiriş-kolon birleşimlerinin tam dayanımlı moment aktaran birleşimler olarak boyutlandırılması gerekmektedir. Kiriş-kolon birleşim tasarımında guse kullanılması ile, çekme etkisindeki bulon grubunun varsayılan tarafsız eksene olan uzaklıkları büyüdüğünden, bulon çekme dayanımına göre belirlenen birleşim eğilme momenti kapasitesinin artması sağlanmaktadır. Böylece eğilme etkisinde kiriş ucunda oluşan olası plastik eğilme momenti dayanımının birleşim elemanları tarafından güvenle aktarılması sağlanır. Kiriş-kolon birleşim bölgesinde guse kullanılması, birleşimin eğilme momenti kapasitesini arttırdığı gibi, çerçeve sisteminin rijitliğini de arttırarak yatay yerdeğiştirmelerin sınırlandırılmasında da etkili olmaktadır. Northridge depremi sonrasında kaynaklı kiriş-kolon birleşimlerin kaynak ve birleşim elemanlarında gözlemlenen gevrek kırılmalar nedeniyle, hasarlı birleşimlerin güçlendirilmesi ve yeni bir kiriş-kolon tasarım yöntemi olarak guse elemanı kullanımı sunulmuştur. Endüstri yapılarının taşıyıcı sistemlerini oluşturan moment aktaran çelik çerçevelerin kiriş-kolon birleşim bölgelerinde gusenin teşkil edilmesi, plastik mafsal noktasının kolon yüzünden uzak bir bölgede, guse bitimindeki kiriş enkesitinde oluşmasına sebep olur. Bu durumda, bu tür çerçeve sistemlerin kiriş-kolon birleşim tasarımları, plastik mafsalın kiriş enkesitinde (gusenin kolon yüzünden uzaktaki ucunda) oluştuğu varsıyalarak yapılabilir. Bu çalışma kapsamında süneklik düzeyi yüksek bina türü bir endüstri yapısına ait kiriş-kolon birleşim bölgesinin tasarımı ve doğrusal olmayan analizi yapılmıştır. Kiriş-kolon birleşimi, kiriş ve guse elemanlarının alın levhasına kaynaklanması, alın levhasının ise kolon başlığına bulonlar aracılığıyla bağlanması ile oluşturulmuştur.TBDY 2018'de yer alan süneklik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçevelere ait birleşimlerin yeterli dayanıma sahip olması için en az 0.04 radyan göreli kat öteleme açısı'nı sağlayacak kapasite de olması koşulu gözetilerek, sekiz bulonlu ve altı bulonlu olmak üzere iki farklı tip bulon düzenine sahip birleşim için tasarım esasları geliştirilmiştir. Hesap adımları; plastik mafsal noktasının guse bitimindeki kiriş enkesitinde oluştuğu, birleşimin kesme kuvveti dayanımının basınç bölgesinde bulunan bulonlar tarafından sağlandığı, negatif eğilme momenti durumu için tarafsız eksenin guse başlığından itibaren guse yüksekliğinin %40'ına karşı gelen uzaklıkta olduğu, pozitif eğilme momenti durumu için tarafsız eksenin kiriş üst başlığı merkezinde olduğu varsayımları benimsenerek oluşturulmuştur. Hesap adımlarının oluşturulmasında TBDY-2018, ÇYTHYE, Design Guide 4 ve AISC 358-16'den yararlanılmıştır. Bu çalışma içerisinde yer alan hesap adımları ile kolon yüzünde gerekli eğilme momenti ve gerekli kesme kuvveti dayanımı belirlenir. Aynı zamanda bulon grubu çekme dayanımı esas alınarak belirlenen alın levhası ve kolon başlığının gerekli eğilme momenti dayanımları, birleşimin tasarım eğilme momenti dayanımı, bulon kayma kırılması dayanımı, kolon gövdesi yerel akma dayanımı, kolon gövdesi burkulma dayanımı, süreklilik levhalarının dayanımı, guse burkulma dayanımı ve guse yerel akma gerilmesi dayanım kontrolleri gerçekleştirilir. Minimum gereken bulon çapı, minimum alın levhası ve kolon başlık kalınlığının belirlendiği tasarım esasları ile birleşimde yer alan kiriş dışındaki elemanların, birleşime ait elastik olmayan şekil değiştirmelerin guse bitimindeki kiriş enkesitindeki akma nedeniyle oluşmasını sağlayacak yeterli dayanıma sahip olmaları amaçlanmıştır. Örnek çalışmalar kapsamında 600 mm, 500 mm ve 400 mm guse yüksekliğine sahip sekiz bulonlu ve altı bulonlu alın levhalı guseli kiriş-kolon birleşimi, bu çalışmada geliştirilen tasarım esasları doğrultusunda detaylandırılmıştır. Birleşimlerin; moment aktaran çelik çerçeveler doğrultusunda 24m açıklığa, buna dik diğer doğrultuda ise 60m uzunluğa sahip tek katlı bina türü çelik endüstri yapısına ait olduğu varsayılmıştır. Sabit yük, kar yükü, plastik mafsaldaki olası eğilme momenti, bu eğilme momentinin plastik mafsalda oluşturacağı kesme ve eksenel kuvvetler dikkate alınarak tasarım adımları gerçekleştirilmiştir.Örnek çalışmada yer alan bulonlu alın levhalı guseli kiriş-kolon birleşimleri, yeterli dönme açısını sağlayabilecek kapasitede olduklarının gösterilmesi amacıyla ABAQUS sonlu elemanlar programında modellenmiştir. Deprem kuvvetini temsil etmesi için AISC 341-16'da yer alan yükleme protokolü kullanılarak oluşturulan yön değiştiren tekrarlı yükleme durumu yerdeğiştirme adımları şeklinde, 0.09 rad'lık göreli kat öteleme açısına kadar devam ettirilmiş ve kolon-kiriş eksenlerinin kesiştiği nokta hizasında kolon başlığından itibaren kolon başlık genişliğinin yarısı uzaklığındaki bir noktadan uygulanmıştır. Kiriş, kolon ve birleşim elemanları C3D8I şeklinde tanımlanan 3-boyutlu katı eleman kullanılarak modellenmiştir. Malzeme plastisitesinin modellenmesi için, gerçek gerilme-şekil değiştirme eğrileri kullanılmıştır. Kiriş elemanı malzemesinin akma ve kopma dayanımları, malzemenin olası akma ve kopma dayanımları olarak alınmıştır. Diğer elemanların malzemelerine ait davranış modellerinde karakteristik dayanımlar kullanılmıştır. Kiriş-kolon birleşiminin taşıyıcı sistem modeli, moment aktaran çelik çerçevenin yatay deprem etkisi altında davranışı ve buna bağlı olarak kolon ve kirişlerde eğriliğin yön değiştirdiği noktalar esas alınarak oluşturulmuştur. Düzlem dışı yerdeğiştirmenin önlenmesi amacıyla kiriş başlıkları yanal olarak desteklenmiştir. Bulonlar tam ön çekme uygulanarak modellenmiştir. Yüzeyler arasındaki sürtünme katsayısı, 0.30 olarak belirlenmiştir. Yerdeğiştirme kontrollü doğrusal olmayan sonlu eleman analizleri, tekrarlı tersinir yerdeğiştirme adımları uygulanarak gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçları plastik şekil değiştirmeye neden olan gerilme birleşenlerini içeren ve bütün asal gerilmelerini dikkate alan Von Mises gerilme (S.Mises) ve eşdeğer plastik şekil değiştirme (PEEQ) değerleri esas alınarak değerlendirilmiştir. Değerlendirme sonunda, olası plastik mafsal noktasının beklenilen bölgede oluşma durumu, ilk akmanın gerçekleştiği bölgeler, kiriş dışındaki elemanların elastik sınırda kalma durumu, göçme modu, yerel burkulma oluşumu ve birleşimde meydana gelen dayanım kayıpları gözlemlenerek tasarımda kullanılan yöntem ve prensiplerin uygunluğu incelenmiştir. Tüm birleşimlerde, TBDY 2018 ve AISC 341-16'da yer alan süneklik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçevelere ait kiriş-kolon birleşimleri için eğilme momenti dayanımının 0.04 radyan göreli kat öteleme açısında en az 0.8Mp değerinde olma koşulunun sağlandığı görülmüştür. Bulon sayısı ve guse yüksekliği parametrelerinden bağımsız olarak plastik mafsal bölgesinin her bir birleşim için aynı kiriş enkesitinde (gusenin kolon yüzünden uzaktaki ucunda) oluştuğu gözlemlenerek, tasarım esaslarında plastik mafsal bölgesi için benimsenen varsayımın doğruluğu gösterilmiştir. Analizler sonunda birleşimlerin, eğilme momenti dayanım kapasitelerine 0.06 veya 0.07 radyan göreli kat ötelemesi açılarında ulaştıkları görülmüştür.

Abstract:
Steel portal frames are common structural forms for industrial buildings with high ductility. It is a very economical way of obtaining a wide opening without the need for diagonal members, provided that the design parameters are selected within the application limits. These frames experience high values of both negative and positive bending moments in the beam-column connections when they are exposed to severe earthquakes. For the frame structure to have in-plane stability and to perform well against the lateral forces caused by earthquake loads, the joints must be designed as a full-strength joint that can transfer the bending moment, shear, and axial forces occurring in the connection members to the column. By using haunch in the beam to column connection design, the bending moment capacities of the bolts are increased by increasing the moment lever arm of the bolts in the connection tension zone. In this way, in the event of a severe earthquake, the bending moment that will occur in the beam is safely transferred to the column. It is a costly solution to enlarge the profile of the beam element to limit deflections that have a negative effect on the structural performance of the frame. Again, the presence of haunch as a joining member reduces the required beam cross-section height. It increases the cross-sectional strength and frame rigidity for regions with the highest design bending moments. Therefore, instead of increasing the beam size, the use of the haunch element both reduces the frame deflections and facilitates the fully rigid joint design. In order to benefit from the structural system feature of the portal frames, the strength, and rigidity of the carrier elements at the maximum level, the design is made in such a way that plastic hinges will be formed in the cross-section of the beam without decreasing the strength, with the column and the connection area remaining at the elastic limit. Due to the brittle fractures observed in the weld and joint elements of welded beam to column connections after the Northridge earthquake, strengthening of damaged connections and the use of haunch element as a new beam-column design method are presented. The formation of the haunch in the connection zones of industrial buildings causes the plastic hinge point to be formed in the cross-section of the beam at the end of the haunch, in a region far from the column face. In this way, the risk of brittle fracture in the connection zone is reduced, and the presence of inelastic deformations in the elements other than the beam, especially in the column and connection zones, is reduced.In this study, the design and non-linear analysis of the beam to column connection of an industrial structure with a high ductility level is performed. The beam to column connection is formed by welding the beam and haunch elements to the endplate and then connecting the endplate to the column flange using bolts. For the connections of steel frames with a high ductility level to have sufficient strength according to TBDY 2018, there must also be a capacity to provide at least 0.04-radian relative inter-story drift angle. Considering this condition, a design procedure has been developed for a combination with two different types of connections, one eight bolted and the other six bolted. The design procedure is prepared using the connection design moment, the yield line theory, the bolt force model, and the equivalent pressure method theories (Simplified assesment methods for LTB). The fact that the plastic hinge point is formed at the beam cross-section at the end of the haunch is provided by the bolts located in the compression region of the shear failure strength. Calculation steps are created by adopting the assumptions that the neutral axis is at a distance of 40% of the haunch height from the haunch flange for negative bending, and the neutral axis is at the level of the beam upper flange for positive bending. Calculation steps were created by adopting the assumptions. TBDY-2018, ÇYTHYE, Design Guide 4, and AISC 358-16 were utilized in the formation of the calculation steps. Required bending moment and required shear yielding strength on the face of the column, bending moment strength of bolts, bolt shear rupture strength, bolt bearing / tearing out failure strength of the end plate and column flange, flexural yielding resistance of end plate and column, local column web yielding strength and buckling strength, the strength of continuity plates, haunch buckling strength, and elastic verification controls are provided using the design procedure in which the minimum required bolt diameter, endplate, and column flange thickness are determined. It is aimed that the members other than the beam in the connection have sufficient strength to ensure that inelastic deformations of the joint occur due to the yielding in the beam cross-section at the end of the haunch.Within the scope of the case studies, six bolted and eight bolted end plate beam to column connections belonging to haunch with 600 mm, 500 mm, and 400 mm heights were detailed following the design principles developed in this work. It is assumed that the joints belong to a steel single-story industrial structure with a span of 24 meters in width and 60 meters in length. The design steps were carried out considering the dead load, snow load, the probable maximum moment at plastic hinge, the shear force and axial force occuring due to the probable maximum moment will create on the plastic hinge. Bolted end plate beam-column connections with haunch for the case study were modeled in the ABAQUS finite element program to prove that they are capable of providing sufficient rotational angle. To represent the seismic force, deflecting repetitive loads created using the loading protocol in AISC 341-16 were continued up to a relative inter-story drift angle of 0.09 rad, and at a distance of half the column flange width from the column flange at the intersection of the column-beam axes till the affected point. C3D8I elements are used, which gives better results in simulating solid elements. For modeling material plasticity, data from ture stress-strain curves are entered in the ABAQUS program. While the yield strength belonging to the material class taken as the basis is used for non-beam elements, this value is increased by the coefficient of the characteristic yield stress ratio of the possible yield stress for the beam element. In order to show the portal frame structure behavior of the models, the column bottom section is assigned as pin support, and the beam end section is assigned as a sliding bearing support. In order to prevent out-of-plane movement, boundary conditions have been imposed on the top cross-section of the column, and the lateral support points are determined by the calculations in accordance with TBDY 2018. Preload as a tensile force is applied to the bolts of the connection models, depending on the diameter of the bolts. The coefficient of friction between surfaces was determined as 0.30. Finite element analysis was performed using the static/general analysis method.The results of the analysis are given with Von Mises stress (S.Mises) including the deflection stress components that cause plastic deformation and taking into account all the principal stresses, and the equivalent plastic strain (PEEQ) values, which take into account the hardening effect of the material. With the result obtained, the suitability of the methods and principles used in the design were examined by observing the formation of the possible plastic hinge point in the expected region, the regions where the first yielding occurred, the elastic limit state of the elements other than the beam, the failure mode, the local buckling formation and the strength degradation in the connection. In all connection, it has been determined that the condition for bending moment strength of at least 0.8Mp at 0.04 radian relative inter-story drift angle for beam to column connections of steel frames with high ductility level for TBDY 2018 and AISC 341-16. It has been observed that the plastic hinge region is formed in the lower flange section of the beam close to the end of the haunch, in the same position for each joint, regardless of the bolt number and haunch height parameters, and the accuracy of the assumption adopted for the plastic hinge region in the design procedure has been proven. It has been observed that the joints are a fully rigid joint that will safely carry the bending moment, shear, and axial force that will occur in the beam during the earthquake, as the joints reach the probable maximum bending moment strength capacities at relative inter-story drift angles of 0.06 radians or 0.07 radians.