Önüretimli betonarme yapılarda moment aktaran yeni bir kiriş kolon bağlantısı
A new moment resisting beam to column connection for precast reinforced concrete structures
Yazar: ERKAN ŞENOL
Danışman: PROF. DR. ERCAN YÜKSEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Eğilme momenti = Bending moment ; Prefabrike = Prefabricate ; Rijit bağlantı = Rigid connection

Özet:
Bu tez çalışmasında, önüretimli betonarme kiriş ve kolon elemanların birbirleri ile bağlantılarını gerçekleştirebilmek için geleneksel yöntemlerden farklı olarak yeni bir mekanik bağlantı detayı geliştirilmiştir. Değiştirilebilir mekanik plastik mafsal olarak adlandırılan ve eğilme momenti dâhil olmak üzere kiriş uç kuvvetlerini kolon üstündeki düğüm noktasına aktaran birleşim ile ilgili detaylar verilmiştir. Basit, mekanik, yivli, çabuk monte edilebilen ve değiştirilebilir kabiliyetlere sahip olan birleşim yöntemi ile ilgili gerçekleştirilen araştırmalar, tez kapsamında üç ana bölümde toplanmıştır. İlk bölüm değiştirilebilir mekanik plastik mafsalın tasarlanması ve onu oluşturan mekanizmaların oluşturulmasına ayrılmıştır. Kiriş uç kuvvetlerinin aktarımı için etkin bir geometri geliştirilerek ve montaj kriterlerinin tamamını karşılanarak özgün bir birleştirme yöntemi geliştirilmiştir. İkinci bölümde, değiştirilebilir mekanik plastik mafsal ve alt bileşenlerini içerecek şekilde kiriş kolon birleşimini temsil eden düğüm noktası ve çerçeve deneyleri ile tasarım iyileştirmeye yönelik çok sayıda deneysel çalışma gerçekleştirilmiştir. Değiştirilebilir mekanik plastik mafsalın deney sonuçlarının bilgisayar ortamında oluşturulması ve sayısal modelleme yapılarak çerçeve sistemlerde analizler gerçekleştirilmesi de çalışmanın üçüncü bölümünü oluşturmaktadır.
Değiştirilebilir mekanik plastik mafsal, birbirinden bağımsız olarak çalışan iki alt bileşenden meydana gelen ve kiriş iç kuvvetlerini kolonlara aktaran bir mekanizmadır. Bu alt bileşenler kesme kuvvetini aktaran kayma bileşeni ile sigorta tipi mekanik manşon olarak adlandırılan ve eğilme momentinden oluşan kuvvet çiftlerini aktaran moment bileşenidir. Bu çalışma kapsamında aşamalı olarak geliştirilen plastik mafsal mekanizması, yapısal kusurları tolere edebilme, taşıyıcı eleman kesitlerine kıyasla daha küçük akma moment kapasitesine sahip, değiştirilebilir, mekanik bir birleşim yöntemidir. Islak birleşime ihtiyaç duyulmadığından montaj süresi kısadır. Yeter mertebede basit bir tasarıma sahip olması nedeniyle işçilik harcaması azalmaktadır.
Ön tasarımın iyileştirilmesi ve mevcut kusurlarının tespit edilerek giderilmesi amacıyla değiştirilebilir mekanik plastik mafsalın sigorta tipi mekanik manşonu için Betonarme eleman için kullanılan çeliklerin mekanik birleşimlerini sağlayan manşonlar standardı (ISO 15835-2018)'na uygun olarak çok sayıda çekme ve basınç deneyi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen pek çok sonuç baz alınarak tespit edilen kusurlar geometrik değişiklikler ve yeni parçalar eklenmesi yolu ile hedeflenen tasarıma ulaşılmıştır. Bu tez kapsamında basınç kapasitesi elastik sınırlar içerisinde kalan, çekme kapasitesi ise tasarımcının belirlediği düzeyde olan bir "sigorta tipi mekanik manşon" geliştirilmiştir.
Değiştirilebilir mekanik plastik mafsal ve onun alt bileşenleri olan kayma ve moment bileşenlerinin performans kapasitelerinin tespiti için kolon kiriş birleşim bölgesini ve düğüm noktasını temsil eden 1/1 ölçekli numuneler tersinir tekrarlı çevrimsel yüklemeler etkisinde test edilmiştir. Oluşturulan ölçüm düzenekleri ile kiriş uç yerdeğiştirmesi, düğüm noktasında meydana gelen dönme, kolon-kiriş birleşim bölgesi dönmesi, kirişte meydana gelen düzlem dışı yerdeğiştirmeleri, kayma bileşeninde meydana gelen eksenel doğrultudaki yerdeğiştirmeler, sigorta tipi mekanik manşonlarda meydana gelen eksenel boy değişimleri, şekildeğiştirmeler, sisteme dışarıdan verilen kuvvet değişimleri kayıt altına alınmıştır. Çevrimsel davranış ile elde edilen genlikler, süneklikler, enerji sönümleme değerleri, iç kuvvet taşıma kapasiteleri ve dayanım kaybı gibi parametreler irdelenmiştir.
Düğüm noktası deneylerinden elde edilen sonuçların yeterli görülmesi sonrasında, değiştirilebilir mekanik plastik mafsal fikri ½ ölçekli bir açıklıklı ve iki katlı bir düzlem çerçevede uygulanmıştır. Soket temellerin üstünde kalan bölümün yüksekliği 3m, kolonlar arası net açıklığın ise 2.8m olduğu düzlem çerçevedeki bütün kiriş kolon bağlantıları değiştirilebilir mekanik plastik mafsal ile gerçekleştirilmiş ve her iki katın kiriş hizasında oluşturulan yükleme noktaları ile tersinir tekrarlı çevrimsel harekete maruz bırakılmıştır. Başarıyla tamamlanan deneyler sonucunda  %5 göreli kat öteleme değerine kadar düğüm noktaları ve değiştirilebilir mekanik plastik mafsalların etkin olarak çalışmaya devam ettiği görülmüştür. Sigorta tipi mekanik manşonlarda %25'e ulaşan eksenel uzama değerleri elde edilmiştir. Büyük genlikli ve oldukça sünek kuvvet – tepe yerdeğiştirmesi grafikleri elde edilmiş, görece yüksek çevrimsel enerjiler elde edilmiştir.
Sigorta tipi mekanik manşonun ve değiştirilebilir mekanik plastik mafsalın doğrusal ve doğrusal olmayan yay ve link elemanlar kullanılarak sayısal modellemesi yapılmıştır. Deneysel çalışmalarda kullanılan yükleme protokolünün zamana bağlı yerdeğiştirme değerleri sayısal analiz modellerine de uygulanmıştır. Deneysel sonuçlar sayısal modeller kullanılarak yeterli başarı ile temsil edilebilmiştir. Buna ek olarak, düzlem çerçeve deneyleri değiştirilebilir mekanik plastik mafsalların "link elemanlar" ile modellendiği bir eşlenik sayısal örnekle de çözülmüştür. Basit modelleme tekniğinin de yeter doğrulukta sonuçlar verdiği tespit edilmiştir.
Bu tezde gerçekleştirilen çalışmalar neticesinde bir düzlem çerçeve üzerinde plastik mafsal oluşumunun tasarlanan mekanizmada meydana gelmesi sağlanmıştır. İleri düzey hasar seviyeleri sırasında kiriş elemanlar ve kolon elemanlarda hasar oluşumu engellenmiş, düğüm noktasında kabul edilebilir seviyelerde hasar oluşmuştur. Düğüm noktası hasarlarının ise düzlem çerçeve deneylerinde kullanılan numuneye yerleştirilen kayma levhalarının yeter mertebede ölçülendirilememesi olduğu düşünülmektedir. Hasar düzeyinin düşük olması sebebiyle gerçek yapı uygulamalarında bu durumun önüne geçilebileceği düşünülmektedir.
Doktora tez çalışmasının konusunu oluşturan "bağlantı mekanizması" başarılı sonuçları ile hem özgün ve yenilikçi hem de mekanik ve değiştirilebilir bir yöntemin sektöre ve literatüre kazandırılması sağlanmıştır.

Abstract:
In this thesis, a new mechanical connection detail has been developed, different from traditional methods, in order to connect precast concrete beam and column elements with each other. Details are given about the connection called the replaceable mechanical plastic hinge, which transfers the beam end forces, including the bending moment, to the joint on the column. The researches on the simple, mechanical, threaded, quick-assembled and replaceable joint method are gathered in three main sections within the scope of the thesis. The first section is devoted to designing the replaceable mechanical plastic joint and developing the mechanisms that create the hinge. A unique connection method has been developed by improving an effective geometry for the transferring of beam end forces and fullfilling all the assembly criteria. In the second part, a large number of experimental studies were carried out for design improvement with joint point and frame experiments representing beam-column connection including replaceable mechanical plastic hinges and sub-components. The third part of the study is to simulate the test results of the replaceable mechanical plastic hinge in computer programs using the finite element method and to perform analyzes in frame systems by creating numerical models.
The replaceable mechanical plastic hinge is a mechanism that consists of two sub-components that work independently of each other and transfers the beam's internal forces to the columns. These sub-components are the shear component that transfers the shear force and the moment component that transfers the force couples, which is called the fuse-type mechanical coupler and consists of bending moment. The plastic hinge mechanism, which was developed gradually within the scope of this study, is a replaceable, mechanical joining method that can tolerate structural defects and has a smaller yield moment capacity compared to load bearing element sections. As there is no need for wet connections, the assemblage time is short. Because of its simple enough design, labor expenditure is reduced.
In order to improve the preliminary design and to detect and eliminate existing defects, numerous tensile and compression tests have been carried out in accordance with the mechanical couplings standard ISO 15835-2018 (Steels for the reinforcement of concrete — Reinforcement couplers for mechanical splices of bars) for the fuse type mechanical coupler of the replaceable mechanical plastic hinge. Based on the many results obtained, geometric changes and new parts were added gradually in order to eliminate the detected defects, therefore the final design was finally reached. Within the scope of this thesis, a "fuse type mechanical coupler" has been developed with a compressive capacity within elastic limits and a tensile capacity at the level determined by the designer.
1/1 scaled experimental specimens representing the column-beam connection and joint section were tested under by applying a reversible cyclic loading protocol in order to determine the performance capacities of the replaceable mechanical plastic hinge and its sub-components, shear and moment components. During the tests, two different arrangement of longitudinal reinforcement of beam specimens, symmetrical and asymmetrical, were carried out. In the symmetrical arrangement, there are two rows of longitudinal reinforcement at the top and two rows at the bottom, while in the asymmetric arrangement, there are four rows of longitudinal reinforcement at the top and two rows of longitudinal reinforcement at the bottom. Beam end displacement, rotation at the joint, rotation of the beam-column connection, out-of-plane displacements in the beam, displacements in the axial direction that occur in the shear component, axial length changes in the fuse type mechanical couplers, deformations, changes of external forces given the system were recorded with the experiment measurement setups. Parameters such as amplitudes, ductility, energy dissipation values, internal force loading capacities and strength loss obtained by cyclic behavior are examined seperately one by one.
After the results obtained from the joint tests were deemed satisfactory, the idea of the replaceable mechanical plastic hinge was implemented in a two-storey plane frame with a ½ scale opening. All beam-column connections in the plane frame, where the height of the section above the socket foundations is 3m and the net spacing between the columns is 2,8m, were made with replaceable mechanical plastic hinges. Both floors were exposed to reversible cyclic displacement with the loading points created at the beam level. As a result of the successfully completed experiments, it has been observed that the joint points and replaceable mechanical plastic hinges continue to work effectively up to the 5% relative floor drift value. Axial elongation values of up to 25% were obtained in fuse type mechanical couplings. Large amplitude and highly ductile force-peak displacement graphs are obtained, and relatively high cyclic energies are obtained.
Numerical modeling of the fuse type mechanical coupler and the replaceable mechanical plastic hinge was done using linear and non-linear spring and link elements. During the comparison of the experimental and numerical studies, two different hysteresis models which are kinematic and pivot were used to model the link elements used in fuse-type mechanical couplers. Time-dependent displacement values of the loading protocol used in the experimental studies were also applied to the numerical analysis models. Experimental results could be represented with sufficient success using numerical models. In addition, beam-column connection using steel jackets and plane-frame experiments are also solved with a conjugate numerical examples in which replaceable mechanical plastic hinges are modeled with "link elements". The interaction diagrams of the base shear force-peak displacement values obtained from the numerical analyzes were compared with the graphs obtained from the experiments by comparing both the energy dissipation capacity and the skeletal curves. It has been determined that the simple modeling technique performed with the pivot model gives results with sufficient accuracy. 
As a result of the studies carried out in this thesis, it has been ensured that the plastic hinge formation on a plane frame occurs in the designed mechanism. During advanced damage levels, damage to beam elements and column members was prevented, and acceptable levels of damage occurred at the joint point. The joint damage is thought to be due to the inability to measure the shear plates placed on the sample used in the plane frame tests. Due to the low level of damage, it is thought that this situation can be avoided in real building constructions.
With the successful results of the "connection mechanism", which is the subject of the doctoral thesis, a method that is both original and innovative, as well as mechanical and replaceable, has been brought to the sector and to the literature.