CFRP elemanlarla güçlendirilmiş tüp kesitli çelik çaprazların histeretik davranışı
Hysteretic behavior of tubular steel braces retrofitted with CFRP memebers
Yazar: CEM HAYDAROĞLU
Danışman: PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Sismik olarak aktif bölgelerde inşa edilen çelik yapılarda uzun yıllardır yatay yük taşıyıcı sistemi olarak çaprazlı çerçeveler kullanılmaktadır. Tüp kesitli (kutu ya da boru) profillerin çapraz olarak kullanılması, bu profillerin özellikle basınç taşıma kapasitelerinin yüksek olması, üretimlerindeki kolaylık v.b. nedenlerle oldukça yaygındır. Yıkıcı depremler sonrası yapılan incelemelerde tüp çaprazların birçoğunun çekme etkisinde birleşim bölgeleri civarından kopmasına karşın bir bölümünün de çaprazların orta bölgelerinde oluşan yerel burkulmalar sonrasında koptuğu/göçtüğü belirlenmiştir. Bu incelemelere koşut olarak yapılan çalışmalar zayıflatılmış uç kesitlerin çelik plakalarla güçlendirilmesini ve çapraz kesitinin belirli bir yerel narinlikten daha küçük olarak seçilerek yerel narinlik (yerel burkulma) etkisinin azaltılmasını önermiştir. Özellikle mevcut çaprazların zayıflatılmış uç bölgeleri güçlendirilirken şantiyede kaynak prosesi dikkate alınmadan uygulanacak kaynak sonucunda ısıl işlem görmüş (Heat Affected Zone – HAZ) gevrek bölgelerin oluşması kaçınılmazdır. Ayrıca, mevcut yapıların çoğunda tüp çaprazlarda yerel narinlik koşullarına uyulmadığı ve böylece erken yerel burkulma oluşma olasılığı bulunduğu görülmektedir. Buna ek olarak, güncel uluslararası deprem yönetmeliklerinde ve Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik-2007'de yerel narinlik sınırlarına uyulması durumunda, çapraz eleman basınç kapasitesine ulaşana kadar yerel burkulma oluşmaması garanti altına alınmıştır. Buna karşın, yapılan pekçok çalışmada bu sınır değerlere uyulsa bile yön değiştiren tekrarlı yükler altında yerel burkulmanın kaçınılmaz olduğu görülmüştür.
Çelik eğilme elemanlarının güçlendirilmesinde kullanımı pek de yeni olmayan CFRP elemanların çelik çaprazlarda kullanılması ve deneysel olarak incelenmesi sınırlı kalmıştır. Bu çalışmanın özgün yönlerinden biri, bu tür kompozitlerin burkulan elemanlara uygulanması ve böylece olası yerel burkulmanın ya da zayıflatılmış uç kesitten kopmanın geciktirilmesidir.  Böylece, kompakt enkesitli ve genel narinliği yüksek tüp profillerde yalnızca zayıflatılmış uç kesitlerin, genel narinliği düşük ve yerel narinliği yüksek (kompakt olmayan enkesitli) çaprazlarda ise zayıflatılmış uç kesitlerle birlikte açıklık ortası kesitlerin (kritik kesitlerin) bölgesel olarak CFRP elemanlarla güçlendirilmesi önerilmektedir. 
Yalnızca zayıflatılmış kesit güçlendirmesini incelemek için 5 adet kutu enkesitli numune ve zayıflatılmış kesit ile yerel burkulma bölgesi güçlendirmelerini incelemek için ise yerel olarak narin 12 adet kutu ve 3 adet boru enkesitli numune olmak üzere toplam 20 adet gerçeğe yakın ölçekli numune AISC yönetmeliklerine göre tasarlanmış ve üretilmişlerdir. Üretilen tüp çaprazlar, İ.T.Ü. İnşaat Fakültesi Yapı ve Deprem Mühendisliği Laboratuvarı'nda bu tez için özel olarak tasarlanmış çok amaçlı deney düzeneğinde kopmaya ulaşıncaya kadar denenmişlerdir. Numuneler yedi gruba ayrılmış olup bu grupların altısında üç adet numune, yalnızca birinde ise iki adet numune yer almıştır. Her grupta bir numune kontrol (yalın, güçlendirilmemiş) numunesi olarak tasarlanmıştır. Maksimum 250kN çekme ve itme kapasiteli, toplam ±300mm yerdeğiştirme uygulayabilen hidrolik veren ile numunelere çekme ve basınç kuvvetleri, akmadan önce ve sonra yereğiştirme kontrollü olarak uygulanmıştır. Numunelerden on sekiz adedi ATC-24 (1992)'te verilen yön değiştiren tekrarlı yükleme ve iki adedi ise SAC/BD-00/10 (Krawinkler ve diğ., 2000) yakın fay etkisi yükleme protokolleri kriterlerine uygun olarak denenmişlerdir. Numunelerin üretildiği çelik malzemelerin mekanik özelliklerini tam olarak belirleyebilmek için çok sayıda çekme deneyi numunesi öngörülen ASTM-A370-08a (2008) standardına uygun boyutlarda hazırlanmıştır. Malzeme deneylerinden elde edilen sonuçlara göre hesaplar tekrarlanarak numunelerin akma noktaları belirlenmiştir.
Önerilen güçlendirme yöntemi, varolan literatür incelendiğinde bölgesel olması açısından özgünlüğünü korumaktadır. Deneyler sonucunda elde edilen veriler ışığında yerel narinliği 14 ila 17 arasında olan kutu kesitli çaprazların kopma ile yakından ilişkili tanımlanmış toplam yatay yerdeğiştirmeleri (TTYY) ve yerdeğiştirme sünekliklerinin zayıflatılmış uç ve orta bölgelerinde CFRP elemanlarla yapılacak bölgesel güçlendirmeler ile etkili bir biçimde arttırılabileceği görülmüştür. Yerel narinliği 14'ten küçük olan numunelerde uç zayıflatılmış kesit bölgeleri daha kritik rol oynadığından bu çaprazlarda yalnızca zayıflatılmış uç bölgelerin CFRP ile güçlendirilmesi, çaprazın TTYY'sine ve yerdeğiştirme sünekliğine katkı sağlamaktadır. Çaprazın orta bölgesi için önerilen güçlendirme; en az çaprazın temiz uzunluğunun üçte biri boyunda ve en az iki kat CFRP kumaş sargının uygulanmasıdır; CRFP kumaşın lifleri sargı yönünde olmalıdır. Zayıflatılmış uç bölgeler için ise, güvenlik faktörü en az 2 alınarak hesaplanan yapışma dayanımına ve yük taşıma kapasitesine sahip CFRP plakaların zayıflatılmış kesitin iki yanına uygulanması ve çapraz içine doğru olan bölgesinin aderansı arttırmak amacıyla en az 2 kat CFRP kumaş ile sarılması önerilmektedir. Yerel narinliğin 20 ve daha fazla olduğu çaprazlarda orta bölgeye yapılan güçlendirmenin TTYY'ye katkı sağlamadığı, 17 ila 20 arasında etkinliğin düştüğü belirlenmiştir. Yükleme protokolü hem çaprazın genel davranışı hem de güçlendirmenin etkinliği üzerinde oldukça söz sahibidir. Yakın fay yükleme protokolü etkisinde yerel güçlendirmenin etkisiz olduğu görülmüştür. Ayrıca, çelik çaprazların yön değiştiren tekrarlı yükleme etkisindeki karmaşık olan histeretik davranışlarının daha iyi anlaşılabilmesine katkı sağlamak amacıyla iki adet yalın numune ABAQUS 6.14 programı kullanılarak gerçeğe yakın olarak modellenmiş ve analiz edilmiştir. Bu kuramsal çalışma sonunda kararlı çapraz histeretik davranışına ulaşılmış ve deney sonuçlarıyla karşılaştırılarak kopmanın modellenmesi dışında oldukça benzer oldukları görülmüştür. Çalışmanın ana bölümlerinin kapsamı aşağıda özetlenmiştir:
Birinci Bölüm'de çalışmanın amacı, konusu, kapsamından söz edilerek kullanılan yöntemler hakkında bilgiler verilmiştir.
Çaprazların karmaşık histeretik davranışları ve CFRP elemanların çelikle birlikte kullanılmasındaki mevcut durumun anlaşılması amacıyla önceki çalışmalar İkinci Bölüm'de aktarılmıştır. Ayrıca, güncel yönetmeliklerde tüp çaprazların tasarımıyla ilgili verilen kurallar özetlenmiştir.
Üçüncü Bölüm'de bu çalışma için özel olarak tasarlanan L-biçimli çelik yükleme çerçevesinin tasarımı ve stabilitesinin sağlanmasıyla ilgili detaylar verilmiştir. Numunelerin kupon testleri, tasarımı, üretilmesi, CFRP ile güçlendirilmesi ve deney ölçüm düzeneği üzerinde detaylı olarak durulmuştur.
Deneylerde kullanılan yükleme protokolleri, numunelerin gerçek malzeme özellikleri dikkate alınarak yapılan itme analizlerinden elde edilen sonuçlar Dördüncü Bölüm'de verilmiştir. Ayrıca, herbir numunenin deney gözlemleri detaylı olarak sunulmuştur.
Bölüm 5'te ise çapraz numunelerin deneylerinin değerlendirilmesi için göz önüne alınacak performans kriterleri açıklanmıştır. Buna ek olarak deney sonuçları her numune grubu içinde incelenerek kapsamlı karşılaştırmalar yapılmıştır.
Deney sonuçlarının karşılaştırılmasından elde edilen çıkarımlar Bölüm 6'da verilmiştir.
Yedinci Bölüm'de kuramsal çalışmanın detaylarına yer verilerek sonlu eleman (FEM) modeli ve yapılan varsayımlar detaylı olarak aktarılmıştır. Ayrıca, analizi tamamlanan numunelerin deneysel ve sonlu eleman analizi sonunda elde edilen histeretik eğrilerinin karşılaştırılması verilerek değerlendirilmesi yapılmıştır.
Son bölüm olan Sekizinci Bölüm'de elde edilen genel sonuçlar değerlendirilerek sonraki araştırmacılar için önerilerde bulunulmuştur.
Deneysel sonuçlar, tüp çaprazların kümülatif enerji yutma kapasiteleri ve TTYY'lerinin, CFRP elemanlarla yapılan bölgesel güçlendirmeyle arttırılabileceğini göstermiştir. Üretilen tüp kesitli numunelerin belirli narinlik sınırı altında kalınması koşuluyla sünekliklerinde belirgin artış olabileceği ve buna bağlı olarak tükettikleri histeretik enerjinin de artacağı belirlenmiştir. Önerilen güçlendirme yönteminin mevcut tüp çaprazlı çelik binaların güçlendirilmesinde davranışın iyileştirilmesi bakımından etkin rol oynamanın yanında uygulamaya getirdiği kolaylık ile önemli üstünlük ve ekonomi sağlayacağı görülmüştür.

Abstract:
Steel braced frames have been used in structures located in seismic regions for many decades. Use of tubular sections (box or pipe) in structures as braces is widespread in construction industry due to their high compression capacity and ease of production. Reconnaissance investigations carried out following destructive earthquakes showed that most tubular braces failed from net sections of end connections under tension effects while some of them failed at mid-sections due to local buckling under repeated compression forces. In parallel with these findings, many previous studies suggest to retrofit net sections of tubular braces using steel plates and to decrease local buckling effects by selecting sections having local slenderness less than a certain limit. Specifically, brittle heat affected zones (HAZ) occur inevitably when existing tubular braces are retrofitted with on-site welded steel plates mainly due to inappropriate welding process. In addition, tubular braces in most of the existing older structures do not meet local slenderness requirements, leading to possibility of early local buckling. Moreover, updated international seismic codes and Specification for Buildings to be Built in Seismic Zones-2007 state that brace members shall never suffer from local buckling until the braces reach their axial compression capacities, given that brace sections meet local slenderness limits. However, many studies have indicated that  even when these limit values were met, local buckling was inevitable under reversed cyclic loading.
Application of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites in steel bracings and their experimental investigations have been somewhat limited when compared to their use on steel bending members. One of the original aspects of this work is the application of such composite materials to buckling of compression members, and thus to delay possible local buckling and fracture from net sections. Consequently, only net section reinforcement for compact and slender tubular sections and, local reinforcements at mid-section and net section for noncompact and stocky braces are recommended.
A total of 20 specimens was designed per AISC codes and produced; 5 specimens (box section) to investigate only net section reinforcements, 12 specimens (box section) and 3 specimens (pipe section) to investigate reinforcements of net sections and local buckling region were tested until fracture at Structural and Earthquake Engineering Laboratory (STEEL) of Istanbul Technical University (ITU) using a test set-up specially designed for this study. Specimens were divided into 7 groups of 3, only one group containing 2 specimens. Each group had one reference (unretrofitted or bare) specimen. Tension and compression forces were applied to all specimens with displacement controlled loading histories using a hydraulic actuator having a tension and compression capacities of 250 kN, and a total displacement capacity of ±300 mm. 18 specimens were tested following the ATC-24 (1992) cycling loading protocol, and two specimens were tested per SAC/BD-00/10 near fault loading protocol. Coupon tests were carried out to get actual material properties per ASTM-A370-08a (2008). Actual material properties were used to estimate yield points of the specimens.
The proposed retrofitting method preserves its originality in terms of being local when the existing literature is reviewed. Experiments showed that fracture lives and displacement ductilities of box specimens having local slenderness of between 14 and 17 were effectively increased using local CFRP reinforcements at mid and net sections. End net sections were more critical when local slenderness of box sections was less than 14, therefore only end section reinforcements contributed effectively to fracture lives and ductilities of such specimens. The proposed retrofit method at mid section of braces was partially wrapping this region at least 1/3 of clear brace length with at least two layers of CFRP; note that all fibres in CFRP is to be in the direction of wrap. Factor of safety was taken at least 2.00 while calculating the bond strength of adhesive and load carrying capacity of CFRP plate for end net sections. Also, two layers of CFRP sheet wrap were applied after having CFRP plates on two sides of end net section. Mid-span retrofit does not provide any improvement on fracture life when local slenderness equals to 20 or greater. In addition, effectiveness of mid-span retrofit significantly decreased when local slenderness was between 17 and 20. Local retrofitting method was ineffective under near fault loading history. Moreover, two reference specimens were modeled and analyzed using ABAQUS 6.14 in order to understand the complex hysteretic behavior of such braces under cyclic loading. Stable hysteretic behaviors were acquired and were quite similar when compared with experimental results. Note that fracture is not modeled in this work. 
Contents of the main chapters of this thesis are given below:
In the first chapter, aim and scope of study are explained and information on the methods followed are elucidated.
Literature review on complex hysteretic behavior of braces and current situation of CFRP application on steel members are explained in Chapter 2. In addition, tubular brace design rules in current design codes are summarized.
Design steps of L-shaped test setup and special details providing stability to setup are given in Chapter 3. Moreover, coupon tests, design and manufacturing of specimens, CFRP retrofitting details, and instrumentation of the test setup are explained in detail. 
Detailed information on loading histories and results from pushover analyses using actual material properties are given in Chapter 4. Furthermore, experimental observations for each specimen are presented herein chapter.
Chapter 5 is devoted to the explanations on performance criteria to evaluate the results of bracing tests. In addition, test results are discussed for each specimen and comprehensive comparisons are carried out.
Main findings derived from the test results are given in Chapter 6.
Chapter 7 includes details of the theoretical study, finite element model (FEM), and assumptions used in the analyses. Moreover, hysteretic curves from tests and finite element analyses are compared and interpreted.
In Chapter 8, general results are evaluated and suggestions for potential future studies are made. 
Results from this experimental study showed that local/partial retrofitting using CFRP members could increase cumulative energy dissipation capacity of steel tubular braces and extend their fracture lives. It is determined that there will be significant increases in ductility and the hysteretic energy dissipation provided that the produced tube specimens are kept below a certain slenderness limit. The proposed retrofitting method plays an effective role in retrofitting of existing tube braced steel buildings in terms of improving their seismic behavior. Besides that, it is believed the proposed method could be cost effective since it provides significant advantages as discussed and also much easier to implement in practice.