Kompozit kolon - betonarme kiriş birleşim noktasının tersinir tekrarlı yükler altındaki davranışının deneysel ve nümerik olarak incelenmesi

Abstract

Çok katlı yapılar kolon ve kirişlerin birbirine bağlanmasıyla oluşan çerçeve sistemler ile teşkil edilmektedir. Kompozit kolon-betonarme kiriş çerçevelerde ise düğüm noktası betonarme kirişin kompozit kolona saplanması ile teşkil edilir ve sismik yüke maruz kalan düğüm noktasındaki beton kırılsa dahi kolon içinde yer alan çelik profil sismik yükün neden olduğu basınç ve çekme yüklerini taşımaya devam eder. Yani kolon içinde gömülü çelik çekirdek kesme kuvvetini karşılayarak süneklik sağlayıp ani göçmeyi engeller. Kompozit kolon-betonarme kiriş birleşimlerinin, betonarme kolon-kiriş bireşimlerine göre hem yük taşıma kapasitesi hem de deformasyon yapma kapasitesi açısından daha iyi davranış sergilemektedir. Kompozit kolon içinde yer alan çelik profil çekirdek deformasyonların çoğunu sönümlemektedir. Artan yükler etkisi altında, çelik profil etrafında yer alan betonun ezilip, yumuşak donatının akmasına rağmen, çelik profil, çekirdek akma mertebesine erişmeyecektir. Bununla beraber kolonda oluşan lokal hasarların (betonda ezilme/yumuşak donatıda akma) düğüm noktasının davranışına etkisi önemlidir ve mertebesinin belirlenmesi gerekmektedir. Tez çalışması iki aşamadan oluşmaktadır. Birinci aşamada deney elemanlarının üretimi gerçekleştirilip ardından bu elemanlar tersinir tekrarlı yüklemelere tabi tutulmuştur. İkinci aşamada ise deney elemanlarının ABAQUS programı ile sonlu elemanlar modelleri (SEM) oluşturulup, doğrusal olmayan yöntemle analizleri yapılmıştır. Sunulan çalışmada, kompozit kolon – betonarme kirişten oluşan birleşim elemanı iç düğüm noktasının analizi için bir yöntem önerilmiştir. Önerilen yöntemde, malzemelerin doğrusal olmayan gerilme - birim şekil değiştirme ilişkileri esas alınmıştır. Ayrıca, betonun basınç ve çekme altındaki deneysel olarak elde edilmiş gerilme – birim şekil değiştirme ilişkileri kullanılmıştır. Çalışma kapsamında beş adet 1/2 ölçekli deney elemanları üretilmiştir. Bir adet betonarme kolon – kiriş birleşimi ve bir adet kompozit kolon – betonarme kiriş birleşimi olmak üzere iki adet referans eleman seçilmiştir. Diğer üç deney elemanında ise kolondan gelen çelik profile ve her iki yönde etriye sıklaştırma bölgesi boyunca kiriş içine 50 cm'e kadar çelik profilin zayıf ve güçlü eksen yönlerine göre kaynatılarak üretilmiştir. Birleşim elemanlarının sonlu elemanlar yöntemiyle analizleri ABAQUS paket programı ile yapılmıştır. Beton malzeme özelliği ve hasar davranışı olarak plastik beton hasar modeli (CDP) kullanılmıştır. Çelik için elasto – plastik malzeme varsayımı yapılmıştır. Sonlu elemanlar mesh yapısı olarak C3D8R eleman özelliği kullanılmıştır. Nümerik analizlerden elde edilen sonuçlar deney sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır.Birleşim bölgesi çelik profillerle güçlendirilen deney elemanlarında plastik mafsal kiriş uçlarından kiriş içine gömülen kısmi çelik profil bitimine yani etriye sıklaştırma bölgesi bitimine ötelenmiştir. Betona gömülü çelik profil kullanımıyla, etkili kesme alanı arttırılmasıyla birleşimin kesme kapasitesi artmıştır.

Multistorey structures are formed by frame systems including connection columns and beams together. In composite column – reinforced concrete frames, the joint is formed by striking the reinforced concrete beam with the composite column and the steel profile in the column continues to carry compression and tensile loads, even if the concrete at the joint is cracked due to seismic load. In other words, the steel core encased in the column carries the shear force by providing ductility and prevents sudden collapse. Composite column – reinforced concrete beam joints behave better than reinforced concrete column – beam joints in terms of both load carrying capacity and deformation capacity. The steel profile core in the composite column mostly damps the deformations. Under the influence of increased loads, the steel profile core will not reach the yielding point, despite the concrete around steel profile is crushed and the longitudinal reinforcement yields. However, these local damage in the column has significant impact on the behavior of the joint, and thus the level of damage must be determined.The thesis work carried out consists of two stages. In the first stage, the frame elements were produced and then these elements were subjected to reversible repeated loads. In the second stage, finite element models (FEM) of the test elements were constructed by the ABAQUS program then the nonlinear analysis was performed.In the present study, a method for analysis of joint which is consisting of composite column–reinforced concrete beam is proposed. In the proposed method, nonlinear stress–strain relationships of materials are taken as basis. Besides, the experimentally obtained stress – strain relationships under compression and tension of the concrete were used.In the scope of the study, five 1/2 scale test elements were produced. Two reference elements were selected including a reinforced concrete column – beam connection and a composite column – reinforced concrete beam connection. The other three test elements were produced by welding the steel profile up to 50 cm in to the beam along the zone in which stirrups are more closely spaced according to weak and strong axes of profile.The finite element analysis of the joint elements was carried out by the ABAQUS package program. Plastic concrete damage model (CDP) was used for defining concrete material property and damage behavior. The steel assumed was to be elasto – plastic material. The C3D8R element feature was used as the finite element mesh structure. The results obtained from the numerical analysis were compared with the experimental results.The plastic hinge was shifted from beam ends to the end portions of the steel profile that is the end of the zone including closely spaced stirrups. By using also steel profile encased in concrete, the shear capacity of joint increased due to higher effective shear area.