Betonarme önüretim kiriş kolon bağlantısı için önerilen  sigorta tipi mekanik manşonun özelliklerinin deneysel olarak belirlenmesi
Experimental determination of the properties of fuse type mechanical coupler proposed for reinforced concrete precast beam to column connections
Yazar: KUBİLAY KARAKUŞ
Danışman: PROF. DR. ERCAN YÜKSEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Burkulma (fen) = Buckling ; Kiriş-kolon birleşimi = Beam-column collection ; Manşon = Muff ; Moment tekniği = Moment technique ; Prefabrikasyon = Prefabrication ; Prefabrike beton = Prefabricated concrete ; Prefabrike sistemler = Prefabricated systems ; Prefabrike yapılar = Prefabricated structures

Özet:
Prefabrikasyon, üretim kalitesinin yüksek olması, daha hızlı inşaat süreci ve daha düşük inşaat maliyetleri gibi temel faktörler açısından yerinde dökme sistemlere göre çoğu alanda üstünlük sağlamaya başlamıştır. Prefabrike yapılara olan ilgi gelişen teknoloji ve yeni otomasyon sistemleriyle her geçen gün daha da artmıştır. Deprem kayıtları incelendiğinde, prekast yapı elemanları arasında en hassas bölge olan kolon kiriş birleşim bağlantılarının yetersiz sismik performans gösterdiği gözlenmiştir. Bu sebeple prekast yapılarda kiriş kolon birleşim bölgelerinin tasarımına ve yapımına gösterilen ilgi yoğunlaşmıştır. Zaman içerisinde deprem sırasında daha iyi sonuç veren birleşim bölgesi tasarımları akademik araştırma konuları arasına girmiştir. 
Yüksek lisans tezi olarak sunulan bu çalışmada literatür araştırmaları kapsamında üzerinde yoğunca çalışılan prekast yapıların kiriş-kolon birleşim bölgeleri için yeni bir tasarım olan Sigorta Tipi Mekanik Manşon (STMM) bağlantı detayı önerilmiştir. Bağlantı detayının ana felsefesi, oluşan kesme kuvvetinin kirişin doğal ekseninde bulunan mafsal üzerinde yoğunlaştığı STMM'lere etki eden zıt yönlerde iki eksenel kuvvete moment etkilerini ayrıştırmayı amaçlamıştır. 
Kiriş kolon bağlantı bölgelerine STMM'ler monte edilerek bir takım ön deneyler gerçekleştirilmiştir. YDMLab'da gerçekleştirilen ön deneyler ışığında STMM'lerin ilk tasarımının burkulma mukavemeti ve deformasyon açısından yetersiz olduğu görülmüştür. STMM'ler burkulmadan yaklaşık olarak 20 mm'lik yerdeğiştirme kabiliyetine çıkabilmiştir. Bu nedenle STMM tasarımının iyileştirilmesi gerekli hale gelmiştir. Gerçekleştirilen basınç, çekme ve çevrimsel deneyler kapsamında STMM'lerin tasarımlarının iyileştirilmesi, burkulma davranışlarının geliştirilmesi gösterilmiştir. Monotonik ve döngüsel deneyler yapılarak, gerekli değerlendirmeler yapılmış, nihai STMM tasarımı belirlenmiştir. Yüksek lisans tezi kapsamında STMM'lerin aşamalı olarak gelişimi ve iyileştirilmesi sunulmuştur.
Tez üç ana bölümden oluşmaktadır. İlk bölüm olan giriş kısmında konuyla ilgili genel bilgiler verilip altbaşlıklarına geçilmiştir. Giriş bölümü kapsamında tezin amacı ve motivasyonu anlatıldıktan sonra literatür araştırmaları kısmında konuyla ilgili makaleler incelenip bu makaleler hakkında özet bilgiler verilmiştir. İkinci bölüm olan deneysel çalışmalar kısmı basınç, çekme ve çevrimsel deneyler olmak üzere üç ana alt başlıktan oluşmaktadır. Deneysel çalışma kapsamında deney düzeneklerinin hazırlanması, deneylerde kullanılan ölçüm aletlerinin çalışma prensipleri, STMM'lerin parça elemanlar düzeyinde tasarım, üretim ve geliştirilme aşamaları, tasarım sürecindeki teknik çizimleri, deneylerde uygulanan yük-yerdeğiştirme protokollerinin oluşturulması, deney sonuçlarının değerlendirilmesi, yük yerdeğiştirme ve yerdeğiştirme-adım ilişkilerinin incelenmesi, farklı deney gruplarının çapraz karşılaştırmaları anlatılmıştır. Son bölüm olan üçüncü bölümde ise elde edilen sonuçlar özetlenmiştir. 
Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) projesi kapsamında gerçekleştirilen yarı sistem deneyleri sonuçları değerlendirildikten sonra STMM'lerin burkulma davranışı, enerji sönümleme kapasiteleri ve deplasman yapabilme kabiliyetleri bakımından yetersizlikleri gözlenmiştir. STMM'lerin ana problemi burkulmaya bağlı kopma ve buna bağlı olarak yaşanan dayanım kaybı olmuştur. 
Bu problemi çözmek için ilk etap basınç deneyleri kapsamında STMM'ler sarı ve kırmızı olmak üzere poliüretan (PU) malzeme ile kaplanmıştır. Deney sonuçları kapsamında yük yerdeğiştirme ilişkileri incelendiğinde STMM'nin yalın haline sarı ve kırmızı olmak üzere PU malzeme sarılması önceliğinde yapılan iyileştirmelerin olumlu sonuç verdiği fakat beklenilen düzeyde olmadığı belirlenmiştir. Sarı PU kaplı STMM yalın STMM'ye kıyasla %40 daha fazla maksimum güce ulaşmışken, kırmızı PU kaplı STMM ise yalın STMM'nin yaklaşık %60 daha fazlası maksimum güce ulaşmıştır. STMM'lerde yaklaşık olarak 80 kN'a ulaşmadan dönme yerdeğiştirmesi gözlenmiştir. Bu sorunun ana nedeni gürz civatasının topuzunun, gürz manşonuna bağlandığı noktada oluşan dönme töleransının yüksek olmasından kaynaklamıştır. Dönme yerdeğiştirmesini önlemek ve eksenel davranışı iyileştirmek için gürz civatasının somun yardımıyla gürz manşonuna kilitlenmesine karar verilmiştir. Gözlemlenen parça eleman düzeyindeki eksiklikler giderildikten sonra güncellenmiş olan STMM'ler ikinci etap basınç deneylerine tabi tutulmuştur. Deney sonuçları incelendiğinde bir önceki deney grubuyla kıyaslandığında dayanım ve yerdeğiştirme kapasitesi bakımından olumlu sonuçlar alınmış fakat yine istenilen değerlerin altında kalınmıştır. PU malzemenin STMM'ler üzerinde eksenel kuvvet açısından çok ciddi bir etkisi olmamıştır. Fakat nihai yerdeğiştirmelere bakılınca yalın STMM sarı PU ile kaplandığında yerdeğiştirmesi yaklaşık olarak 2.6 katına, kırmızı PU ile kaplandığında 2.8 katına çıkmıştır. PU kaplı STMM'lerin somunlarla sıkıştırılmasından sonra maksimum kuvvetleri yaklaşık olarak %10 seviyelerinde artmıştır. Somunların kullanılması STMM davranışlarını iyileştirmiş, maksimum kuvvet seviyesindeki yerdeğiştirme değerini önemli ölçüde artmıştır. Üçüncü etap basınç deneylerine geçilirken çelik ceket giydirilmiş, ana manşonu uzatılmış ve faturalı STMM olmak üzere üç adet yeni tasarım hazırlanmış ve üretilmiştir. Çelik ceket giydirilmiş STMM'nin eksenel yük kapasitesi ana manşonu uzatılmış STMM'ye göre %60, faturalı STMM'ye göre ise %70 daha fazla olmuştur. Maksimum kuvvet seviyesinde elde edilen yerdeğiştirme değerleri incelendiğinde ise çelik ceket giydirilmiş STMM faturalı STMM'nin yaklaşık 1.7 katı, ana manşonu uzatılmış STMM'nin ise 2.6 katı değere sahip olmuştur. Deneyler sonuçları kapsamında yük-yerdeğiştirme ilişkileri, burkulma şekilleri ve imalat kolaylığı düşünülerek çelik ceket giydirilmiş STMM ile devam edilmeye karar verilmiş, diğer tasarımlardan vazgeçilmiştir. 
Basınç deneyleriyle eş zamanlı olarak STMM'lerin üretiminde kullanılan çeliğin mekanik özelliklerini karakterize etmek için altıgen ve silindirik olmak üzere çeşitli kupon numunelerine çekme testleri uygulanmıştır. Kupon boyutları TSE EN ISO 6892-1'e göre belirlenmiştir. Çekme testleri sonucunda STMM'ler üretilirken kullanılan malzemelerin kabiliyetlerinin istenilen değerler arasında olduğu kanıtlanmıştır.
Çevrimsel deneylere geçildiğinde ana STMM tasarımı çelik ceket giydirilmiş olarak belirlenmiş fakat parça elemanlar düzeyinde bir takım güncellemeler yapılmıştır. Tasarım olarak karar verilen çelik ceket giydirilmiş STMM'ler üç farklı boyda üretilmiştir. STMM'lerde boy farkını oluşturan sigorta eleman kısımları 50, 100 ve 10 mm uzunluklarında yapılmıştır. İlk etap çevrimsel deneylerde yük-yerdeğiştirme ve yerdeğiştirme adım ilişkileri incelendiğinde tasarımsal bir takım eksiklikler revize edilip ikinci etap çevrimsel deneyler için hazırlık yapılmıştır. 50 mm uzunluğundaki sigorta elemana sahip STMM'den vazgeçilmiştir. İkinci etap çevrimsel deneyler kapsamında güncellenen STMM'ler parça elemanlar düzeyinde bir takım iyileştirmeler yapılarak 100 ve 150 mm uzunluğunda sigorta elemana sahip şekilde üretilmiştir. Deney sonuçları kapsamında yük terdeğiştirme ve yerdeğiştirme adım ilişkileri incelendiğinde 150 mm sigorta elemana sahip STMM ile devam edilme kararı alınmıştır. Çevrimsel deneyler devam ederken aynı zamanda silindirik ve altıgen kupon numuneleri de malzeme özelliklerinin belirlenmesi için çevrimsel yüklemelere tabii tutulmuştur. Üçüncü etap deneylere geçilirken STMM tasarımı bir takım ufak güncellemelerle hazır hale gelmiştir. Kesinleşen 150 mm sigorta elemana sahip STMM tasarımları kiriş üst ve alt bölgelerinde kullanılmak üzere iki farklı çap boyutlarında üretilmiştir. Deneyler sonucunda 150 mm sigorta elemana sahip aynı zamanda çelik ceket giydirilmiş STMM'ler istenilen değerleri vermiştir. Yarı sistem deneylerinde karşılaşılan burkulma, enerji sönümleme ve deplasman kabiliyeti sorunları büyük ölçüde çözülmüştür. STMM'lerin TÜBİTAK projesi kapsamında yapılacak olan yeni yarı sistem deneylerinde kullanılmak üzere tasarımları kesinleşmiştir.

Abstract:
Prefabrication is beginning to outperform cast-in-place systems in terms of key factors such as higher production quality, faster construction process and lower construction costs. The interest in prefabricated buildings has increased with the developing technology and new automation systems. When the earthquake records were examined, it was observed that the column-beam connections, which are the most sensitive area among the precast structural elements, showed insufficient seismic performance. For this reason, the interest in the design and construction of beam-column connections in precast structures has intensified. Over time, connection area designs that give better results during earthquakes have become one of the academic research topics.
In this study, which is presented as a master's thesis, a new design for the beam-column connections of precast structures, which has been extensively studied within the scope of literature research, is proposed as a Fuse Type Mechanical Coupler (FTMC) connection detail. The main principle of the connection detail is to separate the moment effects into two axial forces in opposite directions acting on the FTMCs, where the resulting shear force is concentrated on the joint located in the neutral axis of the beam. A number of preliminary experiments were carried out by mounting FTMCs on the beam-column connection areas. In the light of the preliminary experiments carried out, it was seen that the initial design of FTMCs was insufficient in terms of buckling strength and deformation. FTMCs were able to achieve a displacement capability of approximately 20 mm. Therefore, it has become necessary to improve the FTMC design. Within the scope of the compressive, tension and cyclic experiments carried out, the improvement of the designs of the FTMCs and the improvement of their buckling behavior were demonstrated. Monotonic and cyclic experiments were carried out, necessary evaluations were made, and the final FTMC design was determined. Within the scope of the master's thesis, the gradual development and improvement of FTMCs is presented.
The thesis consists of three main parts. In the introduction, which is the first part, general information about the subject is given. After explaining the purpose and motivation of the thesis within the scope of the introduction, articles related to the subject were examined in the literature research section and brief information about these articles was given. The second part, the experimental studies, consists of three main subheadings: compression, tension and cyclic experiments. Preparation of experimental setups within the scope of experimental study, working principles of measuring instruments used in experiments, design, production and development stages of FTMCs parts, SolidWorks drawings of FTMC elements in the design process, creation of load-displacement protocols applied in experiments, evaluation of test results, examination of load-displacement and displacement-step relations, cross comparisons of experimental groups are explained. In the third section, which is the last section, the results obtained are summarized.
After evaluating the results of the semi-system tests carried out within the scope of the TÜBİTAK project, the inadequacies of FTMCs in terms of buckling behavior, energy absorption capacities and displacement capabilities were observed. The main problem of FTMCs was rupture due to buckling and loss of strength due to this. In order to solve this problem, FTMCs were covered with polyurethane (PU) material, yellow and red, as part of the first stage compression tests. When the load-displacement relations were examined within the scope of the test results, it was proved that the improvements made gave positive results but were not at the expected level. Yellow PU coated FTMC reached 40% more maximum power compared to bare FTMC, while red PU coated FTMC reached approximately 60% more maximum power than bare FTMC. Rotational displacement was observed in FTMCs before reaching approximately 80 kN. The main reason for this problem was due to the high tolerance of rotation of the mace bolt's knob at the point where it connects to the mace coupler. To prevent rotational displacement and improve axial behavior, it was decided to fix the mace bolt into the mace coupler with a nut. After completing the deficiencies in the observed parts, the updated FTMCs were subjected to the second stage compression tests. When the experimental results were examined, positive results were obtained compared to the previous experimental group, but still below the desired values. PU material did not have a serious effect on FTMCs in terms of axial force. However, when looking at the final displacements, the displacement increased approximately 2.6 times when bare FTMC was coated with yellow PU and 2.8 times when coated with red PU. After tightening the PU coated FTMCs with nuts, their maximum strength increased by approximately 10%. The use of nuts improved the FTMC behavior and significantly increased the displacement value at the maximum force level.While beginning the third stage compression tests, three new designs were prepared and produced, namely the jacketed, coupler extended and ring extended FTMC. The axial load capacity of the jacketed FTMC was 60% higher than the coupler extended FTMC and 70% more than the ring extended FTMC. When the displacement values obtained at the maximum force level are examined, the jacketed FTMC has a value of approximately 1.7 times the ring extended FTMC and 2.6 times the coupler extended FTMC. Within the scope of the test results, considering the load-displacement relations, buckling patterns and ease of manufacture, it was decided to continue with the jacketed FTMC, and other designs were abandoned. 
In order to characterize the mechanical properties of the steel simultaneously with the compression tests, tension tests were applied to various coupon samples, including hexagonal and cylindrical. Coupon sizes are determined according to TSE EN ISO 6892-1. As a result of the tension tests, it has been proven that the capabilities of the materials used in the production of FTMCs are among the desired values. 
When cyclical experiments were started, the main FTMC design was determined to be covered with a steel jacket, but some updates were made at the components. The jacketed FTMCs, which were decided as the design, were produced in three different sizes. Fuse parts that make up the lenght difference in FTMCs are made in 50, 100 and 10 mm lengths. When the load-displacement and displacement-step relations were examined in the first stage cyclic experiments, some design deficiencies were revised and preparations were made for the second stage cyclic experiments. The FTMC with a 50 mm fuse element has been abandoned. The FTMCs, which were updated within the scope of the second stage cyclic experiments, were produced with 100 and 150 mm fuse elements by making some improvements at the parts. When the load-displacement and displacement-step relations were examined within the scope of the test results, it was decided to continue with FTMC with 150 mm fuse element. While the cyclic experiments were continuing, cylindrical and hexagonal coupon samples were also subjected to cyclic loading to determine the material properties. While the third stage was being tested, the FTMC design was ready with some minor updates. The finalized FTMC designs with 150 mm fuse elements were produced in two different diameter sizes to be used in the upper and lower parts of the beam. As a result of the experiments, jacketed FTMCs with 150 mm fuse elements gave the desired values. Buckling, energy dissipation and displacement capability problems encountered in semi-system experiments have been resolved. The designs of FTMCs to be used in the new semi-system experiments to be carried out within the scope of the TÜBİTAK project have been finalized.