Depreme dayanıklı çelik çerçevelerde hasar alan veya almayan yüksek enerji tüketen moment birleşimlerinin geliştirilmesi
Development of damaged or non-damaged high energy dissipative moment connections in seismic resistant steel frames
Yazar: ORKUN YILMAZ
Danışman: DOÇ. DR. SERKAN BEKİROĞLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Kiriş-kolon birleşimi = Beam-column collection ; Sürtünme = Friction ; Çelik çerçeveler = Steel frames

Özet:
Moment aktaran çelik çerçeve sistemler, yüksek süneklik kapasitelerinden dolayı sıkça kullanılmaktadır. Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği'ne (TBDY-2018) göre, moment aktaran kiriş-kolon birleşimlerinin en az %4 radyan göreli kat öteleme açısını sağladığı kanıtlanmış olmalıdır. TBDY-2018'de AISC 358-16'ya göre ön yeterliliği kanıtlanmış olan altı adet kiriş-kolon birleşim şekli sunulmaktadır. Ön yeterliliği kanıtlanmış olan bu birleşimler, kirişin kolona güçlü eksen bağlantısında uygulanmakta ve olası deprem sırasında kirişte hasar meydana gelecek şekilde tasarlanmaktadır. Tez kapsamında, sonlu eleman benzetim yöntemiyle üç adet kiriş-kolon birleşimi geliştirilmiş olup ikisi kirişin hasar almadığı birleşim, diğeri ise kirişin hasar aldığı zayıf eksen birleşimidir.
Birincisi, kirişe ve kolona bulonlarla bağlanabilen sürtünmeli ve elastomerli sismik birleşim aparatlı bir kiriş-kolon birleşimidir. Bu birleşimin tasarımında, aparat dâhil hiçbir parçada hasar meydana gelmemesi amaçlanmaktadır. Bu birleşimin aparatı, sürtünme elemanları, elastomerler, dış ve iç bağlantı levhaları, destek elemanları, ana bulon ve ilave bulon gibi unsurlardan meydana gelmektedir. Bu birleşimde aparatın hasar almaması amaçlansa da aparat gerekli durumlarda değiştirilebilir özelliktedir. Tez kapsamında, sürtünmeli ve elastomerli sismik birleşim aparatı sadece kiriş-kolon birleşiminde değil, dışmerkez çaprazlı çelik çerçevede bağ kirişi olarak da kullanılmaktadır. Bu sayede, çerçevenin bağ kirişi dâhil, hiçbir taşıyıcı unsurunda hasar meydana gelmemektedir.
İkincisi, kirişe ve kolona bulonlarla bağlanabilen burkulma levhalı sismik birleşim aparatlı kiriş-kolon birleşimidir. Bu birleşimde sadece aparattaki burkulma levhaları hasar almakta olup aparat hasar sonrası değiştirilebilir özelliktedir. Bu birleşimin aparatı, burkulma levhaları, kayma levhaları ve kayma bulonundan meydana gelmektedir. 
Üçüncüsü, kirişin I-profil kolona rijitlik levhasız alın levhalı bulonlu olarak zayıf eksende bağlandığı bir kiriş-kolon birleşimidir. Alın levhası, kolon gövdesine paralel olarak I-profil kolon başlıklarının ucuna kaynaklanan kutu levhasına bağlanmaktadır. Ayrıca, ilave rijitliğe gerek duyulması halinde, kolon gövdesinde düşey levha kullanılabilmektedir. Bu birleşimin tasarımında, olası hasarın kirişte meydana gelmesi amaçlanmaktadır. Ayrıca, kutu levhalı zayıf eksen birleşiminde I-profil kolonun farklı yönlerinde de kiriş bağlantısı olması durumları dikkate alınmıştır. Bu sayede, üç boyutlu bir çelik çerçevenin farklı düğüm noktası yapılandırmaları dikkate alınarak, kutu levhalı birleşimin iki eksenli yükleme altındaki davranışı da incelenmiştir.
Yapılan sonlu eleman analizleri sonucunda, geliştirilen kiriş-kolon birleşimlerinin yüksek enerji tüketme kapasitesine sahip olduğu ve kiriş kesitinin plastik moment kapasitesinden daha fazla moment aktarabildiği görülmüştür. Sürtünmeli ve elastomerli sismik birleşim aparatlı kiriş-kolon birleşiminin, alın levhalı bulonlu birleşimlere göre daha yüksek performans gösterdiği, burkulma levhalı sismik birleşim aparatlı kiriş-kolon birleşiminin ise, alın levhalı birleşimlerle benzer seviyede performansa sahip olduğu görülmüştür.  Kutu levhalı zayıf eksen birleşiminin ise, güçlü eksen birleşimlerinin gösterdiği performansa ulaşabildiği görülmüştür. Bu çalışmada sonlu elemanlar benzetim yöntemiyle geliştirilen sismik birleşim aparatlı birleşimler, TBDY-2018'de önerilen moment aktaran birleşim örneklerinin sahip olması arzu edilen dayanım ve esnekliğe haiz olmasının yanı sıra, değiştirilebilme özelliği sayesinde yurt dışı patentli muadilleriyle rekabet edebilecek seviyededir. Ayrıca, geliştirilen zayıf eksen birleşiminin ise, TBDY-2018'de yer alabilecek seviyede performansa sahip olduğu görülmüştür.

Abstract:
Steel moment frame systems are widely used due to their high ductility capacity. According to the Türkiye Building Earthquake Regulation (TBER-2018), moment beam-to-column connections should be proven to satisfy at least a 4% radian story drift angle. In the TBER-2018, six beam-to-column connections that have been proven to be prequalified according to AISC 358-16 are presented. The prequalified connections are applied in the beam-to-strong axis of the column and are designed to be failed within the beam during a possible earthquake.  In the scope of the thesis, three beam-to-column connections have been developed via finite element simulation, two of which are the connection where the beam is not damaged and the other is the weak-axis connection where the beam is damaged.
The first one is the beam-to-column connection with the frictional and elastomeric seismic joint apparatus, which can be connected to the beam and column with bolts. In the design of this connection, it is aimed that no damage will take place in any part, including the apparatus. The apparatus of this connection consists of parts such as friction members, elastomers, outer and inner connection plates, strengthening members, main bolt, and additional bolt. Although it is aimed not to damage the apparatus in the connection, the apparatus can be replaced when necessary. In the scope of the thesis, the frictional and elastomeric seismic joint apparatus is used not only in the beam-to-column connections but also as a link member in an eccentrically braced steel frame. Thus, no damage takes place in any member of the frame, including the link member.
The second one is the beam-to-column connection with the buckling plate seismic joint apparatus, which can be connected to the beam and column with bolts. For this connection, only the buckling plates in the apparatus are damaged, and the apparatus can be replaced after damage. The apparatus of this connection consists of buckling plates, shear plates, and a shear bolt. 
The third one is the beam-to-column connection where the beam is connected to the weak-axis of the I-profile column with the bolted unstiffened end-plate connection. The end-plate is connected to the box-plate welded to the flange tips of the I-profile column parallel to the column web. In addition, if additional rigidity is required, a longitudinal plate can be used in the column web. In the design of this connection, it is intended that possible damage will take place in the beam. In addition, the cases of the beam connections in different directions of the I-profile column in the weak-axis connection with the box-plate are taken into account. Thus, the behavior of the box-plate connection under biaxial loading was also investigated, taking into account the different joint configurations of a three-dimensional steel frame.
As a result of the finite element analysis, it has been seen that the developed beam-to-column connections have high energy dissipation capacity and can transfer more moment values than the plastic moment capacity of the beam section. It has been observed that the performance of the beam-to-column connection with frictional and elastomeric seismic joint apparatus is better than the end-plate bolted connections, while the beam-to-column connection with buckling plate seismic joint apparatus has a similar level of performance with the end-plate connections. It has been observed that the weak-axis connection with box-plate can reach the performance of the strong-axis connections. The connections with developed seismic joint apparatus via finite element simulation in this study are at a level that can compete with their foreign patented counterparts, thanks to their replaceability, as well as having the desired strength and flexibility of the moment connection types presented in TBER-2018. Also, it has been observed that the developed weak-axis connection has a performance that can be included in TBER-2018.