Önceden Nitelendirilmiş Çelik Birleşimler (AISC) - Özet, Sonuç ve Öneriler

Doğrulama örnekleri serisi, Ohio State University ile IDEA StatiCa arasındaki ortak bir proje kapsamında hazırlanmıştır. Yazarlar aşağıda listelenmiştir:

• Baris Kasapoglu, Doktora öğrencisi
• Ali Nassiri, Ph.D.
• Halil Sezen, Ph.D.

Azaltılmış kiriş kesiti (RBS) moment birleşimi

Deneysel bir çalışmadan (Uang ve diğerleri, 2000) test edilmiş bir RBS moment birleşimi seçilmiş ve beş ek varyasyon oluşturulmuştur. Altı numunenin göçme modlarıyla birlikte moment dayanım kapasiteleri, AISC prosedürü izlenerek ve IDEA StatiCa kullanılarak tahmin edilmiştir. Hesaplanan kapasiteler arasındaki farklar (1 - IDEA StatiCa moment kapasitesi/AISC prosedürüyle hesaplanan moment kapasitesi) -%3 ile +%7 arasında değişmekte olup ortalama fark yaklaşık %4'tür (Tablo 6.1). Ayrıca, IDEA StatiCa tarafından rijitlik analizi kullanılarak hesaplanan moment-dönme ilişkisi, test raporunda sunulan ilişkiyle karşılaştırılmıştır (Şekil 6.1). IDEA StatiCa'nın göçme modunu belirleyebildiği, moment dayanım kapasitesini ve RBS moment birleşimlerinin moment-dönme eğrisini hesaplayabildiği görülmektedir.

Tablo 6.1: IDEA StatiCa ve AISC prosedürüyle hesaplanan RBS moment birleşimlerinin eğilme moment dayanımı (kolon yüzüne göre)

Şekil 6.1: RBS moment birleşiminin (temel model) moment (kolon eksenine göre) plastik dönme karşılaştırması

Azaltılmış Kiriş Kesiti hakkındaki doğrulama örneği makalesinin tamamını okuyun

Alın levhalı moment (EPM) birleşimi

Test edilmiş altı EPM birleşimi, AISC tasarım prosedürü izlenerek ve IDEA StatiCa kullanılarak değerlendirilmiştir. Moment kapasiteleri ve göçme modları hesaplanarak deneydeki gözlemlerle karşılaştırılmıştır (Sumner ve diğerleri, 2000). Sonuçlar arasındaki farklar -%7 ile +%11 arasında değişmekte olup ortalama fark yaklaşık %2'dir (Tablo 6.2). Varyasyon 3'te %11 fark hesaplandığı ve alın levhası akmasının belirleyici sınır durum olduğu, buna karşın IDEA StatiCa analizinde gözlemlenen göçme modunun alın levhası ile kiriş gövdesi arasındaki yetersiz kaynak dayanımı olduğu belirtilmelidir. Kaynak dayanım sınırına ulaştığında alın levhasında %1,9 plastik şekil değiştirme hesaplanmakta olup bu değer levhalar için belirlenen %5 plastik şekil değiştirme sınırının altındadır. Bu örnekten, AISC 358'de alın levhası akması sınır durumu için öngörülen prosedürün IDEA StatiCa'ya kıyasla daha muhafazakâr sonuçlar verdiği anlaşılmaktadır. Temel model için IDEA StatiCa kullanılarak elde edilen moment-dönme eğrisi, deneysel olarak ölçülen eğriyle karşılaştırılmıştır. IDEA StatiCa, cıvatalardaki kaldıraç etkisinin dayanım kapasitesine olan etkisi ve alın levhası takviye elemanının EPM numunelerinin eğilme dayanımına katkısı dahil olmak üzere cıvata kopma kapasitesini tahmin etme yeteneğini ortaya koymaktadır. Akma sonrası eğimler arasındaki fark ve ulaşılan tepe moment değerleri arasındaki açıklık, sırasıyla test numunesinin yaşadığı rijitlik bozunmasına ve IDEA StatiCa tarafından kullanılan bilineer malzeme modeline bağlanabilir.

Şekil 6.2: EPM birleşiminin (temel model) moment (kolon eksenine göre) plastik dönme karşılaştırması

Tablo 6.2: IDEA StatiCa ve AISC prosedürüyle hesaplanan EPM birleşimlerinin eğilme moment dayanımı (kolon yüzüne göre)

Alın levhalı moment (EPM) birleşimi hakkındaki doğrulama örneği makalesinin tamamını okuyun

Kaynaklı takviyesiz başlık-kaynaklı gövde (WUF-W) moment birleşimi 

Test edilmiş altı WUF-W numunesinin moment kapasiteleri ve göçme modları, IDEA StatiCa kullanılarak ve AISC tasarım prosedürü izlenerek hesaplanmış; elde edilen sonuçlar Ricles ve diğerleri (2000) tarafından gerçekleştirilen testlerin sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Üç kaynaktan elde edilen göçme modları tüm birleşimlerde benzerlik gösterirken, IDEA StatiCa kullanılarak hesaplanan moment kapasiteleri temel model hariç AISC tasarım prosedüründen elde edilenlere kıyasla yaklaşık %8 daha büyüktür (Tablo 6.3). IDEA StatiCa'nın varyasyonlar için AISC prosedüründen daha büyük moment kapasiteleri hesaplamasının nedeni, plastik mafsal konumu varsayımıyla ilişkilendirilebilir. AISC 358, WUF-W moment birleşimleri için plastik mafsal konumunun kolon yüzünde alınmasını önermekte olup bu durum, plastik mafsal konumunun kolon yüzünden belirli bir mesafede oluştuğu duruma kıyasla kesme kuvvetinden kaynaklanan ek momentin daha az olmasına yol açmaktadır. Temel model için IDEA StatiCa analizi, numunenin kolon yüzü ile kayma tablası arasındaki kaynağın göçmesiyle kapasitesine ulaştığını göstermektedir. Benzer şekilde, AISC tasarım prosedürü izlenerek gerçekleştirilen elle hesaplamalar da kaynağın gerekli dayanım sınırını karşılamadığını ortaya koymaktadır. Ancak AISC, kolon ile kiriş veya kayma tablası arasındaki kaynak tarafından kontrol edilen bu tür birleşimlerin moment kapasitesini hesaplamak için herhangi bir prosedür öngörmemektedir. AISC prosedürü izlenerek hesaplanan moment kapasitesinin, kaynağın dayanım gereksinimini karşılamaması nedeniyle AISC tarafından tasarımına izin verilmeyen bu birleşim için kirişin plastik moment dayanımına dayandığı belirtilmelidir. Genel olarak, IDEA StatiCa ve AISC prosedürüyle hesaplanan moment kapasiteleri arasındaki ortalama fark yaklaşık %5'tir. Bunun yanı sıra, temel model için IDEA StatiCa ve ABAQUS kullanılarak moment-dönme analizi gerçekleştirilmiş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. IDEA StatiCa tarafından hesaplanan moment plastik dönme eğrisi, test araştırmacıları tarafından sağlanan ölçülen eğriyle karşılaştırılmıştır (Şekil 6.3). Eğrilerin eğimleri arasındaki fark, test numunesinin çevrimsel yükleme sırasında maruz kaldığı rijitlik bozunmasına bağlanabilir. Ayrıca, IDEA StatiCa'nın bilineer malzeme modeli kullandığından pekleşme davranışının tam olarak yakalanamamış olduğu da belirtilmelidir.

Tablo 6.3: IDEA StatiCa ve AISC prosedürüyle hesaplanan WUF-W moment birleşimlerinin eğilme moment dayanımı (kolon yüzüne göre)

Şekil 6.3: WUF-W moment birleşiminin (temel model) moment (kolon eksenine göre) plastik dönme karşılaştırması

Kaynaklı takviyesiz başlık-kaynaklı gövde (WUF-W) moment birleşimi hakkındaki doğrulama örneği makalesinin tamamını okuyun

Kaynaklı takviyesiz başlık-cıvatalı gövde (WUF-B) moment birleşimi

Test edilmiş beş WUF-B numunesinin (Lee ve diğerleri, 1999) eğilme davranışı, iki farklı cıvata türü kullanılarak toplam sekiz modelle incelenmiştir: 1) sürtünmeli, 2) yataklamalı. Numunelerin eğilme moment kapasiteleri IDEA StatiCa kullanılarak ve AISC tasarım prosedürü izlenerek hesaplanmış ve karşılaştırılmıştır (Tablo 6.4). AISC 341 (2016)'e göre kayma yüzeyi sürtünme katsayısı 0,30'a eşit veya büyük olduğunda kayma kritik cıvatalar ön gerilmeli yataklamalı cıvata olarak tasarlanabileceğinden, kayma kritik cıvata içeren numuneler (örn. Temel model.SC, Var-2.SC, Var-3.SC) IDEA StatiCa ve AISC prosedürünün moment dayanımı karşılaştırmasında göz ardı edilebilir. Diğer birleşimler için IDEA StatiCa ve AISC tarafından hesaplanan moment kapasiteleri arasındaki farklar -%18 ile -%6 arasında değişmekte olup ortalama fark yaklaşık %13'tür. IDEA StatiCa'nın AISC prosedüründen daha muhafazakâr moment dayanımı hesaplamasının nedeni, kiriş gövdesi ile kolon başlığı arasındaki zayıf bağlantıyla ilişkilendirilebilir. Kayma tablası, kiriş gövdesi boyunca alın kaynağıyla değiştirilerek IDEA StatiCa'da aynı prosedür izlendiğinde moment kapasitesinde önemli bir iyileşme elde edilebilir.

Temel model için moment plastik dönmesi IDEA StatiCa analizinden elde edilmiş ve deneysel olarak ölçülen değerle karşılaştırılmıştır (Şekil 6.4). Moment-dönme analizi için sürtünmeli (kayma kritik) cıvatalar kullanılırken moment kapasitesi analizi için yataklamalı cıvatalar kullanıldığı belirtilmelidir. Eğriler arasındaki fark, veri çıkarma süreciyle ilişkilendirilebilir. Ölçülen moment-dönme eğrisi test raporunda sunulan şekilden çıkarıldığından küçük hatalar kaçınılmazdır. Akma sonrası davranış farkı, yazılım tarafından kullanılan bilineer malzeme modeliyle açıklanabilir.

Şekil 6.4: WUF-B moment birleşiminin (temel model) moment (kolon eksenine göre) plastik dönme karşılaştırması

Tablo 6.4: IDEA StatiCa ve AISC prosedürüyle hesaplanan WUF-B moment birleşimlerinin eğilme moment dayanımı (kolon yüzüne göre)

Kaynaklı takviyesiz başlık-cıvatalı gövde (WUF-B) moment birleşimi hakkındaki doğrulama örneği makalesinin tamamını okuyun

Çift-T moment birleşimi

Test edilmiş altı çift-T birleşimi, AISC tasarım prosedürü izlenerek ve IDEA StatiCa kullanılarak incelenmiştir. Moment kapasiteleri hesaplanmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır.

Sonuçlar arasındaki farklar -%9 ile +%7 arasında değişmekte olup ortalama fark yaklaşık %3'tür (Tablo 6.5). Ayrıca göçme modları da makul ölçüde iyi tahmin edilmiştir. IDEA StatiCa'da gerilme kontrollü cıvata türü mevcut olmadığından, iki farklı cıvata türü (örn. yataklamalı, sürtünmeli) kullanılarak IDEA StatiCa ve ABAQUS aracılığıyla moment-dönme analizi gerçekleştirilmiştir. Eğriler, temel model için Leon (1999) tarafından gerçekleştirilen deneyden elde edilen eğriyle karşılaştırılmıştır (Şekil 6.5). Test numunesinin moment plastik dönme eğrisinin, beklendiği üzere, sürtünmeli ve yataklamalı cıvatalar için IDEA StatiCa analizlerinden hesaplanan eğriler arasında kaldığı gözlemlenmektedir. Bunun yanı sıra, numuneler için AISC 358'de öngörülen ön nitelendirme kontrolleri de gerçekleştirilmiştir. Temel model için IDEA StatiCa'da kapasite tasarımı analizi yapılmış ve AISC prosedürü izlenerek elde edilen sonuçla karşılaştırılmıştır. IDEA StatiCa'nın çift-T moment birleşimlerinin moment kapasitesini hesaplama ve göçme modunu belirleme konusunda oldukça yetkin olduğu sonucuna varılabilir. Ayrıca, kapasite analizinin (örn. CD) sismik birleşimler için AISC 358'in gerektirdiği şekilde her iki kirişte de plastik mafsal oluştuğunda birleşimin yeterli dayanım kapasitesine sahip olup olmadığını belirleyebildiği de eklenebilir.

Tablo 6.5: IDEA StatiCa ve AISC prosedürüyle hesaplanan çift-T moment birleşimlerinin eğilme moment dayanımı (kolon yüzüne göre)

Şekil 6.5: Çift-T moment birleşiminin (temel model) moment (kolon eksenine göre) plastik dönme karşılaştırması

Genel olarak, testlerden, IDEA StatiCa analizinden ve AISC tasarım prosedüründen elde edilen moment kapasiteleri ve göçme modları arasında iyi bir uyum bulunmaktadır. Yazılımı daha da geliştirmeye yönelik öneriler aşağıda listelenmiştir:

• Yataklamalı ve sürtünmeli cıvata türlerine ek olarak gerilme kontrollü/ön gerilmeli cıvatalar için yeni bir cıvata türü geliştirilerek kullanıcılara sunulabilir.
• "Yükler dengede" seçeneğiyle uygulanacak kuvvetler, kullanıcı tercihlerine göre farklı eleman uzunlukları ve sınır koşulları için IDEA StatiCa tarafından hesaplanabilir. Bu sayede başka bir yazılıma veya ek elle hesaplamaya gerek kalmadan istenen koşul için analiz gerçekleştirilebilir. Mevcut IDEA StatiCa sürümünde (v22), test numunelerinin moment kapasitesini hesaplamak için birleşimdeki kuvvetler, test düzeneği koşulları (örn. eleman uzunlukları, sınır koşulları) temsil edilerek SAP2000 kullanılarak hesaplanmış, ardından hesaplanan bu kuvvetler IDEA StatiCa'da "yükler dengede" seçeneği kullanılarak uygulanmıştır.
• Artımlı yükleme IDEA StatiCa tarafından otomatik ve sistematik olarak uygulanabilir ve yükleri ayarlayıp yeniden çalıştırmaya gerek kalmadan moment kapasitesi elde edilebilir.
• Ön nitelendirme kontrolleri IDEA StatiCa tarafından gerçekleştirilebilir.
• Yazılıma daha iyi bir ağ oluşturma aracı entegre edilebilir.
• Moment-dönme eğrisinin gösterimi, kullanıcılara grafik yazı tipi, renk ve boyutunu ayarlama araçları sunularak geliştirilebilir/zenginleştirilebilir.
• Amerikalı kullanıcılar için bazı sembollerin düzeltilmesi/ayarlanması gerekmektedir (örn. AISC'e göre dönme için ϕ yerine θ kullanımı).

Çift-T moment birleşimi hakkındaki doğrulama örneği makalesinin tamamını okuyun

Önceden nitelendirilmiş birleşimler hakkındaki çalışmanın tamamını okuyun!