Effect of column-beam moment capacity ratios on the frame plastic failure mechanism

Abstract

The strong-column weak-beam design ratio plays a crucial rule to design the structures particularly for high seismic region. Interestingly, the ratio to be used is still under spotlight for research. Observations and analytical studies have demonstrated that the ratio's effectiveness varies with some parameters. One of these parameters is the number of stories in a building. The failure mechanism of the structures depends on this ratio and the design ratio efficiency seems to change as building's stories increases. This efficiency also seem to saturate at a point depending on number of stories. In this study, three case studies have been assessed and analyzed. Each case study contains three reinforced concrete frames with different strong-column weak-beam design ratios that varies from 1.2 to 3.0. For each case study, the design ratios are ranged into three parts: (i) ratios between 1.2 to 1.5; (ii) ratios between 1.5 to 2.0; (iii) ratios between 2.0 to 3.0. The Turkish Earthquake Regulation (2018) has been utilized for the design procedures. The pushover and time-history analysis of frames were performed using OpenSees software framework (McKenna et al., 2010). Columns have been modeled with fiber sections and the beams have been modeled with concentrated rotational springs at the ends. Both members are accepted to be linear in between. The plastic hinge occurrence at the end of members were monitored to observe the frames' failure mechanism.

Güçlü kolon zayıf kiriş tasarım oranı, özellikle yüksek sismik bölgelerdeki yapıların tasarlanmasında çok önemli bir rol oynamasına rağmen kullanılacak değerin büyüklüğü araştırmacılar için hala bir araştırma konusudur. Gözlemler ve analitik çalışmalar, oranın göçme mekanizmasına etkisinin bazı değişkenlerden etkilendiğini göstermiştir. Bu değişkenlerden biri de binaların kat sayısıdır. Yapıların göçme mekanizma şeklinin bu orandan etkilendiği görülmekte ve bina kat sayısı arttıkça kulanılan tasarım oranının veriminin de değiştiği gözlenmektedir. Katsayıdaki artışa bağlı iyileşmenin kat sayısına bağlı olarak bir noktada doyuma ulaştığı ayrıca gözlenmektedir. Bu tez kapsamında üç tip çerçeve tasarlanmış ve değerlendirilmiştir. Her çerçeve, 1.2 ila 3.0 arasında değişen farklı güçlü-kolon zayıf-kiriş tasarım oranlarına sahip üç tip çerçeve içermektedir. Her tip için tasarım oranları (i) 1.2 ile 15, (ii) 1.5 ila 2.0, (iii) 2.0 ila 3.0 değerlerine sahiptir. Çerçeve tasarımları Türk Deprem Yönetmeliğine (2018) uygun gerçekleştirilmiştir. Çerçevelerin itme ve zaman tanım alanında analizleri, OpenSees (McKenna et al., 2010) yazılım çerçevesi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elemanların doğrusal olmayan davranışı kolonlarda eleman uçlarında fiber kesitler, kirişler de ise yine eleman uçlarındaki doğrusal olmayan eğilme yayları ile modellenmiştir. Her iki elemanda yaylar rasındaki bölgede elastik kabul edilmiştir. Çerçevelerin göçme mekanizmaları elemanların uçlarındaki plastik mafsal oluşumları izlenerek tanımlanmıştır.