Guse açısı ve berkitme tipinin statik yük etkisi altındaki kolon-kiriş birleşim davranışına etkisi = Effect of the haunch angle and stiffener types on column-beam connection behaviour under static loading

Abstract

Çelik yapılarda kolon-kiriş birleşim bölgeleri yapısal davranışta etkin rol oynamaktadır. Depreme dayanıklı yapı tasarım ilkelerinden güçlü kolon-zayıf kiriş ilkesine göre, birleşim bölgesinin kirişten daha güçlü olması ve plastik mafsalın kirişte oluşması istenmektedir. Bu kapsamda, çelik yapılarda kolon-kiriş birleşim bölgesi guseler ile güçlendirilmektedir. Bu çalışmada, guseli kolon-kiriş birleşim bölgeleri sayısal olarak incelenmiştir. Çalışma kapsamında, 15, 30 ve 45 dereceli üç farklı açıda guse elemanı esas alınarak model birleşimler oluşturulmuştur. Her bir model için kolon panel bölgesini güçlendirecek düz ve diyagonal olarak tasarlanmış altı farklı berkitme tipi incelenmiştir. Toplamda 21 adet sonlu eleman modeli Abaqus programı yardımıyla oluşturulmuş ve 100mm düşey yerdeğiştirme kontrollü yükleme durumunda analiz edilmiştir. Modellemede birleşim bölgesindeki tüm bileşenler ayrı ayı modellenip gerekli olan temas ve sürtünme yüzeyleri tanımlanarak idealleştirme yapılmıştır. Sonlu eleman modellerin analizinde iki aşamalı çözümleme yapılmıştır. Birinci aşamada birleşim bölgesindeki bulonlara verilen öngerme kuvveti analiz edildikten sonra, ikinci aşamadaki düşey yerdeğiştirme durumunda birleşim bölgesi çözümlenmiştir. Yapılan analizlerde guse açısı ve berkitmelerin kolon-kiriş birleşim bölgesindeki davranışa etkilerinin değerlendirilebilmesi için Von Mises gerilme dağılımları, plastik şekil değiştirmeleri, yük deplasman eğrileri ve plastik mafsal oluşumu gibi birleşim değerlendirme indeksleri karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Çalışma sonucu, 30 ve 45 dereceli guse açıları için, her ikisi de yönetmeliklerdeki koşulları sağlarken, 30 dereceli guse açısı 45 dereceli guseye oranla birleşimin taşımı gücünü daha fazla artmasından dolayı incelenen 15,30 ve 45 dereceli guse açıları arasında en uygun açı olarak tanımlanmıştır. Son olarak, guseli birleşimlerde panel bölgesini güçlendirmek ve burkulmasını önlemek için incelenen altı farklı berkitme tipi arasında, üç paralel ve K berkitmeli birleşim tipi en uygun berkitme tipi olarak belirlenmiştir. Anahtar kelimeler: Kolon kiriş birleşim bölgesi, guse, guse açısı, berkitme levhaları, Sonlu elemanlar yöntemi, Abaqus

Column-beam connection zones play an active role in the structural behavior of steel structures. According to the strong column-weak beam principle, which is one of the earthquake resistant building design principles, it is required that the joints are typically designed to induce plastic hinges within the beam span by moving them away from the face of the columns. Adding a haunch at the bottom of the beam flange gives the possibility of designing a joint with sufficient overstrength against the beam and ensuring the position of the plastic hinge. In this study, the behavior of column-beam connections that are reinforced with haunches were investigated, numerically. Throughout the study, models were created based on three different haunch angels: 15,30 and 45 degrees. In addition to strengthening the column web, each model was reinforced with six different types of straight and diagonal stiffeners. A total of twentyone numerical steel haunched beams to column connections with different haunch angels, and different types of stiffeners models were developed and analyzed under 100mm displacement loading by means of finite element method using Abaqus software. Material and geometrical non-linearities, contact between adjacent surfaces and the pretension force in the bolts are taken into account in the modelling. The analysis of the finite element modeling involved two loading steps. Firstly, fixed supports were applied at the end of the column and the pretension forces were applied to the bolts. After solving the first loading step, the second loading step involved a downward displacement load being applied at the loading point identified on the beam. In the analysis performed, joint evaluation indices such as Von Mises stress, plastic deformations, load-displacement curves and plastic hinge formation were examined comparatively in order to evaluate the effects of haunch angle and stiffeners reinforcements on the behavior of column-beam connections. As a result of the study, for the 30 and 45 degree haunch angles, while both met the requirements of codes, the 30 degree haunch angle was defined as the most fitting angle between the 15, 30 and 45 degree haunch angles examined throughout the study. Although, the joint's bearing capacity increased more than the 45-degree haunch angle. To sum up, among the six different types of stiffeners investigated in order to strengthen the column web and prevent buckling in the haunched connections, three parallel and K-stiffened joint types were determined as the most suitable types of reinforcement. Keywords: Column-beam connections, haunch, haunch angel, stiffeners, Finite element method, Abaqus