İçi beton dolu çift cidarlı çelik tüplerin (CFDST) eksenel basınç altında deneysel olarak incelenmesi

Abstract

Kompozit yapı elemanları ve özellikle çelik–beton/betonarme kompozit kolonlar günümüzde çok katlı iskeletli yapılarda, bilinen üstün özellikleri nedeniyle, sıkça kullanılmaktadır. Kompozit yapı elemanı çelik, beton/betonarme, FRP gibi birden fazla malzemenin bir araya getirilmesiyle oluşur ve yapısal davranış özellikleri/performansları oldukça arttırılmış bir elemana dönüşürler. Çok katlı yapılar ve köprü ayaklarında kompozit kolonların kullanımı yüksek dayanım, göreceli olarak daha küçük kesit geometrileri, deprem yükleri altında üst düzey davranış, süneklik gibi üstünlükler sunmaktadır. Çelik-betonarme kompozit kolonların betonarme ve yalın çelik kolonlara göre bir çok önemli yapısal üstünlüğü bulunmaktadır. Çelik çekme kuvveti, beton/betonarme basınç yükleri altında yüksek dayanım gösteren bir yapı malzemesi iken, çelik betonarme kompozit kolonlar her iki malzemenin de yapısal özelliklerini taşıyarak daha yüksek yapısal performans sunmaktadır. Kısa bir geçmişe kadar kutu ya da boru kesitli çelik tüp kolonların gerek dayanım özelliklerinin iyileştirilmesi gerekse yangın dayanımlarının arttırılması için içleri çelik donatılı ya da donatısız olarak beton ile doldurulmaya başlanmıştır. Bu şekilde üretilen kolonlar ile ilgili olarak pek çok kuramsal ve deneysel çalışma günümüze kadar ulaşmıştır. Son zamanlarda yüksek binalarda mimari gereksinimler ve kiralanabilir alanın arttırılması hedefleri nedenleriyle kolonlarda kesit boyutlarının sınırlandırılmasına koşut olarak iç içe tüplerin kullanımı gündeme gelmiş, bu tür kolonların davranışının incelenmesi bu alanda çalışanlar için ana araştırma konularından biri olmuştur. Böylece, taşıma kapasitesindeki önemli artışların yanı sıra yangın sorununa da daha iyi bir çözüm getirilmiştir. Çift cidarlı olarak oluşturulan bu tür kolonların iç ve dış tüpler arasında kalan bölümlerinin beton ile doldurulması çoğunlukla yeterlidir. Literatürde içi beton dolu çift cidarlı çelik tüp kolonların (CFDST) eksenel basınç altındaki davranışlarını bir çok parametre kapsamında inceleyen sınırlı sayıda deneysel ve sayısal çalışmalar bulunmaktadır. Bu parametrelerden doluluk-boşluk oranının CFDST kolonların basınç dayanımına olan etkisine dair kesin bir sonuca varılamadığı görülmüştür. Lif katkıların betonun basınç dayanımını önemli derecede etkilediği bilinmesine karşın, CFDST kolonlarda lif katkılı beton kulanımını inceleyen çalışmalar sınırlı sayıdadır. Bu çalışmanın özgün yönlerinden biri de seçilen doluluk boşluk oranları ve lif katkılı beton kullanımının CFDST kolonların yapısal performansına etkisini incelemektir. CFDST'lerin eksenel basınç altındaki davranışını incelemek amacıyla basınç deneylerinde kullanılmak üzere toplam 8 adet numune güncel standartlara göre tasarlanmış, İstanbul Teknik Üniversitesi (İTÜ) Yapı Malzemesi Laboratuvarı'nda üretilmiş ve test edilmiştir. Tasarlanan numuneler 4 gruba ayrılmakta olup 1. grupta içi boş çift cidarlı çelik tüp numuneler (DST), 2. grupta içi referans beton dolu çift cidarlı çelik tüp numuneler (CFDST-R), 3. grupta içi polipropilen lif donatılı beton dolu çift cidarlı çelik tüp numuneler (CFDST-P) ve 4. grupta ise içi çelik tel donatılı beton dolu çift cidarlı çelik tüp numuneler (CFDST-D) bulunmaktadır. Her grupta iki adet numune yer almakta olup numunelerden birinin doluluk-boşluk oranı 0.50 diğerinin ise 0.75'tir. Tüm numuneler 300 mm yüksekliğinde ve 170 mm dış çelik tüp çapına sahiptir. Tüm numunelerde kullanılan iç ve dış çelik tüplerin kalınlıkları eşit olup 3.58 mm'dir. Test süresince şekildeğiştirme ölçerler ve yerdeğiştirme ölçerlerden veri toplanmış, elde edilen veriler ile numunelerin yük-şekildeğiştirme ve yük yerdeğiştirme eğrileri elde edilmiştir. Bu eğriler ile numunelerin akma dayanımları, maksimum yük kapasiteleri ve süneklik oranları belirlenmiş ve detaylı bir şekilde açıklanmıştır. Deneylerden önce numunelerin tahmini eksenel yük taşıma kapasiteleri AISC 360-16, EN 1994-1-1, AIJ ve ÇYTHYE-2016 yönetmeliklerinde yer alan bağıntılar ile hesaplanmış, deneysel veriler ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca, numunelerin göçme modları karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Doluluk-boşluk oranı ve sandviç beton türü farketmeksizin, içi beton dolu çift cidarlı çelik tüp (CFDST) numunelerin içi boş çift cidarlı çelik tüp (DST) numunelere göre, çok daha yüksek düşey basınç dayanımına sahip olduğu ve daha sünek davranış sergilediği görülmüştür. Çelik tüplerin arasına dökülen sandviç beton, çift cidarlı çelik tüplerin eksenel basınç dayanımını (%35~85.5) ve süneklik oranını (%306~333) önemli ölçüde arttırmaktadır. Ayrıca, doluluk-boşluk oranındaki artışın, çelik tüp enkesit alanının artmasına bağlı olarak, içi boş çift cidarlı çelik tüp (DST) numunelerin eksenel basınç dayanımını %26.9 oranında ve sünekliğini %19.2 oranında arttırdığı görülmektedir. Buna karşın, beton enkesit alanının azalmasına bağlı olarak beton karışımı lifli ya da lifsiz farketmeksizin, doluluk-boşluk oranındaki artışın tüm içi beton dolu çift cidarlı çelik tüp (CFDST) numunelerin eksenel basınç dayanımını %1.28.9 aralığında azalttığı görülmüştür. Buna ek olarak, CFDST numunelerin genel olarak oldukça sünek davranış sergilemelerine karşın doluluk-boşluk oranındaki artışın CFDST'lerin sünekliğini olumsuz etkilediği görülmüştür. Çelik tel ve polipropilen lif donatılı betonların CFDST'lerin eksenel basınç kapasitesine olan etkisi incelendiğinde doluluk-boşluk oranı ile doğrudan ilişkili olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Doluluk-boşluk oranı 0.75 olan numunelerde çelik tel ve polipropilen lif donatılı beton kullanımının CFDST'lerin eksenel basınç dayanımına önemli bir etkisinin olmadığı, buna karşın, doluluk-boşluk oranı 0.50 olan numunelerde çelik tel ve polipropilen lif donatılı betonların CFDST'lerin eksenel basınç dayanımını %7.65 oranında arttırdığı görülmüştür. Lif donatılı betonun, doluluk-boşluk oranındaki artışa bağlı olarak azalan beton hacmi nedeniyle, etkisini tam olarak göstermediği düşünülmektedir. Doluluk boşluk oranı farketmeksizin, polipropilen lif donatılı beton dolu numunelerin referans beton ve çelik tel donatılı beton dolu numunelere kıyasla daha sünek davranış sergiledikleri sonucuna ulaşılmıştır. Numunelerin göçme modları incelendiğinde, çelik tüplerin arası beton dolu/boş farketmeksizin, istisnasız tüm numunelerde fil ayağı şeklinde göçme (üst kısımdan itibaren ~%10h) meydana geldiği görülmüştür. DST ve CFDST numunelerin dış çelik tüplerinin burkulma modlarında farklılık görülmezken, DST numunelerin iç çelik tüplerinin dışa doğru, CFDST numunelerin iç çelik tüplerinin ise içe doğru burkulduğu görülmüştür. Bu durum, eksenel basınç etkisindeki betonun yanal genişlemesi ile iç çelik tüpte oluşturduğu basınçtan kaynaklanmaktadır. CFDST numunelerin göçme modları karşılaştırıldığında ise tüm numunelerin dış ve iç çelik tüplerinin burkulma modları aynı olmasına karşın, dış çelik tüplerde meydana gelen burkulmaların doluluk boşluk oranına bağlı olarak farklı bölgelerde yoğunlaştığı görülmüştür. Doluluk-boşluk oranı 0.75 olan CFDST'lerin dış tüplerinde meydana gelen burkulmaların genel olarak numunenin üst kısmına yakın bölgelerde (%(2030)h), doluluk-boşluk oranı 0.50 olan numunelerde ise dış tüpte meydana gelen burkulmaların genel olarak numunenin orta kısımlarında (üst kısımdan itibaren %(4060)h) yoğunlaştığı görülmüştür. Bu durumun, doluluk-boşluk oranı arttıkça artan çelik tüp enkesit alanı ile numunelerin daha rijit hale gelmesi ve iç çelik tüpün beton üzerinde oluşturduğu sınırlama etkisinin artmasıyla betonun yanal genişlemesinin kısıtlanmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Ayrıca, çelik tüpler ve betonda oluşan deformasyon/hasarların en gerçekçi biçimde anlaşılabilmesi, betonda oluşan çatlakların izlenebilmesi ve beton ile çelik arasındaki ilişkinin gözlemlenebilmesi amacıyla numuneler deney sonrası ikiye kesilmiştir. İkiye kesilen numuneler incelendiğinde, beton ve çelik tüpler arasında göçme bölgeleri (çelik tüplerin burkulduğu bölgeler) haricinde boşluk gözlenmemiş olup çelik tüpler ve betonun aderansının iyi olduğu görülmüştür. Referans beton dolu numunelere kıyasla, çelik tüplerin burkulduğu bölgelerde oluşan çelik tüpler ve beton arasındaki boşlukların lif donatılı beton dolu numunelerde daha fazla olduğu görülmüştür. Bu durum, lif donatıların basınç kuvveti etkisiyle agregaların etrafında oluşan çatlak ilerleyişini durdurması dolayısıyla betonun yanal genişlemesini sınırlandırmasından kaynaklanmaktadır. İkiye kesilen numunelerin dış çaplarındaki artış/değişim ve eksenel kısalmaları ölçülmüştür. Artan beton hacmine bağlı olarak, doluluk-boşluk oranı azaldıkça referans beton dolu DST'lerin dış çaplarında meydana gelen genişlemenin arttığı (%5.3) görülmüştür. Polipropilen lif ve çelik tel donatılı beton dolu DST'lerin dış çaplarındaki genişlemeler karşılaştırıldığında ise doluluk-boşluk oranı arttıkça numunelerin daha rijit hale geldiği ve dış çaplarındaki genişlemenin azaldığı (sırası ile %5.3 ve %3) görülmüştür. Bu durum, lif donatıların yüksek beton hacimlerinde daha etkili olması ve betonun yanal genişlemesini sınırlandırması ile açıklanabilir. Numunelerin eksenel kısalmaları karşılaştırıldığında, doluluk-boşluk oranı farketmeksizin referans beton dolu numunelerin lif donatılı beton dolu numunelere göre eksenel yük altında daha fazla deplasman yaptığı görülmektedir. Sonuç olarak, lif donatılı betonlar CFDST numunelerin rijitliğini önemli derecede arttırmaktadır. Tez aşağıdaki bölümlerden meydana gelmektedir: 1. Bölüm'de tezin amacı, motivasyon, kapsam ve yöntem açıklanmıştır. Parametreler kapsamında incelenen CFDST'ler ile ilgili daha önce yapılmış deneysel ve sayısal çalışmalar 2. Bölüm'de özetlenmiştir. 3. Bölüm numunelerin tasarım parametrelerine, malzeme özeliklerine, malzeme deneylerine, numune üretim sürecine, deney düzeneğinin hazırlanmasına, deney süresince kullanılan ölçüm/veri toplama cihazlarının konumlandırılmasına ve deneysel hazırlık sürecinin detaylarına ayrılmıştır. Eksenel basınç deneyleri süresince yapılan gözlemlere ve elde edilen veriler ile çizilen eğrilerin değerlendirilmesine 4. Bölüm'de yer verilmiştir. 5. Bölüm'de deneylerden elde edilen sonuçlar parametreler kapsamında birbirleri ve yönetmelik bağıntıları yardımıyla yapılan hesaplamalar ile karşılaştırılmıştır. 6. Bölüm'de ise çalışma kapsamında elde edilen sonuçlardan ve gelecekteki olası çalışmalar için önerilerden söz edilmektedir.