Moment aktaran kaynaklı birleşimlerde kullanılan kaynak yöntemlerinin birleşim performansına etkisi ve düşük çevrimli yorulma davranışları
The effect of welding methods applied in moment frames welded joints on joint performance and low cycle fatigue behavior
Yazar: HÜDAİ KAYA
Danışman: DOÇ. DR. BARLAS ÖZDEN ÇAĞLAYAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Günümüzde yapısal çelik elemanların birleşimlerinde, bulon ve kaynağı sıklıkla, perçini ise artık nadiren tercih etmekteyiz. Ancak inşaat mühendisleri olarak bulon ve perçin uygulamaları konusundaki tasarım hâkimiyetimizi kaynak yöntemlerinin tayini konusunda maalesef gösterememekteyiz. Kaynak teknolojisi ve metalürjisinin inşaat mühendisliği yapı anabilim dalından ziyade ağırlıklı olarak malzeme, metalürji ve makine mühendisliği anabilim dalları şemsiyesi altında olması, inşaat mühendisleri olarak bu konuya yakınlık duymamış olmamızın muhtemel ana sebeplerinden biri olabilir. 
Hâlbuki kaynak da başlı başına tıpkı bulon ve perçin gibi bir birleşim elemanı olmakla birlikte özellikle yapısal çelik konusunda uzman mühendisler tarafından statik ve dinamik etkiler altında gerçek davranışlarının bilinmesi, nispeten kısıtlı olabilen ve her zaman minimum kalite şartlarını veren yönetmelik ifadelerinin üzerinde gerçek yapısal davranış karakterinin ortaya çıkarılması, özellikle dinamik işletme şartları ile deprem etkileri altındaki yapısal çelik köprü, platform, depolama tankı vb yapılar için ihmal edilemeyecek derecede önemlidir.
Güncel yapı tasarım yönetmelikleri sismik yüklere maruz bir yapıda plastik şekil değiştirmelere ekonomik ve can güvenliği kriterleri doğrultusunda izin vermekte bu sebeple de sünek yapı tasarımını esas almaktadır. Ancak sünek yapı tasarımının tek başına ve münferiden ilgili yapı elemanının sünek olma özelliği ile sağlanamayacağı 1994 yılında A.B.D. Northridge bölgesinde meydana gelen ve sadece 10 sn süren 6.7 büyüklüğündeki deprem ile ortaya çıkmıştır. Depremin hemen sonrasındaki ilk kontrollerde çelik yapılarda önemli bir hasar oluşmadığı izlemini olmuş ancak o dönemdeki yapı yönetmeliği doğrultusunda yaygın olarak kullanılan kolon-kiriş birleşimlerinin özellikle kiriş başlıklarını kolon başlığına bağlayan kaynak dikişleri civarında çatlaklar oluştuğu gözlenmiş ve Northridge depremi öncesi bir çok deneysel ve analitik çalışmalar sonucu kabul görerek tasarım yönetmeliklerine giren ve kullanılması önerilen bu birleşim detayı, deprem sonrasında yayınlanan acil bir raporla yönetmeliklerden çıkarılmıştır.
Oluşan hasarın nedenlerini ve olası çözüm önerilerini ortaya çıkarabilmek amacıyla, devlet desteğiyle birçok üniversitenin de katıldığı bir araştırma programı başlatılmış (SAC, 1994), günümüze kadar da benzer araştırmalar devam edegelmiştir. Bu araştırmaların tamamında yüksek toklukta ve sünek davranışa sahip elemana ait birleşimin göreceli olarak daha rijit olması, kullanılan detay, imalat ve montaj teknikleri sebebi ile oluşan veya bırakılan hasarın (süreksizlik, çatlak, artık gerilme yığılmaları, mekanik veya metalurjik kusurlar v.b.) sismik yükler sebebi ile elemanın enerji yutabilme ve plastik mafsal oluşturabilme kabiliyetine kavuşmadan ilerleyerek birleşimin tasarlanan taşıma gücüne ulaşamaması ile sonuçlandığı ispatlanmıştır.
Araştırma kapsamında yapılan literatür incelemesi sırasında, bir birleşim elemanı olarak kullanılan kaynak metoduna veya kaynak metodunun performansına ait bir çalışmaya rastlanmamıştır. 
Bu araştırma için 2018 yılı Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği kapsamında "Tam Dayanımlı Bulonlu Alın levhalı Birleşimler" Madde 9B.2' de yer alan rijitlik levhasız, 4 bulonlu, alın levhalı birleşim esas alınarak test numuneleri üretilmiştir.
Ülkemizde yapılmakta olan yapısal çelik yapıların birleşim detay imalatlarında ağırlıklı olarak 3 tip kaynak yöntemi kullanılmakta, proje özel şartnamesi doğrultusunda da bu kaynak yöntemlerinin alt parametreleri tayin edilmektedir. Söz konusu yöntemlerin ve bunların alt parametrelerinin seçimi, ilgili kaynak nüfuziyetini ve sünekliğini tayin edeceğinden, doğrudan birleşimin sünekliğini ve düşük çevrimli yorulma ömrünü etkilemektedir. Bu sebeple sünek bir birleşimden bahsediliyorsa sadece o birleşimde bir araya gelen elemanların sünekliliği değil, bir bütün olarak birleşimin sünekliğinden bahsedilme zorunluluğu ve gerekliği sebebi ile kolon ve kirişin dışında ilgili birleşimde yer alan kaynağın da birleşimin bir eleman olarak kabul edilerek tayini, tasarımı ve teşkili önem taşımaktadır.
Kaynak metodu ve alt sınıfının seçimi çoğu kez atölyenin inisiyatifine bırakılmakla birlikte, nadiren ve özellik teşkil eden bazı yapılar için proje özel teknik şartnamesinin bir alt başlığı olarak yapısal çelik proje müellifi tarafından tayin edilmektedir.
Atölye inisiyatifine bırakılan kaynaklarda ise atölyenin, mühendislik detayının gereksinimlerinden bihaber olarak, maliyet merkezli, minimum malzeme bedeli, minimum işçilik ile maksimum iş prensibi doğrultusunda seçim yapılmasını beklemek hiç de zor değildir.
Bu araştırma kapsamında pilot testler ile birlikte toplam 30 adet numune test edilmiştir. Bu numunelerin 10 adedi gazaltı kaynağının ilk tipi olan TS EN ISO 14341-A ile AWS A5.18 Standartlarına uygun ve sırasıyla G 42 3 C G4Si1 / G42 3 M G4 Si1 ve 
ER70S-6 sınıflarında, Akma Dayanımı 470 MPa, Çekme Dayanımı 570 MPa, Çentik Darbe Dayanımı -30 ˚C' de 60 J olan bakır kaplı yüksek manganlı kaynak teli ve koruma gazı olarak da %100 CO2 kullanılan kirişler, ikinci 10 adedi elektrik ark kaynağı metodu ile TS EN ISO 2560-A ile AWS A5.1 Standartlarına uygun ve sırasıyla E 46 B32 H5, E7018-1 H4 sınıflarında, Akma Dayanımı 480 MPa, Çekme Dayanımı 580 MPa, Çentik Darbe Dayanımı -20˚C' de 180 J, -50 ˚C' de 120 J olan bazik karakterli bir elektrod kullanılan kirişler, üçüncü 10 adedi ise gazaltı kaynağının ikinci tipi için TS EN ISO 17632-A ile AWS SFA – 5.20 Standartlarına uygun ve sırasıyla T46 2 P C 1 ve E71T-1C sınıflarında, Akma Dayanımı 500 MPa, Çekme Dayanımı 560 MPa, Çentik Darbe Dayanımı -20 ˚C' de 70 J olan rutil özlü, bakır kaplı kaynak teli ve koruma gazı olarak da Argon karışımı kullanılan alın levhalı kaynaklı kirişlerden imal edilmiştir.
Üretilen tüm numuneler için imalat öncesinde, imalat sırasında ve sonrasında atölye, işçilik ve malzeme sertifikasyonları, çekme, kimyasal kompozisyon, sertlik, kaynak pasoları arası sıcaklık, çatlak kontrol, nüfuziyet ve kaynak hatalarına karşı radyografi testleri içeren kalite kontrol testleri akredite bir laboratuvar, sertifikalı ekipman ve lisanslı inspektörler aracılığı ile yapılmış, kayda alınmıştır.
Her üç grup test numunesi için FEMA350/SAC2000 [3] yükleme protokolü ve düşük çevrimli yorulma ömürleri için de plastik limitte sabit genlikli yüklemeler yapılmış, elde edilen sonuçlar karşılaştırmalı olarak irdelenmiştir.

Abstract:
Today, in the joints of structural steel elements, bolts and welding are frequently preferred, while rivets are rarely used. Unfortunately, as civil structural engineers, we cannot demonstrate the same level of expertise in bolt and rivet applications when it comes to determining welding methods. The fact that welding technology and metallurgy are predominantly under the umbrella of material, metallurgical, and mechanical engineering disciplines rather than the civil structural engineering branch may be one of the main reasons why we, as civil engineers, may not feel close to this subject
However, welding is a jointing element in its own right, just like bolts and rivets, and especially for structural steel, it is crucial for expert engineers to understand their actual behaviors under static and dynamic effects. Revealing the true structural behavior characteristics, which can be relatively limited and always provide minimum quality conditions, beyond the regulatory expressions, is particularly important for structural steel bridges, platforms, storage tanks, and similar structures under dynamic operating conditions and seismic effects.
Current structural design codes allow for plastic deformations in structures subjected to seismic loads, based on economic and life safety criteria, therefore emphasizing ductile design. However, it was revealed after the 1994 Northridge earthquake in the United States, which lasted only 10 seconds, that ductile design alone and the ductility of the respective structural element were not sufficient. Immediately after the earthquake, it was observed that significant damage did not occur in steel structures, but cracks were observed around the weld seams connecting beam ends to column heads, especially in the column-beam joints widely used at that time, and this joint detail, which had been accepted and recommended in design codes based on numerous experimental and analytical studies prior to the Northridge earthquake, was subsequently removed from the codes through an urgent report.
To determine the causes of the damage and propose possible solutions, a research program was initiated with the support of the government, involving many universities (SAC, 1994), and similar studies have been ongoing to this day. In all these studies, the relative rigidity of the joint belonging to an element with high toughness and ductile behavior, as well as the damages caused by the detail, fabrication, and assembly techniques, such as discontinuities, cracks, residual stress accumulations, and mechanical or metallurgical defects, were proven to result in the joint failing to reach its designed load-carrying capacity before attaining the ability to absorb energy and form a plastic hinge due to seismic loads.
During the literature review, it was generally found that column-beam section geometries and their interactions, typical joint details, retrofitting and strengthening recommendations, and the full or partial penetration of the welding used in the joint were considered, but no research on the choice of welding method was encountered.
This research was conducted based on the provisions of Article 9B.2, 'Fully Restrained Bolted End-Plate Connections,' within the 2018 Turkish Earthquake Building Code. Test specimens were produced following the principles of a non-ribs, 4-bolted end-plate connection with stiffness plate. 
In the fabrication of structural steel connections in our country, primarily three types of welding methods are used, and the sub-parameters of these welding methods are determined according to project design specifications. The selection of these methods and their sub-parameters determines the weld penetration and ductility, directly affecting the flexibility of the connection and its low-cycle fatigue life. Therefore, when referring to a ductile connection, it is necessary to consider not only the ductility of the individual elements but also the ductility of the connection as a whole. This highlights the importance of determining, designing, and establishing the weld in the connection, in addition to the column and beam. 
While the selection of the welding process and its variant is frequently delegated to the workshop, certain unique structures may necessitate a specific designation by the structural steel project author as a sub-clause within the project's special technical specifications.
In instances where welding choices are left to the workshop, it is not uncommon to find that selections are made based on a cost-driven approach, prioritizing minimal material and labor expenses, and maximum output, often without a comprehensive understanding of the engineering design requirements.
Within the scope of this research, a total of 30 test specimens including pilot tests were tested and evaluated. 
Ten of these specimens were produced using the first type of gas metal arc welding, in accordance with TS EN ISO 14341-A and AWS A5.18 standards, with G 42 3 C G4Si1 / G42 3 M G4 Si1 and ER70S-6 grades. The welding wire used had a yield strength of 470 MPa, tensile strength of 570 MPa, and notch toughness of 60 J at -30˚C, with a copper-coated high manganese content. The shielding gas used was 100% CO2. 
The second set of ten specimens were produced using the shielded metal arc welding method, in accordance with TS EN ISO 2560-A and AWS A5.1 standards, with E 46 B32 H5 and E7018-1 H4 grades. The welding electrodes had a yield strength of 480 MPa, tensile strength of 580 MPa, and notch toughness of 180 J at -20˚C and 120 J at -50˚C, with a basic coating. All electrodes tested in this group were subjected to a drying process in accordance with the manufacturer's specifications before use.
The final set of ten specimens were produced using the second type of gas metal arc welding, in accordance with TS EN ISO 17632-A and AWS SFA – 5.20 standards, with T46 2 P C 1 and E71T-1C grades. The welding wire used had a yield strength of 500 MPa, tensile strength of 560 MPa, and notch toughness of 70 J at -20˚C, with a rutile core and a copper coating. The shielding gas used was a mixture of Argon.
For all produced specimens, quality control tests including workshop, workmanship, and material certifications, tensile, chemical composition, hardness, inter-pass welding temperature, crack detection, penetration and radiographic tests for welding defects were carried out, recorded and performed by an accredited laboratory, certified equipment, and inspectors. All QA/QC documentation given in annexes.
The FEMA350/SAC2000 loading protocol was employed for all three groups of test specimens for ductility tests. Constant amplitude loading at the plastic limit was conducted for low-cycle fatigue life evaluations. The obtained results were analyzed comparatively.
It can be stated that the results of the second group welding method, which has higher penetration depth and fracture toughness compared to others in both ductility and 
low-cycle fatigue tests are more satisfactory within the framework of regulatory values.
However, it has been observed that based on the test results, the minimum standard specified in the regulations while necessary does not fully meet the requirements.
Welding, frequently preferred today due to factors such as high production speed, relatively simpler details and lower labor and material costs relatively, exhibits significant structural differences compared to mechanical fasteners like bolts and rivets. It's important to remember that due to the heat treatment involved in welding, metallurgical microstructure can vary depending on the base material thickness and carbon equivalent, potentially leading to residual stresses in the joint.
To minimize residual stresses and maintain structural changes within acceptable limits in the joint area, it is essential to have a basic understanding of all pre-weld, in-weld, and post-weld processes and their outcomes. Designers must take the initiative in selecting the base metal, filler metal, and welding method to optimize energy input into the weld zone.