Review and Recommendations for Preloaded High Strength Structural Bolts Used for Steel Element Connections and Joints Under Seismic Loads Per Turkish Seismic Code Requirements and Design Principals

Year 2021, Volume: 11 Issue: 2, 154 - 164, 15.12.2021

Ahmet Muhtar Çıtıpıtıoğlu

Abstract

Provisions for preloaded high strength bolt for steel element connections under seismic loads in Turkish design codes are reviewed.
Ductile design is essential to achieve targeted performance levels for load bearing structural systems under seismic loads in the Turkish
Seismic Code. Codes require the use of preloaded 8.8 or 10.9 high strength bolts per TS EN 14399 for the connections of elements
subjected to seismic loading. The most commonly used HR and HV type TS EN 14399 bolts are not differentiated in the code
although their structural behavior is very different due to their geometry. HR type bolts are shaped to yield and fail in a ductile manner
under axial loads. HV bolts have a shorter threaded length and thin nuts resulting in thread yielding and brittle thread stripping failure
while preloading or under axial loads. Bolts failing with thread stripping during an earthquake will cause non-ductile connection
failure. Due to risk of thread yielding and stripping which result in a connection behavior counter to seismic design principals the
author recommends that HV type bolts not be allowed to be used in structural connections of steel elements resisting seismic loads in
the Turkish design codes.

Keywords

Preload, High strength bolts, Steel connection, Seismic design, Ductile design

Deprem Yükleri Etkisindeki Çelik Yapı Elemanların Birleşim ve Ekleri İçin Türkiye’deki Mevcut Yönetmeliklerde Tanımlanan Önçekmeli Yüksek Dayanımlı Yapısal Bulon Koşulların Değerlendirilmesi ve Deprem Tasarım İlkelerine Yönelik Öneriler

Abstract

Yer hareketleri altındaki bir binanın taşıyıcı yapı sisteminin tasarımında Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği’nde belirlenen
performans hedefini sağlamak için sünek tasarım ilkeleri esastır. Yönetmelikler, deprem yükleri etkisindeki elemanların birleşim ve
eklerinde 8.8 veya 10.9 kalitesinde yüksek dayanımlı TS EN 14399 standardındaki bulonların tam önçekme verilerek kullanılmasını
gerektirmektedir. Bu çalışmada deprem yükleri etkisindeki elemanların birleşim ve ekleri için Türkiye’deki mevcut yönetmeliklerde
tanımlanan önçekmeli yüksek dayanımlı yapısal bulon koşulları incelenmektedir. TS EN 14399’de yaygın olarak kullanılan iki farklı
HR ve HV tipi bulon düzeneklerinin yönetmelikte eşdeğer tutulmalarına rağmen, geometrileri farklı olmasından dolayı farklı şekilde
davranmaktadır. Çekme yükleri altında HR tipi bulonların geometrisi, gövde kesitinin akarak sünek bir şekilde kopmasını sağlayacak
şekilde biçimlendirilmiştir. HV bulonların dişli gövde boyunun kısa ve somunlarının ince olmasından dolayı çekme yükleri altında
veya önçekme yükü uygulanırken diş sıyrılmasıyla sünek olmayan bir şekilde kopabilmektedir. Deprem sırasında yükleme döngüsünde
bağlantılara etki eden yüklerin dayanım kapasitesini aşması durumunda diş sıyrılmasıyla bulonun kopması, birleşimin sünek olmayan
bir sınır durumu yaratmış olacaktır. Deprem yükleri altında amaçlanan tasarım ilkelerine uygun olmayan bir şekilde diş sıyrılmasının
birleşim elemanların yapı bütünlüğüne yaratacağı riskten dolayı Deprem Yönetmeliği’nde HV bulon düzeneklerin deprem yükleri
etkisindeki elemanların birleşim ve eklerinde kullanılmasına izin verilmemesi önerilmektedir.

Keywords

Önçekme, Yüksek dayanımlı bulon, Çelik birleşim, Deprem tasarım, Sünek tasarım

References

• Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı 2018. Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği, Resmi Gazete, Sayı 30364, 18 Mart 2018.
• ASCE 41-17 2017. Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings, American Society of Civil Engineers, Reston, Virginia. Doi: 10.1061/9780784414859
• Akbas, B., Shen, J. 1995. Seismic Design Study of P- Δ Effect on Steel Frames with Various Connections, Proc 7th Nat. Conf. on Earthquake Eng., Canadian Association for Earthquake Engineering, Montreal, Canada. ASTM F3125/F3125M 2018. Standard Specification for High Strength Structural Bolts and Assemblies, Steel And Alloy Steel, Heat Treated, Inch Dimensions 120 Ksi And 150 Ksi Minimum Tensile Strength, and Metric Dimensions 830 MPa And 1040 MPa Minimum Tensile Strength. ASTM International, West Conshohocken, PA. Doi: 10.1520/F3125_F3125M-18
• Çevre ve Şehircilik Bakanlığı 2018. Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapım Esaslarına Dair Yönetmelik 2018, Resmi Gazete, Sayı 30333, 15 Şubat 2018.
• D'Aniello, M., Cassiano D., Landolfo, R. 2016. Monotonic and Cyclic Inelastic Tensile Response of European Preloadable Gr10.9 Bolt Assemblies, J. Const. Steel Res., 124: 77–90. Doi: 10.1016/j.jcsr.2016.05.017
• D'Aniello, M., Cassiano D., Landolfo, R. 2017. Simplified Criteria for Finite Element Modelling of European Preloadable Bolts, Steel Comp. Struct., 24(6): 643-658. Doi: 10.12989/scs.2017.24.6.643
• EN 1998-1-8 2005. Design of steel structures - Part 1-8: Design of joints. Eurocode 3, Brussels, Switzerland.
• Grimsmo, EL., Aalbergb, A., Langsetha, M., Clausena, AH. 2016. Failure modes of bolt and nut assemblies under tensile loading, J. Const. Steel Res., 126: 15-25. Doi: 10.1016/j.jcsr.2016.06.023
• Grimsmo, EL., Aalbergb, A., Langsetha, M., Clausena, AH. 2017. How Placement of Nut Determines Failure Mode of Bolt-And-Nut Assemblies, Steel Const., 10(3): 241-247. Doi: 10.1002/stco.201710025
• Hu, Y., Shen, L., Nie, S., Ya, B., Sha, W. 2016. FE Simulation and Experimental Tests of High-Strength Structural Bolts Under Tension, J. Const. Steel Res., 126: 174–186. Doi: 10.1016/j.jcsr.2016.07.021
• Kasai, K., Mao, C., Mayangarum, A. 1998. Feasibility of Bolted Rigid and Semi-Rigid Connections For Seismic Regions, Summary Report of the Third U.S.-Japan Workshop on Steel Fracture Issues, Building Research Institute (BRI) of Japan, 469-481.
• RCSC 2020. Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts, Research Council on Structural Connections, June 11, 2020.
• TS EN 1090-1 2011. Çelik Yapı Uygulamaları, Bölüm 1: Yapısal Bileşenlerin Uygunluk Değerlendirme Gerekleri, TSE, Ankara.
• TS EN 1090-2 2011. Çelik ve Alüminyum Yapı Uygulamaları, Bölüm 1: Çelik Yapılar Için Teknik Gerekler, TSE, Ankara.
• TS EN 14399-1 2006. Önyüklemeli Yüksek Mukavemet Yapısal Cıvatalama Düzenekleri, Bölüm 1: Genel Gereklilikler, Türk Standardları Enstitüsü, Ankara.
• TS EN 14399-2 2006. Önyüklemeli Yüksek Mukavemet Yapısal Cıvatalama Düzenekleri, Bölüm 2: Önyükleme Uygunluk Deneyi, Türk Standardları Enstitüsü, Ankara.
• TS EN 14399-3 2006. Önyüklemeli Yüksek Mukavemet Yapısal Cıvatalama Düzenekleri, Bölüm 3: HR Sistemi Altıköşe Başlı Cıvata ve Somun Düzenekleri, Türk Standardları Enstitüsü, Ankara.
• TS EN 14399-4 2006. Önyüklemeli Yüksek Mukavemet Yapısal Cıvatalama Düzenekleri, Bölüm 4: HV Sistemi Altıköşe Başlı Cıvata ve Somun Düzenekleri, Türk Standardları Enstitüsü, Ankara.
• TS EN 14399-9 2006. Önyüklemeli Yüksek Dayanımlı Yapısal Cıvatalama Takımları, Bölüm 9: HV veya HR Sistemi Yük Göstergeli Pullar, Türk Standardları Enstitüsü, Ankara.
• TS EN 14399-10 2006. Önyüklemeli Yüksek Dayanımlı Yapısal Cıvatalama Takımları, Bölüm 10: HRC Sistemi Önçekme Kuvveti için Tasarlanmış Bulon ve Somun Takımları, Türk Standardları Enstitüsü, Ankara.
• SIGN, 2018. European Standards for Preloadable bolts, Steel Industry Guidance Notes, SN26/2008.
• Wallace, W. 2004. You Can’t Tension All Bolts, Link Magazine, Winter, 6(1).
• Wallace, W. 2009. RC Tests, Nut Factors, And the Europeans, Link Magazine, Winter, 26(1).