Süneklik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçevelerde güçlü kolon-zayıf kiriş koşulunun yapı davranışına etkisinin araştırılması

Abstract

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.