Semi Rigid Connections

199-213, 2010 PhD Research Article / Doktora almas Aratrma Makalesi SEISMIC PERFORMANCE OF A MOMENT RESISTING FRAME WITH ENERGY DISSIPATIVE SEMI RIGID CONNECTIONS Nihan DORAMACI AKSOYLAR*, A. Zafer ZTRKYldz Teknik niversitesi, naat Fakltesi, naat Mhendislii Blm, Yldz-STANBUL Received/Geli: 15.12.2009 Accepted/Kabul: 16.08.2010 ABSTRACT A low rise long span frame with energy dissipation zones in semi rigid connections, instead of beam ends, is designed in high seismic areas and its seismic performance is evaluated analytically. To achieve this, three story three bay symmetric frames are designed by using rigid and %60 capacity connections. Seismic performances of these frames are evaluated and compared with eigenvalue analyses, nonlinear pushover analyses and nonlinear time history analyses. 25 real strong ground motion records are scaled to three earthquake levels and 150 time history analyses are conducted for two sample frames. As a result of analyses periods, capacity curves, local and global limit states, plastic hinge occurrence locations and sequence, maximum shear forces - maximum displacements, story drifts, beam and column stresses and chord rotations, are determined. Finally results are compared with acceptance criteria of FEMA 356. Keywords: Moment resisting frame, semi rigid connection, seismic performance, nonlinear pushover analysis, nonlinear time history analysis. ENERJ SNMLENDREN YARI RJT BRLEML BR ELK EREVENN DEPREM PERFORMANSININ DEERLENDRLMES ZET Depremsellii yksek blgelerde enerji snmlenmesinin, kiri ular yerine, kiri kolon dm noktalarnda oluaca yar rijit birleimli, az katl byk aklkl bir elik yap tasarlanm ve deprem etkileri altnda performans analitik olarak incelenmitir. Bu amala katl, aklkl simetrik bir sistem, rijit ve %60 birleim kapasiteli olarak tasarlanmtr. Ardndan bu erevelerin deprem performanslar, zdeer, dorusal olmayan statik itme analizi ve zaman tanm alannda dorusal olmayan dinamik analizleriyle belirlenmi ve karlatrlmtr. Dinamik analizlerde, 25 adet gerek yer hareketi 3 farkl deprem seviyesine gre leklendirilmi ve iki rnek ereveye 150 adet analiz yaplmtr. Analizler neticesinde, erevelerin periyotlar, kapasite erileri, lokal ve global snr durumlar, plastik mafsal oluum yerleri ve sralar, maksimum kesme kuvveti maksimum deplasman deerleri, kat teleme oranlar, kiri, kolon gerilmeleri ve birleim dnmeleri belirlenmitir. Son olarak elde edilen sonular FEMA 356da verilen kabul edilebilirlik kriterleri ile karlatrlmtr. Anahtar Szckler: Moment dayanml elik ereve, yar rijit birleim, deprem davran, dorusal olmayan statik itme analizi, zaman tanm alannda dorusal olmayan dinamik analiz.

Journal of Engineering and Natural Sciences Mhendislik ve Fen Bilimleri Dergisi

Sigma 28,

*

Corresponding Author/Sorumlu Yazar: e-mail/e-ileti: [email protected], tel: (212) 383 52 13

199

N.Doramac Aksoylar, A.Z. ztrk1. GR

Sigma 28, 199-213, 2010

Moment dayanml elik ereveli sistemler, yksek sneklik kapasiteleri ve ekonomik tasarm olanaklar nedeniyle depremsellii yksek blgelerde az ve orta katl binalarda sklkla kullanlmaktadr. Bu tip yaplarda plastik mafsallarn kolonlardan nce kirilerde olumasn salamak ve yapnn snekliini arttrp, gmesini ertelemek iin gl kolon zayf kiri ilkesi uygulanr. Az katl byk aklkl yaplarda uygulanan bu ilke gerekenden daha byk kolon kesitlerinin seilmesine ve ekonomik olmayan, ar gvenli tasarmlara neden olabilmektedir. Bu sorunu gidermek iin zellikle Amerikada uygulanan yntem yaplarn sadece d erevelerini yatay yk tayan sistemler olarak tasarlamaktr. Ancak bu yaplarn balca dezavantajlarndan biri, sistemin yeniden dalm imknnn snrl olmasdr. Ayrca 1994 Northridge ve 1995 Kobe depremleri srasnda rijit birleimli moment dayanml elik yaplarda ve zellikle tamamen kaynakl birleimlerde ar ve beklenilmeyen hasarlar olumu ve bu tip yaplarn tasarm yntemlerinin gzden geirilmesine neden olmutur. Bu almalar kapsamnda tamamen kaynakl birleimlere alternatif birleim tipleri de aratrlm ve yar rijit birleimlerin doru tasarland takdirde deprem etkileri altnda yeterli sneklie ve kararl histeretik (evrimsel) davrana sahip olduu gsterilmitir. Son yllarda yar rijit (ksmi dayanml) birleimlerin davran ve bu tarz birleimli erevelerin deprem performanslar, aratrmaclarn youn ilgisini ekmektedir. Yar rijit birleimli erevelerin deprem performansn deneysel ve analitik olarak inceleyen almalarn ncl Nader ve Astaneh [1, 2, 3], Elnashai ve Elghazouli [4], Elnashai vd. [5] ve SAC projesi kapsamnda Maison ve Kasai [6] ile Maison vd. [7] tarafndan yaplmtr. Bu almalarda, depremsellii yksek blgelerde bulunan rijit birleimli erevelere alternatif olarak, enerji snmlendirmesinin kiri ular yerine kiri kolon dm noktalarnda saland yar rijit birleimli ereveler incelenmitir. almalarn sonucunda yar rijit birleimlerin (rn. alt ve st balklar ile gvdesi korniyerli, uzatlm aln levhal) doru tasarland takdirde, deprem etkileri altnda yeterli sneklie ve kararl histeretik davrana sahip olduu gsterilmi ve depremsellii yksek blgelerde kullanlabilecei vurgulanmtr. Ayrca az katl yaplarda, rijit birleimli erevelerin en ekonomik zm olmad ve en uygun zmn, yar rijit birleimli erevelerle elde edilebilecei de zellikle belirtilmitir. Yukarda deinilen almalarn yan sra, literatrde yar rijit birleimli erevelerin dinamik davrann inceleyen birok alma mevcuttur. Bunlardan bazlar Chui ve Chan [8], Lui ve Lopez [9], Awkar ve Lui [10], Foley ve Vinnakota [11, 12], Maison vd. [13] Salazar ve Haldar [14], Akba ve Chen [15] tarafndan yaplmtr. Literatrde yaplan bu almalarda, depremsellii yksek blgelerde yaplacak yar rijit birleimli elik erevelerin potansiyel avantajlarndan sklkla bahsedilmitir. Buna ramen, yar rijit birleimli erevelerin bahsedilen bu avantajlarnn incelendii aratrma says olduka azdr. Bu almalarda da incelenen sistemler genellikle rijit birleimli olarak tasarlanm ve sadece rijit birleimleri, yar rijit birleimlerle deitirilerek kullanlmtr. Bu almada depremsellii yksek blgelerde enerji snmlendirmesinin kiri ular yerine kiri kolon dm noktalarnda oluaca yar rijit birleimli, az katl byk aklkl bir yap tasarlanm ve deprem etkileri altnda performans analitik olarak incelenmitir. Bu amala katl, aklkl simetrik bir sistem, rijit ve %60 eilme kapasiteli (birleimin moment tama kapasitesinin kiri kapasitesine oran) birleimler kullanlarak iki farkl ekilde tasarlanm ve deprem performanslar karlatrlmtr. Yar rijit birleimde %10 pekleme oran ele alnm ve histeretik davran simetrik dorulu kinematik peklemeli olarak modellenmitir. Ardndan bu erevelerin deprem performanslar, zdeer, dorusal olmayan statik itme ve zaman tanm alannda dorusal olmayan dinamik analizlerle belirlenmitir. Dinamik analizlerde 25 adet gerek yer hareketi 3 farkl deprem seviyesine gre leklendirilmi ve iki rnek ereveye toplam 150 adet analiz yaplmtr. Sonu olarak, her iki erevenin de tm deprem seviyelerinde, kabul edilebilirlik kriterlerini salad grlmtr. Ayrca %60 kapasiteli birleimlerin kullanld

200

Seismic Performance of a Moment Resisting Frame

Sigma 28, 199-213, 2010

erevenin ortalama tepe deplasmanlar tasarm ve maksimum deprem seviyesinde rijit birleimli ereveden daha az olmutur. 2. YAPININ TASARIMI VE ANALZ PARAMETRELER 2.1. Yapnn Tasarm Bu almada tasarlanan rnek yapda, tm ereveler yatay yk tayan ereve olarak dzenlenmitir. Tasarlanan rnek yap planda simetrik bir dzenlemeye sahiptir. Yatay ykler kuzey gney (KG) dorultusunda aprazl erevelerle, dou bat (DB) dorultusunda ise moment dayanml erevelerle tanmaktadr. Bu almann amac, yar rijit birleimli moment dayanml erevelerin deprem davrann incelemek olduundan, yapnn KG dorultusundaki tasarm ve davran kapsam dnda tutulmutur. Dolaysyla sadece DB dorultusunda yer alan moment dayanml ereveler tasarlanm ve incelenmitir. Yapdaki tm ereveler deprem yk tadndan, sadece tipik bir i erevenin tasarm yaplmtr. Ayrca ereveler sneklik dzeyi yksek ereveler olarak ele alnmtr. rnek yap simetrik katl - aklkl ve 9.00m aks akl kullanlarak tasarlanmtr. Ayrca yapda, ilk kat ykseklii 4.20m, dier katlarn ykseklii de 3.60m olarak dzenlenmitir. ekil 1de rnek yapnn plan ve boy kesiti verilmitir. Analizlerde dikkate alnan ereve, ekil zerinde iaretlenmitir.

a) Plan

b) Boy kesit

ekil 1. katl, aklkl yapnn a) plan, b) boy kesiti Yapnn tasarmnda kullanlan sabit, hareketli ve deprem ykleri, ASCE 7-05 [17] ynetmeliine gre belirlenmitir. Normal katlar ve at kat iin kabul edilen dey yk deerleri izelge 1de verilmitir. Yapnn zemin snf D, ksa periyot parametresi SS = 1.50 g ve bir saniye periyot parametresi S1 = 0.60 g olarak alnmtr.

201

N.Doramac Aksoylar, A.Z. ztrkizelge 1. Dey ykler Yk Sabit Yk Hareketli Yk at Kat 3.20 kN/m2

Sigma 28, 199-213, 2010

Normal Kat 3.20 kN/m2 3.80 kN/m2

1.00 kN/m2

Yaplarn tasarm Amerikan ynetmeliklerine (ASCE 705 [17], AISC 341S1-05 [18] ve 360-05 [19]) gre yaplmtr. Ancak yar rijit birleimli ereveleri, depremsellii yksek blgelerde ynetmeliklere tamamen uygun olarak tasarlamak mmkn deildir. Bu nedenle %60 birleim kapasiteli erevenin tasarmnda, birleimlerin sahip olmas gereken minimum dayanmla ilgili olan ynetmelik maddesine uyulmamtr. Ayrca gl kolon zayf kiri ilkesi de uygulanmamtr. Bunun yerine Eurocode EN 1998-1 [29] ynetmeliinde verilen yaklama benzer olarak, kolonlarn birleimlerden daha gl olmas salanmtr. Bu amala AISC 341S105 [18] ynetmeliindeki gl kolon zayf kiri ilkesi, kiri kapasitesi yerine birleim kapasitesi kullanlarak uygulanmtr. Ayrca yar rijit birleimler 6 bulonlu, uzatlm aln levhal olarak dzenlenmitir. Yar rijit birleimlerin tasarm AISC tasarm raporu 4e [30] gre yaplm ve Eurocode EN 1993-1-8de [31] verilen elemana dayal yntemle de balang rijitlikleri belirlenmitir. Bu ekilde tasarlanan erevelerin kolon ve kiri kesitleri izelge 2de verilmitir. erevelerin bir katndaki tm kolonlar ve kiriler ayn kesite sahiptir. Rijit birleimli erevenin kiri ve kolon arlklar 14.3ton olurken, yar rijit birleimli ereveninki 13.4ton olmutur. izelge 2. erevelerin eleman kesitleri Kat 3. Kat 2. Kat 1. Kat 2.2. Analiz Platformu Bu almada erevelerin dorusal olmayan statik itme ve zaman tanm alannda dorusal olmayan dinamik analizleri, Illinois niversitesi (Urbana-Champaign) Newmark Laboratuarnda gelitirilen Zeus-NL (Elnashai vd. [20, 21]) analiz programyla yaplmtr. Bu program statik ve dinamik ykler altnda iki ve boyutlu elik, betonarme ve kompozit yaplarn, malzeme ve geometri bakmdan dorusal olmayan analizlerini yapabilmektedir. Zeus-NL programnda dorusal olmayan malzeme davran, lif (fibre) yaklam kullanlarak tek noktada yl olarak deil, eleman uzunluu ve kesit ykseklii boyunca yayl olarak ele alnmaktadr. Ayrca program geometrik olarak dorusal olmayan analiz yapabildii iin, P- ve P- etkilerinin gereki olarak gz nne alnmasn salamaktadr. Zeus-NL programnda statik, zdeer, geleneksel ve adaptif statik itme analizleri ve dinamik analizler yaplabilmektedir. Analizlerde elik malzeme, Zeus-NL programnda tanml kinematik peklemeli bilineer elasto plastik malzeme modeli ile tariflenmitir Bu almada eliin elastisite modl 200000MPa olarak alnmtr. AISC 2000c [22] ynetmelii W profilleri iin A992 eliinin kullanlmasn nermektedir. Bu snftaki eliin minimum akma dayanm 345MPa, beklenilen akma dayanm 390MPadr. Statik itme ve dinamik analizler yapnn performans deerlendirmesi iin yapldndan, malzeme beklenilen akma dayanm kullanlarak modellenmitir. Ayrca pekleme katsays da 0.01 olarak kabul edilmitir. Kiri ve kolonlar boyutlu kbik elasto plastik kiri kolon elemanlar kullanlarak modellenmitir. Bu eleman tipinde nmerik entegrasyonlar iki Gauss kesitinde yaplmaktadr. Her bir Gauss kesitinde gerilmeler ve ekil deitirmeler, malzeme ilikilerine dayanan lif (fibre) Rijit Kolon W12X96 W12X136 W12X152 Kiri W18x40 W21x62 W21x62 %60 Kapasiteli Kolon Kiri W12X96 W18x50 W12X106 W21x73 W12X120 W21x73

202


Sigma 28, 199-213, 2010

yaklamyla eleman uzunluu ve kesit ykseklii boyunca deiken olarak elde edilir. Bu nedenle mafsal olumas beklenen blgelerde ayrca mafsal tanmlamas yapmaya gerek yoktur. Yar rijit birleimlerin kuvvet - deplasman ilikileri, Zeus-NL programnda bulunan noktasal yaylarla tanmlanmtr. Statik itme ve zaman tanm alannda dorusal olmayan dinamik analizlerde yar rijit birleimlerin moment dnme ilikileri, simetrik dorulu bilineer kinematik peklemeli yay eleman (SMTR) ile modellenmitir (Elnashai vd. [21]). Bu tip elemanlarda rijitlik ya da dayanm azalmas gz nne alnmamaktadr. Bu nedenle birleimlerin FEMA 356 [16]da tanmlanan dayanm azalmas noktasna ulap ulamad ayrca kontrol edilmitir. Bu almada rijit ve %60 birleim kapasiteli ereveler, Zeus-NL programnda iki boyutlu olarak modellenmitir. Kolon ve kiriler u ksmlar daha kk boyutlu elemanlardan oluacak ekilde sekiz paraya blnmtr. Yapya etkiyen dey ykler kiri kolon birleim blgelerinden ve kirilerin te bir noktalarndan etkitilmitir. Statik itme analizinde kullanlan yatay yk dalm, yapnn birinci moduna uygun olarak ters gen eklinde tanmlanm ve ereveye kat hizalarndan etkitilmitir. Dinamik analizlerde kullanlan tm deprem yer hareketleri, kolon kiri dm noktalarna edeer yatay yk eklinde etkitilmitir. Ayrca snmn etkisi Rayleigh snmyle tanmlanmtr. Her bir erevenin ktle ve rijitlikle orantl snm parametreleri, birinci ve nc periyotlar kullanlarak %2 snm oranna gre belirlenmitir. Her bir katn ktlesi ise kiri kolon birleim noktalarndan yl olarak tanmlanmtr. 2.3. Davran Kriterleri erevelerin deprem performanslarn belirlemek iin yaplan statik itme ve dinamik analiz sonularnn deerlendirilmesi iin, tayc sistemin lokal ve global davranlaryla ilgili eitli snr durumlarnn tanmlanmas gerekmektedir. Kiri ve kolon elemanlar iin lokal akma noktas, enkesitin en u lifinde eliin akma ekil deitirme deerini at an olarak kabul edilmitir. Birleimler iin ise bu nokta, Eurocode EN 1993-1-8de [31] tanmland gibi, tama kapasitesinin %67sinin ald an olarak kabul edilmitir. Yap seviyesinde akma noktasnn belirlenmesi, lokal seviyeye gre daha karmak bir durumdur. Bu almadaki rnek erevelerde akma noktas, sistemin kapasite erisine azaltlm rijitlikli elastik tam plastik idealizasyon yaplarak hesaplanmtr. Bu idealizasyonda erevenin gme dayanmnn %75inden geen sekant rijitlii, balang rijitlik deeri olarak kabul edilmi ve bu rijitliin gme dayanmna ulat deplasman ise akma deplasman olarak tanmlanmtr. Eleman seviyesinde gme snrnn belirlenmesi, bu noktaya yakn durumlarda eleman davrannda ani deiiklikler olduundan, akma snr durumuna gre daha zordur. Bu almada; kolon, kiri ve birleimler iin FEMA 356 [16]da verilen ilk dayanm azalma noktas (ekil 2de C olarak gsterilmitir.) elemann gme snr durumu olarak kabul edilmitir.

Q Qy

a 1 A B

b C D veya

E c

ekil 2. Genelletirilmi yk deplasman ilikisi (FEMA 356 [16]dan alnmtr)

203

N.Doramac Aksoylar, A.Z. ztrk

Sigma 28, 199-213, 2010

Yap seviyesinde gme snr durumunu belirlemek iin ise ayr kriter kullanlmtr. Bu kriterler; i) yatay kat telemesi snr, ii) gme mekanizmas oluumu ve iii) yatay dayanmda azalmadr. Kat telemesi (K) snr en temel ve en sk kullanlan gme kriteridir. Literatrde K snr durumu iin eitli deerler nerilmitir (Broderick ve Elnashai [23], Elghazouli vd. [24], vb.). FEMA 356 [16] ynetmelii ise moment dayanml elik erevelerin kat teleme snrn, can gvenlii (CG) performans seviyesi iin %2.5 ve gmenin nlenmesi (G) performans seviyesi iin %5 olarak vermitir. Bu almada K snr olarak, hem ynetmeliin verdii snrlar hem de literatrde yaplan almalarda nerilen %3 deeri kullanlmtr. Ayrca ilk gme mekanizmas oluma an da global gme noktas olarak deerlendirilmitir. Bu almada en kesitin her iki ucunun en uzak noktas, akma ekil deitirme deerine ulatnda, plastik mafsal olutuu (Broderick ve Elnashai [23]; Elghazouli vd. [24]) kabul edilmitir. Bu snr durumlarna ek olarak yapnn yatay dayanm kapasitesinin %10 azalmas da gme kriteri olarak kabul edilmitir. 2.4. Yer Hareketi Kaytlarnn Seilmesi ve leklendirilmesi Dinamik analizlerde, yapnn bulunduu blgenin zemin karakteristii belirli ise, burann sismolojik ve geoteknik koullarn yanstan kaytlar, uygun yer hareketlerinden seilebilir. Aksi takdirde kullanlacak yer hareketi kayd tasarm deprem seviyesini yanstacak ekilde leklendirilmelidir. Bu almada kullanlan gerek yer hareketleri ATC 63 [25] ynetmeliinde nerilen kayt setleri gz nne alnarak, deprem byklne, kaynak mekanizmasna, faya olan uzakla, zemin koullarna ve PGA / PGV oranna gre seilmitir. Sawada vd. [26] almasnda dk PGA / PGV oranl yer hareketlerinin, geni davran spektrumu, baskn dk frekans, uzun etkin sre, orta ve yksek byklkl deprem ve uzak merkez ss mesafe zelliklerine sahip olduunu belirtmitir. Benzer ekilde yksek PGA / PGV oranl kaytlarn ise dar davran spektrumu, baskn yksek frekans, ksa etkin sre, kk ve orta byklkl deprem ve ksa merkez ss mesafe zelliklerine sahip olduunu belirtmitir. Broderick ve Elnashai [23], Elnashai ve McClure [27] almalarnda ise zemin artlarnn tam olarak bilinmedii blgelerde yaplan yaplarn deprem davranlarn incelemek iin bu yaklam kullanlmtr. Rijit yaplarda, PGA / PGV oran yksek olan yer hareketi kaytlar daha etkili olurken, daha esnek yaplarda, PGA / PGV oran dk olan yer hareketi kaytlar etkili olmaktadr. PGA / PGV oran iin yaklak aralklar: Dk Orta Yksek PGA / PGV < 0.8 0.8 < PGA / PGV 1.2 PGA / PGV > 1.2

eklinde verilmitir. Burada PGA deeri (g) ve PGV deeri (m/sn) cinsinden verilmitir. Seilen faya uzak ve yakn yer hareketi kaytlar srasyla izelge 3de ve izelge 4de verilmitir. Ayrca her bir gruptaki yer hareketi kaytlar PGA / PGV oranlarna gre de snflandrlmtr. Yer hareketi kaytlar kendilerine has zellikleri (rn. maksimum yer ivmesi, etkin sreleri, frekans ierii v.b.) asndan eitlilik gsterirler. Yer hareketinin bir girdi parametresi olarak deprem talebi zerindeki etkisini incelemek iin ayn iddet seviyelerine sahip kaytlarn kullanlmas zorunludur. Bu nedenle yer hareketi kaytlarnn benzer bir iddet seviyesi gstermesi iin leklendirmesi gerekir. leklendirme ilemi temelde iki admdan oluur. lk olarak kaytlar, aralarnda olabilecek byk farklar gidermek amacyla normalize edilir. Daha sonra normalize edilen kaytlar belirli bir deprem etkisini yanstmak iin leklendirilir. Bu almada yer hareketi kaytlar ncelikle spektrum hz iddeti (Housner [28]) metodu kullanlarak normalize edilmi, ardndan ASCE 7-05de verilen leklendirme yntemine gre leklendirilmitir. Spektrum iddetiyle leklendirme metodunun temeli olan Housner

204


Sigma 28, 199-213, 2010

almasnda, belirli bir blgedeki deprem etkisi spektrum iddetiyle ifade edilmi ve bu deer 0.1sn ile 2.5sn periyot aralnda elastik hz spektrumunun altnda kalan blgenin alan olarak tanmlanmtr:

SI H = Sv (T , )dT0.1

2.5

burada Sv hz spektrumu erisi, T titreim periyodu ve snm katsaysdr. Bu almada Housnerin almasndaki entegrasyon snrlarndan farkl olarak yapnn periyoduna bal entegrasyon snrlar kullanlmtr. Bu snrlar 0.8T ile 1.5T olarak alnmtr. Ayrca normalize edilen kaytlar, ortalama ivme spektrumlar, 0.8T ile 1.5T arasnda tasarm spektrumunun stnde kalacak ekilde leklendirilmitir. izelge 3. Faya uzak yer hareketi kaytlarNo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Yl 1999 1989 1995 1999 1979 1994 1989 1976 1999 1992 1995 1989 1989 Deprem Kocaeli Loma Prieta Kobe Kocaeli Imper.Valley Northridge Loma Prieta Friuli Dzce Cape Mend. Kobe Loma Prieta Loma Prieta M 7.5 6.9 6.9 7.5 6.5 6.7 6.9 6.5 7.1 7.0 6.9 6.9 6.9 Kayt stasyonu Dzce Emeryville Shin Osaka Dzce El Centro#11 CanyonCount Emeryville Tolmezzo Bolu Rio Dell Ov. Nishi Akashi Capitola Capitola Mes. (km)a 15.4 77.0 19.2 15.4 12.5 12.4 77.0 15.8 12.0 14.3 7.1 15.2 15.2 Zem. Snfb D D D D D D D C D D C D D Bileeni DZC180 EMY260 SHI090 DZC270 HE11140 LOS000 EMY350 ATMZ270 BOL000 RIO360 NIS090 CAP000 CAP090 PGA (g) 0.312 0.260 0.212 0.358 0.380 0.410 0.215 0.315 0.728 0.549 0.503 0.529 0.443

PGA PGV(g/ms-1) 0.531 0.633 0.760 0.772 0.903 0.953 1.000 1.023 1.291 1.304 1.374 1.449 1.512

2.5. Yaplan Analizler Rijit ve %60 kapasiteli erevenin elastik periyotlarnn ve mod ekillerinin belirlenmesi iin zdeer analizleri yaplmtr. erevelerin statik itme analizleri yer deitirme kontroll olarak ve kuvvet bazl artmsal yatay ykler etkitilerek gerekletirilmitir. Artmsal yatay ykler uygulanmadan nce yapya sabit dey ykler etkitilmitir. erevelere kat hizalarndan etkitilen artmsal yatay ykler, ynetmeliin (ASCE 7-05 [17]) nerdii ve yapnn etkin moduna yakn olan dalmla (ters gen) uygulanmtr. Bu ykler, kontrol noktasnn seilen yer deitirme deerine ulamasna kadar monotonik olarak artrlmtr. Bu analizler sonucunda erevelerin kapasite erileri, lokal ve global akma ve gme snr durumlar belirlenmitir. Ayrca erevelerin dinamik analizleri 11 farkl depremden elde edilen 25 adet gerek deprem yer hareketi kayd altnda yaplmtr. Bu yer hareketlerinin 13 faya uzak, 12si ise faya yakn yer hareketlerinden olumaktadr. Bu analizlerin sonucunda yaplarn maksimum kesme kuvvetimaksimum deplasman deerleri, kat telemeleri, kolon ve kiri gerilmeleri ve birleim dnmeleri belirlenmitir.

205


Sigma 28, 199-213, 2010

izelge 4. Faya yakn yer hareketi kaytlarNo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1a

Yl 1999 1999 1994 1999 1992 1976 1989 1992 1979 1994 1979 1985 1999

Deprem Dzce Dzce Northridge Kocaeli Erzincan Gazli Loma Prieta Cape Mend. Imp. Valley Northridge Imp. Valley Nahanni Dzce

M 7.1 7.1 6.7 7.5 6.7 6.8 6.9 7.0 6.5 6.7 6.5 6.8 7.1

Kayt stasyonu Dzce Dzce Slymar O. V. zmit Erzincan Karakyr Corralitos Cape Mend. Bonds Cor. Arleta Bonds Cor. Site 1 Dzce

Mes. (km)a 6.6 6.6 5.3 7.2 4.4 5.5 3.9 7.0 2.7 8.7 2.7 9.6 6.6

Zem. Snfb D D C B D C C C D D D C D

Bileeni DZC180 DZC270 SYL360 IZT090 ERZEW GAZ090 CLS000 CPM000 HBCR140 ARL360 HBCR230 S1010 DZC180

PGA (g) 0.348 0.535 0.843 0.220 0.496 0.718 0.644 1.497 0.588 0.308 0.775 0.978 0.348

PGA PGV(g/ms-1) 0.580 0.641 0.650 0.738 0.771 1.003 1.167 1.175 1.301 1.328 1.688 2.126 0.580

En yakn uzaklk b ASCE 7-05 ynetmelii Tablo 20.3-1e gre VS (kayma dalgas hz) = 760 1500 m/sn iin B,

VS = 360 760 m/sn iin C ve VS = 180 360 m/sn iin D verilmitir.3. ANALZ SONULARI 3.1. zdeer Analizleri Yaplarn zdeer analizlerinden elde edilen ilk periyodu izelge 5de verilmitir. Birleim rijitliinin azalmas periyotlarn artmasna yol amtr. %60 birleim kapasiteli erevenin, rijit ereveye gre birinci, ikinci ve nc periyotlarndaki art srasyla %14, %11 ve %12 olmutur. Yaplarn periyotlarndaki bu art deprem tasarmlar iin olduka nemlidir. Yaplarn yatay rijitliklerinin azalmas nedeniyle yatay yer deitirmeler artmaktadr. Dier taraftan uzun periyotlu yaplara etkiyecek deprem yk de daha azdr. izelge 5. Elastik periyotlar ereve Tipi Rijit % 60 kapasiteli Art 3.2. Statik tme Analizleri Rijit ve %60 birleim kapasiteli erevelerin statik itme analizleri sonucunda elde edilen taban kesme kuvveti tepe deplasman ilikisi ekil 3de verilmitir. Ayrca erevelerin deprem tasarmnda kullanlan taban kesme kuvveti deeri de ekil zerinde gsterilmitir. Beklenildii 1. Periyot 0.767 0.874 %14 2. Periyot 0.251 0.278 %11 3. Periyot 0.130 0.146 %12

206


Sigma 28, 199-213, 2010

zere birleimin tama kapasitesindeki azalma, erevenin balang rijitliini ve toplam yatay yk tama kapasitesini azaltmtr. ereve elemanlarnn akma ve gme snr durumlarnn gerekleme anlarna kar gelen tepe deplasman deerleri izelge 6da verilmitir. Analiz sonularndan grld zere rijit birleimli erevelerde ilk akma kiri elemannda gerekleirken, yar rijit birleimli erevelerde ilk akma birleimlerde ve rijit ereveye nispeten olduka erken bir zamanda meydana gelmitir. Ayrca yar rijit birleimli erevede kolon akmas rijit birleimli ereveye gre daha ge bir tepe deplasmannda gereklemitir. Rijit birleimli ereve kolonlarnn 899mm tepe deplasmannda gme snr durumuna ulamasna ramen yar rijit birleimli erevenin kolonlarnda gme snr durumuna ulalmamtr. Buna karlk yar rijit birleimli erevenin birleimlerinde gme snr durumuna 573mm tepe deplasmannda ulalmtr. Rijit ve %60 kapasiteli erevelerin incelenen global gme snr durumlarna kar gelen tepe deplasman deerleri izelge 7de verilmitir. Ayrca bu snr deerlerin gerekleme anlar ekil 3de verilen kapasite erisi zerinde gsterilmitir.

%3 Kat telemesi

Gme mek.

Kolon DA

Birleim DA

ekil 3. Kapasite erileri ve global gme snrlar izelge 6. Lokal snr durumlarnn gerekleme tepe deplasmanlar (mm) ereve Tipi Rijit % 60 kapasiteli Kiri 105 Lokal Akma Kolon Birleim 139 156 39 Kiri Lokal Gme Kolon Birleim 899 573

izelge 7. Global gme snrlarnn gerekleme deplasmanlar (mm) ereve Tipi Rijit % 60 kapasiteli %3 Kat telemesi 303 294 Gme Mek. 662 532 Dayanm Azalmas -

Yaplarn global akma noktas belirlenirken her bir global gme snr durumu ayr ayr ele alnmtr. erevelerin global akma noktalar, bu snr durumlarna gre kapasite erilerine azaltlm rijitlikli bilineer elastik tam plastik idealizasyon yaplarak bulunmutur. Gme mekanizmas olumas snr durumuna gre elde edilen bilineer idealizasyon ekil 3de gsterilmitir. erevelerin elde edilen akma deplasmanlar ise izelge 8de verilmitir.

207


Sigma 28, 199-213, 2010

izelge 8. Global akma snrlarnn gerekleme deplasmanlar (mm) ereve Tipi Rijit % 60 kapasiteli %3 Kat telemesi 190 197 Gme Mek. 217 218 Dayanm Azalmas -

Statik itme analiziyle rijit birleimli ve %60 kapasiteli erevelerde oluan plastik mafsal oluum yerleri ve sralar ekil 4de verilmitir. Rijit erevede plastik mafsallar kiri ve kolon ularnda, yar rijit erevede ise kiri - kolon birleim blgelerinde ve kolon ularnda olumutur. Her iki yapnn da gme mekanizmasn, kiri mekanizmalar oluturmutur. %60 birleim kapasiteli erevede en alt kolonlarn alt ular hari hibir kolonda plastik mafsal olumamtr. Buna karn rijit birleimli erevenin ikinci ve nc kat kolonlarnda plastik mafsallar olumutur.

a) Rijit birleimli

b) %60 kapasiteli birleimli

ekil 4. Plastik mafsal oluum yerleri ve sras Son olarak hedef deplasman deerleri, FEMA 356da verilen katsaylar yntemine gre, rijit ve %60 birleim kapasiteli ereveler iin srasyla 137mm ve 156mm olarak hesaplanmtr. Belirlenen hedef deplasman deerine gre yaplan kabul edilebilirlik kontrolleri, her iki erevede de salanmtr. 3.3. Dinamik Analizler 25 adet yer hareketi kayd farkl deprem seviyesi iin leklendirilmi ve 75 adet kayt retilmitir. Ele alnan farkl deprem seviyesi: i) Tasarm deprem seviyesi, ii) Maksimum deprem seviyesi (1.5xTasarm Depremi) ve iii) 1.33xMaksimum deprem seviyesidir. Her bir rnek erevenin, elde edilen 75 adet yer hareketi altnda dinamik analizi yaplmtr. Rijit ve yar rijit birleimli erevelerin global davranlar hakknda daha iyi bir deerlendirme yapabilmek iin dinamik analiz sonucu elde edilen maksimum taban kesme kuvveti maksimum tepe deplasman deerleri, statik itme analizinden elde edilen kapasite erileri ile karlatrlarak ekil 5de verilmitir.

208


Sigma 28, 199-213, 2010

ekil 5. Taban kesme kuvveti tepe deplasman ilikisi Yukardaki grafikten de grld gibi yap elastik snrlar iinde olduunda, statik itme ve dinamik analiz sonular birbirlerine daha yakn sonular vermitir. Yapnn elastik tesi davrannda ise dinamik analizlerle statik itme analizi arasndaki fark artmtr. Ayrca yar rijit birleim kullanlmas, erevede oluan taban kesme kuvvetini azaltmtr. Dinamik analizler sonucunda erevelerin maksimum tepe deplasmanlar ve her katn yatay teleme deerleri tasarm, maksimum ve maksimum depremin 1.33 kat iin belirlenmitir. Rijit ve %60 birleim kapasiteli erevelerin, 25x3 yer hareketi kayd altnda elde edilen tepe deplasman oranlar karlatrmal olarak ekil 6da gsterilmitir. Ayrca her deprem seviyesi iin rijit ve %60 birleim kapasiteli erevelerin her katndaki minimum, maksimum ve ortalama kat teleme oranlar ise srasyla izelge 9 ve izelge 10da verilmitir. 1.33xMak. Deprem Seviyesi Maksimum Deprem Seviyesi Tasarm Deprem Seviyesi

ekil 6. Tepe deplasman oranlar ekil 6dan da grld zere tm deprem seviyeleri iin 25 adet yer hareketi altnda hem rijit birleimli, hem de %60 birleim kapasiteli erevenin ortalama tepe deplasman oranlar

209


Sigma 28, 199-213, 2010

kabul edilebilirlik snrlarn (tasarm deprem seviyesi iin %2.5 ve maksimum deprem seviyesi iin %5) salamtr. Ayrca %60 birleim kapasiteli erevenin ortalama tepe deplasmanlar tasarm ve maksimum deprem seviyelerinde rijit birleimli ereveden daha kktr. izelge 9. Rijit birleimli erevenin kat teleme oranlar Kat 1. Kat 2. Kat 3. Kat Tasarm Depremi Min Ort. Maks. 0.010 0.021 0.014 0.013 0.022 0.018 0.010 0.025 0.016 Maksimum Deprem Min Ort. Maks. 0.013 0.026 0.019 0.018 0.031 0.023 0.014 0.039 0.021 1.33xMaks. Deprem Min Ort. Maks. 0.017 0.038 0.025 0.023 0.037 0.028 0.018 0.044 0.026

izelge 10. %60 birleim kapasiteli erevenin kat teleme oranlar Kat 1. Kat 2. Kat 3. Kat Tasarm Depremi Min Ort. Maks. 0.009 0.019 0.013 0.013 0.022 0.016 0.010 0.026 0.015 Maksimum Deprem Min Ort. Maks. 0.011 0.028 0.018 0.017 0.029 0.023 0.015 0.034 0.023 1.33xMaks. Deprem Min Ort. Maks. 0.015 0.044 0.023 0.023 0.042 0.030 0.022 0.041 0.030

Rijit ve %60 birleim kapasiteli erevelerin, tm katlarnda oluan telemeler kabul edilebilirlik artlarn tm deprem seviyelerinde ve tm yer hareketi kaytlar altnda salamtr. Rijit ve %60 birleim kapasiteli erevelerin ortalama kat teleme deerleri her kat ve her deprem seviyesi iin izelge 11de karlatrlmtr. izelge 11. erevelerin ortalama kat telemelerinin karlatrlmas Kat 1. Kat 2. Kat 3. Kat Tasarm Depremi Ort. K Oran Rijit %60 0.014 0.013 %90 0.018 0.016 %90 0.016 0.015 %96 Maksimum Deprem Ort. K Oran Rijit %60 0.019 0.018 %93 0.023 0.023 %99 0.021 0.023 %107 1.33xMaks. Deprem Ort. K Oran Rijit %60 0.025 0.023 %94 0.028 0.030 %106 0.026 0.030 %117

izelge 11den grld zere %60 birleim kapasiteli ereveninin ortalama kat telemeleri, rijit birleimli ereveye gre tasarm deprem seviyesinde %4 ~ %10 arasnda azalmtr. Maksimum deprem seviyesinde %7 azalma ve %7 artma, 1.33xMaksimum deprem seviyesinde ise %6 azalma ve %17 artma gzlenmitir. Ayrca dinamik analizler sonucunda rijit ve %60 birleim kapasiteli erevenin her kat iin maksimum kolon gerilme deerleri, tasarm, maksimum ve maksimum depremin 1.33 kat iin belirlenmitir. erevelerin ortalama kolon gerilme deerleri her kat ve her deprem seviyesi iin izelge 12de verilmitir. %60 birleim kapasiteli erevenin tasarmnda, rijit ereveye gre daha kk kolon kesitleri seilmitir (izelge 2). Ancak, %60 birleim kapasiteli erevede rijit ereveye gre birleim kapasitesi azalmasna ramen, 3. katta mmkn olan en kk kolon kesiti kullanldndan kolon boyutunda bir deiiklik olmamtr. Kolonlarda oluan gerilmeler incelenirken, kolon boyutlarndaki bu deiim de gz nne alnmaldr.

210


Sigma 28, 199-213, 2010

izelge 12. erevelerin ortalama kolon gerilmeleri (MPa) Kat 1. Kat 2. Kat 3. Kat Tasarm Depremi Ort. K Oran Rijit %60 393 383 %98 339 290 %85 301 237 %79 Maksimum Deprem Ort. K Oran Rijit %60 404 398 %99 385 342 %89 359 289 %80 1.33xMaks. Deprem Ort. K Oran Rijit %60 416 408 %99 392 372 %95 384 325 %85

izelge 12den de grld gibi, %60 birleim kapasiteli erevelerin ortalama kolon gerilmeleri her katta ve her deprem seviyesinde rijit erevenin ortalama kolon gerilmelerinden daha azdr. Tasarm deprem seviyesi iin bu azalma % 2 ile %21 arasnda, maksimum deprem seviyesinde %1 ile %20 arasnda, 1.33xMaksimum deprem seviyesi iin de %1 ile %15 arasnda olmutur. Azalmalar kolon kesitlerinin deimedii 3. katta dier katlara nazaran daha byktr. %60 birleim kapasiteli erevenin, her kat birleimlerinde oluan maksimum dnme deerleri tasarm, maksimum ve maksimum depremin 1.33 kat iin analizler sonucunda belirlenmitir. %60 birleim kapasiteli erevenin her kat ve her deprem seviyesi iin minimum, maksimum ve ortalama birleim dnme deerleri izelge 13de verilmitir. izelge 13. %60 birleim kapasiteli erevenin minimum, ortalama ve maksimum birleim dnmeleri (rad) Kat 1. Kat 2. Kat 3. Kat Tasarm Depremi Min Ort. Maks. 0.009 0.022 0.014 0.008 0.020 0.012 0.007 0.026 0.013 Maksimum Deprem Min Ort. Maks. 0.013 0.030 0.021 0.013 0.027 0.020 0.013 0.036 0.021 1.33xMaks. Deprem Min Ort. Maks. 0.020 0.045 0.028 0.019 0.036 0.027 0.018 0.042 0.029

Tm deprem seviyeleri iin, 25 adet yer hareketi kayd altnda %60 birleim kapasiteli erevenin her katnda ortalama birleim dnme deerleri, kabul edilebilirlik snrlarn (uzatlm aln levhal bulonlu birleimin ince levha davran iin, tasarm deprem seviyesinde 0.028rad ve maksimum deprem seviyesinde 0.035rad) salamtr. Ancak sonular kayt baznda tek tek incelendiinde, tasarm deprem ve maksimum deprem seviyesi iin yaplan 50 adet analizden sadece 1 tanesinde (maksimum deprem seviyesinde, 3.katta) kabul edilebilirlik snr almtr. 4. SONULAR Bu almada depremsellii yksek blgelerde enerji snmlenmesinin kiri ular yerine kiri kolon dm noktalarnda oluaca %60 tama kapasiteli yar rijit birleimli bir yap tasarlanm ve yer hareketleri altnda deprem performans analitik olarak incelenmitir. Ayrca ayn yap rijit birleimli olarak da tasarlanm ve yer hareketleri altndaki davran %60 birleim kapasiteli yap ile karlatrlmtr. Tasarlanan %60 birleim kapasiteli erevelenin kolon ve kirilerinin toplam arl, rijit birleimli ereve arlndan %6 daha azdr. %60 birleim kapasiteli erevenin periyodu, hem kesitlerin azalmasyla hem de yar rijit birleimlerin kullanlmasyla rijit ereveye gre artm, dolaysyla ereveye gelen deprem ykleri azalmtr. Yaplan statik itme analizleri sonucunda yar rijit birleimli erevenin tama kapasitesinin azald ve gme snr durumlarna rijit ereveye gre daha erken ulald grlmtr. 25 adet yer hareketi altnda yaplan dinamik analizler neticesinde, %60 birleim kapasiteli erevede daha az taban kesme kuvveti olutuu ve ortalama tepe deplasmanlarnn tasarm ve maksimum deprem seviyesinde rijit birleimli ereveden daha az olduu grlmtr. Ayrca yar rijit birleimli erevede oluan kolon gerilmeleri rijit erevede oluanlardan daha az

211


Sigma 28, 199-213, 2010

olmutur. Bu azalma kolon kesitlerinin her iki erevede de ayn olduu nc katlarda %15 ila %21 arasnda deimitir. Sonu olarak her iki ereve kolonlarnn, kirilerinin, birleimlerinin ve kat telemelerinin tm deprem seviyeleri iin kabul edilebilirlik artlarn salad ve deprem etkileri altnda yeterli ve gvenilir bir performansa sahip olduklar grlmtr. REFERENCES / KAYNAKLAR [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] Nader, M.N. and Astaneh, A.A., (1991), Dynamic Behavior of Flexible, Semirigid and Rigid Steel Frames, Journal of Construction Steel Research, 18, 179-192. Nader, M.N. and Astaneh, A.A., (1992), Seismic Behavior and Design of Semirigid Steel Frames, UCB/EERC-92/06, University of California at Berkeley. Nader, M.N. and Astaneh, A.A., (1996), Shaking Table Tests of Rigid, Semirigid and Flexible Steel Frames, Journal of Structural Engineering, 122, 6, 589-596. Elnashai, A.S., Elghazouli, A.Y., (1994), Seismic Behavior of Semi Rigid Steel Frames, Journal of Constructional Steel Research, 29, 149-174. Elnashai, A.S., Elghazouli, A.Y., and Denesh-Ashtiani, F.A., (1998), Response of Semi Rigid Steel Frames to Cyclic and Earthquake Loads, Journal of Structural Engineering, 124,8. Maison, B.F. and Kasai, K., (2000), Seismic Performance of 3 and 9 Story Partially Restrained Moment Frame Buildings, SAC/BD-99/16, SAC Joint Venture. Maison, B.F., Kasai, K. and Mayangarum, A., (2000), Effects of Partially Restrained Connection Stiffness and Strength on Frame Seismic Performance, SAC/BD-99/17, SAC Joint V. Chui, P.P.T. and Chan, S.L., (1996), Transient Response of Moment Resistant Steel Frames with Flexible and Hysteretic Joints, Journal of Constructional Steel Research, 39, 3. Lui, E.M. and Lopez, A., (1997), Dynamic Analysis and Response of Semi Rigid Frames Engineering Structures, 19, 8, 644-654. Awkar, J.C., and Lui, E.M., (1999), Seismic Analysis and Response of Multistory Semi Rigid Frames, Engineering Structures, 21, 425-441. Foley, C.M., Vinnakota, S., (1999), Inelastic Behavior of Multistory Partially Restrained Steel Frames. Part I, Journal of Structural Engineering, 125, 8, 854-861. Foley, C.M., Vinnakota, S., (1999), Inelastic Behavior of Multistory Partially Restrained Steel Frames. Part II, Journal of Structural Engineering, 125, 8, 862-869. Maison, B.F., Rex, C.O., Lindsey, S.D. and Kasai, K., (2000b), Performance of PR Moment Frame Buildings in UBC Seismic Zones 3 and 4, Journal of Structural Engineering, 126,1,108-116. Salazar, A.R., Haldar, A., (2001), Energy Dissipation at PR Frames Under Seismic Loading, Journal of Structural Engineering, 127, 5, 588-592. Akbas, B., Shen, J., (2003), Seismic Behavior of Steel Buildings with Combined Rigid and Semi Rigid Frames, Turkish Journal of Engineering Environment Science, 27, 253-264. FEMA 356 (Federal Emergency Management Agency), (2000), Prestandart and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings, Washington D. C. American Society of Civil Engineers, (2006), Minimum Design Loads for Building and Other Structures, ASCE SEI 7-05. American Institute of Steel Construction, Inc., (2005), Seismic Provisions for Structural Steel Buildings, AISC 341S1-05. American Institute of Steel Construction, Inc., (2005), Specification for Structural Steel Buildings, AISC 360-05 .

212

Seismic Performance of a Moment Resisting Frame [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26]

Sigma 28, 199-213, 2010

[27] [28]

[29] [30] [31]

Elnashai, A.S., Papanikolaou, V. and Lee, D.H., (2002), Zeus-NL - A System for Inelastic Analysis of Structures Mid-America Earthquake Center, University of Illinois. Elnashai, A.S., Papanikolaou, V. and Lee, D.H., (2008), Zeus-NL User Manual Version 1.8.1 Mid-America Earthquake Center, University of Illinois Urbana Champaign. American Institute of Steel Construction, Inc., (2005c), Steel Construction Manual, Thirteenth Edition, AISC. Broderick, B.M. and Elnashai, A.S., (1996), Seismic Response of Composite Frames-I. Response Criteria and Input Motion, Engineering Structures, 18, 9, 696706. Elghazouli, A.Y., Castro, J.M. and Izzuddin, B.A., (2008), Seismic Performance of Composite Moment Resisting Frames, Engineering Structures, 30, 1802-1819. Applied Technology Council, (2008), Quantification of Building Seismic Performance Factors, ATC 63 Project Report %90 Draft, Redwood City, California. Sawada, T., Hirao, K., Yamamoto, H. ve Tsujihara, O., (1992). Relation between maximum amplitude ratio and spectral parameters of earthquake ground motion, Proceedings of 10th World Conference on Earthquake Engineering, Madrid, Spain, 2: 617-622. Elnashai, A.S. ve McClure, D,C., (1996), Effect of Modelling Assumptions and Input Motion Characteristics on Seismic Design Parameters of RC Bridge Piers, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 25, 435-463. Housner G.W., (1952) Spectrum Intensities of Strong Motion Earthquakes Eartquake Engineering Research Institute from Proceedings of the Symposium on Earthquakes and Blast effects on Structures, University of California at Los Angeles, June 1952, pp. 2036). Eurocode EN 1998-1, (2004), Design of Structures for Earthquake Resistance-Part 1: General Rules, Seismic Actions and Rules for Buildings, CEN, European Committee for Standardization, Brussels, Belgium. American Institute of Steel Construction, Inc., (2003a), Steel Design Guide Series 4, Extended End - Plate Moment Connections, AISC. Eurocode EN 1993-1-8, (2005), Design of Steel Structures-Part 1-8: Design of Joints, CEN, European Committee for Standardization, Brussels, Belgium.

213

Documents

Semi Rigid Connections