çelik kolon kiriş birleşimlerinin sismik tasarımı-çelik sınıfları

7/31/2019 çelik kolon kiriş birleşimlerinin sismik tasarımı-çelik sınıfları

http://slidepdf.com/reader/full/celik-kolon-kiris-birlesimlerinin-sismik-tasarimi-celik-siniflari 1/8

TMH

TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI 435 - 2005/1 69

Northridge Depreminin Sonuçları

Dökme çeliğin yapı malzemesi olarak kullanılmayabaşlaması 19. yüzyıla denk gelse de günümüzmodern çelik yapı endüstrisinin miladı, 20. yüzyılsonlarında meydana gelen Northridge depremidir.Bu depremden sonra ortaya çıkan tablo mühendis-lik açısından öyle acıklıydı ki, o ana kadar mühen-dislerin, sünekliğine kayıtsız şartsız güvendiği çelikyapı malzemesinin, uygun şekilde detaylandırılma-dığı ve boyutlandırılmadığı durumlarda kolaylıklagevrek göçmeye uğrayabildiği fark edildi.

Hasar oluşan binaların kat yükseklikleri 1 ile 26arasında; yaşları ise, 30 ile deprem anında inşasıdevam eden binalara kadar değişkenlik göster-mekteydi [1]. Hasar gören binalar büyük bir coğrafi

bölgeye yayılmıştı. Yer hareketinin şiddetli olduğubölgelerde fazla bina olmamasına rağmen bubinalardaki hasarlar çok yoğundu. Bu hasarlarıntespitiyle beraber, başka bölgelerdeki binalarda,daha önceki depremlerde meydana gelmiş fakatfarkedilmemiş çatlakların olabileceğinden şüphele-nildi ve daha sonraki çalışmalar bu şüpheleri haklıçıkardı.

Northridge depreminde hasar gören çelik momentçerçeve binalarının çoğu, yapı standartlarınınöngördüğü temel koşulları sağlamıştır. Yani, sınırlıyapısal hasara rağmen tümden yıkılma görül-memiştir [1]. Buna rağmen, binaların davranışı,

mühendislerin öngördüğü karakterde olmamıştırve bazı bölgelerde görülen yer sarsıntıları, standart-ların öngördüğü seviyeden az olmasına rağmen,oldukça fazla ekonomik kayıp görülmüştür. Butespitler yapıldıktan sonra, ulaşılan sonuçlardan veyapı mühendisliğine getirdiği yeni anlayıştan dolayı17 Ocak 1994’ü belki de, Northridge’den Önce veNorthridgeden Sonra diye adlandırmamıza yolaça-cak standartlar geliştirildi.

Mühendisler, Amerika Birleşik Devletleri’nde yapı-lan çalışmalardan ve deneylerden sonra, sünek

davranış göstereceği baştan garanti edilen birle-şim tipleri önermiştir. Bu araştırmalar FEMA rapor-larında yer almış ve tüm dünya mühendislerinin

kullanımına sunulmuştur. Zira pek çok ülkede yeni-lenen standartlarda bu çalışmalardan elde edilensonuçlar kullanılmıştır.

Her ne kadar bu birleşimlerin sünek davranış gös-tereceği garanti edilmişse de bu raporlara gözükapalı güvenmek her zaman iyi sonuçlar vermeye-bilir. Çünkü, ABD’de yapılan bu çalışmalar, o sek-törde yoğun olarak kullanılan 90 cm yüksekliğindeve flanş kalınlığı 40 mm civarında olan kirişler kul-lanılarak yapılmıştır. Oysa ülkemizdeki uygulama-larda yüksekliği ve flanş kalınlığı daha düşük olanprofiller daha yoğun olarak kullanılmaktadır. Takdiredileceği gibi, kiriş flanş kalınlığının azaltılması tüm

birleşimin davranışını etkileyecektir. Bu sebepler-den ötürü, ülkemizde daha çok kullanılan profille-rin kullanıldığı sonlu eleman modelleri hazırlanarakmonotonik yükleme altındaki plastik dönme miktar-ları ve plastik mafsalın oluşma yerleri belirlenmiştir.

Proje mühendisi için plastik mafsalın oluştuğu yerözellikle önemlidir. Çünkü, elastik olmayan davra-nışa geçildiğinde, kolon yüzeyine etkiyecek olankuvvetlerin öngörülebilmesi için plastik mafsalınoluştuğu yeri bilmeye ihtiyaç vardır (Şekil 1).

ÇELİK KİRİŞ KOLONBİRLEŞİMLERİNİN SİSMİK TASARIMPARAMETRELERİ İÇİN BİR YAZILIM

Fırat ÇINGI(*)

(*) Arş. Gör., İTÜ İnşaat Fakültesi, İstanbul Şekil 1 - Birleşime Gelen Kuvvetler [1]



TMH

TMH - TÜRKÝYE MÜHENDÝSLÝK HABERLERÝ SAYI 435 - 2005/170

Modellerin Geliştirilmesi

Depreme karşı dayanıklı tasarımın önemli konularıarasında birleşimin dayanımı, rijitliği ve sünekliği yer

alır. Birleşimin dayanımı, azaltılmış sismik kuvvetleregöre kontrolü yapılan çerçevenin dayanımını etkiler.Birleşim rijitliği, yapının dinamik cevabını ve gere-ken şekil değiştirme ihtiyacını belirler. Birleşiminsünekliği ise yapının elastik olmayan şekil değiş-tirme kapasitesini ve plastik dönme kapasitesinibelirler. Northridge depreminden önce, Northridgeöncesi birleşimin, tüm sismik ihtiyacı karşılayabildiğidüşünüldüğünden, birleşimin dayanımı, rijitliği vesünekliği tasarımda hesaba katılmazdı. Birleşiminrijitliğinin, kolon panel bölgesinin rijitliğinden veyakirişin plastik dönme kapasitesinden büyük olduğukabul edilmişti. Birleşim rijitliği gözardı edilmişti

çünkü birleşimin rijit bir birleşim olduğu kabul edi-liyordu ve böylece eleman rijitliği ve deprem etki-sinin yapı üzerindeki elastik sismik ihtiyacı kontroledebileceği düşünülüyordu.

Northridge depremi bu düşünceyi yıktı. Northridgeöncesi birleşiminin sünek olmadığı ve mühendisle-rin beklediği plastik dönmeyi yapamadığı görüldü.Bu birleşim, elastik olmayan çok az şekil değiştirmeyaptı ve beklenmeyen göçme durumları yüzündenkirişin ve panel bölgesinin akma dayanımındandaha az dayanım gösterebildi. Karşılaşılan budurumdan sonra moment çerçeve birleşimlerininayrıntılı incelemelerinin yapılması gerekti. Pek çok

birleşim tipi ele alındı ve her birleşim tipinin rijitlik,dayanım ve sünekliği incelendi.

Yeterli bir sismik davranış için yeni birleşimleringeliştirilmesinde mühendisin seçeceği üç yol vardır[2]. Bunlar:

1. Eğilme momentine ve kayma kuvvetine sebepolan kuvvetleri tamamen yeni bir yöntemlesaptamak ve böylece birleşimin her parçasınındayanımı, rijitliğini ve sünekliğini iyice anlaşılır vekontrol edilebilir kılmak;

2. Birleşimde, dayanım, rijitlik ve süneklik değerleribilinen bir sigorta tasarlayarak birleşimin diğer

elemanlarını tahmin ya da kabul edilemeyendavranıştan korumak;

3. Sismik davranışları zayıf, ya da belirsiz olan bir-leşim elemanlarını güçlendirmek veya dayanımve süneklik ihtiyacının, davranışı bilinen başkanoktalara taşındığından emin olmak.

Bu üç seçeneğin çeşitli kombinasyonları kullanıla-rak yeni birleşimler tasarlanmıştır.

Stratejiler çoğunlukla, her birleşim tipinin akmamekanizmasının ve göçme durumunun tam olarakanlaşılabilmesini gerektirmektedir. Çünkü, akmamekanizması ve göçme durumları, birleşimin daya-

nımını ve sünekliğini belirlemektedir. Akma meka-nizması dayanımı, akmanın başladığı ve ilk rijitlikdeğişiminin beklendiği moment değeridir. Akmamekanizmaları sonucu, önemli plastik dönme,

rijitlik değişimi ve enerji yutulması oluşur. Çoğubirleşimin bir kaç tane akma mekanizması vardır,ve en düşük dayanımlı akma mekanizması, elas-tik olmayan şekil değiştirmeyi kontrol eder. Bununyanında, eğer bütün akma mekanizmalarının daya-nımı, birleşimin kritik göçme durumu dayanımındanküçükse, bütün akma mekanizmları, oluşan θp’yekatkıda bulunabilir. İyi bir sismik performans için,birden fazla sayıda mekanizmanın olması tercihedilir. Pek çok birleşimde değişik mekanizmalar-dan katkı alabilmek için denge durumlarına ihtiyaçduyar. Bu denge durumları, en çok istenilen akmamekanizmasının ilk önce gerçekleşmesini; isten-

meyen durumun ise geciktirilmesini veya tamamenönlenmesini sağlar [2].

Göçme durumları, çatlağa, yırtılmaya ya da birleşi-min dayanımında azalmaya sebep olurlar. Her bir-leşimin bir kaç tane olası göçme durumu vardır vekritik göçme durumunun, o birleşim için olan daya-nımı diğer durumlardan daha düşüktür. Bir birleşi-min sünekliği ve elastik olmayan şekil değiştirmeyapabilme kabiliyeti, kritik göçme durumu dayanı-mının en elverişsiz akma dayanımı mekanizmasınayakınlığına bağlıdır. Elverişsiz akma mekanizmasıdayanımı, kritik göçme durumu dayanımından

belirgin bir şekilde küçük olan birleşimler, belirginelastik olmayan şekil değiştirme ve büyük plas-tik dönme oluştururlar. Elverişsiz akma mekaniz-ması dayanımı, kritik göçme durumu dayanımınayakın ya da daha büyük olan birleşimler ise çokaz süneklik gösterir ya da hiç göstermez. Büyükdepremlerde, binaların, yeterli sismik performansgösterebilmeleri için sünek olmaları gerekir. Busebeplerden dolayı, elverişsiz akma mekanizmasıile kritik göçme durumu dayanımı arasında birdenge olmalıdır [2].

Göçme durumu ile akma mekanizmasının denge-lenebilmesi için, birleşimin tüm akma mekanizma-

ları ve göçme durumları tam olarak anlaşılmalıdır.Mühendis, bu durumları ve mekanizmaları, göçmedurumlarının her birini, kötü etkileri yok edecekşekilde birleştirmelidir. Sonuç olarak, yapısal tasa-rımda kullanabilecek kadar basit ama sismik davra-nış açısından yeterli olacak birleşim tipleri üzerindedurulmuştur. Bu modellerde, her birleşimin, elve-rişsiz akma dayanımı ve kritik göçme durumlarıbulunmuş ve deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır.Bu karşılaştırmalar, modellerin güvenilir ve yeterliolmalarını sağlamıştır. Plastik dönme kapasitesiθp ise, seçilen denge koşulunu sağlayan birleşim-lerin, deneysel dönme kapasitelerinin istatistik-



TMH


sel analizlerinden elde edilmiştir. Elverişsiz akmamekanizması ile kritik göçme durumu dayanımıarasında en az veya en fazla uzaklaştırmaya ihtiyaçduyulduğunda denge kurallarından yararlanılmıştır.

Uzaklaştırmanın büyüklüğü, değişik denge kurallarıkullanarak, deneylerden elde edilen birleşim davra-nışlarını karşılaştırarak belirlenmiştir. En az uzaklaş-tırma, bir akma mekanizması açıkca diğerlerindenüstünse uygulanmıştır. En fazla uzaklaştırma isemekanizmaların hepsinde de akmaya ihtiyaç duyul-duğu durumlarda uygulanmıştır. Bu denge kurallarıher birleşim tipi için ayrı ayrı belirlenir [2].

Northridge sonrası birleşimlerde, kolonların eğilmeakmasına ulaşması engellenmiştir. Çünkü bu tipbirleşimlerin, belirgin elastik olmayan kat ötelemesiihtiyacı olduğu bilinmektedir. Bunun sonucu olarak,

genellikle, kolon başlığını kiriş başlığına birleştirenkaynaklarda kritik gerilmeler oluşmaktadır. Bütünbirleşimlerdeki ortak kaygı, kolonun eğilme akmasıyapmasını engellemektir.

Sonlu Eleman Modelinin Kurulması

Oluşturulan modeller ANSYS programı kullanıla-rak hazırlanmıştır. ANSYS mühendisler tarafındantercih edilen bir sonlu eleman analiz yazılımıdır. Buprogram sayesinde, yapıların ya da bileşenlerininbilgisayar modeli hazırlanabilmekte ve bu modele,gerçekte karşılaşılabilecek yükler etkitilebilmekte-dir. Bu yüklerin etkisi altındayken yapıdaki gerilmeseviyeleri ya da fiziksel davranış gözlemlenebilir.Böylece, mühendis için, daha pahalı olan laboratu-var testlerini yapmadan, yapının ya da bileşeninintasarımını yapmak mümkün hale gelir.

Hazırlanan modellerde ANSYS programının sun-duğu yüksek mertebeli, 3 boyutlu - 20 düğümnoktalı bir eleman kullanılmıştır. Yüksek mertebelielemanlarla çözüm yapmak daha kapasiteli bilgisa-yar işlemcisi ve daha uzun çözüm süresi gerektirsede, gerçeğe daha yakın çözüm verdiği için tercihedilmiştir [3]. Elemanın her düğüm noktasında 3serbestlik derecesi bulunmaktadır: x, y ve z eksen-lerinde ötelemeler. Eleman, plastikleşmeyi, gerilme

pekleşmesini, büyük şekil değiştirmeyi ve büyükuzamayı desteklediği için bu çalışmada kullanıla-cak model için çok uygundur.

Kiriş-kolon birleşiminin gerçek durumu daha iyiyansıtması için geometri ve malzeme açısındandoğrusal olmayan analiz yapılmıştır. ANSYS sonlueleman programı, geometrisi doğrusal olmayansistemlerin çözümünde Newton-Raphson yönte-mini kullanır. Bu yaklaşıma göre, uygulanan kuvvetbir dizi yük artımlarına ayrıştırılır. Bu yük artımlarıçok sayıda yükleme adımında uygulanabilir. Şekil2’de tek serbestlik dereceli bir sistemin Newton-Raphson eşitliği adımları görülüyor.

Her çözümden önce, Newton-Raphson metodu,uygulanan kuvvetle elemanlar üzerindeki gerilmeyi

oluşturan kuvvet arasındaki farkı bularak, dengedışında kalan yük vektörünü hesaplar. Bundansonra program, denge dışında kalan yükü kulla-narak doğrusal çözüm yapar ve yakınsama olupolmadığına bakar. Eğer, konulan yakınsama koşulusağlanmadıysa denge dışı kalan kuvvet tekrarhesaplanır, rijitlik matrisi bu sonuca göre güncel-lenir ve yeni bir çözüm bulunur. Çözüm yakınsa-yana kadar bu süreç devam eder. Eğer yakınsamasağlanamazsa, program, daha küçük yük artışlarıkullanarak tekrar çözmeyi dener.

Malzemenin doğrusal olmayışının sebebi, gerilmeile uzama arasındaki doğrusal olmayan ilişkidir.

Yani, gerilme, uzamanın doğrusal olmayan bir fonk-siyonudur. Plastik teori, malzemelerin elosto-plastikdavranışlarını, matematiksel bir ifadeye dönüştüre-bilmeyi sağlar. Plastik teorinin üç bileşeni vardır:

Akma koşulu, akış kuralı ve pekleşme kuralı.

Akma koşulu, akmanın başlayacağı gerilme değe-rini belirler. Eşdeğer gerilme, malzemenin akmagerilmesine eşit olduğunda plastik uzama oluşur.Eğer eşdeğer gerilme, akma gerilmesindenküçükse, gerilme-uzama eğrisine göre elastik uza-malar oluşur. Çelik malzemesinin gerilme-uzamaeğrisi, orantılılık sınırı denen bir gerilme değerine

kadar doğrusal olarak devam eder. Bu sınırdansonra malzemenin davranışı doğrusal olmaz amaelastiktir (Şekil 3). Akma gerilmesi değerine kadardavranış bu şekilde devam eder. Kalıcı uzamaolarak bilinen plastik davranış, malzemenin akmagerilmesi aşıldıktan sonra başlar.

Şekilde görüldüğü gibi, orantılılık gerilmesi ile akmagerilmesi arasında küçük fark vardır, ama ANSYSsonlu eleman programı bu iki noktayı çakışık kabuleder.

Şantiyede yerine yerleştirilmiş bir yapı elemanı,öngörüldüğü gibi kusursuz bir goemetriye sahipolmayabilir. Bu durumda, yapı elemanı hesaba

Şekil 2 - Newton-Raphson Metodu [3]



TMH


katılmamış gerilmelere maruz kaldığından, mühen-

disin öngördüğü gibi davranmaz. Bu sebeplerdendolayı, gerçeğe daha yakın bir sonuç alabilmekiçin, hazırlanan modellere, geometrik önkusurdahil edilmiştir. Bu önkusur, x-ekseninde /300; y-ekseninde ise /250 mertebesindedir [4].

Modellerde kullanılan bulonlar, günümüz projele-rinde sıklıkla kullanılan 10.9 kalitesindeki öngermelibulonlardır.

Plastik Mafsalın Yerinin ve Plastik DönmeninBulunması

Çelik moment çerçevesi birleşimlerinin sismiktasarımında, gövde burkulması, başlık burkulması

ve yanal burkulma durumları sürekli ilgi çekmiştir.Çünkü, kiriş enkesitini oluşturan plak elemanlardaoluşan yerel burkulma ve önlem alınmadıysa yanalburkulma, çelik elemanların dönme kapasiteleriniazaltan önemli faktörlerdendir. Yeterli dönme kapa-sitesine sahip enkesitler tasarlayabilmek için yerelburkulma olayının dikkatle kontrol edilmesi gere-kir. Özellikle de, yerel burkulmanın elastik bölgedeoluşması kesinlikle engellenmelidir. Yani, kesitözellikleri, burkulmanın plastik bölgede oluşmasınısağlamalıdır. Northridge öncesi yapılan birleşimtestlerine göre, burkulma sonucunda dayanımdaazalma ve süneklik kaybı gösterilmiştir.

Çelik yapıların tasarımında çok önemli olan birkonu ilk defa Eurocode 3 tarafından kullanılmıştırve yapısal çelik kesitleri, davranışlarına göre altsı-nıflara ayrılmıştır. Bu sınıflar [5]:

• 1. Sınıf (Plastik Kesitler)• 2. Sınıf (Kompakt Kesitler)• 3. Sınıf (Yarı Kompakt Kesitler)• 4. Sınıf (Narin Kesitler)

1. Sınıfta değerlendirilen kesitler yüksek dönmekapasitesine sahip plastik mafsal oluşturma yete-neğine sahiptir. Bu sınıfta yer alan kesitlerin göv-delerinde,

oranı aranır. Başlıklarında ise,

oranı aranır. Bu formüllerde,

ifadesi kullanılır [5]. Formüllerde yer alan geomet-rik boyutlar Şekil 4’de görülmektedir.

2. sınıfta yer alan kesitler, en büyük plastik eğilmedayanımına ulaşabilirler fakat şekil değiştirmekapasiteleri sınırlıdır. 2. sınıfta yer alan kesitleringövdelerinde,

oranı aranır. Başlıklarında ise,

oranı aranır. ε değeri formülden bulunur [5].

3. sınıfta yer alan kesitlerde, eğilme momenti,eğilme akmasına yol açmasına rağmen yerel bur-kulma olayı yüzünden kesit plastikleşemez. Busınıfta yer alan kesitlerin gövdelerinde ve başlıkla-

rında sırasıyla,

oranları aranır. ε değeri formülden bulunur.

Son olarak, 4. sınıfta yer alan kesitler, basınç başlı-ğında oluşan yerel burkulma yüzünden, tüm elastikeğilme dayanımını gösteremezler.

Bu denklemlerde, kesit sınıfını belirleyici olan faktör,basınç başlığının c/tf oranıdır ve kesitin sınıfını belir-

Şekil 3 - Elastoplastik Gerilme-Şekil Değiştirme Eğrisi [3]

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

Şekil 4 - Kesit Uzunlukları



TMH


ler. Yukarıda verilen kesit sınıflarından 1. ve 2. kesitsınıflarını içeren çerçevelerin analizinde plastikmetod; 3. ve 4. kesit sınıflarına ise elastik metodkullanılmalıdır. Plastik analiz kullanabilmenin şartı

plastik enkesit kullanmaktır. Böylece, plastik maf-sallar, yeterli dönme kapasitesine ulaşabilir ve yapıiçinde oluşan moment yayılımı sayesinde plastikmekanizma oluşumuna yol açar. Kompakt kesitle-rin kullanımı ise plastik mekanizmaya ulaşılmasınıengelleyebilir. Çünkü bu enkesitler, plastik mafsalıoluşturabilse bile yeterli plastik dönmeyi garantiedemediklerinden moment yayılımı oluşamaz. Yarıkompakt ve narin kesitlerde ise plastik kapasitelertam olarak oluşamaz.

Başlığı Kaynaklı-Gövdesi Kaynaklı Birleşim

Başlığı Kaynaklı-Gövdesi Kaynaklı birleşim,

Northridge öncesi birleşimin esas alınarak hazır-lanmış bir birleşimdir. Northridge öncesi birleşim-den ayrılan noktaları, geliştirilmiş kaynak elektrotuile kaynak uygulama işlemi ve geliştirilmiş kaynakulaşım deliği detayıdır. Bu analizlerde kaynak malze-mesi analize dahil edilmemiş ve kaynak malzeme-

sinin, kiriş ve kolon malzemesiyle aynı mühendisliközelliklere sahip olduğu kabul edilmiştir. Birleşim,Şekil 5’de görülmektedir [6].

Başlığı Kaynaklı-Gövdesi Kaynaklı birleşim tipi kul-lanılarak hazırlanan numunelerin oluşturduğu plas-tikleşme Şekil 6’da görülmektedir [6].

Başlık Levhası Kaynaklı Birleşim

Başlık Levhası Kaynaklı birleşim, teşkili kolayolduğundan tercih edilebilecek bir birleşim tipidir.Bu birleşimin analizlerinde kullanılan başlık lev-hası kalınlığı, kiriş başlık kalınlığına eşit seçilmiştir.FEMA raporlarında başlık levhasının uzunluğuylailgili bir kriter olmadığından başlık levhası uzunluğukiriş yüksekliğine yakın bir değer olan 41cm, 51cmve 61cm seçilerek analizler yapılmıştır. Standartmodelde başlık levhası uzunluğu 41cm olarak kul-lanılmıştır. Şekil 7’de, Başlık levhası Kaynaklı birle-şim görülebilir [6].

Şekil 8’de, Başlık Levhası Kaynaklı birleşimde yapı-lan analizlerden elde edilen plastik mafsal oluşumugörülmektedir [6].Şekil 5 - Başlığı Kaynaklı-Gövdesi Kaynaklı Birleşim

Şekil 6 - Başlığı Kaynaklı-Gövdesi Kaynaklı Birleşim TipiKullanılarak Hazırlanan Numunelerde Görülen Plastik

Mafsal Oluşumu

Şekil 7 - Başlık Levhası Kaynaklı Birleşim

Şekil 8 - Başlık Levhası Kaynaklı Birleşimi Kullanılarak Hazırlanan Numunelerde Görülen Plastik Mafsal

Oluşumu



TMH


Başlık Levhası Kaynaklı tipi numunelerin burkulmaolayından sonra da moment taşıma kapasitelerindeazalma olmadığı, ve bir süre daha moment değer-lerinin artarak devam ettiği görülmüştür. Başlığı

Kaynaklı-Gövdesi Kaynaklı tipteki numunelerde ise,yerel burkulma ile moment taşıma kapasitesindeazalma görülmesi aynı adımlarda olmuştur.

Başlık levhasının etkisi net bir şekilde ortaya çıkmışve plastikleşme beklendiği gibi kolon yüzeyindenuzaklaşmıştır.

Başlık Levhası Bulonlu Birleşim

Başlık Levhası Bulonlu birleşim, Uzatılmış AlınLevhalı birleşimler kadar sık olmasa da yaygınolarak kullanılan bir birleşimdir. Özellikle, Northridgedepreminde kaynak detaylarının yetersiz sismikperformans vermesinden sonra yönelinen alterna-

tiflerden biri olmuştur. Bu birleşimin plastik dönmekapasitesine pek çok bileşenden katkı gelmektedir.Bunlar arasında, kiriş, başlık levhası, panel bölgesive özellikle bulonda oluşan kayma akması sayılabi-lir. Birleşimin geometrisi, Şekil 9’da görülebilir [6].

Başlık Levhası Bulonlu birleşim kullanılarak hazırla-nan numunelerde görülen plastik mafsal oluşumuŞekil 10’da görülmektedir [6].

Rijitleştirilmemiş Bulonlu Alın Levhalı BirleşimUzatılmış alın levhalı birleşimler Northridge dep-reminden sonra çok sık olarak kullanılmaya baş-lanmıştır. Şantiye kaynağı gerektirmediğindenuygulanması daha kolaydır. RijitleştirilmemişBulonlu Alın Levhalı birleşimde, kiriş başlığınınaltında ve üstünde bir sıra bulon olacak şekildetasarlanmıştır. Kolon başlığı ve alın levhası birbi-rine sabitlenmemiştir ve bağıl hareket yapabilirler.Birleşimde öngermeli bulon kullanılmıştır. Birleşimingeometrisi Şekil 11’de görülmektedir [6].

Sismik tasarım standartlarına göre, kiriş-kolon bir-leşimi, oluşacak plastik mafsalı kolon yüzeyindenuzaklaştıracak kadar rijit olmalıdır. Alın levhalı bir-leşimde, alın levhasının kalınlığı birleşimin dav-ranışını büyük ölçüde etkiler. İnce alın levhasınınkullanılması durumunda bulonların tutmadığı nok-talarda alın levhasında açılmalar olabilir. Bu etkininen büyük olduğu bölge, kiriş başlığıyla gövdesininbirleştiği bölgedir. Bu etkinin sebep olduğu şekildeğiştirme Şekil 12’de açıkca görülmektedir [6].

Şekil 9 - Başlık Levhası Bulonlu Birleşim

Şekil 10 - Başlık Levhası Bulonlu Birleşimi Kullanılarak Hazırlanan Numunelerde Görülen Plastik Mafsal

Oluşumu

Şekil 11 - Rijitleştirilmemiş Bulonlu Alın Levhalı Birleşim

Şekil 12 - İnce Alın Levhasında Görülen Açılma



TMH


Bu sebeple, kullanılan alın levhası kolon başlığıylaaynı kalınlıkta, yani rijit seçilmiştir. Alın levhası ilepanel bölgesi takviye levhası aynı yüksekliğesahiptir.

Yeterli plastik dönme davranışı gösteren Rijitleş-tirilmemiş Bulonlu Alın Levhalı numunede, alın lev-hası ile kolon başlığı arasında oluşan ayrılma küçükmertebelerde kalmıştır. Ayrılmanın küçük olmasınınsebebi, kullanılan kalın alın levhasıdır. Ayrılmanınaz olması sonucu bu bölgede plastikleşme oluş-mamıştır ve plastik mafsal birleşimden uzaklaştırıl-mıştır. Daha önceki birleşim tiplerinde olduğu gibibu birleşim tipinde de birleşim, panel bölgesindeoluşan aşırı şekil değiştirme sonucu göçme duru-muna ulaşmıştır.

Şekil 13’de Rijitleştirilmemiş Bulonlu Alın Levhalı

birleşim için yapılan analizlerden elde edilen plastikuzama şekilleri gösterilmiştir [6].

Rijitleştirilmiş Bulonlu Alın Levhalı Birleşim

Rijitleştirilmiş Bulonlu Alın Levhalı birleşim, Rijitleş-tirilmemiş Bulonlu Alın Levhalı birleşimin kiriş baş-

lığının rijitleştirme levhalarıyla güçlendirilmesiyleoluşur. Rijitleştirme levhası dışındaki diğer bir farkta,kiriş başlığının altında ve üstünde bir yerine iki sırabulon bulunuyor olmasıdır. Birleşimin geometrisi

Şekil 14’te görülmektedir [6].Tıpkı rijitleştirilmemiş numunelerde olduğu gibirijitleştirilmiş numunelerde de kalın alın levhalı bir-leşim kullanılmıştır. İnce alın levhası kullanılmasıdurumunda Şekil 5.30’da görülen ayrılma etkisi bubirleşim için de geçerlidir.

Şekil 15’te Rijitleştirilmiş Bulonlu Alın Levhalı bir-leşim tipi kullanılarak hazırlanan numunelerdenelde edilen plastikleşme şekilleri görülmektedir [6].Şekillerden, rijitleştirme levhasının birleşim dav-ranışı üzerindeki etkisi görülebilmektedir. Plastikmafsal, rijitleştirme levhasının dışına itilmiş olma-

sına rağmen, kolon yüzeyine daha yakın olan birkesitte de gerilmeler yoğunlaşmıştır. Kirişin, plastik-leşen kısmı oldukça uzundur. Kolonda hiç plastik-leşme oluşmaması rijitleştirme levhalarının sebepolduğu bir durumdur.

SONUÇLAR

Moment-Plastik Dönme Eğrileri

Analizi yapılan birleşimlerden Başlık LevhasıKaynaklı ve Başlığı kaynaklı-Gövdesi Kaynaklıbirleşimler kaynakla teşkil edilmiş Tam Moment

Aktaran birleşimlerdir. Başlık Levhası Bulonlu veBulonlu Alın Levhalı birleşimler ise Kısmi Moment

Aktaran birleşim sınıfına girer. Bu durumda, TamMoment Aktaran birleşimlerin, elastik bölgedekiM/θp oranlarının diğerlerinden daha büyük olmasıbeklenir. Tam Moment Aktaran birleşimlerden de,Başlık Levhası Kaynaklı birleşimin kiriş başlığınınbir kısmı takviye edildiğinden daha rijit bir davranış

Şekil 13 - Rijitleştirilmemiş Bulonlu Alın LevhalıBirleşimini Kullanarak Hazırlanan Numunelerde Görülen

Plastik Mafsal Oluşumu

Şekil 14 - Rijitleştirilmiş Bulonlu Alın Levhalı Birleşim

Şekil 15 - Rijitleştirilmiş Bulonlu Alın Levhalı BirleşimTipini Kullanarak Hazırlanan Numunelerde Görülen

Plastik Mafsal Oluşumu



TMH


göstermesi beklenir. Bu durum, Şekil 16’ da açıkçagörülmektedir.

Şekil 16’da her birleşim tipine ait olan moment-plastik dönme eğrileri görülmektedir [6].

Plastik Mafsalın Yeri

Yapılan analizler sonucunda, Başlık Levhalı birle-şimlerde (Birleşim2 ve Birleşim3), bulunan plastikmafsal yeriyle FEMA raporları arasında uyumsuzlukgörülmüştür. Fema raporlarının öngördüğü plas-tik mafsal yerleri ve bu çalışmada bulunan plastikmafsal yerleri Tablo 1’de gösterilmiştir.

Tablo 1’de kullanılan parametreler,coh: Kolon yüksekliği,beh: Kiriş yüksekliği,fph: Flanş levhası uzunluğu,ept: Alın levhası uzunluğu,sph: Rijitleştirme levhası uzunluğu,

olarak açıklanır.

Değişik başlık levhası uzunluklarıyla yapılan analiz-lerde Başlık Levhalı birleşimlerde plastik mafsalın,hemen başlık levhası bitiminde değil; kiriş yüksek-liğinin üçte biri kadar ötelenmiş olduğu görüldü.

Şekil 17’de, Numune1, Numune2 ve Numune 3birleşimleri görülüyor. Bu birleşimlerin başlık lev-hası uzunluğu sırasıyla 41 cm, 51 cm ve 61 cm dir.Şekillerden görüldüğü üzere, her üç modelde debaşlık levhasından itibaren üç adet sonlu elemansonra plastik mafsal oluşmuştur. Kiriş gövdesindekisonlu elemanların uzunluğu 5 cm, ve kiriş yüksek-liği 45 cm olduğuna göre, bu sonuç şekillerdengörülebilmektedir [6].

Yapılan analizler sonucunda, seçilen birleşim tipleri,kiriş açıklığı ve seçilen profil boyutları için FEMA’nınöngördüğü sonuçlar elde edilmiştir. Fakat, bu para-

metrelerin her birinin değişmesiyle sonuçlar büyükölçüde etkilenmektedir. Bu sebepten dolayı projemühendisi, kullanacağı birleşim geometrisininyeterli plastik dönmeye sahip olduğunu ve plastikmafsalın nerede oluştuğunu ya gerçek ölçektekideneylerle ya da burada tanıtılana benzer yazılım-larla teyit etmelidir.

KAYNAKLAR

[1] Roeder C.W., 2001. Connection PerformanceState of the Art Report, FEMA Rep. No. 355D,Federal Emergency Management Agency,

Washington D.C.[2] Roeder, C.W., 2002. Connection Performancefor Seismic Design of Steel Moment Frames, J.Struct. Engt., 128, 517-525.

[3] ANSYS 7.0, 2000. Documentation, ANSYS Inc.

[4] DIN 18800, 1990. Structural Steelwork Design and Construction, Beuth Verlag GmbH, Berlin.

[5] Eurocode 3, 1992. Design of Steel Structures.Part 1.1: Genaral Rules and Rules for Buildinds,European Prestandart.

[6] Çıngı, F., 2004. Çelik Kiriş-Kolon BirleşimlerininPlastik Dönme Kapasitesitelerinin Belirlenmesi,

Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Universitesi.

Şekil 16 - Birleşimlerin Moment-Plastik Dönme Eğrileri

Tablo 1 - Birleşimlerde Oluşan Plastik Mafsalların Yerleri

Birleşim No FEMA Raporları Bulunan Değer

Birleşim 1 coh/2 + beh/2 coh/2 + beh/2

Birleşim 2 coh/2 + fph coh/2+fph+beh/3

Birleşim 3 coh/2 + fph coh/2+fph+beh/3

Birleşim 4 coh/2+ept+beh/3 coh/2+ept+beh/3

Birleşim 5 coh/2+ept+sph coh/2+ept+sph

Şekil 17 - Başlık Levhası Kaynaklı Birleşimde Plastik Mafsal Yeri

Numune 1 Numune 2 Numune 3

çelik kolon kiriş birleşimlerinin sismik tasarımı-çelik sınıfları

Documents