Investigation of the Effect of Gusset Plate Design on the Earthquake Performance of Braced Steel Frames

Öz

In order to protected against destructive effects of earthquakes, the rules that have developed for earthquake resistant design of buildings have been transformed into performance-based design conditions that demands special requirements for different type of structures. Steel structures should be reinforced with brace members and joint details should provide suitable ductility conditions in order to safely carry the horizontal forces that occurs due to earthquake effect. The gusset plates that provide the connection of brace members to structural elements are expected to affect the earthquake behavior of braced steel structures. This study conducted analytically to investigate the earthquake behavior of braced steel frames with different gusset plate designs. Seven real earthquake records were selected and scaled for the purpose of satisfying analysis criterions to perform nonlinear time history analyzes. In addition, the five storey braced steel frames that designed in accordance with the current codes and standarts were examined. The structures that designed with the gusset plates, which have different thicknesses, were modeled via OpenSees software and the effect of gusset plate thickness on the structural responses was evaluated.

Çelik Çaprazlarla Güçlendirilmiş Çelik Yapılarda Guse Tasarımının Deprem Performansına Etkisinin İncelenmesi

Öz

Depremlerin yıkıcı etkilerinden korunabilmek amacıyla yapıların depreme dayanıklı tasarımı için geliştirilmiş olan kurallar günümüzde performansa dayalı tasarım koşullarına dönüşmekle birlikte performansa dayalı tasarım her yapı tipi için özel koşullar gerektirmektedir. Çelik yapıların deprem etkisinden dolayı maruz kalacakları yatay kuvvetleri güvenli bir şekilde taşıyabilmeleri için çapraz elemanlar ile güçlendirilmeleri ve birleşim detaylarının uygun süneklik koşullarını sağlaması beklenmektedir. Çapraz elemanlar ile desteklenen yapılarda, çapraz elemanların taşıyıcı elemanlara bağlantısını sağlayan guse elemanlarının yapının deprem davranışını etkilemesi beklenmektedir. Bu çalışma, farklı guse tasarımlarına sahip merkezi çelik çaprazlı çelik çerçevelerin deprem davranışını incelemek için analitik olarak yürütülmüştür. Yedi adet gerçek deprem kaydı zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizleri yürütmek için seçilmiş ve analiz kriterlerini sağlamak için ölçeklenmiştir. Ek olarak, çaprazlarla güçlendirilmiş çelik çerçevelerden oluşan beş katlı yapı güncel yönetmelik koşullarına uygun olarak tasarlanmış ve incelenmiştir. Farklı kalınlıklarda guse elemanları tasarlanarak oluşturulan beş katlı çerçeve yapı sistemleri OpenSees yazılımı kullanılarak modellenmiş, guse kalınlıklarının yapı tepkilerine olan etkisi değerlendirilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Guse Levhaları,Çelik Çerçeveler,Deprem Performansı,Doğrusal Olmayan analiz

Kaynakça

1. [1] Lehman D. E, Roeder C. W, Herman D. A ve diğ. (2008) Improved Seismic Performance of Gusset Plate Connections, Journal of Structural Engineering, 134(6): 890-901.
2. [2] Geschwinder L.F. (2008). Unified Design of Steel Structures. John Wiley & Sons Inc, pp 432-434.
3. [3] Tunçel U. (2007). Merkezi Çaprazlı Çelik Çerçeve Sistemlerin DBYBHY 2007 Yönetmeliğine Göre Tasarımı, Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul Teknik Üniversitesi.
4. [4] Terzic V. (2013). Modeling SCB Frames Using Beam-column Elements, Open System for Earthquake Engineering Simulation, Pacific Earthquake Engineering Research Center.
5. [5] OpenSees, Version 2.5.0, Open System For Earthquake Engineering Simulation. Pacific Earthquake Engineering Research Center, Berkeley, CA.
6. [6] ASCE/SEI 7-10 (2010). Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, American Society of Civil Engineers, Virginia, USA.
7. [7] ANSI/AISC 360-16 (2016). Specification for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois, USA.
8. [8] CSI, SAP2000 Integrated Software for Structural Analysis and Design, Computers and Structures Inc., Berkeley, California.

9. [9] PEER Ground Motion Database, Pacific Earthquake Research Center, University of California, Berkeley, CA.
10. [10] National Earthquake Hazards Reduction Program (NEHRP), Recommended Provisions For Seismic Regulations For New Buildings And Other Structures, Part 1: Provisions, FEMA 368, 2000 Edition. Building Seismic Safety Council, Washington, D.C.
11. [11] DBYBHY (2007). Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik, Bayındırlık ve İskân Bakanlığı, Ankara.
12. [12] Fahjan Y. M. (2008). Selection and Scaling of Real Earthquake Accelerograms to Fit the Turkish Design Spectra. Digest, December, 1231-1250.
13. [13] Hsiao P. C., Lehman D. E. ve Roeder C. W. (2012). Improved Analytical Model for Special Concentrically Braced Frames. Journal of Constructional Steel Research, (73), 80-94.
14. [14] Hsiao P. C. (2012). Performance Evaluation of Concentrically Braced Frames. Doctoral Disseratation, Department of Civil and Environmental Engineering, University of Washington.
15. [15] Terzic V. (2012). Structural Modeling with Examples, Open System for Earthquake Engineering Simulation, Pacific Earthquake Engineering Research Center.
16. [16] Mazzoni S., McKenna, F., Scott M. H. ve diğ. (2006) OpenSees Command Language Manual.
17. [17] Mofid M. ve Khosravi P. (2000) Non-linear Analysis of Disposable Knee Bracing. Computers and Structures, 75, 65-72.
18. [18] Yanık A., Higgins C., and Scott M. H. (2019) An analytical Study On Steel Gusset Plates. Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi 7(2), 330-336.
19. [19] Astaneh-Asl A. (1998). Seismic Behavior and Design of Gusset Plates Steel Tips, Structural Steel Educational Council Technical Information & Product Service.
20. [20] Astaneh-Asl A., Cochran M. L. ve Sabelli R. (2006). Seismic Detailing of Gusset Plates for Special Concentrically Braced Frames. Steel Tips, Structural Steel Educational Council Technical Information & Product Service.
21. [21] ANSI/AISC 341-16 (2016). Seismic Provisions for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois, USA.
22. [22] Lehman D. E., Roeder C., Yoo J. H. ve Johnson S. (2004) Seismic Response of Braced Frame Connections, 13th World Conference on Earthquake Engineering, Vancouver, B.C., Canada, Paper No. 1459.
23. [23] Roeder, C.W., Lehman, D.E., Lumpkin, E., Hsiao, P. C. ve Palmer K. (2011) SCBF Gusset Plate Connection Design, T.R. Higgins Lecture, AISC North American Structural Steel Conference, Pittsburgh, PA, May 11-14, 2011.
24. [24] ÇYTHYE (2016). Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapım Esasları Yönetmeliği, Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, Ankara.
25. [25] Gül H. D. (2019). Çelik Çaprazlı Çerçeve Sistemlerin Deprem Davranışının İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir Teknik Üniversitesi, Eskişehir.
26. [26] Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı (2018) Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği.