Kiriş-Kolon ve Kolon-Taban Yarı-Rijit bağlantılı çelik yapıların doğrusal olmayan ve titreşim analizleri için çerçeve sonlu elemanı modeli

Yıl 2022, Cilt: 37 Sayı: 3, 1609 - 1624, 28.02.2022

Halil Fırat Özel , Afşin Sarıtaş

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.992982

Öz

Çelik yapılarda deprem yükleri altında ileri derecede doğrusal olmayan davranışlar eleman boyunca ve bağlantı bölgelerinde oluşmakta ve dolayısıyla gerçek davranışın belirlenebilmesi için doğru, güvenilir ve pratik modellerin geliştirilmesi gerekmektedir. Bu amaçla makalede çelik yapıların doğrusal olmayan davranışının yüksek doğrulukta elde edilmesi için kuvvet-bazlı formülasyana dayanan yarı-rijit bağlantılı ve kesme deformasyonlarını dikkate alan bir çerçeve sonlu elemanı türetilmiştir. Eleman boyunca ve kesit derinliğinde yayılı plastisite yaklaşımı tanımlanmış, eleman boyunca herhangi bir yerde doğrusal veya doğrusal olmayan yarı-rijit bağlantılar yapısal sistemde ek düğüm noktasına ve serbestlik derecesinde artışa gerek duyulmadan katılmıştır. Titreşim analizlerini de benzer doğrulukta yürütebilmek için kuvvet-bazlı yarı-rijit bağlantılı kütle matrisi ve I-kesitler için uygun kesme düzeltme katsayısı kullanılmıştır. Eleman formülasyonu basitleştirmek amacıyla 2 boyutta sunulmuş, doğrulama ve kıyaslama çalışmalarındaysa hem 2 boyut hem de 3 boyutta karmaşık ve düzensiz yapılar üstünde analizler yürütülmüştür. Yarı-rijit bağlantılı modellerde hem kiriş-kolon hem de kolon-tabanlarında doğrusal olmayan bağlantı davranışlarının yapısal sisteme etkisi çalışılmıştır. Sunulan örneklerde var olan sonuçlara göre daha ileri seviyede deplasman değerlerine yapıların itilebilmesi mümkün olmuş ve kolon-taban bağlantılarındaki doğrusal olmayan davranışın P-Delta etkileri ile yapısal sistemlerde çok daha kritik sonuçlar oluşturabildiği gösterilmiştir. Ayrıca kuvvet-bazlı yayılı kütle matrisi uygulaması ile titreşim analizlerini yürütürken üst seviyede doğrulukta sonuçlar elde edilebilmiştir.

Anahtar Kelimeler

Çelik yapılar, Yarı-rijit bağlantılar, Sonlu Eleman Formülasyonu, Doğrusal Olmayan Analiz, Modal Analiz

Kaynakça

• Saritas, A. ve Soydas , O., “Variational base and solution strategies for non-linear force-based beam finite elements.”, Int. J. Non. Linear. Mech., 47(3), 54–64, 2012.
• Spacone, E., Ciampi, V., ve Filippou, F. C., “Mixed formulation of nonlinear beam finite element.”, Comput. Struct., 58(1), 71–83, 1996.
• Taylor, R. L., Filippou, F. C., Saritas, A., ve Auricchio, F., “A mixed finite element method for beam and frame problems.”, Comput. Mech., 31(1-2 SPEC), 192–203, 2003.
• McKenna, F., “OpenSees: A framework for earthquake engineering simulation.”, Comput. Sci. Eng., 13(4), 58–66, 2011.
• Chan, S. L. ve Chui, P. P. T., "Non-Linear Static and Cyclic Analysis of Steel Frames with Semi-Rigid Connections.", Elsevier Science, 1999.
• Nader, M. N. ve Astaneh-Asl, A., “Shaking table tests of rigid, semirigid, and flexible steel frames.”, J. Struct. Eng., 122, 589–596, 1996.
• Galvao, A. S., Silva, A. R. D., Silveira, R. A. M., ve P. B. Goncalves, “Nonlinear dynamic behavior and instability of slender frames with semi-rigid connections.”, Int. J. Mech. Sci., 52, 1547–1562, 2010.
• da Silva, J. G. S., L. R. O. de Lima, P. C. G. da Vellasco, S., de Andrade, S. A. L., ve de Castro, R. A., “Nonlinear dynamic analysis of steel portal frames with semi- rigid connections.”, Eng. Struct., 30, 2566–2579, 2008.
• Al-Aasam, H. S. ve Mandal, P., “Simplified procedure to calculate by hand the natural periods of semirigid steel frames.”, J. Struct. Eng., 139, 1082–1087, 2013.
• Ozel, H. F., Saritas, A., ve Tasbahji, T., “Consistent matrices for steel framed structures with semi-rigid connections accounting for shear deformation and rotary inertia effects.”, Eng. Struct., 137, 194–203, 2017.
• Faridmehr, I., M. Tahir, Md., Osman, M. H., ve Razavykia, A., “Structural Performance of Isolated Steel Beam-to-Column Connection.”, Am. J. Civ. Eng. Archit., 6(2), 68–79, 2018.
• Sharma, T. K., Shrimali, V., Bharti, M. K., ve Datta, S.D., “Behavior of semi-rigid steel frames under near- and far-field earthquakes.”, Steel Compos. Struct., 34(5), 625–641, 2020.
• Akbaş B. ve Shen, J., “Seismic behavior of steel buildings with combined rigid and semi-rigid frames.”, Turkish J. Eng. Environ. Sci., 27(4), 253–264, 2003.
• Bayat, M. ve Zahrai, S. M., “Seismic performance of mid-rise steel frames with semi-rigid connections having different moment capacity.”, Steel Compos. Struct., 25(1), 1–17, 2017.
• Saritas, A. ve Koseoglu, A., “Distributed inelasticity planar frame element with localized semi-rigid connections for nonlinear analysis of steel structures.”, Int. J. Mech. Sci., 96–97, 216–231, 2015.
• Zohra, D. F. ve Nacer, I. T. A., “Dynamic analysis of steel frames with semi-rigid connections.”, Struct. Eng. Mech. An Int. J., 65(3), 327–334, 2018.
• Silva, A. R. D., Batelo, E. A. P., Silveira, R. A. M., Neves, F. A., ve Gonçalves, P. B., “On the nonlinear transient analysis of planar steel frames with semi-rigid connections: From fundamentals to algorithms and numerical studies.”, Lat. Am. J. Solids Struct., 15(3), 2018.
• Picard, A. ve Beaulieu, D., “Behaviour of a Simple Column Base Connection.”, Can. J. Civ. Eng., 12(1), 126–136, 1985.
• Thambiratnam, D. P. ve Paramasivam, P., “Base Plates Under Axial Loads and Moments.”, J. Struct. Eng., 112(5), 1166–1181, 1986.
• Saritas, A. ve Koseoglu, A., “Distributed Inelasticity Planar Frame Element with Localized Semi-Rigid Connections for Nonlinear Analysis of Steel Structures.”, Int. J. Mech. Sci., 96–97, 216–231, 2015.
• Özel, H. F., “Modeling of the Nonlinear Behavior of Semi-Rigid Connections in Steel Framed Structures and its Influence on Three Dimensional Analysis of Structural Systems.”, Middle East Technical University, 2019.
• Saritas, A. ve Filippou, F. C., “Inelastic axial-flexure–shear coupling in a mixed formulation beam finite element.”, Int. J. Non. Linear. Mech., 44(8), 913–922, 2009.
• Barr, A. D. S., “An Extension of the Hu-Washizu variational principle in linear elasticity for dynamic problems.”, J. Appl. Mech., June, 465, 1966.
• Charney, F. A., Iyer, H., ve Spears, P. W., “Computation of major axis shear deformations in wide flange steel girders and columns.”, J. Constr. Steel Res., 61, 1525–1558, 2005.
• Soydas, O. ve Saritas, A., “Free vibration characteristics of a 3d mixed formulation beam element with force-based consistent mass matrix.”, J. Vib. Control, 23(16), 2635–2655, 2016.
• Maier., D. H. ve Vogel U., “Einflußder Schubweichheit bei der Traglastberechnung räumlicher Systeme.”, Der Stahlbau, 56(9), 271–277, 1987.
• Galambos, T. V., "Structural members frame.", Prentice-Hall, 1968.
• Vogel U., “Calibrating frames.”, Stahlbau, 54, 295–301, 1985.
• Chiorean, C. G., “A computer method for nonlinear inelastic analysis of 3D semi-rigid steel frameworks.”, Eng. Struct., 31, 3016–3033, 2009.
• Orbison, J. G., McGuire, W., ve Abel, J. F., “Yield surface applications in nonlinear steel frame analysis.”, Comput. Methods Appl. Mech. Eng., 33, 557–573, 1982.
• Liew, N. E., Chen, J.Y.R., ve Shanmugam, H., “Inelastic analysis of steel frames with composite beams.”, J. Struct. Eng. ASCE, 127(2), 194–202, 2001.
• Chiorean C. G., “Second Order flexibility-based model for nonlinear inelastic analysis of 3D semi-rigid steel frameworks.”, Eng. Struct., 136, 547–579, 2017.
• Truong, V. H., Nguyen, P. C., ve Kim, S. E., “An efficient method for optimizing space steel frames with semi-rigid joints using practical advanced analysis and the micro-genetic algorithm.”, J. Constr. Steel Res., 128, 416–427, 2017.
• Nguyen, P. C. ve Kim, S. E., “An advanced analysis method for three-dimensional steel frames with semi-rigid connections.”, Finite Elem. Anal. Des., 80, 23–32, 2014.
• Chen, W. F. ve Kishi, N., “Semirigid Steel Beam‐to‐Column Connections: Data Base and Modeling.”, J. Struct. Eng., 115(1), 105–119, 1989.
• Chan, S. L. ve Chui, P. P. T., "Nonlinear Static and Dynamic Analysis of Steel Frames with Semi-Rigid Connections.", Amsterdam, Elsevier, 2000.
• Iu, C. K. ve Bradford, M. A., “Higher-order non-linear analysis of steel structures Part II: Refined plastic hinge formulation.”, Adv. Steel Constr., 8(2), 183–198, 2012.
• Lui, E. M. ve Chen, W. F., “Analysis and behavior of flexibly-jointed frames.”, Eng. Struct., 8(2), 107–118, 1986.
• SAP2000, “Structural Analysis Program CSI Analysis Reference Manual.”, CSI Berkeley, CA, 2017.
• Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği., Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı, Ankara, 2018.