Behavior of cold formed, thin-walled, rack type frames and their use in building structures

Abstract

Bu tez paletli depo raf sistemlerinin koridor doğrultusunda sergiledikleri deprem davranışına odaklanmaktadır. Deneysel çalışmalar ile de gösterildiği üzere, depo raf sistemlerinin koridor doğrultusundaki deprem davranışını, kolon-kiriş birleşimlerinin lineer olmayan davranışı önemli ölçüde etkilemektedir. Söz konusu birleşimler koridor doğrultusunda yatay deprem yüklerini moment aktaracak şekilde tasarlanan özel birleşimler ile karşılarlar. Bu birleşimler genellikle cıvatasız kancalı tip birleşimlerdir ve kuvvetli deprem etkileri altında çerçevelerin yatayda büyük yer değiştirmelerine sonuç verecek şekilde önemli düzeyde dönme davranışı sergilerler. Bu tez çalışmasında, tipik kancalı kolon-kiriş birleşimlerinin tersinir çevrimsel moment-dönme ilişkilerini ortaya çıkarmak üzere bir deneysel çalışma gerçekleştirilmiştir. İlave olarak, aynı yükleme koşulları altında içinde kancalar ile birlikte civataların da kullanıldığı karma tip birleşimler de deneysel olarak çalışılmıştır. Kancalı depo raf kolon-kiriş birleşimlerine bu şekilde cıvata ilave edilmesinin birleşimin yapısal açıdan güçlendirilmesi ile ilgili pratik bir yöntem olduğu düşünülebilir. Deneyler ile ortaya çıkarılan birleşim davranış özellikleri çevrimsel yükleme protokolü içinde maksimum moment ve dönme kapasiteleri açısından karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar daha sonra ele alınan birleşim tiplerini içeren depo raf çerçevelerinin deprem performans değerlendirilmesinde kullanılmıştır. Söz konusu değerlendirme çerçevelerin koridor doğrultusunda deprem davranışını tespit etmek üzere kullanılan yer değiştirme tabanlı bir basit analitik yöntemin kullanılmasını kapsamaktadır. Değerlendirme çalışması sonucunda elde edilen sonuçlar incelendiğinde önerilen güçlendirme yönteminin depo raf sistemlerinde kullanılan kancalı birleşimlerin ve dolayısıyla çerçevelerin deprem performansını artırdığına yönelik etkili bir yöntem olduğu tespit edilmiştir. ANSYS sonlu eleman yazılımı kullanılarak kancalı ve cıvatalı birleşimlerin deprem davranışının benzetimi amacıyla bir kabuk sonlu eleman modeli geliştirilmiştir. ANSYS modelleri kullanılarak elde edilen sonuçlar deney sonuçları ile karşılaştırıldıklarında elastik bölge rijitliği ile ulaşılan maksimum moment değerleri açısından oldukça yakın sonuçlar elde edildiği görülmüştür. SAP2000 yazılımı kullanılarak farklı birleşim tiplerini içeren çerçeve modelleri için lineer olmayan statik itme analizleri gerçekleştirilmiştir. İtme eğrileri önerilen kancalı-civatalı karma birleşim tipinin raf sistemi deprem performansını önemli ölçüde artırdığını göstermektedir. İlave olarak, sonuçlar kullanılarak depo raf sistemleri için performans seviyeleri belirtilmiştir. Önerilen birleşimlerin kullanıldığı çerçeveler için elde edilen olumlu deprem performans sonuçlarından yola çıkılarak söz konusu birleşimlerin konut tipi yapılarda kullanılması ile ilgili ilave bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma kapsamında 82.8 m2 lik taban oturma alanına sahip 5 katlı konut tipi üç boyutlu yapı modelleri SAP2000 ve ETABS programları kullanılarak incelenmiştir. Modellerde, yukarıda bahsedilen deneysel çalışmada kullanılan çelik depo raf elemanları/kesitleri esas alınmıştır ve 5 kata kadar güvenli sonuçlar elde edilebileceği gösterilmiştir. Bunun dışında, ilk iki katta kullanılan ince cidarlı kolon kesitlerini bir adet levha ile kapatarak ve içine beton dökerek yapılabilecek küçük değişikliklerle kat sayısının 8 kata kadar artırılabileceği sonucu elde edilmiştir.

This thesis focuses on the seismic performance of pallet-type steel storage rack structures in their down aisle direction. As evidenced by experimental research, the seismic response of storage racks in the down-aisle direction is strongly affected by the nonlinear moment-rotation response of the beam-to-column connections. In their down-aisle direction, rack structures are designed to resist lateral seismic loads with typical moment frames utilizing proprietary beam-to-column moment- resisting connections. These connections are mostly boltless hooked type connections and they exhibit significantly large rotations resulting in large lateral frame displacements when subjected to strong ground motions. In this thesis, typical hooked boltless beam-to-column connections are studied experimentally to obtain their non-linear reversed cyclic moment-rotation response. Additionally, a compound type connection involving the standard hooks and additional bolts were also tested under similar conditions. The simple introduction of the additional bolts within the hooked connection is considered to be a practical way of structural upgrade in the connection. The experimentally evaluated characteristics of the connections are compared in terms of the most important performance indicator which is the maximum moment and rotation capacity within the cyclic loading protocol. The obtained characteristics were used to carry out seismic performance assessment of rack frames incorporating the tested beam-to-column connections. The assessment involves a displacement based approach that utilizes a simple analytical model that captures the seismic behavior of racks in their down-aisle direction. The results of the study indicate that the proposed method of upgrading appears to be a very practical and effective way of increasing the seismic performance of hooked connections and hence the rack frames in their down-aisle direction. A finite element shell model that simulates the experimental behavior of both the hooked and the pinned connection was developed using ANSYS finite element software. The results from the ANSYS models were very promising with very low error percentage of the peak moment rotation results, and with an initial stiffness that is almost identical to the experimental results. Non-linear static pushover analysis was carried out using SAP2000 software in order to analyze the difference of the behavior of the frames using the different beam-to-column connections. The pushover curves obtained showed how the newly proposed bolted connections enhance the seismic performance of the rack system significantly. Additionally, performance levels for the rack structures were stated based on the experimental results and observations. Finally, the great enhancement in the seismic behavior of the rack beam-to-column connection was a motivation to try to develop a new design for residential buildings using these connections. SAP2000 and ETABS software were used to carry out both of linear and non-linear analysis on a residential building with 82.8 m2 ground area in order to reach the maximum number of stories using the rack members. It was obtained that a 5 story residential building can be constructed totally using the rack members that were tested in the experimental study. Additionally, with small modifications such as pouring concrete and adding one more plate to close the column cross-section in the first two stories, the number of stories could be increased up to 8 stories.