Tam dayanımlı bulonlu alın levhalı kiriş-kolon birleşimlerinin çevrimsel yükler altında doğrusal olmayan davranışı

Abstract

Tam dayanımlı bulonlu alın levhalı birleşimler, moment aktaran kiriş kolon birleşim tipleri arasında en sık tercih edilen birleşimlerden biridir. Bu tür birleşimler, gerek saha kaynağı ve bunlar için kontrol testleri gerektirmemesi, gerekse şantiye koşullarında bulonlu birleşimlerin montaj kolaylığı sağlaması nedeniyle tercih edilir. Deprem bölgesi olan ülkemizde yaygın olarak kullanılan bu birleşimlerin, sismik yükler altında davranışını anlamak oldukça önemlidir. TBDY 2018'de deprem kuvvetlerini karşılayan moment aktaran çelik çerçevelerde kullanılması uygun olan tam dayanımlı alın levhalı kiriş-kolon birleşim detayları mevcuttur. Dört bulonlu rijitlik levhasız, dört bulonlu rijitlik levhalı ve sekiz bulonlu rijitlik levhalı birleşimler olarak üç farklı tip birleşim için uygulama sınırları da bu yönetmelikte yer almaktadır. Bu tür birleşimlerin uygulanma şekilleri; bulon yerleşimi, kiriş enkesit yüksekliği, bulon kalitesi, birleşen elemanların malzeme kalitesi, alın levhası kalınlığı ve benzeri geometrik ve malzeme karakteristiklerini kapsayan koşullar getirilerek sınırlandırılmıştır. Bu sınır şartlarının sağlanması ve TBDY 2018 tasarım esasları doğrultusunda güçlü kolon-güçlü birleşim bölgesi-zayıf kiriş felsefesi ile birleşimin boyutlandırılması durumunda, tekrarlı tersinir yükler altında söz konusu birleşim tiplerinin 0.04 radyan göreli kat ötelemesi açısı değerinde dönme kapasitesine sahip olduğu belirtilmiştir. TBDY 2018'de yer alan uygulama sınırları Avrupa profilleri için düzenlenmiştir. Bu sınır koşulları Amerikan profilleri için AISC 358-16'da yer almaktadır. Bu iki yönetmelik arasında karşılaştırma yapıldığında TBDY 2018'de uygulama sınır koşullarını sağlayan bazı kiriş profillerinin AISC 358-16 yönetmeliğine göre bu koşulları sağlamadığı görülmüştür. Akgönen ve diğ (2015) AISC 358-16 yönetmeliğine göre deprem bölgelerinde uygulama koşullarını sağlamayan bazı Avrupa profillerinin çevrimsel yükler altında davranışını incelemiş, ancak deney düzeneğindeki yükleme sisteminin yük düzeyi kapasitesinin yetersiz kalması nedeniyle kiriş enkesitleri belirli bir eğilme momenti kapasitesini aşmayacak şekilde sınırlandırılmıştır. Bu tez çalışması, Akgönen ve diğ. (2015) tarafından gerçekleştirilen deneysel çalışmada çevrimsel yükleme altında davranışı araştırılamayan kiriş enkesitlerinin doğrusal olmayan sonlu eleman modelleri yardımıyla nümerik olarak incelenmesini kapsamaktadır. Bu çalışma kapsamında oluşturulan üç boyutlu sonlu eleman modelleri, ABAQUS yazılımında kullanılmak üzere hazırlanmıştır. Birleşimlerin gerçek davranışının uygun bir şekilde simüle edilebilmesi, uygun sonlu eleman tipinin seçimi, doğru malzeme modelinin tercihi, yüzeyler arası etkileşimin gerçek davranışı yansıtır biçimde temsil edilmesi, sınır koşullarının doğru tanımlanması, sonlu eleman ağlarının teşkil ediliş biçimi gibi birçok parametreye bağlıdır. Sonlu eleman modellerinde, birleşim elemanlarının temsili C3D8R sonlu eleman tipi ile gerçekleştirilmiştir. Yüzeyler arası etkileşimler için "general contact" tanımlaması kullanılmıştır. Temas halindeki yüzeylerin normal doğrultudaki davranışı; basınç gerilmelerinin sıfırdan büyük olduğu durumda elemanların birbirine girişiminin engellendiği "hard contact" etkileşim modeli kullanılarak tanımlanmıştır. Gerçek davranışı yansıtır biçimde elemanların birbirinden ayrılmasına izin verilmiştir. Temas halindeki yüzeylerin rölatif kayma şeklindeki etkileşimi "penalty" tanımı uygulanarak temsil edilmiştir. Sonlu eleman modellerinde birleşen elemanların tekrarlı tersinir yükleme altında davranışının gerçek davranışla uyumlu olmasını sağlayan en önemli faktörlerden biri doğru malzeme parametrelerinin seçimidir. Malzemenin elastik davranışının doğru tanımlanmasının yanı sıra, plastik bölgenin, özellikle pekleşmenin gözlenmesi hedeflenen kiriş elemanları için uygun şekilde tanımlanması gerekmektedir. Sonlu eleman modellerinde pekleşmesi öngörülen kiriş elemanları için kinematik pekleşme modeli, "combined hardening" modeli ile "parameters" yöntemi seçilerek tanımlanmıştır. Sonlu eleman modellerinde, sonlu eleman ağı oluşturma teknikleri, analiz sonuçlarını büyük ölçüde etkilemektedir. Sonlu eleman ağlarının model geometrisi ve davranışı ile uyumsuz teşkil edilmesi, analizlerde yakınsama problemlerine sebep olabilmektedir. Bu çalışma kapsamında sonlu eleman ağları oluşturulurken, yapılandırılmış (structured) ve "sweep" sonlu eleman ağı oluşturma teknikleri uygulanmıştır. Sonlu eleman ağlarının oluşturulma biçimi gibi, ağ sıklığının önemi, doğruluk düzeyi yüksek çıktılar elde etmek açısından oldukça fazladır. Bu sebeple, deformasyonun yüksek olması beklenen bölgelerde ağ sıklığı arttırılmış ve eğilme etkisindeki elamanlar kalınlıkları boyunca uygun sıklıkta sonlu eleman ağları ile modellenmiştir. Sonlu eleman modellerinin, gerçek davranışı uygun bir biçimde temsil edebilmesi için bu modellerin doğrulanması gerekmektedir. Bunun için deneysel sonuçların referans olarak kullanılması uygun olmaktadır. Bu çalışma kapsamında Akgönen ve diğ. (2015) tarafından gerçekleştirilen deneysel çalışmada yer alan kiriş-kolon birleşimi numunelerinden bir tanesi için deney koşullarını uygun sınır şartları ile temsil edecek şekilde sonlu eleman modeli oluşturulmuştur. Deneysel çalışmada numuneye uygulanan test prosedürü analiz modelinde temsil edilmiştir. Numuneye ait malzeme parametreleri, test düzeneğinin geometrisi, mesnet koşulları ve birleşim detayının karakteristik detayları göz önünde bulundurularak oluşturulan ileri düzey sonlu eleman modeli sonuçlarının, test sonuçları ile uyumlu olduğu görülmüştür. Analiz sonuçlarının deneysel çalışma sonuçları ile uyumlu olması; sonlu eleman modellerinin, sınır koşulları, yüzey etkileşimleri, malzeme modeli ve sonlu eleman modelini oluşturan diğer bileşenler bakımından gerçek birleşim davranışını simüle edebildiğini göstermektedir. Bu çalışma kapsamında, AISC 358-16'ya göre kiriş enkesit yüksekliği ve kiriş başlık genişliği uygulama sınırlarını sağlamayan kiriş enkesitlerinden oluşan birleşimlerin çevrimsel yükler altında doğrusal olmayan davranışları incelenmiştir. Bu birleşimlere SAC çevrimsel yükleme protokolü uygulanmıştır. Analizler sonucunda moment-dönme eğrileri elde edilmiştir. Elde edilen moment dönme eğrileri, birleşimin dönme ve moment kapasitesini içermektedir. Elde edilen moment-dönme bağıntılarına göre, TBDY 2018 ve Çelik Yapıların Tasarım Hesap ve Yapımına Dair Esaslar (ÇYTHYE) Yönetmeliği 2018'e uygun olarak tasarlanan birleşimlerin, AISC 341-16'da öngörülen koşulları sağladığı görülmüştür. Bu durumda, TBDY 2018 Tablo 9B.1'de verilen kiriş enkesit yüksekliği sınırlarının uygulanabilir olduğu, alın levhası genişliği sınırlarının da genişletilerek güncellenebileceği belirtilebilir.