Lifli yüksek performanslı beton doldurulmuş çelik tüplerin mekanik davranışı.
The mechanical behavior of the high performance concrete with steel fiber filled steel tubes.
Yazar: SONER GÜLER
Danışman: PROF. DR. METİN AYDOĞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Beton = Concrete ; Kompozit tüpler = Composite tubes ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis ; Çelik lif = Steel fiber

Özet:
Günümüzde çelik tüp içine beton doldurulmuş (ÇTBD) kolon elemanlar binalarda ve köprü ayaklarında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. ÇTBD kolonlar sadece beton veya çelikten üretilmiş kolon elemanları ile kıyaslandığında daha üstün özelliklere sahiptir. ÇTBD kolonlarda, çelik ve betonun kesitteki yerleştirilme şekli dayanım ve rijitlik açısından uygun çözüm sunmaktadır. Çelik tüp, kesitin en dışına yerleştirilerek eğilme etkilerini en etkili şekilde karşılamaktadır. Beton ise çelik tüp içine yerleştirilerek, çelik tüpün yerel burkulmasını geciktirmekte ve çelik tüp tarafından sağlanan sürekli sargılama sayesinde daha fazla eksenel yük taşıma kapasitesine sahip olmaktadır.Bu çalışmada ÇTBD kısa kolonların ve kirişlerin davranışı deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Çalışma dokuz bölümden oluşmaktadır.Birinci bölümde konuya giriş yapılmış, ikinci bölümde konu ile ilgili belli başlı çalışmalardan özet olarak bahsedilmiş ve çalışmanın amacı açıklanmıştır. Üçüncü bölümde betonun mekanik özellikleri, dördüncü bölümde betonda sargılama açıklanmıştır. Beşinci bölümde çelik tüp içine doldurulmuş beton elemanların mekanik özellikleri ve davranışından bahsedilmiştir.Altıncı bölümde ÇTBD daire ve kare en kesitli kolon elemanlar üzerinde yapılan deneysel çalışmalar açıklanmıştır. Burada ölçüm düzeneği verilmiş, çeşitli parametreler için yapılmış (beton dayanımı, kolon çapının çelik tüp çeper kalınlığına oranı (D/t), aderans durumu) deney sonuçları karşılaştırmalı olarak tablo ve grafikler halinde sunulmuş, irdelemeler yapılmıştır. Bu kapsamda, beton silindir basınç dayanımları 115 MPa ve 145 MPa olan yüksek dayanımlı beton doldurulmuş toplam 60 kolon numunesi üretilmiştir. ÇTBD kısa kolonlarda kesit şekli (daire ve kare), aderans etkisi ve D/t oranının kolon elemanların eksenel yük taşıma kapasitesine olan etkileri incelenmiştir. Aderans etkisinin eksenel yük taşıma kapasitesine etkisini inceleyebilmek için numunelerin bir kısmının içi beton dökülmeden önce yağlanmıştır. Kolon numunelere ait yük-eksenel kısalma eğrileri elde edilmiştir. Kolon numunelerin eksenel yük taşıma kapasiteleri Eurocode 4, AS (Avustralya Standardı), DL/T (Çin yönetmeliği) ve ACI (Amerika Beton Enstitüsü) gibi mevcut yönetmeliklerle karşılaştırılmıştır. Kare ve daire en kesitli kolon numuneler için literatürde tanımlanan süneklik indisi (DI), dayanım iyileştirme indisi (SI) ve beton doluluğunun etkisini gösteren (CCR) performans indisleri elde edilip yorumlanmıştır.Yedinci bölümde ÇTBD kiriş elemanlar üzerinde yapılan deneysel çalışmalar anlatılmıştır. Burada kare en kesitli çelik tüplere yüksek dayanımlı beton doldurulmuş numunelerin davranışı incelenmiş, içi beton doldurulmamış olanlarla karşılaştırmalar yapılmış, üç noktalı eğilme deneyi ile kırılma enerjisi belirlenmiştir. Sonuçlar tablo ve grafiklerle karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Bu kapsamda, basınç dayanımı 145 MPa olan yüksek dayanımlı beton doldurulmuş 15 adet kiriş numunesinin moment taşıma kapasiteleri kolon çapının çelik tüp çeper kalınlığına oranına (D/t) bağlı olarak incelenmiştir. Her bir et kalınlığı için 3 adet dolu 2 adet boş kiriş numunesi denenmiştir. Kiriş numunelerinin mesnetten mesnete olan net açıklığı 1100 mm olarak belirlenmiştir. Basit eğilme altındaki moment kapasitelerini belirlemek için 4 noktalı yükleme deneyi yapılmıştır. Kesme açıklığının kesit yüksekliğine oranı ( a / D) ise 5,6 olarak seçilmiştir. Kiriş numunelere ait yük-sehim ve moment-eğrilik grafikleri elde edilmiş ve bunlar yardımıyla kiriş numunelerine ait moment taşıma kapasiteleri, eğrilik ve enerji yutma kapasiteleri belirlenmeye çalışılmıştır. Bulunan deney sonuçları Eurocode 4, AISC ve CIDECT gibi dünyada yaygın olarak kullanılan mevcut yönetmeliklerle karşılaştırılmıştır.Sekizinci bölümde ÇTBD kolon ve kiriş elemanların ABAQUS isimli genel bir sonlu eleman programı yardımıyla sayısal olarak modellenmiş, deney sonuçları ile sonlu eleman analize ait sonuçlar tablo ve grafikler yardımıyla karşılaştırılmıştır. Bu bölümde ayrıca ÇTBD elemanların içi beton doldurulmamış elemanlara göre üstünlükelrini göstermek üzere bir kafes sistemin her iki halde çözümü yapılarak sonuçlar irdelenmiştir.Dokuzuncu ve son bölümde elde edilen genel sonuçlar açıklanmış ve konu ile ilgili ileride yapılabilecek araştırmalar hakkında öneriler sunulmuştur.

Abstract:
Traditionally, concrete is a mixture of cement, water and aggregate. However, during the past two decades, substantial improvements have been made in the physical and mechanical properties of concrete. High strength concrete (HSC) is now being used in many high-rise buildings. HSC have a better performance when compared to normal strength concrete (NSC) in terms of strength, ductility and durability. In practice, concrete with a compressive strength up to 50 MPa is regarded as NSC, while HSC may be described as that having a compressive strength over 50 MPa.High performance concrete (HPC) may be regarded as synonymous with high strength concrete (HSC). It is because lowering water-to-cement ratio, which is needed to obtain high strength, also generally improves other properties. The composition of HPC usually consists of cement, water, fine sand, superplasticizer, fly ash and silica fume. In addition to this, quartz flour and steel fibers are the components of HPC to reach ultra strength and ultra ductility, respectively. The key elements of HPC can be summarized as follows:?High strength,?High modulus of elasticity,?High abrasion resistance,?High durability and long service life in severe environments,?Resistance to chemical attacks,?Toughness and impact resistance,Recently, with the occurrence of high and ultra high-strength concrete, there has been an increasing awareness about high-rise buildings. The use of the reinforced concrete or the composite columns in high-rise buildings is more economical than the columns with pure steel. The combination of HPC with steel has led to some favorable characteristics in terms of strength, speed of construction, long span capability and lightness.In high-rise buildings, the dead loads severely affects structural members, especially the columns near the ground level that are required to withstand a considerable axial load that is mainly due to the accumulated dead load from all the floors above. In fact, in a normal rise building (20-30 floors high), the columns at the ground floor may have large cross-sectional sizes when normal strength concrete is used. It can be perceived that there will be no wide spaces in the ground level if normal strength concrete is used in high-rise buildings (more than 60 floors). Therefore, it is a reasonable trend to adopt HPC in tall building construction due to its advantages, such as high strength, high ductility and high durability. HPC may be used in all structural components of high-rise buildings, such as slabs, beams, columns and foundations; and it is usually combined with structural steel to form a composite structural element that is more effective in resisting load.Concrete-filled steel tubular (CFT) columns are widely used in construction of high-rise buildings and peers of bridges to enhance the horizontal stiffness of the buildings, the axial load capacity and resistance of corrosion of the columns. The CFT columns have much superior characteristics compared with traditionally reinforced concrete columns. The position of the concrete and steel tube in the cross-section of the CFT column is the most appropriate solution in terms of the strength and ductility. The steel tube, which is placed outside of the cross-section of the column, withstand the bending moment effectively. The concrete that is placed into the steel tube delay the local buckling of the steel tube and increase the axial load capacity of the column due to continually lateral confining.This study consists of mainly nine chapters. In the first chapter of this thesis, a general information is given on concrete filled steel tube columns and beams. In the second chapter, the studies related to the CFT columns and beams are given. In addition, the aim of this thesis is given in this chapter. In the third and fourth chapters, the mechanichal behaviours of the concrete and the confining effect of the steel tube to the concrete core is explained, respectively. The fifth chapter deals with the behaviour CFT columns. In the sixth chapter, experimental studies conducted on square and circular CFT columns are given. In this context, the axial load behavior of the square and the circular high strength CFT columns are investigated. Two types of concretes with compressive strength 115 MPa and 145 MPa is prepared. The D/t ratio, cross-sectional shape and bond effect on the axial load capacity of the CFT columns filled with concrete of 115 MPa compressive strength are the test parameters. The D/t ratio, which is the outside diameter of the column to the thickness of the steel tube, is between 19 and 38.1. The nominal dimensions of the square CFT columns 100 mm x 100 mm and the nominal diameter of the circular columns is 114.3 mm. The nominal steel tube thickness of the steel tubes is 3, 4, 5 mm and 3, 4, and 6 mm for the square and circular CFT columns, respectively. The inside of some of the steel tubes is greased to investigate the bond effect. All specimens are 400 mm in length to prevent the slenderness effect and to ensure that the specimens behave as stub columns.The axial load behavior of the circular CFT columns filled with concrete of 145 MPa compressive strength is examined only with respect to the D/t ratio of the columns. The nominal diameter of the circular columns is 76 mm and the nominal D/t ratios of the columns vary from 20.8 to 30.4. Total 20 circular CFST columns, of which, 8 hollow and 12 UHPC-filled are tested under axial load. The nominal steel tube thickness of the specimens is selected 2.5 mm, 3 mm, 3.3 mm and 3.65 mm. The D/t ratio vary from 20.9 and 30.7. All specimens are 300 mm in length to prevent the slenderness effect and to ensure that the specimens behave as stub columns. In order to avoid the occurrence of premature local failure at the specimen ends and tops, eight steel stiffeners with a height of 50 mm were welded on to each end of the column.All the column tests are performed in Building Materials Laboratory of Civil Engineering department in Istanbul Technical University using a 5000kN capacity INSTRON testing machine.In addition to these attributes, the axial load capacities of the CFT columns are compared with the current design codes such as Eurocode 4, American Institute Concrete (ACI), Australian Standard (AS) and Chinese code (DL/T). Performance indices such as ductility index (DI), strength enhancement index (SI) and concrete contribution ratio (CCR) is evaluated for the square and circular CFT columns.In the seventh chapter, the flexural behaviour of the CFT beams are explained. In this context, The behavior of the concrete filled CFT beams is examined under four-point bending. The concrete having 145 MPa compressive strength is poured into the hollow steel section beams. The ultimate moment capacity, curvature and energy absorption capacity of the CFT beams under four-point bending is investigated with regard to D/t ratio of the specimens. The ultimate moment capacity of the CFT beams is compared with design codes such as Eurocode 4, AISC-LRFD and CIDECT design codes. Furthermore, the load-deflection graphics of the CFT beams obtained from the test results is compared with the finite element analysis results. All the beam tests are performed in Building Materials Laboratory Laboratory of Civil Engineering department in Istanbul Technical University using a 100 kN capacity INSTRON 5500 R testing machine.In the eighth chapter, three-dimensional nonlinear finite element commercial package program ABAQUS is used to simulate the axial load behavior of CFT columns numerically. The axial load-displacement curves, buckling modes and the axial load capacities of the high strength CFT columns obtained from the test results are compared with the numerical results. Furthermore, finite element model of a truss system that consists of CFT columns and hollow steel tubes are modeled in ABAQUS and compared with each other.In the ninth and final chapter, the results of this thesis are summarized and some suggestions for the future studies are presented.