Dışmerkez çaprazlı çelik çerçevelerin bağ kirişlerinin doğrusal olmayan modellenmesi

Abstract

Günümüzde yaygınlaşmaya başlayan çelik çerçeve sistemlerden bir tanesi dışmerkez çaprazlı çelik çerçevelerdir. Dışmerkez çaprazlı çerçevelerin en önemli elemanları bağ kirişleridir. Deprem yükleri altında bağ kirişlerinin sünek davranış göstererek enerji tüketmesi ve bağ kirişi dışında kalan taşıyıcı elemanlarda elastik ötesi herhangi bir davranış oluşmaması hedeflenir. Dışmerkez çaprazlı çerçevelerin doğrusal olmayan davranışının incelenmesi bağ kirişlerinin doğrusal olmayan davranışının incelenmesinden geçmektedir. Bundan dolayı bağ kirişlerinin doğrusal olmayan analizler için nasıl modellenmesi gerektiği önemli bir konudur. Yüksek lisans tezi olarak yapılan bu çalışmada Türkiye' de bulunan, TBDY-2018 ve ÇYTHYE-2018 yönetmeliklerine göre tasarımı yapılan dışmerkez çaprazlı çelik çerçeveli kısa bağ kirişlerine sahip 8 katlı bir ofis ofis binasının ölçeklenmiş deprem kayıtları ile zaman tanım alanında doğrusal olmayan davranışları dört farklı yığılı plastisite modeli üzerinden karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Çelik bağ kirişlerinin modellenmesinde yığılı plastisite yöntemi sıklıkla kullanılmaktadır. Yığılı plastisite modeli olarak rijit-plastik mafsal ve doğrusal olmayan yay elemanları bu çalışmanın kapsamı olarak belirlenmiştir. İlk aşamada kısa bağ kirişlerin eğilme ve kesme davranışları incelenmiş ve kullanılması öngörülen yığılı plastisite yöntemi ile hazırlanmış doğrusal olmayan modellerin kendi içlerinde doğrulaması konsol kirişler üzerinden itme analizleri ve zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizlerle yapılmıştır. Yığılı plastisite modellerinden Model-1 bağ kirişi ortasında kesme rijit plastik mafsalı bulunan modeldir. Model-2 bağ kirişinin ortasında doğrusal olmayan kesme yayı bulunan modeldir. Model-3 bağ kirişinin uçlarında kesme kuvvetine karşılık gelen doğrusal olmayan moment rijit plastik mafsalları bulunan modeldir. Model-4 bağ kirişinin uçlarında kesme kuvvetine karşılık gelen doğrusal olmayan moment yayları bulunan modeldir. 8 katlı yapı tek tip bağ kirişine sahiptir. Bu kesit için yığılı plastisite modellerinde kullanılacak rijitlikler hesaplanmıştır.İkinci aşamada tasarlanan 8 katlı dışmerkez çaprazlı tek tip bağ kirişine sahip binanın bağ kirişlerine doğrusal olmayan bağ kirişi modelleri dört farklı üç boyutlu bina modeli üzerinde adapte edilip zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizler için hazır hale getirilmiştir. Tarihsel depremlerden 7 adet deprem kaydı seçilip, seçilen ivme kayıtları binanın lokasyonuna göre en büyük deprem seviyesi olarak adlandırılan depremsellik seviyesine ölçeklenmiş ve üç boyutlu bina modeli SAP2000 analiz programı ile her iki ana doğrultu için analizlere tabi tutulmuştur. Analiz sonuçları dört farklı bina modeli ve yedi adet deprem kaydı için incelenmiş ve genel davranışı yansıtan ivme kayıtlardan bir tanesi seçilerek yapı taban kesme kuvveti- zaman grafikleri, yapı tepe deplasmanı- zaman grafikleri, seçilen bağ kirişi elemanları için kesme kuvveti- zaman grafikleri, kolon ve düşey çapraz elemanları için eksenel kuvvet- zaman grafikleri ve bağ kirişi kesme kuvveti- plastik dönme çevrimsel davranışları gibi temel eleman tepkileri her iki ana doğrultu için karşılaştırılmıştır. Analiz sonuçları, tüm modellerin genel olarak benzer sonuçlar verdiğini göstermekle beraber bazı deprem kayıtları altında özellikle kalıcı plastik şekil değiştirmeleraçısından farklılıklar gözlemlenmiştir. Bu farklılıklar tartışılarak bağ kirişlerinin doğrusal olmayan modellemesine ilişkin bazı önerilerde bulunulmuştur.

One of the steel frame systems that has become widespread are the eccentrically braced steel frames in recent years. The most important elements of the eccentrically braced frames are the link beams. It is aimed that the link beams under earthquake loads dissipate energy by showing ductile behavior and do not occure any behavior beyond elastic in the primary structural elements other than the link beams. The study of the nonlinear behavior of eccentrically braced frames is through the study of the nonlinear behavior of link beams. Therefore, how link beams shall be modeled for nonlinear analysis is an important issue. In this study made as a master thesis, 8-story steel eccentrically braced framed with short link beams office building located in Turkey designed according to regulations of TBDY-2018 and CYTHYE-2018. Four different 3D models were obtained by defining nonlinear lumped plasticity elements at building's link beams and nonlinear time history analyzes with scaled ground acceleration records to local site conditions have been conducted on 3D models and four different lumped plasticity model for short link beams were investigated comparatively. The method of lumped plasticity is often used in nonlinear modeling steel link beams. Rigid plastic hinge and nonlinear spring elements as lumped plasticity models were determined as the scope of this study. In the first phase, bending and shear behavior of the short link beams were examined and the nonlinear models prepared with the method of lumped plasticity, which was supposed to be used on nonlinear time history analiysis, were validated within themselves by pushover analysis and nonlinear time history analysis over the cantilever beams. There are four lumped plasticity short link beam model. The Model-1 link beam is the model with a shear rigid plastic hinge in the middle of link beam. The Model-2 is the model with a nonlinear shear spring in the middle of the link beam. Model-3 is the model with nonlinear moment rigid plastic hinges corresponding to the shear force at the ends of the link beam. Model-4 is the model with nonlinear moment springs corresponding to the shear force at the ends of the link beam. The 8-story structure has a uniform section link beam in all stories. Rigidity to be used in lumped plasticity models was calculated for this section according to steel quality and link beam length. In the second phase, designed 8 storey building with mono type link beam section 3D models are adapted to nonlinear lumped plasticity models making with link beams converting into the lumped plasticity link beam and models are ready for analyzes. For nonlinear time history analyzes seven historical earthquake acceleration record is selected and scaled according to the location of the building and the level of seismicity called the maximum considered earthquake level. Prepared four models were analyzed using SAP2000 software in main two direction of building. The results of the analysis for the four building model has been investigated for seven different earthquake acceleration record. Then by selecting reflects the general behavior of the structure one of the earthquake record results, graphical comparison of the basic structural responses such as base shear and top displacement, and basic element responses such as moment, shear, plastic rotation and shear displacements are provided for four structures. Analysis results show that although all models show similar performance, differences in the residual deformations are observed for some earthquakes. Discussion on these differences is provided, and suggestions on nonlinear modelling and analysis of link beams are provided.