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

Saritas, Afsin; Özel, Halil Fırat

doi:10.17341/gazimmfd.992982

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

Halil Fırat Özel, (Çankaya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Ankara, Türkiye)

Afşin Sarıtaş (Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Ankara, Türkiye)

Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi

12 1

Yıl: 2022 Cilt: 37 Sayı: 3 Sayfa Aralığı: 1609 - 1624 Metin Dili: Türkçe DOI: 10.17341/gazimmfd.992982 İndeks Tarihi: 29-07-2022

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

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

Frame finite element model for nonlinear and vibration analysis of steel structures with Beam-Column and Column-Base Semi-Rigid Connections

Öz:

In this paper, a shear deformable force-based frame finite element with semi-rigid connections is derived for nonlinear analysis of steel structures. Distributed plasticity approach is defined along element length and section depth, and linear or non-linear semi-rigid connection behavior can be specified anywhere along elements without the necessity to define additional nodes and to increase the degrees of freedom of the structural system. To perform vibration analyses with similar accuracy, force-based consistent mass matrix is used considering semi-rigidity in connections and an appropriate shear correction coefficient for I-sections. The element formulation is presented in 2 dimensions to simplify the formulation, and numerical validation and comparison studies are carried out on complex and irregular structures in 2-D and 3-D. In models with semi-rigid connections, the effect of nonlinear behavior on the structural system has been studied in both beam-column and column-bases. In the presented examples, it was possible to push structures higher than the existing displacements, and it was revealed that the nonlinear behavior in the column-base connections could create much more critical results for the structural systems with P-Delta effects. In addition, high-level accuracy results were obtained when performing vibration analyses with the application of force-based consistent mass matrix.

Anahtar Kelime:

Belge Türü: Makale Makale Türü: Araştırma Makalesi Erişim Türü: Erişime Açık

1. Sarıtaş, A. ve Soydaş, O., Variational base and solution strategies for non-linear force-based beam finite elements, International Journal of Non-Linear Mechanics, 47 (3), 54–64, 2012.
2. Doğru, S. ve Akbaş, B., Seismic energy demands of steel special moment frames, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 35 (3), 1111–1128, 2020.
3. Pınarbaşı, S. ve Nasrat, M. S., A comparative study of former and latest Turkish design guidelines for rolled Ishaped steel flexural members, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 35 (1), 369–385, 2020.
4. Spacone, E., Ciampi, V. ve Filippou, F. C. Mixed formulation of nonlinear beam finite element, Computers & Structures, 58 (1), 71–83, 1996.
5. Taylor, R. L., Filippou, F. C., Sarıtaş, A. ve Auricchio, F., A mixed finite element method for beam and frame problems, Computational Mechanics, 31 (1), 192–203, 2003.
6. McKenna, F., OpenSees: A framework for earthquake engineering simulation, Computing in Science and Engineering, 13 (4), 58–66, 2011.
7. Chui, P. P. T. ve Chan, S. L., Vibration and deflection characteristics of semi-rigid jointed frames, Engineering Structures, 19 (12), 1001–1010, 1997.
8. Nader, M. N. ve Astaneh-Asl, A., Shaking table tests of rigid, semirigid, and flexible steel frames, Journal of Structural Engineering, 122 (6), 589–596, 1996.
9. Galvao, A. S., Silva, A. R. D., Silveira, R. A. M. ve Goncalves, P. B., Nonlinear dynamic behavior and instability of slender frames with semi-rigid connections, International Journal of Mechanical Sciences, 52 (12), pp. 1547–1562, 2010.
10. da Silva, J. G. S., de Lima, L. R. O., da S. Vellasco, P. C. G., de Andrade, S. A. L. ve de Castro, R. A., Nonlinear dynamic analysis of steel portal frames with semi- rigid connections, Engineering Structures, 30 (9), 2566–2579, 2008.
11. Al-Aasam, H. S. ve Mandal, P., Simplified procedure to calculate by hand the natural periods of semirigid steel frames, Journal of Structural Engineering, 139 (6), 1082–1087, 2013.
12. Ozel, H. F., Sarıtaş, A. ve Tasbahji, T., Consistent matrices for steel framed structures with semi-rigid connections accounting for shear deformation and rotary inertia effects, Engineering Structures, 137, 194–203, 2017.
13. Faridmehr, I., Tahir, M. M., Osman, M. H. ve Razavykia, A., Structural Performance of Isolated Steel Beam-to-Column Connection, American Journal of Civil Engineering and Architecture, 6 (2), 68–79, 2018.
14. Sharma, V., Shrimali, M.K., Bharti, S.D. ve Datta, TK, Behavior of semi-rigid steel frames under near- and farfield earthquakes, Steel and Composite Structures, 34 (5), 625–641, 2020.
15. Akbaş, B. ve SHEN, J., Seismic behavior of steel buildings with combined rigid and semi-rigid frames, Turkish Journal of Engineering and Environmental Sciences, 27 (4), 253–264, 2003.
16. Bayat, M. ve Zahrai, S. M., Seismic performance of mid-rise steel frames with semi-rigid connections having different moment capacity, Steel and Composite Structures, 25 (1), 1–17, 2017.
17. 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, Latin American Journal of Solids and Structures, 15 (3), 2018.
18. Zohra, D. F. ve Nacer, I. T. A., Dynamic analysis of steel frames with semi-rigid connections, Structural Engineering and Mechanics: An International Journal, 65 (3), 327–334, 2018.
19. Picard, A. ve Beaulieu, D., Behaviour of a Simple Column Base Connection, Canadian Journal of Civil Engineering, 12 (1), 126–136, 1985.
20. Thambiratnam, D. P. ve Paramasivam, P., Base Plates Under Axial Loads and Moments, Journal of Structural Engineering, 112 (5), 1166–1181, 1986.
21. Matlab, The Mathworks, Natick, MA, 2012.
22. Sarıtaş, A. ve Köseoğlu, A., Distributed inelasticity planar frame element with localized semi-rigid connections for nonlinear analysis of steel structures, International Journal of Mechanical Sciences, 96, 216– 231, 2015.
23. Özel, H. F., Modeling of the nonlinear behavior of semirigid connections in steel framed structures and its influence on three dimensional analysis of structural systems, PhD Thesis, Middle East Technical University, Graduate School of Natural and Applied Sciences, Ankara, 2019.
24. Sarıtaş, A. ve Filippou, F. C., Inelastic axial-flexure– shear coupling in a mixed formulation beam finite element, International Journal of Non-Linear Mechanics, 44 (8), 913–922, 2009.
25. Barr, A. D. S., An o of the Hu-Washizu variational principle in linear elasticity for dynamic problems, Journal of Applied Mechanics, 33 (2), 465, 1966.
26. Charney, F. A., Iyer, H. ve Spears, P. W., Computation of major axis shear deformations in wide flange steel girders and columns, Journal of Constructional Steel Research, 61 (11), 1525–1558, 2005.
27. Soydaş, O. ve Sarıtaş, A., Free vibration characteristics of a 3d mixed formulation beam element with forcebased consistent mass matrix, Journal of Vibration and Control, 23 (16), 2635–2655, 2016.
28. Vogel U. ve Maier, D. H., Einflußder Schubweichheit bei der Traglastberechnung räumlicher Systeme, Der Stahlbau, 56 (9), 271–277, 1987.
29. Galambos, T. V., Structural members and frames, Prentice-Hall, New Jersey, USA, 1968.
30. Chiorean, C. G., A computer method for nonlinear inelastic analysis of 3D semi-rigid steel frameworks, Engineering Structures, 31 (12), 3016–3033, 2009.
31. Orbison, J. G., McGuire, W. ve Abel, J. F., Yield surface applications in nonlinear steel frame analysis, Computational Methods in Applied Mechanics and Engineering, 33 (1-3), 557–573, 1982.
32. Liew, J.Y.R., Chen, H. ve Shanmugam, N. E., Inelastic analysis of steel frames with composite beams, Journal of Structural Engineering, 127 (2), 194–202, 2001.
33. Chiorean, C. G., Second Order flexibility-based model for nonlinear inelastic analysis of 3D semi-rigid steel frameworks, Engineering Structures, 136, 547–579, 2017.
34. Truong, V. H., Nguyen, P. C. ve Kim, S. E., An efficient method for optimizing space steel frames with semirigid joints using practical advanced analysis and the micro-genetic algorithm, Journal of Constructional Steel Research, 128, 416–427, 2017.
35. Nguyen, P. C. ve Kim, S. E., An advanced analysis method for three-dimensional steel frames with semirigid connections, Finite Elements in Analysis and Design, 80, 23–32, 2014.
36. Chen, W. F. ve Kishi, N., Semirigid Steel Beam‐to‐ Column Connections: Data Base and Modeling, Journal of Structural Engineering, 115 (1), 105–119, 1989. 37. Vogel, U., Calibrating frames, Stahlbau, 54, 295–301, 1985.
38. Chan, S. L. ve Chui, P. P. T., Non-Linear Static and Cyclic Analysis of Steel Frames with Semi-Rigid Connections, Elsevier Science, Oxford, UK, 2000.
39. Iu, C. K. ve Bradford, M. A., Higher-order non-linear analysis of steel structures Part II: Refined plastic hinge formulation, Advanced Steel Construction, 8 (2), 183– 198, 2012.
40. Lui, E. M. ve Chen, W. F., Analysis and behaviour of flexibly-jointed frames, Engineering Structures, 8, (2), 107–118, 1986.
41. SAP2000, Structural Analysis Program CSI Analysis Reference Manual CSI Berkeley, CA, 2017.
42. Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği. 2018.

APA	Özel H, Saritas A (2022). Kiriş-Kolon ve Kolon-Taban Yarı-Rijit bağlantılı çelik yapıların doğrusal olmayan ve titreşim analizleri için çerçeve sonlu elemanı modeli. , 1609 - 1624. 10.17341/gazimmfd.992982
Chicago	Özel Halil Fırat,Saritas Afsin Kiriş-Kolon ve Kolon-Taban Yarı-Rijit bağlantılı çelik yapıların doğrusal olmayan ve titreşim analizleri için çerçeve sonlu elemanı modeli. (2022): 1609 - 1624. 10.17341/gazimmfd.992982
MLA	Özel Halil Fırat,Saritas Afsin Kiriş-Kolon ve Kolon-Taban Yarı-Rijit bağlantılı çelik yapıların doğrusal olmayan ve titreşim analizleri için çerçeve sonlu elemanı modeli. , 2022, ss.1609 - 1624. 10.17341/gazimmfd.992982
AMA	Özel H,Saritas A Kiriş-Kolon ve Kolon-Taban Yarı-Rijit bağlantılı çelik yapıların doğrusal olmayan ve titreşim analizleri için çerçeve sonlu elemanı modeli. . 2022; 1609 - 1624. 10.17341/gazimmfd.992982
Vancouver	Özel H,Saritas A Kiriş-Kolon ve Kolon-Taban Yarı-Rijit bağlantılı çelik yapıların doğrusal olmayan ve titreşim analizleri için çerçeve sonlu elemanı modeli. . 2022; 1609 - 1624. 10.17341/gazimmfd.992982
IEEE	Özel H,Saritas A "Kiriş-Kolon ve Kolon-Taban Yarı-Rijit bağlantılı çelik yapıların doğrusal olmayan ve titreşim analizleri için çerçeve sonlu elemanı modeli." , ss.1609 - 1624, 2022. 10.17341/gazimmfd.992982
ISNAD	Özel, Halil Fırat - Saritas, Afsin. "Kiriş-Kolon ve Kolon-Taban Yarı-Rijit bağlantılı çelik yapıların doğrusal olmayan ve titreşim analizleri için çerçeve sonlu elemanı modeli". (2022), 1609-1624. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.992982

APA	Özel H, Saritas A (2022). Kiriş-Kolon ve Kolon-Taban Yarı-Rijit bağlantılı çelik yapıların doğrusal olmayan ve titreşim analizleri için çerçeve sonlu elemanı modeli. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 37(3), 1609 - 1624. 10.17341/gazimmfd.992982
Chicago	Özel Halil Fırat,Saritas Afsin Kiriş-Kolon ve Kolon-Taban Yarı-Rijit bağlantılı çelik yapıların doğrusal olmayan ve titreşim analizleri için çerçeve sonlu elemanı modeli. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 37, no.3 (2022): 1609 - 1624. 10.17341/gazimmfd.992982
MLA	Özel Halil Fırat,Saritas Afsin Kiriş-Kolon ve Kolon-Taban Yarı-Rijit bağlantılı çelik yapıların doğrusal olmayan ve titreşim analizleri için çerçeve sonlu elemanı modeli. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, vol.37, no.3, 2022, ss.1609 - 1624. 10.17341/gazimmfd.992982
AMA	Özel H,Saritas A Kiriş-Kolon ve Kolon-Taban Yarı-Rijit bağlantılı çelik yapıların doğrusal olmayan ve titreşim analizleri için çerçeve sonlu elemanı modeli. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2022; 37(3): 1609 - 1624. 10.17341/gazimmfd.992982
Vancouver	Özel H,Saritas A Kiriş-Kolon ve Kolon-Taban Yarı-Rijit bağlantılı çelik yapıların doğrusal olmayan ve titreşim analizleri için çerçeve sonlu elemanı modeli. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2022; 37(3): 1609 - 1624. 10.17341/gazimmfd.992982
IEEE	Özel H,Saritas A "Kiriş-Kolon ve Kolon-Taban Yarı-Rijit bağlantılı çelik yapıların doğrusal olmayan ve titreşim analizleri için çerçeve sonlu elemanı modeli." Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 37, ss.1609 - 1624, 2022. 10.17341/gazimmfd.992982
ISNAD	Özel, Halil Fırat - Saritas, Afsin. "Kiriş-Kolon ve Kolon-Taban Yarı-Rijit bağlantılı çelik yapıların doğrusal olmayan ve titreşim analizleri için çerçeve sonlu elemanı modeli". Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 37/3 (2022), 1609-1624. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.992982