Moment aktaran I-Enkesitli kiriş – zayıf eksen H-Enkesitli kolon birleşimlerinin tekrarlı yükler altında doğrusal olmayan davranışı

Abstract

Çalışma kapsamında, bulonlu başlık levhalı, tam dayanımlı bulonlu alın levhalı, tam penetrasyonlu küt kaynaklı, kaynaklı azaltılmış I-enkesitli, bulonlu T-parçalı birleşim ve kaynaklı T-parçalı birleşim olmak üzere 6 (altı) adet moment aktaran I-enkesitli kiriş-H-enkesitli zayıf eksen kolon birleşim tipi geliştirilmiştir. Geliştirilen birleşimlerin tasarım esasları AISC 358-22 şartnamesi ve TBDY 2018 yönetmeliğinde ön yeterliliği deneysel olarak gösterilen mevcut birleşim tiplerinden ve literatürdeki benzer birleşim türleri ile ilgili yapılan deneysel ve nümerik çalışmaların sonuçlarından yararlanılarak oluşturulmuştur. Birleşimlerin tasarım esasları belirlenirken, süneklik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçevelerin kiriş-kolon birleşimleri için TBDY 2018'de belirtilen koşullar dikkate alınmıştır. Birleşimler, belirlenen tasarım esasları izlenerek boyutlandırılmıştır. Birleşimlerde kirişlerin kolonlara bağlantısı, kolon gövdesine ve başlıklarının iç kısmına kaynaklanan bağlantı levhaları ve birleşim tipine göre, gerekli olan diğer elemanlar (alın levhası, T-parçalar, rijitleştirici levhalar, başlık levhaları, kayma levhası gibi) vasıtasıyla yapılmaktadır. Bağlantı levhaları, plastik deformasyonların bu elemanlarda oluşmasını engelleyecek şekilde tasarlanmıştır. Böylece, plastik deformasyonların çok büyük ölçüde her bir birleşim tipine göre kirişlerin belirlenen bölgelerinde oluşması sağlanmaktadır. Geliştirilen birleşimlerin çevrimsel yükler altında doğrusal olmayan davranışları; moment-dönme ilişkisi, rijitlik değişimi, enerji sönümleme kapasitesi ve göçme durumları ABAQUS sonlu eleman programı kullanılarak incelenecektir. Öngörülen tasarım esaslarının uygunluğunun bilimsel olarak değerlendirilebilmesi için en uygun modelleme esaslarının belirlenmesi ve uygulanması gerekmektedir. Bu nedenle, sonlu eleman modellerinde kullanılacak; eleman ve malzeme modelleri, katı eleman tipleri, yüzey etkileşimleri ve hasar tanımları gibi modelleme esaslarının doğruluğunun gösterilmesi büyük önem taşımaktadır. Bu amaçla, tez kapsamında geliştirilen kiriş-kolon birleşimlerine benzer birleşimlerin deney sonuçları esas alınarak birleşim tipleri için doğrulama çalışması yapılmıştır. Bu tez kapsamında 4 (dört) farklı birleşim tipi için doğrulama çalışması yapılmıştır. Literatürde yer alan ve tekrarlı yükler altında deneysel analizleri yapılan; T-parçalı, bulonlu başlık levhalı, tam dayanımlı bulonlu alın levhalı ve azaltılmış kiriş enkesitli kiriş-kolon birleşimlerine ait sonuçlardan yararlanılmıştır. Tam penetrasyonlu küt kaynaklı I-enkesitli kiriş ile zayıf eksen yönündeki H-enkesitli kolon birleşiminin bağlantı detayları, azaltılmış I-enkesitli kiriş ile zayıf eksen kolon birleşimi detaylarıyla büyük ölçüde benzerlik göstermektedir. Bu nedenle, azaltılmış kesitli birleşim için yapılan doğrulama çalışması, aynı bağlantı prensiplerine sahip olan bu birleşim tipi için de geçerli kabul edilebilir. Aynı şekilde T-parçalı kaynaklı birleşim için de T-parçalı bulonlu birleşimin doğrulanması yeterli olacaktır. Birleşimlerin doğrulama modelleri, eğilme analizlerinde çok iyi sonuçlar verdiği literatürde de gösterilmiş olan C3D8R doğrusal sekiz düğüm noktalı tek integrasyon noktasına sahip hegzagonal katı elemanlar kullanılarak oluşturulmuştur. Modellerde birbirleriyle temasta olan elemanlar için yüzeyler arası (yüzey – yüzey) temas modeli esas alınmıştır. Elemanların yüzeylerinin birbirleriyle olan etkileşimleri için bileşen özellikleri, normal ve teğetsel bileşen olarak tanımlanmıştır. Kaynaklı olarak birleşen eleman yüzeyleri arasındaki bağlantı, "tie constraint" etkileşim modeli kullanılarak iki yüzeyin aynı serbestlik derecesine sahip olması sağlanmıştır. Çevrimsel yükleme altındaki malzeme davranışını temsil edebilmek için malzemelerin elastik sınırlarının ötesinde sergilediği doğrusal olmayan gerilme–şekil değiştirme davranışlarını tanımlamak amacıyla geliştirilen Ramberg–Osgood denkleminin akma gerilmesini doğrudan denkleme dahil edildiği versiyonu kullanılmıştır. Çelik malzemesinin tekrarlı yükler altında pekleşme modeli olarak, kinematik ve izotropik pekleşmenin birlikte dikkate alındığı, Bauschinger etkisini temsil edebilen ve yük yönünün etkisini göz önünde bulunduran birleşik pekleşme modeli kullanılmıştır. Birleşik pekleşme modelinin kinematik pekleşme bileşeni "half cycle" tanımı ile, izotropik pekleşme bileşeni ise "cyclic hardening" tanımı ile yapılmıştır. Sonlu eleman modelindeki hasar oluşması durumu, sünek hasar tanımı (ductile damage) kullanılarak değerlendirilmiştir. Referans alınan çalışmalarda, kullanılan elemanlara ait malzemelerinin çevrimsel yükler altında mekanik özelliklerinin belirlenmesi için çekme-basınç testi yapılmadığından literatürde yer alan benzer yapı çeliği malzemelerinin kullanıldığı bir deneysel çalışmada elde edilen sonuçlardan yararlanılarak malzeme modelleri ve sünek hasar tanımı parametreleri belirlenmiştir. Birleşim modelleri, çalışmalarda belirtilen çevrimsel yük protokolü uygulanarak analiz edilmiştir. Sonlu eleman analizi ve deney sonucunda elde edilen çevrimsel eğriler karşılaştırıldığında sonuçların yeterince benzer olduğu ve yeterli uyumun sağlandığı gösterilmiştir. Elde edilen sonuçlar, modellemede kullanılan yöntem ve prensiplerin uygunluğunu ortaya koymaktadır. Bu doğrultuda, izlenen modelleme yaklaşımı ve uygulanan tanımların benzer birleşimlerde de kullanılabileceği değerlendirilmiştir. Bu çalışmada, I-enkesitli kirişin H-enkesitli kolonun zayıf eksenine dik doğrultuda bağlandığı birleşim modelleri, doğruluğu gösterilen yöntem ve esaslara dayandırılarak oluşturulacaktır. Ayrıca, hasarın gözlenip rapor edildiği deneysel çalışmalarda, hasarın oluşum şekli ve meydana geldiği bölge ile nümerik analiz sonuçları karşılaştırıldığında, aralarında yüksek düzeyde benzerlik olduğu tespit edilmiştir. Bu sonuç, doğrulama modellerinde kullanılan hasar modeli tanımları ve parametrelerinin, tez kapsamında geliştirilen birleşim modellerinin analizlerinde de kullanılmasının uygun olduğunu göstermektedir. Doğrulama işleminin ardından, tasarımı yapılan her bir birleşimin sonlu eleman modeli, doğrulama çalışması sonucunda uygunluğu gösterilmiş, eleman ve malzeme modelleri, pekleşme özellikleri, yüzey etkileşimi modeli, katı eleman tipleri ve olası hasar durumu gibi önemli modelleme parametrelerinin uygulanmasıyla oluşturulmuştur. Çalışma kapsamında, kullanılacak olan elemanlara ait çelik malzemelerin mekanik özelliklerini belirlemek amacıyla tek eksenli çekme testi ile tekrarlı yükler altındaki davranışın karakterize edilmesine yönelik çekme-basınç testleri gerçekleştirilmediğinden, literatürde bulunan bir deneysel çalışma kapsamında yapılan testlerin sonuçları ile kalibre edilen parametrelerden yararlanılmıştır. Modellerde kolon yüksekliği, ardışık iki katın orta noktaları arasında kalan yükseklik olarak, kiriş uzunluğu ise açıklık ortasına kadar olan uzunluk olarak alınmıştır. Plastik deformasyonların yoğunlaşmasının beklendiği, çatlak oluşumunun meydana gelebileceği potansiyel bölgelerde davranışı doğru temsil edebilmek için bu bölgelerde daha sık sonlu eleman ağı kullanılmaya özen gösterilmiştir. Analizler, ABAQUS yazılımında yer alan "Dynamic, Implicit" analiz türü ve ABAQUS/Standard çözücüsü kullanılarak, zaman tanım alanında (direct integration) dinamik olarak gerçekleştirilmiştir. Bu analiz, yüklemenin göreli olarak yavaş ilerlediği ve atalet etkilerinin sınırlı kaldığı durumları temsil eden "quasi-static" (yarı-statik) yaklaşım çerçevesinde uygulanmıştır. Çözüm sürecinde, doğrusal olmayan denklem sistemlerini çözmek amacıyla "Full Newton-Raphson" yöntemi tercih edilmiştir. Analizler, AISC 341-22 şartnamesinde tanımlanan yükleme protokolüne uygun şekilde, tekrarlı yüklerin kiriş ucundaki enkesitin tamamına yer değiştirme kontrollü olarak uygulanması yoluyla gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar incelendiğinde, plastik deformasyonların kirişte oluşan plastik mafsal bölgesinde yoğunlaştığı, birleşimlerin diğer kısımlarında ise oldukça sınırlı düzeyde plastik deformasyonların oluştuğunu gözlemlenmiştir. Analiz sonucunda, tekrarlı yükler altında birleşimlerin davranışını daha kapsamlı bir şekilde değerlendirebilmek için, eğilme momenti – göreli kat ötelemesi açısı çevrimsel eğrileri oluşturulmuştur. Çevrimsel eğriler değerlendirildiğinde, modellenen tüm birleşimlerin, AISC 341-22 Bölüm E3-6b(a) ve TBDY 2018 Madde 9.3.4.1(a)'da belirtilen, 0.04 rad göreli kat öteleme açısında, kolon başlıklarının ucunda oluşan eğilme momenti dayanımının, kirişin plastik eğilme momenti kapasitesinin %80'inden (0.80Mp) daha az olmadığı görülmüştür. Bazı birleşimlerin analizleri sırasında, %5 ve %6 göreli kat ötelemeleri açısına karşı gelen yer değiştirme düzeylerinde, plastik deformasyonların hasar tanımı için yapılan değere ulaşıp toplam hasar değişkeninin 1 (bir) değerine eşit olmasıyla, en yüksek plastik deformasyonların oluştuğu bölgede sonlu elemanların silinmeye başladığı gözlemlenmiştir. Bu durum, o bölgelerde çatlak oluşumunun meydana gelmeye başladığını göstermektedir. Birleşimlerin sonlu eleman modellerinde plastik mafsal dışındaki bölgelerde hasar tanımı yapılmadığından, bu bölgelerdeki çatlak oluşma olasılığı, kopma indisi (Rupture Index, RI) katsayısından ve eşdeğer plastik şekil değiştirme indisleri (PEEQ Index, PEEQI) kullanılarak değerlendirilmiştir. Bağlantı levhalarındaki plastik şekil değiştirme değerlerinin plastik mafsalda elde edilen değerlerle karşılaştırıldığında, mertebe olarak çok küçük olduğu bu nedenle bu bölgelerde çatlak oluşma riskinin çok düşük olduğu değerlendirilmiştir. Çalışmanın kapsamını genişletmek için, en etkili I-enkesitli kiriş zayıf eksen H-enkesitli kiriş-kolon birleşim tipini belirlemeye yönelik bir çalışma da gerçekleştirilmiştir. Referans olarak belirlenen birleşimin davranışı genel olarak değerlendirildikten sonra, kiriş-kolon bağlantı geometrisinin ve azaltılmış kiriş bölgesinin konumunun birleşim davranışı üzerindeki etkisi de ek olarak geliştirilen 4 (dört) birleşim ile incelenmiştir. Ayrıca, kolonların başlıkları arasına kaynaklanan, kiriş başlıkları ve gövdesi hizasındaki bağlantı levhalarının kalınlıklarının plastik şekil değiştirmelerin yayılımına etkisi araştırılmıştır. Tüm I-enkesitli azaltılmış kiriş-zayıf eksen H-kolon birleşimleri, AISC 341-22 şartnamesinde süneklik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçevelerin birleşimleri için belirtilen şartları sağlamıştır. Bununla birlikte, kiriş başlıkları hizasındaki bağlantı levhalarının kolon başlıklarının ucundan dışarıya doğru eğrisel olarak azalan bir formda uzatılmasının, gerilme yığılmalarını azalttığı gözlenmiştir. Ayrıca, bağlantı levhalarının kalınlıklarının kiriş başlıkları ve gövdesinin kalınlıklarıyla uyumlu hale getirilmesinin, iki bölge arasındaki çatlak oluşma riskini önemli ölçüde azalttığı görülmüştür.