Kiriş enkesiti yüksekliğinde alın levhalı kiriş-kolon birleşimlerinin çevrimsel yükleme altında doğrusal olmayan davranışının incelenmesi

Abstract

Sünek çelik yapıların tasarımında, yapının yeterli dayanıma ve rijitliğe sahip olmasının yanı sıra uygulanan yükler altında yüksek miktarda sismik enerji sönümleyebilme yetisi büyük önem taşımaktadır. Bu doğrultuda, plastik şekil değiştirme gösteren ve kapasitesine ulaşmadan önce sünek davranış sergileyebilen birleşim detaylarının tasarlanması, yapının genel sismik performansını önemli ölçüde arttırabilmektedir. Literatürde bu özelliklere sahip birleşimler "enerji sönümleyici birleşimler" (dissipative connections) olarak adlandırılmaktadır. Genellikle yalnızca düşey yükleri taşımak üzere tasarlanan düşey yük taşıyıcı çerçevelerde yer alan birleşim detaylarının da, bu tür enerji sönümleyici mekanizmalara sahip olacak şekilde tasarlanması durumunda, yapının sismik dayanımına önemli ölçüde katkı sağlaması mümkündür. Bunun sonucunda yapının deprem sırasında daha fazla enerji sönümlemesi, dolayısıyla ani göçme riskinin azaltılması sağlanabilir. Bu yaklaşım, geleneksel olarak sadece yatay yük taşıyan taşıyıcı çerçevelere odaklanan sismik tasarım anlayışının ötesine geçerek, düşey yük sistemlerini de aktif enerji sönümleme elemanları olarak değerlendirmeyi mümkün kılmaktadır. Çelik yapıların düşey yük taşıyıcı çerçevelerinde yaygın olarak kullanılan kiriş-kolon birleşim türlerinden biri alın levhalı birleşimlerdir. Tasarım ve işçilik aşamalarında kolaylık sağlaması sayesinde yaygın olarak kullanılan bu birleşimler, yapısal tasarım gerekliliğine göre tam dayanımlı, kısmi dayanımlı veya mafsallı birleşim olarak kullanılabilmektedir. Ülkemizde Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (2018) kapsamında önyeterliliği gösterilen tam dayanımlı kiriş-kolon birleşimlerine yer verilmiştir. Bu çalışmada incelenen kiriş enkesiti yüksekliğinde alın levhalı kiriş-kolon birleşimleri çelik çerçevelerin düşey yük, rüzgar yükü ve küçük sismik yükler taşıması amacıyla tasarlanan kiriş-kolon birleşimlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışma kapsamında 2-bulonlu ve 4-bulonlu kiriş enkesiti yüksekliğinde alın levhalı iki kiriş-kolon birleşiminin tasarımı gerçekleştirilmiştir. Aynı kiriş ve kolon enkesitleri kullanılarak oluşturulan bu birleşimlerde bulon çapı ve bulon sayısı değişkenlik göstermektedir. Birleşimlerde alın levhasının diğer birleşim elemanlarından önce plastikleşerek dayanımda belirleyici olması ve enerji sönümünün levha üzerinden gerçekleşmesi hedeflenmiştir. Bu sebeple ince levha-büyük çaplı bulon tasarım yaklaşımı benimsenmiştir. Birleşimlerin tasarım ve sınıflandırılmasında Amerikan şartnamelerinden ve Avrupa standartlarından yararlanılmıştır. Bu birleşimler Eurocode standardına göre kismi dayanımlı ve yarı-rijit olacak şekilde sınıflandırılmaktadır. Tasarlanan birleşimlerin doğrusal olmayan yüklemeler altında davranışını incelemek amacıyla ABAQUS programı kullanılarak sonlu eleman modelleri oluşturulmuştur. Oluşturulan sonlu eleman modellerinin kurulmasında kullanılan modelleme yöntemini doğrulamak adına, 2-bulonlu benzer bir birleşim üzerine gerçekleştirilen deneysel bir çalışma referans alınmıştır. Çalışmada kullanılan birleşimin geometrisi, malzeme özellikleri ve yükleme biçimi aynı olacak şekilde sonlu eleman modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan modelin çevrimsel yükleme altında analizleri sonucu elde edilen moment-dönme ilişkisi deney sonuçları ile karşılaştırıldığında sonlu eleman modelinin numune davranışını iyi seviyede yansıttığı gözlemlenerek modelleme tekniği doğrulanmıştır. Sonrasında, bu çalışma kapsamında tasarlanan birleşimlerin sonlu eleman modellerinin AISC 358-16 kapsamında belirlelen çevrimsel yükleme protokolü altında analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizler sonucu elde edilen moment-dönme ilişkilerinin tasarım aşamasında hedeflenen eğilme dayanımı ve dönme kapasitesine ulaştığı gözlemlenmiştir. 4-bulonlu birleşimde kiriş başlığına yakın sırada bulunan bulonların diğer bulonlara kıyasla birleşim dayanımı ve rijitliğine düşük seviyede katkı sağladığı görülmüştür. Güncel standartlar kapsamında açıklanan mekanik birleşim modelleri kullanılarak tüm birleşimlerin başlangıç rijitliği ve eğilme kapasitesi hesaplanmıştır. Bu sayede elde edilen sonlu eleman analizi sonuçlarının desteklenmesi ve mekanik modellerin incelenmesi amaçlanmıştır. AISC 341-16 standardında açıklanan akma çizgileri yöntemi ve Eurocode EN 1993-1-8 (2005) standardı kapsamında açıklanan bileşen yöntemi kullanılarak birleşimlerin eğilme dayanımları hesaplanmıştır. Elde edilen eğilme dayanımları sonlu eleman analiz sonuçları ile kıyaslanmıştır. Bileşen yöntemi ile hesaplanan değerlerin sonlu eleman analizi sonuçlarına yakın sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Bileşen yöntemi ile birleşimlerin başlangıç rijitliği hesaplandığında ise bileşen yönteminin tüm birleşimler için %5 ila %12 oranında büyük değerler verdiği görülmüştür. Çalışmanın ikinci aşamasında birleşimlerin sismik yükler altında yapı sistemi davranışına etkisinin incelenmesi hedeflenmiştir. Bu çalışmada ele alınan iki tip alın levhalı birleşimin sonlu eleman analizi sonucu elde edilen moment-dönme davranışı, taşıyıcı sistemi moment aktaran çerçevelerden oluşan ve TBDY (2018) esaslarına uygun olarak tasarlanan dört katlı bir çelik yapının yalnızca düşey yük taşıması planlanan kiriş-kolon birleşimlerine uygulanmıştır. Çelik yapıların deprem yükleri altında doğrusal olmayan davranışının yeterli hassasiyette incelenebilmesi için doğrusal olmayan analizlerinin gerçekleştirilmesi büyük önem taşımaktadır. Bu amaçla OpenSees programı kullanılarak doğrusal olmayan statik itme analizleri, sonrasında TBDY (2018) uyarınca seçilen ve ölçeklendirilen deprem kayıtları ile zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizler gerçekleştirilmiştir. Analizler sonucunda yapının göçme noktasına kadar davranışı ve göçme performansı incelenmiştir. Tüm modellerin dinamik analizinde %2 Rayleigh sönüm oranı esas alınmıştır. Modellerde kompozit döşeme etkisi ihmal edilmiştir. Eşdeğer düşey yük taşıyıcı çerçeve ve moment aktaran çerçeve arasında bağlantılar rijit elemanlar ile oluşturulmuştur. Zayıflatılmış kiriş enkesitinde oluşacak plastik mafsalların moment-dönme ilişkisi güncel IMK modeli ile temsil edilmiştir. Düşey yük taşıyıcı çerçevelerde, kiriş enkesiti yüksekliğinde alın levhalı kiriş-kolon birleşimlerinin davranışı, kolon yüzünde yer alan yay elemanları aracılığı ile, histeretik moment-dönme davranış modelleri kullanılarak tanımlanmıştır. Doğrusal olmayan statik itme analizleri sonucunda, Model GF1 ve GF2 çerçevelerinin ulaştığı maksimum taban kesme kuvvetlerinin, Model BF'ye kıyasla sırasıyla %20 ve %25 oranında daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Bu durum, kiriş enkesiti yüksekliğinde kiriş-kolon birleşimlerinden oluşan çerçevelerin yatay yük taşıma kapasitesine büyük katkı sağladığını göstermektedir. Ayrıca, maksimum taban kesme kuvvetinin tasarım taban kesme kuvvetine oranı olarak tanımlanan dayanım fazlalığı katsayısı (D), yönetmelikte öngörülen değerlerin yaklaşık iki katı olarak hesaplanmıştır. Doğrusal olmayan dinamik analizler, artımsal dinamik analiz yönteminden faydalanılarak gerçekleştirilmiştir. Artımsal dinamik analiz eğrileri kullanılarak, FEMA-P695 standardına uygun olacak biçimde kırılganlık eğrileri elde edilmiştir. Analizler sonucunda, düşey yük taşıyıcı çerçevelerde kiriş enkesiti yüksekliğinde alın levhalı birleşimlerin kullanıldığı modellerin, düşey yük çerçevelerinin göz önüne alınmadığı yapıya kıyasla akmadan sonra daha yüksek rijitlik ve dayanım sergilediği, bunun sonucunda göçmenin önemli ölçüde ertelendiği gözlemlenmiştir.