Öngerme halatlı kompozit kirişlerin yapısal davranışının incelenmesi
Investigation of structural behavior of composite beams with prestressing strand
Yazar: YUSUF ÖZTÜRK
Danışman: DOÇ. DR. İLYAS DEVRAN ÇELİK
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Son yıllarda yüksek katlı binalarda ve köprü türü yapılarda ekonomik olmasından dolayı çelik-beton kompozit kirişlerin kullanılması artış göstermiştir. Tasarımcılar tarafından beton basınç dayanımı yüksek çekme dayanımı düşük bir malzeme olarak kabul edilmektedir. Yapısal çeliğin ise çekme ve basınç etkisi altında benzer davranış göstereceği düşünülmektedir. Ancak, basınç etkisi altındaki çelik kirişlerde yerel burkulma problemleri görülebilmektedir. Bu nedenler, tasarımcıları beton ve çelik malzemenin birlikte tasarlandığı kompozit kesitli kirişlere yönlendirmektedir. Kompozit kesitli kirişler, betonarme döşemenin basınç etkisinde yapısal çelik kirişin ise çekme etkisinde çalıştırılması ile betonarme yapılara göre daha hafif yapı tasarımına imkân sağlamaktadırlar. Bu hafiflik sayesinde, daha geniş açıklıklar daha az kiriş yüksekliği ile geçilebilmektedir. Ancak, beton ve çelik gibi iki farklı malzeme kullanılarak oluşturulan kompozit kesitin verimli çalışabilmesi için beton tabliye ve çelik kiriş arasındaki yük aktarımının sağlanması gereklidir. Kompozit kirişlerde beton tabliye ile çelik kiriş arasındaki yük aktarımı kayma çivileri ile sağlanmaktadır. Kiriş boyunca kullanılacak kayma çivisi sayısı kompozit kirişin kesme bağlantı derecesini ve buna bağlı olarak yapısal davranışını değiştirmektedir. Kompozit kirişlerde beton ezilmesi, boyuna kesme, kayma çivisi kopması gibi farklı göçme durumları oluşabilmektedir. Bu göçme durumları tasarım aşamalarında eleman boyutlarının ve malzeme özelliklerinin seçimine göre değişkenlik göstermektedir.

Çelik-beton kompozit kirişler farklı malzemelerin bir arada çalıştırılarak ekonomik kesitler elde edilebilmesine olanak sağlamaktadır. Bu ekonomik kesitlere öngerme halatı eklenerek daha verimli kesitler elde edilebilmektedir. Ancak, zaten birçok elemanın bir araya getirilmesinden dolayı farklı göçme durumlarına sahip olan çelik-beton kompozit kirişlere öngerme halatı eklendiğinde kompozit kirişlerin göçme durumlarında da değişiklikler meydana gelmektedir. Öngerme halatlı çelik-beton kompozit kirişlerin geleneksel çelik-beton kompozit kirişlere kıyasla yapısal davranışındaki bu değişiklikleri belirleyebilmek amacıyla bu tez çalışmasında sonlu eleman analizlerine dayanan detaylı bir çalışma yürütülmüştür. Sonlu eleman modelleri oluşturulurken malzeme hasar parametreleri dikkate alınmıştır ve doğrusal olmayan statik analizler gerçekleştirilmiştir. Sonlu eleman modellerinin oluşturulmasında kullanılan modelleme tekniği, literatürde kabul görmüş 2 adet deneysel çalışma ile doğrulanmıştır. 

Doğrulanan modelleme tekniği ile öngerme halatlı kompozit kirişlerin yapısal davranışını ve kapasitesini etkileyebilecek etkin boyutsal parametreleri (halat yerleşimi, enine donatı yerleşimi, bağlantı derecesi, ardgerme oranı) belirleyebilmek için sonlu eleman modelleri oluşturulmuştur. Oluşturulan sonlu eleman modelleri 4 noktalı eğilme için analiz edilmiştir. Analiz sonuçlarında, enine donatılar kayma çivilerinin arkasında konumlandırılırsa boyuna kesme davraşının iyileştirilebileceği bulunmuştur. Açıklık ortasında çekme bölgesine yerleştirilen öngerme halatının beton tabliyede sıkıştırma etkisi oluşturarak beton ezilme hasarını daha erken oluşturduğu tespit edilmiştir. Öngerme halatlı kompozit kirişler için etkin halat yerleşimi, donatı yerleşimi ve bağlantı derecesi belirlenmiştir. 

Etkin boyutlar belirlendikten sonra parametrik çalışma için 600 adet sonlu eleman modeli analiz edilmiştir. Analiz sonuçlarında, malzeme hasar parametreleri detaylı incelenerek göçme durumlarına ait veriler elde edilmiştir.  Elde edilen veriler kullanılarak öngerme halatlı kompozit kirişlerin kapasitesini 3 boyutlu modellemeye ihtiyaç duymadan hesaplanabilmesine olanak sağlayan denklem önerisinde bulunulmuştur.

Abstract:
In recent years, the use of steel-concrete composite beams in high-rise buildings and bridge type structures has increased due to its economic cost. Concrete is considered by designers as a material with high compressive strength and low tensile strength. Structural steel is thought to show similar behavior under tensile and compressive effects. However, local buckling problems can be observed in steel beams under compression. These reasons lead designers to composite section beams where concrete and steel materials are used together in design. Composite section beams allow the design of lighter structures compared to reinforced concrete structures by operating the reinforced concrete slab in compression and the structural steel beam in tension. Thanks to this lightness, wider spans can be crossed with less beam height. However, load transfer between the concrete deck and the steel beam must be ensured in order for the composite section formed by using two different materials such as concrete and steel to work efficiently. In composite beams, the load transfer between the concrete deck and the steel beam is provided by shear nails. The number of shear nails to be used along the beam changes the shear connection degree of the composite beam and accordingly its structural behavior. Different collapse conditions such as concrete crushing, longitudinal shear, shear nail rupture can occur in composite beams. These failure modes vary according to the selection of element dimensions and material properties during the design stages.

Steel-concrete composite beams allow economical sections to be obtained by combining different materials. By adding prestressing strands to these economical sections, more efficient sections can be obtained. However, when prestressing is added to steel-concrete composite beams, which already have different collapse conditions due to the combination of many elements, changes occur in the collapse conditions of the composite beams. In order to determine these changes in the structural behavior of prestressed steel-concrete composite beams compared to conventional steel-concrete composite beams, a detailed study based on finite element analysis was carried out in this thesis. The material damage parameters were considered while constructing the finite element models and nonlinear static analyses were performed. The modeling technique used in the creation of finite element models has been validated with 2 experimental studies accepted in the literature. 

With the validated modeling technique, finite element models were created to determine the effective dimensional parameters (rope placement, transverse reinforcement placement, connection degree, post-tensioning ratio) that can affect the structural behavior and capacity of prestressed composite beams. The finite element models were analyzed for 4-point bending. In the analysis results, it was found that the longitudinal shear behavior can be improved if the transverse reinforcement is located behind the shear nails. It was found that the prestressing strand placed in the tension zone in the center of the span created a compression effect on the concrete deck and caused concrete crushing damage earlier. Effective rope placement, reinforcement placement and connection degree were determined for prestressed composite beams. 

After determining the effective dimensions, 600 finite element models were analyzed for parametric study. In the analysis results, material damage parameters were analyzed in detail and data on collapse conditions were obtained.  Using the obtained data, an equation is proposed to calculate the capacity of prestressed composite beams without the need for 3D modeling.