Birbirine doğrudan kaynaklı kutu enkesitli düzlem kafes sistem elemanlarının ara uzaklıklı K-birleşimleri için tasarım esaslarının değerlendirilmesi
Examination of design rules for direct welded uniplanar rectangular hollow section trusses with gapped K-connections
Yazar: SERKAN KAPLAN
Danışman: PROF. DR. CAVİDAN YORGUN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Çelik yapılar = Steel structures

Özet:
Çelik, yüksek dayanım ve yüksek süneklik düzeyi gibi özelliklerinin yanında hızlı montaj ve hassas imalat yapılabilirliği sayesinde cazibesini günden güne arttırmaktadır. 1890 ve 1920 yılları arasında çelik elemanların birbirine olan bağlantıları bulon ve perçinle sağlanıyordu. 1920'lerde ilk kez tamamen elektrik kaynaklı bir makas sistemin yapılmasıyla beraber kaynağın çelik yapılarda kullanımı ciddi derecede arttı. Bulon ve perçin yerine kaynak kullanılması, çelik elemanların efektif şekilde kullanılarak yükün tamamen enkesitten aktarılmasını sağladı. Bu sayede üçgensel formda kaynaklı düzlemsel kafes sistemler geliştirilerek çeşitli fabrika yapılarında ve geniş açıklıklı yapılarda kullanılmaya başlandı. Ancak, aynı süreçte beton teknolojisinin de gelişmesi ve betonun yangına karşı nispeten koruyuculuk özelliğinin ortaya çıkmasıyla beraber, çeliğin yapılarda kullanımı durağan sürece geçmeye başladı.
1940'lı yılların başına kadar çelik yapılarda yoğunluklu olarak açık kesitli profiller (örneğin I kesit) kullanılıyordu. O dönemlerde petrol endüstrisi ve kıyı yapılarının gelişmeye başlaması, kutu ve boru profillerin önemini ve değerini daha da arttırdı. Sebep olarak, bu profillerin düşük bakım maliyetlerine sahip olması ve korozyona karşı etkili koruma sağlaması gösterilebilir. Özellikle basınç etkisindeki elemanlar için kutu ve boru profillerin daha ekonomik çözümler sunması, hesap yöntemlerinin gelişmesine paralel olarak boru ve kutu profillerin imalatını ve yapılarda kullanımını arttırmıştır. Bu gibi ekonomik çözümler oluşturmasının yanında birçok tasarımcı mimari yapıları özgün kılmak ve yapıların estetik görünümlerini daha çok ortaya çıkarmak adına kutu ve boru enkesitli profilleri tercih etmekte.
Özellikle son elli-altmış yılda, çelik yapı elemanları ve birleşimlerinin hesap yöntemlerine ait çalışmaların artması; bunu takip eden süreçte ise çeşitli bilgisayar destekli programların ortaya çıkması ve geliştirilmesi, kutu ve boru kesitler kullanarak farklı ve özgün yapılar yapma konusunda tasarımcıları cesaretlendirmektedir.
Konser salonları, köprüler, alış-veriş merkezlerinin çatıları, havalimanları ve endüstriyel yapılar gibi bir çok alanda geniş açıklıklara ve dolayısıyla kafes sistemlere ihtiyaç duyulmakta.
Bu çalışmanın ilk bölümünde kafes sistemlerde kullanılan kutu enkesitli elemanların boru ve diğer enkesitli elemanlara göre avantajları ve uygulama kolaylıklarına değinilmiştir. Bununla beraber malzeme, geometri ve kesit sınıflandırmaları yönünden sınırlamalar incelenmiştir.
Bir sonraki bölümde yaygın olarak kullanılan düzlemsel kafes sistemleri ve bu sistemlere ait elemanların birbirlerine doğrudan kaynaklı ara uzaklıklı K-birleşim şekilleri üzerinde durulmuştur. Göçme durumları ve sebepleri ayrıca bu başlık altında incelenmiştir.
Üçüncü bölümde CIDECT (International Committee for the Development and Study of Tubular Construction) tarafından düzenlenen Design Guide-3 (For Rectangular Hollow Section (RHS) Joints Under Predominantly Static Loading) tasarım kılavuzu ve Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapım Esasları (ÇYTHYE) dikkate alınarak birbirine doğrudan kaynaklı ara uzaklıklı K birleşimler için tasarım kuralları detaylı bir biçimde incelenmiştir.
Çalışmanın dördüncü bölümünde CIDECT Design Guide-3 ve ÇYTHYE'ye göre tasarım kuralları ve uygulama sınır koşulları dikkate alınarak örnek bir düzlemsel kafes yapısının ayrı ayrı tasarımı yapılmıştır. Sistem tipi olarak, elemanlarının birbirine olan düğüm nokta adetlerini en aza indirmek ve dolayısıyla en az sayıda eleman kullanmak amacıyla Warren tipi kafes sistemi seçilmiştir. Sistem yüksekliği 1,7 m; uzunluğu ise 24,0 m olarak belirlenmiştir. Elemanlar için EN 10219-2 uyarınca soğuk şekil verilmiş kare kutu enkesitli profiller seçilmiştir. Malzeme kalitesi olarak akma dayanımı 355 N/mm^2 olan S355 kalite seçilmiştir. Sitem yapısal analizinde Sap2000 v.18.2.0 programı kullanılmış ve basınç etkisindeki elemanların burkulma eğrileri ve dayanımı için ilgili tasarım esasları dikkate alınmıştır. Çalışmanın bu bölümünde ayrıca örnek bir birleşim Idea Statica bilgisayar programı ile kontrol edilerek sonuçları değerlendirilmiştir.
Çalışmanın son bölümünde kutu enkesitli elemanlardan oluşan kafes sistem birleşimlerinin mevcut eksenel kuvvet dayanımlarını etkileyen parametreler ve birleşimlerin tasarımında dikkat edilecek hususlara değinilmiş; CIDECT Design Guide-3 tasarım klavuzu ve ÇYTHYE yönetmeliğine göre kontrol edilen birleşimler karşılaştırılmıştır.
Düzlemsel kafes sistem elemanlarının açık kesitli profiller yerine kutu enkesitli profillerden seçilmesi imalat ve montaj konuları bakımından ciddi kolaylıklar getirdiği; kumlama ve boya gibi bakım maliyetleri açısından ekonomik olduğu anlaşılmıştır.
Düzlemsel kafes sistem şekli olarak Fink veya Pratt gibi yaygın tipler arasından Warren tipinin tercih edilmesi düğüm nokta adedini  dolayısıyla kullanılacak eleman adedini azalttığı anlaşılmıştır. Kafes sistem yüksekliği uygulanan yüke, geçilmesi amaçlanan açıklığa ve oluşan sehim miktarına göre belirlenmektedir. Yapılan kontrollere göre açıklık- kafes sistem yükseklik oranı belirlenmiştir. Bu oranın ideal ve ekonomik sistemler için 10~15 aralığında olduğu görülmüştür.
Sistem elemanlarının birleşimlerinde elemanların dayanım ve dönme kapasitelerinin belirlenmesi ve yerel burkulmaların engellenmesi adına birleşim elemanlarının sınıf 1 ve 2 (Eurocode 3'e göre) enkesit kurallarına uyması gerektiği anlaşılmıştır. Profil cidar kalınlığının 2,5 mm'den az olmaması; başlık eleman için ise 25 mm'den kalın profil seçilmemesi gerektiği anlaşılmıştır. 25 mm'den kalın cidarlı elemanlar kullanılması durumunda kalınlığa dik doğrultuda katmanlara ayrılma biçiminde kırılmaya karşı malzeme özellikleri test ile kanıtlanması gerektiği anlaşılmıştır.
Ara uzaklıklı birleşimlerde örgü eleman genişliklerinin başlık eleman genişliğine oranı,  β≤0,6 olması durumunda en çok karşılaşılan göçme durumu, sürekli başlık eleman yüzeyinde oluşan plastikleşme durumu olduğu anlaşılmıştır. Bu oranın 0,6≤β≤0,8 aralığında olması halinde ise sürekli başlık eleman yüzeyinde oluşan plastikleşmeyle beraber kesmeden kaynaklı yırtılma durumu veya örgü elemanında kopma veya çekme etkisindeki örgü elemanın göçmesinin aynı anda olabileceği anlaşılmıştır.
Ara uzaklıklı K-birleşim için örgü elemanlarda oluşan iç kuvvetler arasındaki fark sınır koşulunu sağlamayan birleşimler sadece K-birleşim yerine K ve X-birleşimlerin kombinasyonu şeklinde de kontrol edilmiştir. Bu birleşimlerde elde edilen kullanım oranının daha fazla olduğu görülmüştür. X-birleşimlerde β etkisiden kaynaklı başlık elemanı gerilme etkileşim parametresinin, Qf birleşim dayanımında daha fazla rol oynadığı anlaşılmıştır. 
CIDECT Design Guide-3 ve ÇYTHYE'ye  göre yapılan kontrollerde birleşimlerdeki sürekli başlık elemanına ait iç kuvvet değerinin artması durumunda başlık elemanı gerilme etkileşim parametrisinin dolayısıyla birleşim kapasitesinin azaldığı anlaşılmıştır. Ayrıca, her iki tasarım esaslarına göre sonuçlar karşılaştırıldığında birleşimlerin dayanım kapasitelerinde yaklaşık benzer sonuçlar alınmış ancak ÇYTHYE için elde edilen birleşim dayanım kapasitesi CIDECT Design Guide-3 esaslarına göre elde edilen değerden %5 ile %16 daha düşük çıktığı görülmüştür.
CIDECT Design Guide-3 ve ÇYTHYE'ye göre yapılan kontroller neticesinde  birleşimlerin ilgili uygulama koşullarını sağladığı ve uygunluğu kontrol edilmiştir. Bu kontrollerle başlık elemanı yüzeyinde plastikleşme göçme durumunun oluşmadığı  anlaşılmıştır. Bu durum ayrıca Idea Statica bilgisayar programında örnek bir birleşim için kontrol edilerek birleşim yüzeyinde başlık eleman düzlem dışı deformasyonun 0,4%'de olduğu; eleman genişliğinin 3%'ünü aşmadığı görülmüş ve birleşimin güvenli durumda olduğu anlaşılmıştır.

Abstract:
Structural steel has become increasingly attractive not only because having high strength and ductility properties but also ease of assembly and manufacturing performance. In between 1890 and 1920, the connection of steel elements was provided with bolts and rivets. With the application of a fully electrically welded truss system for the first time in the 1920s, the use of welding increased significantly in structural steel connections. Using weld instead of bolts and rivets enabled the use of steel elements effectively by transferring the load completely from the cross-section. In the following process, uniplanar truss systems welded in triangular form were developed and started to be used in various factory buildings and wide span industrial structures. However, considering the development of concrete technology in the same period and the emergence of the protective feature of concrete against fire, the use of steel in buildings began to slow down.
Until the early of the 1940s, open section profiles like I section were used extensively in steel structures. At that time, the development of the oil industry and coastal structures increased the importance of hollow sections. Low maintenance costs and provide effective protection against corrosion could be seen the reasons for that. The fact that these profiles offer more economical solutions, especially for elements under compression, has increased the production of hollow section profiles in parallel with the development of calculation methods. In addtion to creating such economic solutions, many designers prefer to use such  profiles which are rectangular hollow section (RHS) or circular hollow section (CHS) in order to make architectural structures unique and to reveal more aesthetic appearance of the buildings.
Especially in the last six decades, the studies for the calculation methods of steel structural elements and their joints have increased. In the following years, the development of various computer-based programs encourages designers to create different and unique structures using hollow sections.
For various structures such as concert halls, bridges, roofs of shopping malls, airports and industrial buildings, there is a need crossing the long spans and therefore truss systems.
In the first section of this study, the advantages of the hollow sections and ease of application of RHS elements used in truss systems compared to CHS and other types of cross-section elements are discussed. In addition, limitations in terms of material, geometry and section classifications have been examined.
In the next section, the most common uniplanar truss system types and gapped K- joint configurations are shown. With the reasons of the failure modes for K and N types of truss joints which have rectangular hollow section are also evaluated.
In the third section, design rules for direct welded uniplanar rectangular hollow section trusses with gapped K-joint based on CIDECT Design Guide-3 (For Rectangular Hollow Section (RHS) Joints Under Predominantly Static Loading)  published by "International Committee for the Development and Study of Tubular Construction" and Principles of the Design, Calculation and Construction of Steel Structures 2016 (ÇYTHYE) are investigated detailly.
In the fourth section, an example for the uniplanar truss which has gapped K-connections is designed considering the design rules and limitations according to CIDECT Design Guide-3 and ÇYTHYE. To minimize the number of elements therefore number of the joints, Warren type is chosen for the configuration of truss type. Longitudinal length is selected as 24,0 meters and the height of the system is determined 1,70 meters. Since it is stated in the mentioned design rules, cold formed steel hollow sections are selected in accordance with EN 10219-2. The nominal yield strength of the steel hollow section is 355 N/mm^2  (MPa). Sap2000 v.18.2.0 software is used for structural analysis of the truss system to obtain internal forces on elements. And, relevant principles of the specified codes are taken into consideration for the buckling curves and design resistance of the elements under pressure. After obtained internal forces on frame system modelled in Sap2000 software, design resistances of the connections are calculated considering the design rules and limitations specified CIDECT Design Guide-3 and ÇYTHE. Also, a sample joint is designed by using Idea Statica software and the results are evaluated.
In the final section, the parameters which effect the joint capacity belong to the uniplanar truss system are discussed considering the design rules and limitations according to CIDECT Design Guide-3 and ÇYTHYE.
It is understood that selecting rectangular hollow sections instead of open section profiles brings serious convenience in terms of manufacturing and assembly process; it is concluded that using hollow sections is more economical in terms of maintenance costs such as sandblasting and painting. It is also seen that choosing Warren type as a planar truss system configuration among common types such as Fink or Pratt reduces the number of nodes thus the number of elements to be used.
The height of the truss system is determined according to the applied load, the span length and the deflection of the system. According to the investigations, the span-height ratio was determined in between 10 ~ 15 for ideal and economical systems.
In order to determine resistance and rotation capacity and to prevent the local buckling of the cross section, rules for the cross section are restireced to class 1 and 2 (according to Eurocode 3). Minimum nominal wall thickness to be used is 2.5 mm. And, the RHS nominal wall thickness for the chord members should not be greater than 25 mm. It is also understood that in the case of using profiles which have wall thickness greater than 25 mm, it should be proved by necessary tests to ensure that the through-thickness properties of the material are adequate.
Plastic failure of the chord face is the most common failure mode for gap joints when the ratio of the brace member widths to the chord width, β is less than 0,6. For the ratios 0,6≤β≤0,8, this mode generally occures in combination with tearing in the chord or tension brace member.
The joints where external loads are affected have been checked separately with configurations in the form of a combination of K and X-connections, rather than just gapped K-connection. It has been evaluated that the contribution of chord member stress function (Qf) due to the effect in X-joints plays more important role in the determination strength of joint.
The design results of the uniplanar truss system which has gapped K-connections performed by the rules and limitations according to CIDECT Design Guide-3 and ÇYTHYE showed that chord load effects the chord stress parameter therefore the joint capacity. When the force on chord member increases, the chord stress parameter and thus joint capacity decreases. In addition, when the results are compared according to both design principles, apprimate results are obtained in terms of joint capacity. However, it is seen that the joint capacity values obtained for ÇYTHYE are 5% to 16% lower than the value obtained according to the CIDECT Design Guide-3 principles. 
It is concluded that all the joints are adequate considering the seperate calculations of truss system designed by the rules and limitations of CIDECT Design Guide-3 and ÇYTHYE principles. A joint belongs to the truss sytem is modelled and designed by using Idea Statica software. It is seen that chord element out-of-plane deformation on the joint surface remained at 0.4% and did not exceed the limit which is 3% of the element width. With all the controls, it is understood that joints are safe and they are also adequate in terms of chord face plastification failure.