Eksenel basınç kuvveti ve eğilme momentinin bileşik etkisi altındaki kafes örgü elemanlı iki parçalı basınç elemanları
Built-up compression members composed of two shapes interconnected by lacing bars under combined axial compression and flexure
Yazar: HÜSEYİN GAZİ AYDOĞAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ CÜNEYT VATANSEVER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Günümüzde endüstri yapılarının tasarımında büyük açıklıkların geçilmesi kaçınılmaz olmaktadır. Çelik yapılarda gördüğümüz bu geniş açıklıklar genellikle kafes kiriş sistemler kullanılarak geçilmektedir. Büyük açıklıkların olması durumunda, her bir kolon tarafından paylaşılan düşey yük değeri de yapının kullanım amacına bağlı olarak büyük değerlere ulaşabilmektedir. Bununla birlikte, yatay kuvvetler (deprem ve rüzgâr etkileri) altında oluşan etkiler de düşey yük ile birlikte yeterli dayanım ve rijitliğe sahip kolonlar tarafından güvenle aktarılabilmelidir. Basınç kuvvetinin büyük olduğu durumlarda dolu gövdeli hadde profillerinin kullanılması halinde, genel olarak zayıf eksen etrafındaki eğilmeli burkulma sınır durumu mevcut dayanımın belirlenmesinde etkin olmaktadır. Bu nedenle, iki adet profilin örgü elemanları ve bağ levhaları kullanılarak birleştirilmesiyle elde edilen yapma enkesitli kolonlar, daha ekonomik çözümler sağlayabilmektedir.
Yapma enkesitli kolonlar, ekonomik olması ve büyük basınç kuvveti dayanımına sahip olmaları nedeniyle, genellikle büyük düşey yük etkisindeki elemanların enkesitleri olarak kullanılmaktadır. Özellikle kren kirişini taşıyan yapı cephesindeki yapma enkesitli kolonlar, deprem ve rüzgârın oluşturduğu etkiler nedeniyle, eksenel basınç kuvvetleri ile eğilme momentinin ortak etkisi altında kalmaktadır. Bu kolonlar, profillerin birbirlerine bağ levhası veya kafes örgü elemanları ile bağlanmasına göre iki farklı tipe sahiptir.
ÇYTHYE 2018 Yönetmeliği'ne göre yapma enkesitli kolonlar, en az iki uçta bağ levhalarının kullanıldığı örgü elemanları ile sadece eksenel basınç kuvveti etkisi altında boyutlandırılabilmektedir. Ancak deprem ve rüzgârın yatay etkileri altında bu tür kolonların, eksenel kuvvetler ile eğilme momentinin ortak etkisi altında boyutlandırılması gerekmektedir. Henüz ÇYTHYE 2018 Yönetmeliği bu ortak etki için tasarım esaslarını içermemektedir.
Bu çalışma kapsamında, eksenel basınç kuvveti ve eğilme momentinin ortak etkisi altındaki yapma enkesitli elemanlar için tasarım esasları içeren Eurocode 3 (EC 3) ve Çin Çelik Yapılar Yönetmeliği (GB 50017 – 2003) incelenerek, bu dokümanlardaki tasarım yaklaşımları araştırılmış ve ÇYTHYE 2018 Yönetmeliği Bölüm 8 kapsamında yer alacak şekilde değerlendirilmek üzere, esasları EC 3'e dayanan bir tasarım yaklaşımı sunulmuştur. 
Tasarım yaklaşımları, sonlu eleman modelleri kullanılarak da değerlendirilmiştir. Bu değerlendirme sonucunda, EC 3'te verilen tasarım esaslarının sonuçları ile sonlu eleman analizlerinin sonuçlarının yeterince uyumlu olduğu görülmüştür. Bu inceleme kapsamında iki ucu mafsallı bir kolon ile bir konsol kolonun sonlu eleman modelleri kullanılmıştır. Esas alınan tasarım yaklaşımının uygulama adımları, ÇYTHYE 2018 Yönetmeliği gözetilerek düzenlenmiş ve bir öneri olarak sunulmuştur. Önerilen tasarım yaklaşımı örnek bir kolon üzerinde ayrıca değerlendirilmiştir.
Çalışma kapsamında, bir tasarım yaklaşımının önerilmesinin yanı sıra, kafes örgü elemanlı yapma enkesitli kolonların tekrarlı tersinir yatay yükler altındaki davranışları da farklı parametreler esas alınarak araştırılmıştır. Bu parametreler, eksenel basınç kuvveti seviyesi, örgü elemanlarının düşey eksenle yaptığı açı ve bağ levhalarının yüksekliği olarak belirlenmiştir. Yapma enkesitli tipik elemanların tekrarlı tersinir yatay yükler altında davranışları, her bir parametre için süneklik, dayanım ve rijitlik, enerji sönümleme kapasitesi ve göçme modu açısından değerlendirilmektedir.
Yapma enkesitli kolonların sabit düşey yük ve tekrarlı tersinir yatay yüklerin ortak etkisinde davranışlarının araştırılabilmesi amacıyla, ilk olarak sonlu eleman modeli için doğrulama çalışması gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada yapma enkesitli kolonların deneysel sonuçlarını içeren yayınlardan yararlanılmıştır. Yapısal çeliğin tekrarlı yükler altında malzeme olarak davranış modeli, deneysel sonuçlar ile sonlu eleman analizlerinin sonuçları karşılaştırılarak oluşturulmuştur. Sonuçlar arasındaki uyum, malzeme davranışı tanımındaki ilgili parametrelerin uygun şekilde seçilmesi ile sağlanmıştır.
Yapma enkesitli kolonların tekrarlı yatay yükler altında davranışlarının araştırılması amacıyla gözönüne alınan parametrelerin etkilerinin inceleneceği üç farklı tipik konsol kolonun geometrik özellikleri ÇYTHYE 2018 Yönetmeliği'ne göre belirlenmiştir. Bu kolonların karakteristik eksenel basınç kuvveti dayanımları için ÇYTHYE 2018 Yönetmeliği esas alınmıştır. Kolonların tasarımı, belirli sabit eksenel basınç kuvveti ile eğilme momentinin ortak etkisi altında gerçekleştirilmiştir. Bu tasarımlar, sonlu eleman modellerinin sonuçlarına göre değerlendirildiğinde önerilen tasarım yaklaşımının uygulanabilir olduğu görülmektedir.
Belirli seviyelerdeki sabit düşey yükler ile tekrarlı tersinir yatay yükler altında gerçekleştirilen doğrusal olmayan analizler sonucunda, düşey yük seviyesi arttıkça süneklik, dayanım ve enerji sönümleme kapasitelerinin azaldığı, başlangıç rijitliğinin değişmediği gözlenmiştir.
Örgü elemanlarının düşey eksenle yaptığı açının 60°'den küçük olduğu sonlu eleman modelinin, süneklik, dayanım, başlangıç rijitliği ve enerji sönümleme kapasitesi bakımından, 60° açıyla yerleştirilen örgü elemanlı model ile benzer bir davranış sergilediği, ancak dayanımın artan yerdeğiştirme ile birlikte daha büyük kayıplar göstererek azaldığı görülmüştür.
Bağ levhalarının yüksekliğinin 100mm olduğu modelin analiz sonuçları değerlendirildiğinde, 200mm yüksekliğindeki bağ levhalarının kullanıldığı modele göre, daha yüksek bir dayanım ve başlangıç rijitliği elde edildiği görülmektedir. Ayrıca benzer bir sünek davranış göstermeleriyle birlikte, enerji sönümleme kapasitesinin arttığı gözlenmektedir. Bu farklılığın tabandaki kısa bağ levhası nedeniyle, taban levhası için kullanılan rijitlik levhalarının, dayanım ve rijitlik ile enerji sönümleme kapasitesine olan katkısından kaynaklanmaktadır.
ÇYTHYE 2018 Yönetmeliği gözetilerek önerilen tasarım yaklaşımı, eksenel kuvvet ile eğilme momentinin ortak etkisi altındaki yapma enkesitli kolonların boyutlandırılmasını kapsamaktadır. Yapma enkesitli bu tür kolonlarda kesme kuvvetleri, kafes örgü elemanlarının eksenel kuvvetleri olarak aktarıldığından, örgü elemanlarının eksenel basınç ve çekme kuvveti dayanımları boyutlandırma aşamasında etkili olmaktadır. 
Sonuç olarak, özellikle örgü elemanları ve bağ levhalarının yerleşim düzenlerinin, yapma enkesitli kolonların doğrusal olmayan davranışına etkileri üzerine deneysel ve nümerik çalışmaların genişletilmesi önerilebilir. Ayrıca, yapma enkesitli bu tür kolonlar için öngörülen diğer geometrik esasların da benzer sonlu eleman analizleri gerçekleştirilerek incelenmesi önerilmektedir.

Abstract:
Today's design of the industrial buildings involves beams and girders with very long spans. These long spans we see in the steel structures are generally accomplished by using trusses. In case of long spans, load demand that needs to be carried by columns, increases to high values based on the building type. In addition to this, lateral (earthquake and wind effects) and gravitational loads need to be reliably transmitted by columns with sufficient strength and rigidity. In cases where the lateral load is high, the flexural buckling limit state in weak axis would control the strength of I-shape columns. Consequently, build-up I-shape columns using lacing bars and tie plates can provide a more economical solution. 
Due to their economy and high axial load capacities, the built-up columns are used for very high load demands. Especially built-up columns on the facade carrying the crane girder, are under the influence of axial compression forces and flexural moments due to the effects of earthquake and wind. These columns have two different types depending on the main profiles that are connected to each other by tie plate or lacing bars.
The built-up columns according to the Specification of ÇYTHYE 2018 may be designed only under the influence of axial compression forces with lacing bars using tie plates at least on two ends. Nevertheless, under the horizontal effects of earthquake and wind, such columns should be designed under the influence of their flexural moment with axial load. The Specification of ÇYTHYE 2018 does not include any design provision for combination of flexural moment and axial load.
Within the scope of this study, Eurocode 3 (EC 3) and China Steel Structures Regulation (GB 50017 - 2003), which includes design principles for built-up columns lacing bars under combined compression and flexure, have been examined and their design approaches have been researched and in Chapter 8 of the Specification of ÇYTHYE 2018, a design approach based on EC 3 is presented for evaluation.
The design approaches were also evaluated by using finite element models. As a result of this evaluation, it has been seen that the results of the design basis given in EC 3 and the results of the finite element analysis were sufficiently compatible. Within this scope of the study, finite element models of both end pinned column and a cantilever column are used. The implementation steps of the underlying design approach have been prepared and presented as a suggestion, taking into account the Specification of ÇYTHYE 2018. Also, the proposed design approach was evaluated separately on a sample column.
In the scope of work, in addition to proposing a design approach, the behavior of lacing bars built-up columns with cage mesh elements under lateral cyclic loads have also been researched based on different parameters. These parameters are determined as the axial compression force level, the angle of the lacing bars with the vertical axis and the height of the tie plates. The behavior of the typical built-up columns under lateral cyclic loads is evaluated for each parameter in terms of ductility, strength and stiffness, energy absorption capacity and collapse mode.
On the purpose of investigating the behavior of the built-up columns under axial loads and cyclic lateral loads a finite element model has been performed for verification. In this study, publications that contain experimental results of built-up columns were used. 
The hysteresis model as material of structural steel under cyclic loads was determined by comparing the results of experimental results and finite element analysis results. The correlation between the results is provided by selecting the relevant parameters in the material hysteresis definition.
The geometric characteristics of three different typical cantilever columns in which the effects of the parameters taken into consideration in order to investigate the behavior of the built-up columns under lateral cyclic loads are determined according to the Specification of ÇYTHYE 2018. The characteristic axial compression forces of these columns are based on the Specification of ÇYTHYE 2018. 
The design of the columns have been carried out under the influence of certain fixed axial compression forces and flexural moment. When these designs are evaluated according to the results of the finite element models, it has been seen that the proposed design approach is applicable.
As a result of nonlinear analysis performed with constant vertical loads at certain levels with lateral cyclic loads, it has been observed that as the vertical load level increases ductility, strength and energy absorption capacities decreases and the initial rigidity does not change.
The finite element model of which the lacing bars are placed at an angle less than 60° with the vertical axis, behaves similar to the lacing bar placed at 60° angle in terms of ductility, strength, initial rigidity and energy absorption capacity, but it has been observed that the resistance decreases by showing greater losses with increasing displacement.
The comparison between models with 100mm long tie plates and 200mm long tie plates shows that the model with 100mm long tie plates has higher strength and initial rigidity than the other model. Even though two models show similar ductility, the model with 100mm long tie plates presents higher energy absorption capacity. This difference is due to the contribution of the short stiffeners used for the base plate to the strength, initial stiffness and energy dissipation capacity.
The proposed design approach, considering the Specification of ÇYTHYE 2018 involves to be designed built-up columns under combined axial compression and flexure. Shear forces in these built-up columns act like axial forces in the lacing bars, for this reason axial compression and tension capacities of lacing bars are controlling factor in the design process of built-up columns. 
In conclusion, a non-linear effect of lacing and tie bars configuration can be studied using numerical and experimental models. It is also recommended that the other geometric principles can be studied for such built-up columns by performing similar finite element analysis.