Gövdesi dairesel boşluklu çelik-betonarme kompozit I-kirişlerin yangın davranışlarının deneysel olarak incelenmesi
Investigating experimental fire behavior of steel-concrete composite cellular I-beams
Yazar: PINAR SUNAR BÜKÜLMEZ
Danışman: PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Mimarlık = Architecture ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Çok katlı çelik iskeletli yapılarda gövde boşluklu kompozit kirişler, kesit geometrisinin değişkenliğinden sağlanan esneklik (daire çapları, daire boşlukları arasındaki uzaklık, son yükseklik) ve ekonomik üstünlükleri nedeni ile sıkça kullanılmaktadır. Çelik kirişlerin üzerine yerleştirilen profillendirilmiş çelik sacın içine beton dökülmekte, döşeme ve kiriş sisteminin kompozitliği başlıklı kayma bağlantılarının kirişin üst başlığına kaynaklanması ile sağlanmaktadır. Düşey yük etkisi altındaki döşemede çeliğin çekme kuvveti ve betonun basınç kuvveti ile kompozit kiriş daha büyük rijitliğe sahip olduğu gibi daha büyük yükleri de taşıyabilmektedir. Büyük açıklıklar geçebilen mimari ve davranış olarak diğer boşluklu kirişlere göre daha avantajlı olan dairesel gövde boşluklu kirişlerin üstün yapısal özelliklerine karşın yüksek sıcaklıklarda mekanik özelliklerinde önemli ölçüde azalmalar olduğu bilinmektedir. Bu tür kirişlerin yangın karşısında davranışlarının tam olarak bilinmemesi, alınacak pasif ve aktif önlemlerin bazen gereğinden fazla bazen de yetersiz olmasına yol açmaktadır. 2001'de Amerika'da meydana gelen WTC ikiz kulelerdeki göçmeler sonrasında çelik yapıların yüksek sıcaklıklar karşısındaki yapısal davranışlarının incelenmesi daha da önem kazanmış, bu kapsamda özellikle Amerika ve Avrupa'da yapılan deneyler artmıştır. 
Çelik-betonarme kompozit döşeme-kiriş sistemlerinin yüksek sıcaklıklardaki davranışları üzerine birçok çalışma yapılmıştır. Çalışmalar farklı ölçeklerde olmalarının yanısıra, döşeme kirişlerinin dolu ve boşluklu olarak seçilmesine bağlı olarak değişiklikler göstermektedir. Konu ile ilgili olarak geçmişten günümüze kadar yürütülmüş olan deneyler incelendiğinde gövdesi boşluklu kirişler üzerine yapılan yangın korumalı ve korumasız çalışmaların azlığı özellikle dikkat çekmektedir. Tezin amacı, maksimum gövde boşluk oranlarına ve düzenlemelerine sahip yalıtımlı ve yalıtımsız kirişlerin yüksek sıcaklıklar altındaki davranışlarını deneysel olarak incelemektir. Yeni tasarlanacak kompozit yapılarda gövdesi boşluklu kirişlerin tasarım, boyutlandırma, üretim aşamalarında yangına karşı alınacak önlemlerin belirlenmesinde ve geliştirilmesinde bu çalışmanın yol gösterici olması beklenmektedir. 
Deneyler için 1 adet dolu gövdeli referans numunesi (DK-R), 1 adet yalıtımsız boşluklu gövdeli (GBK-YS) ve 2 adet yalıtım malzemelerinin kullanılacağı boşluklu gövdeli kompozit kirişler (GBK-YP, GBK-YN) olmak üzere toplam 4 adet kompozit IPE 140 S275 JR çelik kalitesinde kiriş tasarlanmıştır. Deneyler esnasında göçme durumlarının daha iyi izlenebilmesi için gövde boşluk oranı maksimuma yakın (H/D0 = 0.7) ve boşluklar arası mesafe ise IPE 140 (wmin = 50 mm) minimum seçilmiştir. 
Kirişlerin üzerinde 38/151 tipinde, hadve sayısı n= 6, kalınlığı t=0.7 mm galvanizli kompozit döşeme sacı ve hf= 7.8 cm kalınlığında, beff= 1m genişliğinde, C25 kalitesinde beton ve Q188/188 hasır çelik donatı kullanılarak oluşturulan kompozit döşeme sistemi kullanılmıştır.
Numuneler akredite yangın deney laboratuvarı olan EFFECTIS ERA' da TS EN 1365-3 (Yangına dayanıklılık deneyleri- Yük taşıyıcı elemanlar- Bölüm 3: Kirişler) standardına bağlı olarak deneysel olarak incelenmiştir. Gövdesi boşluklu ve dolu referans numunesi olan çelik kirişlerin üretiminin yapıldığı çelik malzemelerin mekanik özelliklerini tam olarak belirleyebilmek için çok sayıda çekme deney numunesi öngörülen standarda (TS EN ISO 6892-1) göre hazırlanmıştır. Malzeme deneylerinden elde edilen sonuçlara göre hesaplar tekrar revize edilmiş ve numuneler üretilmiştir. 
Yangın deneyleri için üretilen kirişlerde sıcaklık, şekil ve yerdeğiştirme eğrilerinin elde edilmesi hedeflenmiştir. Böylece gövdesi boşluklu kompozit döşemeli yalıtımlı ve yalıtımsız I-kirişlerin yüksek sıcaklıklar altındaki davranışları karşılaştırılmıştır. Deneyler sonunda gövdesi boşluklu yangın yalıtımlı kiriş numunelerinde göçme modları gövde burkulması ve Vierendeel göçme biçimi /mekanizması olarak belirlenmiştir. Korumasız boşluklu kirişlerde elde edilen büyük yerdeğiştirmelere bağlı olarak gövdede S şeklinde gövde burkulmaları izlenmiştir. Sıcaklık ve yerdeğiştirme zaman grafikleri incelendiğinde yangın korumasız kirişlerde (GBK-YS ve DK-R), korumalı kirişlere göre kritik sıcaklık değerlerinin ve yerdeğiştirmelerin daha yüksek olduğu ve bu değerlere daha hızlı ulaşıldığı görülmektedir. Korumasız kirişlerde (GBK-YS ve DK-R) korumalı kirişlere (GBK-YP ve GBK-YN) göre daha büyük göreli ve toplam yerdeğiştirmeler/deformasyonlar elde edildiği tespit edilmiştir. Yangın yalıtımlı (60 dk.) kirişlerde trapez sac boşluklarının yalıtılmaması, kirişin moment kapasitesine etkisi düşük olduğu için, göçmeye ya da kirişte üst başlıkta herhangi bir aşırı deformasyona neden olmamıştır.
Numunelerin betonarme döşemesindeki çatlak haritaları incelendiğinde, bütün döşemelerde iki türden (boyuna ve enine) çatlak belirlenmiştir. Kiriş eksenine dik çatlakların mesnete yakın bölgelerde kesme kuvvetinin yüksek olmasına bağlı olarak Vierendeel etkisi ile birlikte gövdede yerel burkulmaların artmasına bağlı olduğu anlaşılmaktadır.
Yüksek sıcaklıklara maruz kalan numunelerin deney sonrası mekanik özelliklerinde meydana gelen olası değişimleri belirleyebilmek amacıyla çelik profillerden alınan kupon numunelere çekme deneyi yapılmıştır. Çelik kirişler için TS EN ISO 6892-1 (Metalik Malzemeler- Çekme Deneyi- Bölüm 1: Ortam Sıcaklığında Deney Metodu) standardına göre çekme numunesi boyutları belirlenerek, üretimleri yapılmıştır. Malzeme çekme deneyleri (kupon testler) ABM Mühendislik Yapı Malzemeleri Laboratuvarı'nda gerçekleştirilmiştir. Deneylerde 60ton kapasiteye sahip ABM-M-05 çekme presi kullanılmıştır. Kopma uzamasındaki en büyük azalma yangın koruması olmadığı için %65'lik bir azalma ile GBK-YS numunesinde elde edilmiştir. 
Yangına dayanıklılık deneyleri sonucunda betonun karakteristik basınç dayanımını belirlemek için betonarme döşemeden TS EN 12504-1, 2010 (Beton- yapıda beton deneyleri-Bölüm 1: Karot Numuneler- Karot Alma, Muayene ve Basınç Dayanımının Tayini) standardına göre karot numuneleri alınarak basınç deneyleri yapılmıştır. Döşeme betonunun yangın öncesi ve sonrası basınç dayanımlarına bakıldığında en fazla düşüşün %34 ile yangın dayanımı en düşük olan GBK-YS numunesinde olduğu görülmüştür.
Deneylerden elde edilen sonuçlar ile Elefir-EN tahmine yönelik sayısal analiz programı ile sıcaklık değişimleri hesaplanmıştır. Hesaplama sonuçları deney sonuçları ile daha önceki çalışmalarda da bulunanlar uyumludur. Su ve solvent bazlı numunelerin sayısal analizinde Eurocode 3 kullanılarak yapılan hesaplamalar deney sonuçları ile iyi bir korelasyon sağlamasına karşın, kuramsal sonuçların deney sonuçları ile daha uyumlu çıkabilmesi için Eurocode 3'ün gövdesi boşluklu kirişlerin sıcaklık dağılımına yönelik bağıntısının revize edilmesi gerekmektedir.
Sonuç olarak, Türkiye'de ilk kez dairesel gövdesi boşluklu kirişlerin yangın performanslarının tahminine yönelik olarak geliştirilen bu deney modeli ve tam ölçeğe yakın deneyler ve sonuçları yangın sektöründe, eksiklik ve gereksinimlerden biri olan yapısal yangın deneylerinin yapılmasına ve deney düzeneklerinin oluşturulmasına katkı sağlayacaktır. Türkiye'de de kullanımı giderek artan ince film kabaran (şişen) (intumescent) boya yalıtım malzemelerinin yüksek sıcaklıklardaki davranışlarının, gövdesi boşluklu kompozit kirişlerin yangın performansı üzerindeki etkileri ve kullanılan malzemenin performans sonuçları, üretim yapan Türk firmalara gelecek için yol gösterecektir.

Abstract:
Steel-concrete composite beams with equally or unequally spaced openings of any shape are frequently used in multi-story steel framed structures for increased strength and stiffness, thereby leading to cost-effective solutions. Profiled steel sheeting is placed on the steel beams and concrete is poured. System's composite behaviour is provided with shear studs which are attached to the upper flange of the steel beam. Steel (under tension forces) and concrete (under compression forces) components are structurally tied together with studs, provide more rigidity and this system can resist larger vertical loads. Such beams with circular web openings (namely, cellular beams) are of significant importance in practice owing to their architectural flexibilities and automated manufacturing process (double cutting, separation of web parts, and re-welding). It is known that web cutouts may lead to a significant decrease in the behavioral properties (strength, stiffness, and ductility) of cellular beams at elevated temperatures. In the case of large web opening diameter to beam height ratios, a loss of mechanical values of the beam may be more dramatic. For the slab system, a composite effect between the concrete and steel sheet (formed steel or metal deck) is formed with a wide variety of cross sections of the cold-formed steel members. For example, various types of trapezoidal sections have been widely used for various economic reasons in Turkey. 
These type of beams' fire behaviour is not exactly known and this results in taking inadequate or unnecessary passive and active fire safety precautions in design. In view of large fires in steel tall buildings, such as World Trade Center (U.S.A) in 2001, fire behaviour of structures has gained importance under various fire scenarios. In this scope, fire tests increased significantly especially in U.S.A and Europe. Studies have been conducted to investigate fire behavior of cellular composite steel beams at elevated temperatures by assuming various experimental scales and beams types (plain, hexagonal, circular opening). Limited number of current full-scale tests and research draw attention especially on the behavior of protected and unprotected composite steel cellular beams under fire.
Although intumescent coatings have been used in different areas, in recent years, they have been frequently proposed for use in the USA and UK particularly for the protection of cellular beams against fire. It is known that intumescent coatings begin to react at temperatures of around 200–250 °C. Thin film coatings are suitable for use in cellulosic fires and are considered to be water and solvent based because of the chemical compounds they contain. Water- and solvent-based thin film coatings are preferred for use in indoor and outdoor applications, respectively. The required thickness and behavior of the different types of intumescent coatings used on cellular beams are issues that continue to be debated 
Previous studies have been conducted to investigate the fire behavior of cellular composite steel beams at elevated temperatures by assuming various experimental scales and beam types. The full-scale fire testing of steel-concrete composite cellular beams with trapezoidal steel decking and closely spaced holes with a large diameter has been limited. 
The main objective of this study is to experimentally examine the behavior of steel-concrete composite cellular I-beams under service loads for protected and unprotected conditions and subjected to ISO 834 fire conditions. A reference specimen having a solid web as opposed to a cell configuration was also tested to explore the behavioral differences. Within the scope of this study, intumescent coatings are used as fire protection materials, and have become widespread in the protection of composite cellular beams in Turkey. This study could be a guide for specifying and developing of precautions against fire in designing, dimensioning and manufacturing processes of the cellular beams for newly designed composite structures. One of the unique aspects of the study is that, to the best knowledge of the authors, full-scale four tests for composite beams with web openings were conducted for the first time in Turkey. These tests would make a significant contribution for performing structural fire experiments and setting up the new test arrangements.
The composite cellular beams used in this work are designed to allow an examination of deflected shapes, temperature changes in the steel members, and potential failure modes of the beams and concrete slab at high temperatures. Beams to be produced were tested according to TS EN 1365-3 (Fire resistance tests for loadbearing elements-Part 3: Beams) standard in EFFECTIS ERA which is an accredited fire testing laboratory. A total of 4 cellular composite beams, 1 reference specimen with solid webbed beam (DK-R), 1 cellular beam without insulation (GBK-YS) and 2 cellular beams with water and solvent-based insulation materials (GBK-YP, GBK-YN) were designed. To observe failure modes more clearly during fire testing and account for the most unfavorable case, a large cell diameter (H/D0 = 0.7) and closely spaced cell configurations with small intermediate web post values (wmin = 50 mm) are selected in this work.
The concrete class selected for the slab/topping is C25/30. The slab has dimensions of 4700 mm (length) x 1000 mm (width) x 78 mm (thickness) and was concreted on a trapezoidal steel sheeting deck in a permanent form and as the principal reinforcement for the slab. A widely used S235 steel grade metal deck type with a depth of 38 mm, cell spacing of 151 mm, and thickness of t = 0.7 mm was selected. A welded wire mesh (Q188/188) with a diameter of 6.0 mm and a 150 mm x 150 mm nominal wire pitch was used as a secondary (nonstructural) reinforcement to control (rather than prevent) cracks in the concrete slab. To provide the composite action between the beam and slab, headed shear studs of 19 mm in diameter and 75 mm in height were used.
Material coupon tests were carried out based on TS EN ISO 6892-1 (Metallic materials - Tensile testing - Part 1: Method of test at room temperature). To determine the material properties precisely, 12 coupons were taken from specimens having a steel grade of S275 JR and made with IPE 140 for the four beams used in the fire test. All coupon tests were conducted using a calibrated device at the ITU Civil Engineering Faculty, Construction Materials Laboratory. The calculations were revised, and the specimens' production were started depending on the results of the material coupon tests.
Four full-scale tests were performed on protected and unprotected beams. A total of four beams (namely, Beams DK-R, GBK-YS, GBK-YP and GBK-YN) were designed: unprotected, solid webbed welded built-up composite beam; DK-R, unprotected composite cellular beam; GBK-YS, solvent-based protected composite cellular beam; GBK-YP and GBK-YN, water-based protected composite cellular beam. In both the protected and unprotected cellular beams, the failure mechanisms were identified as web-post buckling and Vierendeel bending. 
Deflections in an unprotected beam are more critical than in a protected beam. Web-post buckling failure caused a distinctly S-shaped deformation in the web of the unprotected beam. 
Although the temperatures obtained in the fire-protected beam are higher, when the temperature-time graph is examined, it can be seen that the critical temperature values were reached within a shorter time than in the unprotected beam. In addition, higher deflection data were recorded for the unprotected beams than for the protected beams. 
Experiments showed that unprotected trapezoid deck voids did not have a decisive influence on the behavior of the beam for up to 60 min of fire testing.
For all specimens, two main types of crack patterns were determined after examining the composite slabs with trapezoidal steel decking, a welded reinforcing mesh, and cast-in-situ concrete. Both longitudinal (along the beam axis) and transversal cracks were formed on the top surface of each specimen. Owing to the stiffness of the regions near the support points, the shear force reaches the highest value, and the web buckling and secondary bending effects (i.e., the Vierendeel effect) in the nearest cells cause concrete slab cracking in the transverse direction.
At the end of the fire tests, tensile tests were conducted on the coupon samples taken from the steel profiles to determine the changes in the mechanical properties of the samples exposed to high temperatures. For the coupon tests, seven pieces were taken from each of the specimens in areas with less deformation. The tensile specimen dimensions were determined and produced according to the TS EN ISO 6892-1 (Metallic Materials - Tensile Test - Part 1: Ambient Temperature Test Method) standards for steel beams. Coupon tests were carried out in the ABM Engineering Building Materials Laboratory, which is an accredited laboratory close to the fire testing laboratory. Depending on the results from the pre-and post-experiment mechanical properties of the coupon samples, the greatest reduction in strain failure was obtained in GBK-YS with a 65% reduction, which had no fire protection. This indicates that the reductions in the mechanical properties of the steel material in the protected beams are much less when compared to those of the unprotected beam.
Possible changes in the characteristic compressive strength (fck) of concrete after the fire tests are of significance and were determined by taking core samples from the reinforced concrete slabs according to TS EN 12504-1, 2010 (Testing Concrete in Structures- Part 1: Cored Specimens- Taking, Examining, and Testing in Compression) standard. No core sample was taken from Beam 2 because the concrete was severely damaged. The compressive tests were carried out using a calibrated machine at the ABM Engineering Building Materials Laboratory. Comparing the pre-and post-test (or post-cooling) compressive strength results, it was found that the post strength/pre-strength ratios were 34% for GBK-YS, 20% for GBK-YP, and 33% for GBK-YN. For the protected specimens, the slabs were exposed to higher temperatures, and the compressive strength of concrete after testing was lower than that of the unprotected beam slabs.
Temperature changes in experiments results were calculated by the numerical analysis program Elefir-EN. The results of the calculations are in good correlation with experiment results and the previous studies. Although numerical analysis of water and solvent based specimens is in accordance with the experimental results using Eurocode 3 with Elefir-EN, it is necessary to revise Eurocode 3's relation to the temperature distribution of cellular composite beams in order to make the theoretical results more compatible with the experimental results.
As a result, this experimental model and the experiments which are developed for the first time in Turkey will contribute one of the significant deficiencies and requirements in the fire sector and the development of the structural fire experimental set ups. The use of thin film intumescent coatings in Turkey is increasing. For this reason, the effects of the intumescent coating on the fire performance of cellular composite beams will be a guide for the Turkish companies which are working in this field.