Zayıflatılmış Kiriş Enkesitli (zke) Çelik Çerçevelerin Deprem Yükleri Altında Doğrusal Olmayan Karşılaştırmalı Performans Hesabı

Abstract

17 Ocak 1994’te Northridge (ABD)’de ve 17 Ocak 1995’te Kobe (Japonya)’de meydana gelen depremlerde, moment aktaran çelik çerçeve sistemlerinin kiriş-kolon kaynaklı birleşimlerinde beklenmeyen hasarların ve erken göçmelerin oluştuğu gözlenmiştir. Bu tür birleşimlerin yetersiz davranışlarının iyileştirilmesi için yoğun çalışmalar başlatılmıştır. Bu bağlamda, depremler sırasında yetersiz performans gösteren birleşimler mevcut yönetmeliklerden çıkartılmış ve yeni birleşim türleri geliştirilmiştir. Bunlar arasında, çelik birleşimlerin deprem performansını geliştirmek için kiriş başlığında azaltma yapılması düşüncesi (Zayıflatılmış Kiriş Enkesitli (ZKE) ya da “Köpek kemiği” olarak da adlandırılan birleşimler) önerilmiş ve bu konuda deneysel çalışmalar yapılmıştır. Bu tür bir çözümde, kolon yüzeyinden belirli bir uzaklıkta plastik mafsal oluşabilmekte ve bu sayede kolonlar deprem etkisinden korunmaktadır. ZKE’li moment aktaran bir çerçevede, kirişin hem alt hem de üst başlığında yapılacak değişik geometrilerdeki azaltmalar yardımıyla elastik olmayan şekildeğiştirmeler zayıflatılmış bölgeye yönlendirilerek elastik olmayan hasar kontrol altına alınabilmektedir. Deneysel çalışmalar, bu tür birleşimlerin %3’ün üzerinde bir plastik dönme kapasitesine ulaşarak oldukça yüksek sünek bir davranış sergilediklerini göstermiştir. ZKE’li birleşimlerde yaygın olarak kullanılan uygun zayıflatma biçimlerinden biri, kiriş başlığında dairesel olarak yapılan azaltmadır. Bu zayıflatma biçimi gerçek mühendislik projelerinde de bir çok uygulama alanı bulmuş ve ayrıca “Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik (DBYBHY-07)”de de önerilmiştir. Diğer bir zayıflatma tekniği ise çeşitli konfigürasyonlarla başlıklarda deliklerin oluşturulmasıdır. Bu tez, ZKE’li çelik çerçevelerin deprem performanslarının değerlendirmesi kapsamında yapılan parametrik bir çalışmayı sunmaktadır. Çalışmanın en önemli katkısı, bina kat yüksekliği boyunca ZKE’li birleşimlerin yalnızca kritik katlarda bölgesel olarak kullanılmasının önerilmesi ve bu birleşim türünün kolonun hem kuvvetli hem de zayıf eksen doğrultusunda yapılmış olmasıdır. Performans analizlerinde Kapasite Spektrum Yöntemi yardımıyla Türkiye Yönetmeliği’nde önerilen itme analizi kullanılmıştır. Aynı zamanda, gerekli olan aşamalarda FEMA 350 ve FEMA 356 yönetmeliklerinden de yararlanılmıştır. Seçilmiş bir dizi moment aktaran çerçeve üzerinde, farklı ZKE konfigürasyonlarının sistemin dayanım, rijitlik, birinci elastik titreşim periyotu, süneklik, enerji yutma kapasitesi ve performans düzeylerine etkisi parametrik olarak belirlenmiştir. Bu amaçlar için doğrusal olmayan hesap yöntemi kullanılmıştır. Ayrıca, plastik hesap kuramının temel kavramları da özetlenmiştir. Bu tez aşağıda verilen yedi ana bölümden oluşmaktadır: Birinci Bölüm’de, bugüne kadar ZKE’li sistemler ile ilgili yapılmış olan literatür taramasına ve DBYBHY 07 ve FEMA 350 yönetmeliklerine göre ZKE’lerin boyutlandırılması ve tasarım koşullarına yer verilmiştir. Buna bağlı olarak, çalışmanın amacı ve kapsamı açıklanmıştır. İkinci Bölüm’de, moment aktaran çelik çerçeve sistemlerinin tasarımına esas oluşturan plastikleşme davranışı ve plastik mafsal hipotezi incelenmiştir. Buna ek olarak, moment aktaran çelik çerçevelerin kiriş ve kolonlarının elastik ötesi davranışlarına etki eden parametreler kısaca özetlenmiştir. Üçüncü Bölüm DBYBHY-07 ve FEMA 356’ya göre performansa dayalı doğrusal olmayan statik değerlendirme yöntemlerine ayrılmıştır. Dördüncü Bölüm’de, yüksek süneklik düzeyli moment aktaran bir çelik taşıyıcı sistemin DBYBHY-07 ve TS 648’de belirtilen tasarım ilkeleri doğrultusunda tasarım adımları verilmiştir. Bu aşamadan sonra, ZKE sisteme üç farklı konfigürasyonda yerleştirilerek, tasarım yapılmıştır. İlgili hesaplamalar hakkında DBYBHY-07 ve FEMA 356’ya göre performans düzeyi değerlendirilmesi Beşinci Bölüm’de verilmiştir. Altıncı Bölüm bu parametrik çalışmada elde edilen sayısal sonuçlara ayrılmış ve çeşitli konfigürasyonlardaki sistemler arasında genel bir karşılaştırma yapılmıştır. Çalışmanın son (Yedinci) Bölümü’nde, tüm çalışmadan elde edilen sonuçlar özetlenmiş ve bu çalışmayı temel alarak gelecekte yapılabilecek potansiyel çalışmalardan söz edilmiştir.

During the Northridge earthquake of Jan. 17th, 1994 (U.S.A.) and the Kobe earthquake of Jan. 17th, 1995 (Japan), unexpected damages and premature failures were observed around beam-to-column welded connections in steel moment frames. Intense research was then initiated to improve the poor behavior of these connections. Also, existing details that showed unsatisfactory seismic behavior were removed from the existing structural regulations and new beam-to-column connection details have been developed. Among these, the idea of trimming of beam flanges (so called Reduced Beam Sections (RBSs) or Dogbone connections) to improve the seismic performance of steel connections was proposed and tested. In this solution, plastic hinges can be moved away from the face of the column and therefore the columns are protected under earthquake effects. In a RBS configuration of a moment frame, damage can be controlled by leading inelastic deformation to the reduced area with the help of decreasing different geometrical changes either lower or upper beam flanges. Experimental results show that these connections have achived plastic rotations in excess of 3%, revealing a highly ductile behavior. A widely used strategic weakening in RBS connections is cutting the beam flange along a circular profile. This weakening procedure has found many application areas in real engineering practice and is also proposed in the Turkish Code of “Specification for Buildings to be Built in Seismic Zones-2007(DBYBHY-07)”. Other weakening techniques such as drilling holes in the flanges with several configurations also exist. This study presents a parametric investigation into the seismic performance evaluation of steel frames with RBS connections. The major contribution from this study is to analyse the impact of partial use (i.e. zoning) of RBS connections along the building height in critical stories only and to use this connection type both in the strong and minor axis column connections. For performance analyses, the Capacity Spectrum Method (CSM) with the help of pushover analyses have been used as proposed in the Turkish Code. Also, FEMA 350 and 356 regulations have been used when required. In a number of selected moment frames, the effect of different RBS configurations on strength, stiffness, fundamental periods, ductility, energy dissipation capacity, and the calculated performance levels of the systems was parametrically investigated. The nonlinear static procedure was used for this purpose. Besides, further information regarding plastic analysis and the methods used in this study are summarized. This thesis consists of seven main chapters as given below: First part includes the literature review about RBSs systems and the design criteria for RBS connections according to DBYBHY-07 and FEMA 350 regulations. Also, the aim and scope of this study are explained. In the Second Chapter, plastic behavior that constitutes the base for the design of steel moment frames has been summarized in connection with plastic hinge hypothesis. In addition to this, parameters that affect the inelastic behavior of beam and column elements in a steel moment frame have been explained in brief. Third Chapter includes the issues related to nonlinear static procedures to be used in performance analyses according to DBYBHY-07 and FEMA 356. In the Fourth Chapter, design steps of a high ductility steel moment frame is given following the principles of DBYBHY-07 and TS648. After this stage, connections have been designed as RBSs which are placed in three different ways. Relevant calculations about seismic performance levels per DBYBHY -07 and FEMA 356 are given in the Fifth Chapter. The Sixth Chapter is devoted to the numerical results obtained from this parametric study and a general comparison is made among the various systems configurations considered herein. In the last (Seventh) Chapter, results of the whole study are summarized and potential future studies based on this work are mentioned.