Bilgi tabanı

IDEA StatiCa Connection'da sismik analiz

Steel

Connection

AISC (USA)

CBFEM

Capacity design

Moment Connection

Seismicity

EN (Eurocode)

Bu makale aynı zamanda şu dillerde de mevcuttur:

İngilizceden yapay zeka tarafından çevrildi

Kapasite tasarımı analizi, sismiklik ve sismik yüklerin etkilerini ele almak için bir kod kontrolü sağlar. Kod kontrolü, bir birleşimin yeterli sünekliği hakkında sonuçlar sunar; yani plastik mafsal konumunun beklenen yerde oluşup oluşmadığını değerlendirir ve bağlantının kapasitesini hesaplar.

Giriş

Yapıyı sismik yük kombinasyonuna karşı tasarlarken, mühendis bir kavram seçmelidir:

Düşük sönümlü yapısal davranış
- q = 1 ile 2 arası (kesit sınıfı 4 → q = 1)
- Çelik yapılar için özel gereksinim yok
- Düşük süneklik sınıfı (DCL)
Sönümlü yapısal davranış
- q ≤ 4 – Orta süneklik sınıfı (DCM), kesit sınıfı 1, 2
- q > 4 – Yüksek süneklik sınıfı (DCH), kesit sınıfı 1

Düşük sönümlü yapısal davranış için özel gereksinimler gerekmez ve olağan bağlantı kontrolleri yeterlidir. Ancak yüksek sismik yükler için yapının elastik durumda kalacak şekilde tasarlanması uygulanabilir değildir ve sönümlü yapısal davranış zorunlu hale gelir. IDEA StatiCa Connection'daki Eleman Kapasite Tasarımı analizi bu tür davranış için tasarlanmıştır.

EN 1998-1'de izin verilen olası sismik dayanım sistemi yapısal türleri şunlardır:

Moment aktaran çerçeveler (MRF)
- kirişlerin uçlarında veya kirişlerin kolonlara bağlantılarında plastik mafsallar
- plastik mafsallar ayrıca şu konumlarda da olabilir:
  - kolon tabanında
  - üst kattaki kolonun tepesinde
Eş merkezli çaprazlı çerçeveler (CBF):
- sönümlü bölgeler çekme altındaki çaprazlarda yer alır
Dışmerkezli çaprazlı çerçeveler (EBF):
- sismik bağlantı elemanlarında, çoğunlukla kirişlerde sönümlü bölgeler
Ters sarkaç yapılar
Beton çekirdekler veya beton perdelerle birleştirilmiş çelik yapılar
Moment aktaran çerçeveler ile çaprazlı çerçevelerin birleşiminden oluşan karma çerçeveler
- MRF toplam dayanım ve rijitliğin > %25'ine katkıda bulunur
Betonarme dolgu duvarlarla birleştirilmiş moment aktaran çerçeveler

Sismik yük durumlarının belirlenmesi

Sismik yük kombinasyonu için iç kuvvetler, aşağıdaki yapısal sismik analiz yöntemlerinden biri ile belirlenebilir:

Yatay kuvvet yöntemi
Doğrusal modal tepki spektrumu analizi
Doğrusal olmayan statik itme analizi
Doğrusal olmayan zaman-tarih dinamik analizi

Doğrusal modal tepki spektrumu analizinin kullanılması, karelerin toplamının karekökü (SRSS) yöntemi nedeniyle iç kuvvetlerin "işaretlerini kaybetmesine" yol açar. İşaretler yatay kuvvet yöntemiyle yeniden elde edilmelidir – IDEA StatiCa'daki birleşim denge halinde olmalıdır. Sismik yükler tesadüfi yük kombinasyonunda yer alır ve yapı analiz edilir. Birleşimler, IDEA StatiCa Connection'da standart Gerilme, gerinim analizi (EPS) kullanılarak tasarlanır.

Ayrıca, sönümsüz elemanlar, sönümlü elemanlarda plastik mafsalların oluşması için gerekli kuvvetleri önemli deformasyonlar olmaksızın güvenli biçimde aktarabilmelidir. Bu ek kontrol, Eleman Kapasite Tasarımı analizinde (MC) gerçekleştirilir.

Kapasite tasarımı

Kapasite tasarımının amacı, bir binanın tasarım düzeyindeki depremde çöküşü önlemek amacıyla kontrollü sünekli davranış sergilediğini doğrulamaktır. Bu, yapının belirli öngörülebilir konumlarda sünekli hasara izin verecek şekilde tasarlanmasını ve bu konumların yakınında veya yapının başka yerlerinde farklı hasar türlerinin oluşmasının önlenmesini kapsar.

Başka bir deyişle, hem gevrek hem de sünek elemanlar içeren bir yapıda kapasite tasarımı, yapıya genel olarak sünekli bir özellik kazandırma yöntemidir.

Bazı elemanlar sönümlü, diğerleri ise sönümsüz olarak kabul edilir. Bağlantılar genellikle sönümsüzdür, ancak bazı durumlarda sönümlü olabilir. Sönümlü elemanların sismik yük durumunda önemli plastik deformasyonlara uğraması beklenir; sismik enerji bu deformasyonlarda tüketilebilir ve sismik yük bu nedenle önemli ölçüde azalır. Öte yandan, sönümlü elemanlar çevrimsel gerinim altında herhangi bir çatlak oluşmaksızın dayanabilmeli ve tüm sönümsüz elemanlar sönümlü elemanların oluşturduğu yükü aktarabilmelidir. Sönümlü elemanda plastik mafsal oluşumunu güvence altına almak için nominal akma dayanımı yerine olası akma dayanımı kullanılır; özellikle MRF'lerdeki kirişler için gerinim pekleşmesi de dikkate alınır. Dolayısıyla sönümlü elemanların dayanımı şu şekilde alınır:

\(f_{y,max} = \gamma_{sh} \cdot \gamma_{ov} \cdot f_y \) (EN)

\(F_{y,max}= C_{pr} \cdot R_y \cdot F_y \) (AISC)

burada:

γ_sh – gerinim pekleşme faktörü; EN 1998-1'de 1,1, EN 1993-1-8'de 1,2'ye eşittir; sismik uygulamalar için kullanılan çelik sınıflarına daha iyi karşılık geldiğinden ECCS kılavuzlarında 1,2 değeri önerilmektedir; sönümlü eleman fonksiyonunda düzenlenebilir
γ_ov – aşırı dayanım faktörü; önerilen değer 1,25'tir; malzemelerde düzenlenebilir
\(C_{pr} = \frac{F_y + F_u}{2 \cdot F_y}\) – gerinim pekleşme faktörü – AISC 358-16 (2.4-2); sönümlü eleman fonksiyonunda açılıp kapatılabilir
R_y – olası ile minimum akma dayanımı oranı – AISC 341-16 – Tablo A3.1; malzemelerde düzenlenebilir

Nihai (çekme) dayanımı da sönümlü olarak seçilen elemanlar için değiştirilir:

\(f_{u,max}= \gamma_ov \cdot f_u \) (EN)

\(F_{u,max} = R_t \cdot F_u \) (AISC)

burada:

γ_ov – aşırı dayanım faktörü; önerilen değer 1,25'tir; malzemelerde düzenlenebilir
R_u – olası ile minimum çekme dayanımı oranı – AISC 341-16 – Tablo A3.1; malzemelerde düzenlenebilir

Tüm faktörler kullanıcıya geniş bir serbestlik derecesi tanıyacak şekilde değiştirilebilir. Ayrıca farklı özelliklere sahip birden fazla aşırı dayanım fonksiyonu oluşturulabilir; ancak bir levhaya yalnızca bir kez seçim yapılabilir. Gerinim pekleşme faktörü, çaprazlı çerçevelerin analizinde genellikle kullanılmaz (1'e eşittir). Güvenlik (direnç/kapasite) faktörlerinin sönümlü elemanlar (aşırı dayanım fonksiyonu uygulanmış elemanlar veya levhalar) için kullanılmadığına dikkat edilmelidir.

Örnek olay incelemesi: Moment aktaran çerçeveler

Tipik olarak kiriş, plastik mafsal oluşturması beklenen sönümlü elemandır; bağlantı ve kolon ise önemli deformasyonlar olmaksızın kalması gereken sönümsüz elemanlardır. Kiriş, olası akma dayanımıyla kirişte plastik mafsal oluşturmak için gerekli yük ve buna karşılık gelen kesme kuvvetiyle yüklenir:

\[ M_{Ed} = f_{y,max} \cdot W_{pl} \]

\[V_{Ed} = \frac{2M_{Ed}}{L_h} + V_{gravity} \]

burada:

W_pl – kirişin plastik kesit modülü
L_h – kiriş üzerindeki iki plastik mafsal arasındaki mesafe
V_gravity – sismik kombinasyondaki düşey yüklerden kaynaklanan kesme kuvveti

Çift taraflı kiriş-kolon birleşimi kullanılması durumunda kuvvetlerin doğru yönleriyle aynı yük durumundan alınması gerektiğine dikkat edilmelidir; örneğin:

Kesme kuvvetleri rijit birleşimlerde genellikle düğüm noktasına uygulanır. Ancak uygulanan karşılık gelen kesme kuvveti, plastik mafsaldaki eğilme momentini azaltır. Plastik mafsaldaki moment \(M_{Ed} = f_{y,max} \cdot W_{pl}\) olarak hesaplanır ve düğüm noktasındaki M_y eğilme momenti, kesme kuvveti V_z ile \( M_y = f_{y,max} \cdot W_{pl} + V_z \cdot s_h \) şeklinde artırılır; burada s_h, düğüm noktası ile plastik mafsal konumu arasındaki mesafedir. AISC 358, s_h değerini kolon yüzeyi ile plastik mafsal arasındaki mesafe için belirtmektedir.

Diğer bir seçenek ise \(M_y = f_{y,max} \cdot W_{pl} \) olarak ayarlamak ve kesme kuvvetinin konumunu hedeflenen plastik mafsal konumuna yerleştirmektir (Model > Kuvvetler > Konum).

Birleşime bağlı başka sönümsüz elemanlar da bulunabilir. Bu tür elemanlar, tesadüfi sismik yük kombinasyonundan kaynaklanan düşey yüklerle yüklenmelidir.

Detaylandırma

İlgili standartlarda belirtilen detaylandırma kuralları IDEA StatiCa Connection'da kontrol edilmez ve bu kurallara uyulması zorunludur. Sismik dayanımlı birçok birleşimin düşük çevrimli yorulmaya karşı direnci deneysel testlerle doğrulanmıştır. Özellikle kaynak detayları yorulma çatlamasına eğilimlidir ve sönümlü elemanların bağlantıları için yalnızca standart kaynak kontrolü yeterli değildir. EQUALJOINTS projesi kapsamında öngörülen kaynak detayı örnekleri aşağıda gösterilmektedir.

Nervürlü ve nervürsüz uzatılmış alın levhalı kiriş-kolon birleşimlerinin tam nüfuziyetli oluk kaynaklarına ait kaynak detayları:

Haunch'lu uzatılmış alın levhalı birleşimler için kaynak detayları:

Köpek kemiği (Dog bone)

Kiriş başlık genişliği: b_f

Kiriş yüksekliği: d_b

Maksimum başlık kesim derinliği: c = 0.25 b_f

Önerilen başlık kesim derinliği: c = 0.20 b_f

Kolon yüzeyi ile azaltılmış kiriş kesitinin başlangıcı arasındaki mesafe: a = 0.6 b_f

Başlığın azaltıldığı uzunluk: s = 0.75 d_b

Bağlantının dönme kapasitesi

IDEA StatiCa Connection, bağlı herhangi bir eleman için Moment-dönme diyagramları sağlar. Rijitlik analizi (yalnızca bunlarla sınırlı olmamak üzere) aşağıdaki sonuçları verir:

Başlangıç rijitliği
%5 plastik gerinim için sınır kapasite
%15 plastik gerinim için dönme kapasitesi

Bunların tamamı, bağlantının doğru sismik tasarımı açısından önemlidir. Dönme kapasitesi (dönme ϕ_c), bağlantının sünekliğinin değerlendirilmesinde kullanılır. Elde edilen değer, tasarım standartlarında önerilen değerlerle karşılaştırılabilir.