Süneklik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçevelerde güçlü kolon-zayıf kiriş koşulunun yapı davranışına etkisinin araştırılması
Effect of strong column-weak beam ratio on steel special moment frames' behavior
Yazar: BARIŞ YÜKSEKKAYA
Danışman: PROF. DR. CAVİDAN YORGUN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Moment aktaran çelik çerçeve yanal yük taşıyıcı sistemleri yaygın olarak kullanılan
yapısal sistemlerdir. Mimari açıdan geniş alanların oluşturulmasına olanak sağlaması
ve yapısal olarak yüksek sünekliğe sahip olmaları gibi avantajları olsa da sınırlı bir
yatay rijitliğe sahip oldukları için yüksek yapılarda tek başlarına kullanılmazlar.
Moment aktaran çelik çerçevelerin enerji sönümleme mekanizmaları yatay rijit
diyafram hareketiyle sağlanmaktadır. Kirişlerin kolonlara rijit olarak bağlandığı bu
çerçeveler yapıya yatay doğrultuda etkiyen yükleri kiriş ve kolonlarda oluşan kesme
kuvveti ve eğilme momenti olarak aktarırlar.
Taşıyıcı sistem tasarlanırken yapının sismik yükler altında nasıl davranacağını
öngörmek oldukça önemlidir. Sismik yüklere yoğun olarak maruz kalınan bölgelerde
moment aktaran çelik çerçeveler süneklik düzeyleri yüksek olarak teşkil edilirler. Bu
teşkil, ilgili yönetmeliklerde kesit sınırlamaları ve tasarım koşulları ile sağlanmaktadır.
Süneklik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçevelerde, kirişlerin büyük oranda
plastik deformasyona uğraması ile, sınırlı miktarda da panel bölgesi ve zemin kat
kolon alt uçlarında meydana gelen plastik şekildeğiştirmeler ile sismik yükler
sönümlenir. Kirişlerde büyük oranda plastik şekildeğiştirme meydana gelirken
kolonların genel anlamda elastik kalmasının ise kolonların kirişlerden güçlü olması
koşulu ile sağlandığı varsayılmaktadır. Bu koşulun TBDY 2018, AISC 341-16 gibi
yönetmeliklerde, düğüm noktalarında kolonların toplam eğilme momenti
kapasitelerinin kirişlerin eğilme momentine kapasitelerine oranının 1.0 sınır
değerinden büyük olmasıyla sağlandığı kabul edilmektedir.
Bu çalışma kapsamında farklı güçlü kolon-zayıf kiriş oranlarına sahip olacak şekilde
süneklik düzeyi yüksek 6 katlı moment aktaran çelik çerçeve tasarımları ve analizleri
yapılmıştır. Yapısal analizler sonucunda elde edilen veriler, çalışma amacına uygun
olacak şekilde ileri derece doğrusal olmayan detaylı sonlu eleman analizleri
yapmılmak üzere ABAQUS sonlu elemanlar programında modellenmiştir. Analiz
çıktılarının gerçekçi davranışı temsil edebilmesi, uygun eleman tipinin seçilmesi,
yüzeyler arası etkileşimin doğru bir şekilde yanıstılması, malzeme modelinin
tanımlanmasında gerçek gerilme-şekildeğiştirme değerlerinin kullanılması, sonlu
eleman ağlarının uygun boyutta seçilmesigibi parametrelere bağlıdır.
Sonlu eleman modelleri, AISC 341-16'da yer alan yükleme protokolüne uygun olarak
yer değiştirme kontrollü tekrarlı tersinir yükler altında, 0.08 rad'lık göreli kat
ötelemesi açısına kadar devam ettirilmiş ve 6. Kat kolonunun üzerinde bir noktadan
tepe deplasmanı şeklinde uygulanmıştır. Taşıyıcı sistem elemanları C3D8I olarak
tanımlanan 3 boyutlu katı eleman seçeneği kullanılarak modellenmiştir. 
Sonlu eleman modelleri sınır koşulları, gerçek davranışa uygun olarak teşkil edilmiştir.
Kirişler, kapasitesi korunmuş bölgelerden ve yapı sisteminde tali kirişlerin birleştiği
noktalardan yanal olarak desteklenmişlerdir, zemin kat kolon alt ucu ankastre olarak teşkil
edilmiş ve analiz sonuçlarının güvenilirliği açısında her bir kattaki kolonların düzlem dışı
deplasmanı önlenmiştir. Yapısal elemanların arasındaki yüzey etkileşimi, "Tie Constraint"
seçeneği ile tanımlanmıştır. Analiz aşamasında ilk adım yapısal analizden elde edilen eksenel
basınç kuvvetlerinin kolonlara kat hizalarından etkitilmesiyle, ikinci adım ise ilgili protokole
uygun olarak yer değiştirme kontrollü yüklemenin tepe deplasmanı olarak uygulanmasıyla
tamamlanmıştır. Tekrarlı yük uygulanması gerçekleştirildiği için yapısal elemanın pekleşme
tanımını en gerçekçi yansıtan birleşik pekleşme tanımı kullanılmıştır.
Analiz sonuçlarından kuvvet-yerdeğiştirme eğrileri, eksenel kısalma-yerdeğiştirme eğrileri,
kopma indisleri (Rupture Index) ve taşıyıcı sistem elemanlarının eşdeğer plastik şekildeğiştirme
indisi (PEEQ Index) değerleri dikkate alınarak değerlendirilmiştir. Değerlendirme sonucunda,
zemin kat güçlü kolon-zayıf kiriş oranı 1.0'e yaklaştıkça yapının dayanım kaybının daha
dramatik bir şekilde gerçekleştiği ve kolon alt ucunda plastik deformasyonların artmasıyla
birlikte kat göçme mekanizmasının oluşabileceği gözlemlenmiştir. Zemin kat güçlü kolon-zayıf
kiriş oranı 2.0'nin üzerinde olduğunda ise yapısal sistemde plastik şekildeğiştirmelerin yapı
yüksekliği boyunca kirişlere üniform bir şekilde dağıldığı, dolayısıyla daha sünek bir davranış
sergilediği gözlemlenmiştir. Ek olarak bu oran azaldıkça eksenel kısalmanın arttığı
görülmüştür.

Abstract:
In recent years, a variety of lateral load resistance systems have been incorporated into
steel structures with the aim of dissipating substantial energy when subjected to strong
earthquake ground motions. Steel moment resisting frames are one of the major
seismic force resisting systems. There are three types of steel moment-resisting frames
which are special, intermediate, and ordinary moment frames. However only special
one is used in the regions having an intense seismic risk. Steel moment-resisting
frames are widely used structural system as a lateral load-bearing systems. They have
advantages such as enabling the creation of large spaces from an architectural
perspective because there are no bracing or wall, and they have been viewed as highly
ductile system. On the other hand, they lack of lateral rigidity, because of this reason
they are not used alone for tall building. The energy dissipation mechanisms of
moment- resisting steel frames are provided through the horizontal rigid frame action.
These frames, in which beams are rigidly connected to columns, transfer the loads
acting in the horizontal direction to the beams and columns as shear forces and bending
moments. When designing a building with special steel moment resisting frames, it is
essential to meet several requirements specified in the specifications to ensure that the
frames exhibit greater ductility when subjected to severe ground motion.
It is crucial to predict how a structure will behave under seismic loads when designing
a load-bearing system. In areas heavily exposed to seismic loads, moment-resisting
steel frames are designed to have high ductility levels. This provision is achieved
through design conditions specified in relevant codes and regulations. In special steel
moment frames, seismic loads are dissipated through extensive plastic deformation of
the beams, limited plastic deformations occurring in the panel zone and the bottom
ends of bottom columns. While the beams undergo significant plastic deformation, it
is assumed that the columns remain predominantly elastic, provided that with the
strong column-weak beam ratio. It is accepted in regulations such as TSCB 2018 and
AISC 341-16 that this condition is fulfilled when the total bending moment capacity
of the columns at the nodal points exceeds the bending moment capacity of the beams
by a factor greater than 1.0.
Within the scope of this study, 6-story special steel moment-resisting frames are
designed and analyses were conducted with varying strong column-weak beam ratios.
The data obtained from structural analyses were then modeled in the ABAQUS finite
element program to perform advanced nonlinear detailed finite element analyses
suitable for the study's purpose. The realistic representation of analysis outputs
depends on parameters such as selecting the appropriate element type, accurately reflecting the interaction between surfaces, accurately reflecting the restrictions,
utilizing real stress-strain values in defining the material model, and selecting suitable
sizes for the finite element meshes.
In order to identify the effect of strong column-weak beam ratio and to understand
significant local effects, 3D finite element models which account for both geometrical
and material nonlinearities are developed. The finite element models were subjected
to displacement-controlled cyclic loads under repetitive loads following the loading
protocol specified in AISC 341-16, continuing until a relative story drift of 0.08 radians
was achieved, and then applied as top displacement at a point above the model.
The structural elements were modeled using 3D solid elements defined as 8-node
C3D8I (Incompatible mode elements). Due to convergence issues related to the size
of the model, an imperfections cannot be implemented. However C3D8I can capture
local instabilities without the need to introduce imperfections. The finite element
models were established with boundary conditions representing real behavior in lateral
load system. For modeling material plasticity, data from true stress-strain curves are
entered in the ABAQUS program. The yield strength of the belonging to the material
class is employed for non-beam elements, this value is increased by the characteristic
yield stress ratio coefficient to account for potential yield stress. The beams were
laterally supported at points where secondary beams connect and where their
capacities are preserved, and the bottom end of bottom columns were represented as
fully restrained. Also in order to prevent out-of-plane movement of the columns, the
columns restricted at each floor. The interaction between structural elements are
defined using the "Tie Constraint" connection element from ABAQUS connection
library. Full interaction between the connected surfaces is assumed, and there is no
need to define additional weld metal. In the analysis, the first step involved applying
the axial compressive forces obtained from the structural analysis to the columns, and
the second step involved applying displacement-controlled loading as top
displacement according to the relevant protocol. Since repeated loading was applied,
a combined hardening definition representing the most realistic behavior of the
structural element was used.
In order to the purpose of ABAQUS analysis' result validation, the ABAQUS model
was recreated in structural analysis program as a 2D model, then a cyclic pushover
(PO) analysis conducted, and the approach was confirmed to be correct by examining
the results of both analysis.
The results of the analysis are evaluated based on Von Mises stress (S.Mises), force-displacement curves, axial shortening-displacement curves, the equivalent plastic
strain indexes (PEEQ Index) values, which take into account the hardening effect of the
material and, rupture indexes (RI) of the load-bearing system elements.
Upon evaluation, it was observed that as the strong column-weak beam ratio of the
ground floor approached 1.0, the structural resistance loss occurred in a more brittle
manner, and the formation of a story collapse mechanism could be observed with
increased plastic deformations at bottom. It has been observed that when the strong
column-weak beam ratio of the ground floor exceeded 2.0, plastic deformations is
formed in the structural system uniformly distributed to the beams throughout the height of the structure, indicating a more ductile behavior. It has been observed that
the panel zones stresses are increase when the ratio decrease. Additionally, it was
observed that axial shortening increased as this ratio decreased and serious crushing
occurs at the bottom end of the ground floor column.