İçi beton dolu çift cidarlı çelik tüplerin (CFDST) eksenel basınç altında deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of concrete filled double skin steel tubes (CFDSTs) under axial compression
Yazar: BERİKA CEREN CİHAN YILMAZ
Danışman: PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Mimarlık = Architecture ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Eksenel basınç = Axial pressure ; Çelik kolonlar = Steel columns ; Çelik tüpler = Steel tubes

Özet:
Kompozit yapı elemanları ve özellikle çelik–beton/betonarme kompozit kolonlar günümüzde çok katlı iskeletli yapılarda, bilinen üstün özellikleri nedeniyle, sıkça kullanılmaktadır. Kompozit yapı elemanı çelik, beton/betonarme, FRP gibi birden fazla malzemenin bir araya getirilmesiyle oluşur ve yapısal davranış özellikleri/performansları oldukça arttırılmış bir elemana dönüşürler. Çok katlı yapılar ve köprü ayaklarında kompozit kolonların kullanımı yüksek dayanım, göreceli olarak daha küçük kesit geometrileri, deprem yükleri altında üst düzey davranış, süneklik gibi üstünlükler sunmaktadır. Çelik-betonarme kompozit kolonların betonarme ve yalın çelik kolonlara göre bir çok önemli yapısal üstünlüğü bulunmaktadır. Çelik çekme kuvveti, beton/betonarme basınç yükleri altında yüksek dayanım gösteren bir yapı malzemesi iken, çelikbetonarme kompozit kolonlar her iki malzemenin de yapısal özelliklerini taşıyarak daha yüksek yapısal performans sunmaktadır. Kısa bir geçmişe kadar kutu ya da boru kesitli çelik tüp kolonların gerek dayanım özelliklerinin iyileştirilmesi gerekse yangın dayanımlarının arttırılması için içleri çelik donatılı ya da donatısız olarak beton ile doldurulmaya başlanmıştır. Bu şekilde üretilen kolonlar ile ilgili olarak pek çok kuramsal ve deneysel çalışma günümüze kadar ulaşmıştır. Son zamanlarda yüksek binalarda mimari gereksinimler ve kiralanabilir alanın arttırılması hedefleri nedenleriyle kolonlarda kesit boyutlarının sınırlandırılmasına koşut olarak iç içe tüplerin kullanımı gündeme gelmiş, bu tür kolonların davranışının incelenmesi bu alanda çalışanlar için ana araştırma konularından biri olmuştur. Böylece, taşıma kapasitesindeki önemli artışların yanı sıra yangın sorununa da daha iyi bir çözüm getirilmiştir. Çift cidarlı olarak oluşturulan bu tür kolonların iç ve dış tüpler arasında kalan bölümlerinin beton ile doldurulması çoğunlukla yeterlidir. Literatürde içi beton dolu çift cidarlı çelik tüp kolonların (CFDST) eksenel basınç altındaki davranışlarını bir çok parametre kapsamında inceleyen sınırlı sayıda deneysel ve sayısal çalışmalar bulunmaktadır. Bu parametrelerden doluluk-boşluk oranının CFDST kolonların basınç dayanımına olan etkisine dair kesin bir sonuca varılamadığı görülmüştür. Lif katkıların betonun basınç dayanımını önemli derecede etkilediği 
bilinmesine karşın, CFDST kolonlarda lif katkılı beton kulanımını inceleyen çalışmalar sınırlı sayıdadır. Bu çalışmanın özgün yönlerinden biri de seçilen dolulukboşluk oranları ve lif katkılı beton kullanımının CFDST kolonların yapısal 
performansına etkisini incelemektir. CFDST'lerin eksenel basınç altındaki davranışını incelemek amacıyla basınç 
deneylerinde kullanılmak üzere toplam 8 adet numune güncel standartlara göre tasarlanmış, İstanbul Teknik Üniversitesi (İTÜ) Yapı Malzemesi Laboratuvarı'nda üretilmiş ve test edilmiştir. Tasarlanan numuneler 4 gruba ayrılmakta olup 1. grupta içi boş çift cidarlı çelik tüp numuneler (DST), 2. grupta içi referans beton dolu çift cidarlı çelik tüp numuneler (CFDST-R), 3. grupta içi polipropilen lif donatılı beton dolu çift cidarlı çelik tüp numuneler (CFDST-P) ve 4. grupta ise içi çelik tel donatılı beton dolu çift cidarlı çelik tüp numuneler (CFDST-D) bulunmaktadır. Her grupta iki 
adet numune yer almakta olup numunelerden birinin doluluk-boşluk oranı 0.50 diğerinin ise 0.75'tir. Tüm numuneler 300 mm yüksekliğinde ve 170 mm dış çelik tüp çapına sahiptir. Tüm numunelerde kullanılan iç ve dış çelik tüplerin kalınlıkları eşit olup 3.58 mm'dir. Test süresince şekildeğiştirme ölçerler ve yerdeğiştirme ölçerlerden veri toplanmış, elde edilen veriler ile numunelerin yük-şekildeğiştirme ve yükyerdeğiştirme eğrileri elde edilmiştir. Bu eğriler ile numunelerin akma dayanımları, maksimum yük kapasiteleri ve süneklik oranları belirlenmiş ve detaylı bir şekilde açıklanmıştır. Deneylerden önce numunelerin tahmini eksenel yük taşıma kapasiteleri AISC 360-16, EN 1994-1-1, AIJ ve ÇYTHYE-2016 yönetmeliklerinde yer alan bağıntılar ile hesaplanmış, deneysel veriler ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca, numunelerin 
göçme modları karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Doluluk-boşluk oranı ve sandviç beton türü farketmeksizin, içi beton dolu çift cidarlı çelik tüp (CFDST) numunelerin içi boş çift cidarlı çelik tüp (DST) numunelere göre, çok daha yüksek düşey basınç dayanımına sahip olduğu ve daha sünek davranış sergilediği görülmüştür. Çelik tüplerin arasına dökülen sandviç beton, çift cidarlı çelik tüplerin eksenel basınç dayanımını (%35~85.5) ve süneklik oranını (%306~333) önemli ölçüde arttırmaktadır. Ayrıca, doluluk-boşluk oranındaki artışın, çelik tüp enkesit alanının artmasına bağlı olarak, içi boş çift cidarlı çelik tüp (DST) numunelerin eksenel basınç dayanımını %26.9 oranında ve sünekliğini %19.2 oranında arttırdığı görülmektedir. Buna karşın, beton enkesit alanının azalmasına bağlı olarak beton karışımı lifli ya da lifsiz farketmeksizin, doluluk-boşluk oranındaki artışın tüm içi beton dolu çift cidarlı çelik tüp (CFDST) numunelerin eksenel basınç dayanımını %1.28.9 aralığında azalttığı görülmüştür. Buna ek olarak, CFDST numunelerin genel olarak oldukça sünek davranış sergilemelerine karşın doluluk-boşluk oranındaki artışın CFDST'lerin sünekliğini olumsuz etkilediği görülmüştür. Çelik tel ve polipropilen lif donatılı betonların CFDST'lerin eksenel basınç kapasitesine olan etkisi 
incelendiğinde doluluk-boşluk oranı ile doğrudan ilişkili olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Doluluk-boşluk oranı 0.75 olan numunelerde çelik tel ve polipropilen lif donatılı beton kullanımının CFDST'lerin eksenel basınç dayanımına önemli bir etkisinin olmadığı, buna karşın, doluluk-boşluk oranı 0.50 olan numunelerde çelik tel ve polipropilen lif donatılı betonların CFDST'lerin eksenel basınç dayanımını %7.65 oranında arttırdığı görülmüştür. Lif donatılı betonun, doluluk-boşluk oranındaki artışa bağlı olarak azalan beton hacmi nedeniyle, etkisini tam olarak göstermediği düşünülmektedir. Dolulukboşluk oranı farketmeksizin, polipropilen lif donatılı beton dolu numunelerin referans beton ve çelik tel donatılı beton dolu numunelere kıyasla daha sünek davranış sergiledikleri sonucuna ulaşılmıştır. Numunelerin göçme modları incelendiğinde, çelik tüplerin arası beton dolu/boş farketmeksizin, istisnasız tüm numunelerde fil ayağı şeklinde göçme (üst kısımdan itibaren ~%10h) meydana geldiği görülmüştür. DST ve CFDST numunelerin dış çelik tüplerinin burkulma modlarında farklılık görülmezken, DST numunelerin iç çelik tüplerinin dışa doğru, CFDST numunelerin iç çelik tüplerinin ise içe doğru burkulduğu görülmüştür. Bu durum, eksenel basınç etkisindeki betonun yanal genişlemesi ile iç 
çelik tüpte oluşturduğu basınçtan kaynaklanmaktadır. CFDST numunelerin göçme modları karşılaştırıldığında ise tüm numunelerin dış ve iç çelik tüplerinin burkulma modları aynı olmasına karşın, dış çelik tüplerde meydana gelen burkulmaların dolulukboşluk oranına bağlı olarak farklı bölgelerde yoğunlaştığı görülmüştür. Doluluk-boşluk oranı 0.75 olan CFDST'lerin dış tüplerinde meydana gelen burkulmaların genel olarak numunenin üst kısmına yakın bölgelerde (%(2030)h), doluluk-boşluk oranı 0.50 olan numunelerde ise dış tüpte meydana gelen burkulmaların genel olarak numunenin orta kısımlarında (üst kısımdan itibaren %(4060)h) yoğunlaştığı görülmüştür. Bu durumun, doluluk-boşluk oranı arttıkça artan çelik tüp enkesit alanı ile numunelerin daha rijit hale gelmesi ve iç çelik tüpün beton üzerinde oluşturduğu 
sınırlama etkisinin artmasıyla betonun yanal genişlemesinin kısıtlanmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Ayrıca, çelik tüpler ve betonda oluşan deformasyon/hasarların en gerçekçi biçimde anlaşılabilmesi, betonda oluşan çatlakların izlenebilmesi ve beton ile çelik arasındaki ilişkinin gözlemlenebilmesi amacıyla numuneler deney sonrası ikiye kesilmiştir. İkiye kesilen numuneler incelendiğinde, beton ve çelik tüpler arasında göçme bölgeleri (çelik tüplerin 
burkulduğu bölgeler) haricinde boşluk gözlenmemiş olup çelik tüpler ve betonun aderansının iyi olduğu görülmüştür. Referans beton dolu numunelere kıyasla, çelik tüplerin burkulduğu bölgelerde oluşan çelik tüpler ve beton arasındaki boşlukların lif donatılı beton dolu numunelerde daha fazla olduğu görülmüştür. Bu durum, lif donatıların basınç kuvveti etkisiyle agregaların etrafında oluşan çatlak ilerleyişini durdurması dolayısıyla betonun yanal genişlemesini sınırlandırmasından kaynaklanmaktadır. İkiye kesilen numunelerin dış çaplarındaki artış/değişim ve eksenel kısalmaları ölçülmüştür. Artan beton hacmine bağlı olarak, doluluk-boşluk oranı azaldıkça referans beton dolu DST'lerin dış çaplarında meydana gelen genişlemenin arttığı (%5.3) görülmüştür. Polipropilen lif ve çelik tel donatılı beton dolu DST'lerin dış çaplarındaki genişlemeler karşılaştırıldığında ise doluluk-boşluk oranı arttıkça numunelerin daha rijit hale geldiği ve dış çaplarındaki genişlemenin azaldığı (sırası ile %5.3 ve %3) görülmüştür. Bu durum, lif donatıların yüksek beton hacimlerinde daha etkili olması ve betonun yanal genişlemesini sınırlandırması ile açıklanabilir. Numunelerin eksenel kısalmaları karşılaştırıldığında, doluluk-boşluk oranı farketmeksizin referans beton dolu numunelerin lif donatılı beton dolu numunelere göre eksenel yük altında daha fazla deplasman yaptığı görülmektedir. 
Sonuç olarak, lif donatılı betonlar CFDST numunelerin rijitliğini önemli derecede arttırmaktadır.
Tez aşağıdaki bölümlerden meydana gelmektedir:
1. Bölüm'de tezin amacı, motivasyon, kapsam ve yöntem açıklanmıştır.
Parametreler kapsamında incelenen CFDST'ler ile ilgili daha önce yapılmış deneysel ve sayısal çalışmalar 2. Bölüm'de özetlenmiştir.
3. Bölüm numunelerin tasarım parametrelerine, malzeme özeliklerine, malzeme deneylerine, numune üretim sürecine, deney düzeneğinin hazırlanmasına, deney süresince kullanılan ölçüm/veri toplama cihazlarının konumlandırılmasına ve deneysel 
hazırlık sürecinin detaylarına ayrılmıştır.
Eksenel basınç deneyleri süresince yapılan gözlemlere ve elde edilen veriler ile çizilen eğrilerin değerlendirilmesine 4. Bölüm'de yer verilmiştir.
5. Bölüm'de deneylerden elde edilen sonuçlar parametreler kapsamında birbirleri ve yönetmelik bağıntıları yardımıyla yapılan hesaplamalar ile karşılaştırılmıştır.
6. Bölüm'de ise çalışma kapsamında elde edilen sonuçlardan ve gelecekteki olası çalışmalar için önerilerden söz edilmektedir.

Abstract:
Composite structural elements and especially steel-concrete/reinforced concrete composite columns are frequently used in multi-story framed structures due to their superior structural properties. Composite structural elements are formed by combining more than one material such as steel, concrete/reinforced concrete and FRP, and they turn into an element with highly enhanced structural properties/performances. The use of composite columns could find implementation potential in structures such as bridges, high-rise buildings especially located in seismic zones due to their numerous structural advantages over ordinary steel/reinforced concrete columns. Steel-concrete composite columns posses several advantages over reinforced concrete (RC) and steel columns. Composite members combine the strongest properties of both 
steel (high tension capacity) and concrete (high compression capacity). Steelreinforced concrete composite columns offer higher structural performance by carrying the structural properties of both materials. Many theoretical and experimental studies on such columns, so called concrete-filled steel tubes (CFSTs), have been conducted to date. Until a short time ago, steel tube columns with box or pipe sections were filled with concrete, with or without steel reinforcement, in order to improve their strength properties and increase their fire resistance. In order to increase the potential rentable floor area by limiting cross-section dimensions of building columns with smaller cross-sections and higher strength, and to provide a better solution against fire, new generation composite columns composed of tube-in-tube configurations (mostly concrete filled, e.g. double skin steel tubes (CFDSTs)), are proposed. Building columns made with circular concrete-filled double skin steel tubes possess many advantages over other tubular columns due to their superior structural behavior mainly from confinement effect provided by the tubes to the infill concrete. In the literature, there are some experimental and numerical studies examining the behavior of CFDST columns under axial compression within the scope of many parameters such as steel tube thickness, concrete and steel tubes' strengths, slenderness ratio, hollow ratio etc. From these parameters, it was seen that there is no consensus regarding the effect of hollow ratio on the compressive strength of CFDST columns. Investigations reveal that impact of the hollow ratio on the axial performance of the CFDST columns should be further studied especially for buildings in high seismic zones. Besides, although it is known that fiber additives significantly enhance the compressive strength of concrete, studies examining the use of fiber reinforced concrete filled double skin steel tubular columns are rare. One of the unique aspects of this study is to examine the effect of hollow ratio and fiber reinforced concrete on the structural performance of CFDST columns. Within the context of this thesis, a total of 8 circular tubes including 2 DSTs (double 
skin steel tubes without infill) and 6 CFDSTs (concrete-filled double skin steel tubes with various parameters) were tested under axial compression to failure to explore their potential structural benefits. Impact of presence/absence of infill concrete, section's hollow ratio (χ=0.50~0.75), and sandwiched concrete type (plain, polypropylene, and steel fibers added) were the experimental parameters. The designed specimens are divided into 4 groups: first group includes the hollow double skin steel tubes (DST), second group includes the reference concrete filled double skin steel tubes (CFDST-R), third group includes the polypropylene reinforced concrete filled double skin steel tubes (CFDST-P), and fourth group includes steel fiber reinforced concrete filled double skin steel tubes (CFDST-D). There are two specimens in each group and the hollow section ratio of one of the specimens is 0.50 and the other is 0.75. All specimens used a height of 300 mm and an outer steel tube diameter of 170 mm. The diameter-to-thickness ratios of outer and inner tubes (D/t) are 47.5 (D=170 mm), 32.6 (D=114.1 mm), and 21.3 (D=76.1 mm). Thicknesses of the steel tubes were kept as the same to be t=3.58 mm. From the concrete compression tests, compression strengths of plain concrete, concrete with added polypropylene (4.5 kg/m3) and steel fibers (25 kg/m3) were obtained to be 35 MPa, 49 MPa, and 41 MPa, respectively. 
All specimens were manufactured in the laboratory. Special emphasis was paid while cutting the steel tubes into required pieces to maintain the straightness of the specimens and formworks to better provide the axial load concentricity. Outer and inner steel tubes were placed in the specially designed formworks and then concrete was poured between them. After curing procedure as per the standards, an obvious settlement in concrete part occurred on top of the specimens due to water evaporation and the shrinkage. To provide a uniform (i.e. full contact) loading condition over the loading 
surface, these gaps were covered with the epoxy capping. Each specimen was tested axially using a 5000 kN compression test machine with a slow stroke control at a rate of 0.01 mm/sc, such that the local buckling behavior of the specimens could be carefully observed. All specimens were loaded to 80% of their ultimate loads in the descending stage. Axial shortenings of the specimens were measured with four linear variable displacement transducers (LVDTs). Six (two on the 
outer surface of inner steel tube and four on the outer surface of outer steel tube) longitudinal strain gauges were mounted on each specimen's mid-height to measure axial strains. Data gathered from these strain gauges were used to validate LVDT measurements at the early stages of loading. Before testing, outer steel tube's surface of all specimens whitewashed to observe vertical deformations. All experiments were recorded with a video camera and were photographed from different aspects. Each tests took approximately 40~45 minutes. Prior to testing, preliminary capacity calculations are done to estimate the axial load capacities of CFDSTs. To estimate the axial load capacities of CFDSTs, AISC 360-16, EN 1994-1-1, AIJ, and PDACSS-2016 regulations were used to detemine the material properties and calculate the axial load 
carrying capacities of CFDSTs. Design formulas proposed in AISC 360-16 and EC-4 give very good predictions of the ultimate strengths of circular DSTs and CFDSTs. The maximum error is within 13%. In the axial load tests, effect of presence/absence of infill concrete, hollow ratio, and sandwiched concrete type as well as failure modes are explained for each specimen in detail. Axial load-displacement graphs are obtained based on the experimental data gathered from the specimens. Each specimen's axial load-displacement curves were compared and results were explained. Typical failure modes of the specimens are elephant's foot and local buckling failures as expected. There were no obvious transversal deformations for all specimens before their yielding loads except for vertical deformations. When the load has reached the yield point, whitewash flaking was observed around the top yielded portions of the specimens. After reaching the 
maximum load, specimens start to locally buckle from the top first and this buckling propagates over a limited area. CFDSTs failed by yielding of the cross-section invariably but the observed failure modes are particular to the type of cross section. In CFDSTs with the hollow section ratio of χ =0.75, bulging of inner and outer steel tubes concentrated more towards the top side ((2030)%h from the top) of the specimens. However, the CFDSTs with the χ =0.50 hollow ratio, a typical local buckling occurred around the mid-height region ((4060)%h from the top) which is attributed to better 
confinement of concrete infill. For the DST specimens, the outward buckling occurred in both the inner and outer steel tubes. For the CFDST specimens, the outward buckling was observed in the outer steel tube, while inward buckling appeared in the inner steel tube due to again the confining pressure of the sandwiched concrete. Experimental results show that, independent of the concrete composition (i.e. with or without fibers) and hollow section ratio, concrete infill has significantly improved axial strength (up to 85.5%) and ductility (up to 333%) by delaying local buckling. 
Besides that, in DST specimens, increasing the hollow ratio increases both the axial load capacity (26.9%) and ductility (19.2%) mainly from larger steel cross-section areas used. Independent of the hollow ratio, computed ductility values from the tested CFDST specimens are larger than the DST specimens. This reveals that the sandwiched concrete could enhance the ductility by its confinement effect. Independent of the fiber reinforced concrete composition, the higher value of the hollow ratio has a slight reducing effect on the axial load carrying capacity of the CFDST specimens due to decreasing cross-sectional area of the sandwiched concrete. It was found that when plain concrete, polypropylene, and steel fiber reinforced concrete filled CFDSTs with χ=0.50 are compared with the counterparts having χ=0.75, increasing the hollow ratio slightly decreases the maximum axial strengths of the specimens (1.2%, 4.9%, and 8.9%, respectively). It is recognized that the higher the hollow ratio, the higher the ductility ratio of the plain and steel fiber reinforced concrete filled DSTs (8% and 49%, respectively). On the contrary, higher hollow ratio reduces ductility of the polypropylene reinforced concrete filled DST specimens (43.5%) due to relatively rapid degradation of the specimen capacity. It is seen that fiber (both steel and polypropylene) reinforced concrete filled CFDSTs have slightly 
more axial load carrying capacities (7.65%). CFDST-R-75 and CFDST-D-75 specimens behaved more ductile than their counterparts with χ=0.50. After the tests, the specimens were cut in half to better observe the local deformations 
of the inner steel tube and concrete and to get an idea on steel tubes-sandwiched concrete relation. Vertical cut surfaces of the specimens show that, concrete worked well with the steel tubes in general, no gap appeared between the concrete and tubes except for the failure regions where highly inelastic behavior is observed. When the sandwiched concrete is subjected to the axial load, aggregates squeeze until discontinuity limit. With the point of discontinuity, cracks start to form around the aggregates and combine till the limit of dissociation. With the expansion of cracks 
after the point of dissociation, concrete starts to expand laterally. Concrete expansion cause the inner steel tube inward buckling. This mechanism also occurs in the specimens with fiber reinforced concrete but this time fibers restrict the cracks' progress in concrete which means complicate the reaching of dissociation limit. This behavioral features explain that fiber reinforced concretes have higher axial compression capacities. Gaps/voids between the sandwiched concrete and steel material occurred around the buckling locations of inner and outer steel tubes. In 
comparison to plain concrete filled specimens, polypropylene and steel fiber reinforced concrete filled specimens have larger gaps in steel tubes' buckling locations. This is because added fibers prevent the concrete's movement into buckling locations. Regardless of hollow section ratio and concrete type, lateral expansion and axial shortenings of the reference CFDSTs are higher than fiber reinforced concrete filled specimens. It can be concluded that addition of fibers into concrete restrains the concrete expansion under axial loads and also significantly increases the rigidity of the 
CFDSTs. Outline of the thesis chapters are given below: 
In Chapter 1, motivation, scope, and research approach of the thesis are explained. Within the context of the design parameters followed, both experimental and theoretical previous works on CFDSTs are summarized 
in Chapter 2. Chapter 3 is devoted to the design parameters of the specimens, material properties, material tests, production of the specimens, test set-up, instrumentation and data acquisition system, and other details of testing preparations. Observations and evaluations of experimentally obtained behavioral curves are given in Chapter 4. 
Chapter 5 compares results obtained from the tests conducted in this thesis and analytical equations proposed in some current structural regulations. Results obtained from this thesis are summarized in Chapter 6. Also, recommendations for potential future work are discussed.