Development and cyclic testing of buckling restrained braces with post-tensioned carbon fiber composite cables
ARD-germeli karbon lifli kompozit kablolu burkulması önlenmiş çaprazların geliştirilmesi ve çevrimsel yükleme altında denenmesi
- Tez No: 664774
- Danışmanlar: PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Deprem Mühendisliği, Earthquake Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Deprem Mühendisliği ve Afet Yönetimi Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 153
Özet
Mevcut yönetmelikler ve geleneksel sismik tasarım yöntemleri tasarım depreminde binaların plastik şekildeğiştirme yapmasına izin vermektedirler. Yönetmelik kriterleri kullanıldığında büyük bir deprem sonrası binalar hasar almakta ve ilk konumlarına geri dönememektedirler. Deprem sonrası kalıcı şekildeğiştirmelerin (residual deformations) fazla olması nedeniyle binaların yeniden kullanımı mümkün olmamaktadır. Böylelikle tasarım depremi sonrası binalar can güvenliğini sağlamak koşulu ile gözden çıkarılmaktadır. Binaların kullanılamaz duruma gelmesi ve yeniden yapılmalarının ülke ekonomisi ve çevre üzerindeki olumsuz etkileri bulunmaktadır. Bu tez çalışmasında temel olarak deprem sonrası kalıcı şekildeğiştirmelerin azaltılması konusuna odaklanılmıştır. İlk olarak deprem sonrası kalıcı şekildeğiştirmelerin azaltılması ile ilgili yapılmış, enerji sönümleyici elemanların kullanıldığı çalışmalar incelenmiştir. Enerji sönümleyicilerin kullanımı deprem sonrası binaları çoğunlukla elastik kalmasına yardımcı olmaktadır. Bunlar içerisinde, burkulması önlenmiş çaprazlar (BÖÇ ya da BRB) çok iyi enerji sönümleme kapasitelerine sahip olmakla birlikte 1988'de Fujimoto vd. tarafından ilk uygulama sonrası dünyada (Türkiye, Japonya, Amerika, Tayvan, Kanada, Yeni Zelanda vd.) yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak BÖÇ'ler mafsallı bağlantılı kolon-kiriş birleşimleri ile kullanıldıklarında deprem sonrası büyük miktarda kalıcı yerdeğiştirmeler oluşmaktadır. Bu olumsuz durum çaprazın akma sonrası rijitliğini arttırarak ya da yapıya kendinden merkezlenen çapraz eklenerek giderilebilir. Giriş'e ayrılan birinci bölümden sonra kalıcı yerdeğiştirmelerin azaltılmasına yönelik olarak yapılan önemli çalışmalar tezin ikinci bölümünde verilmiştir. Tezin üçüncü bölümünde ise histeretik eğrinini şeklinin yapının sismik performansı üzerine etkisi incelenmiştir. Histeretik davranışın şekli, çift-doğrusal, kısmi ve tam kendinden merkezlenen (bayrak şekilli) davranış olarak değişmektedir. Bu histeretik davranışlardaki değişim iki parametreye bağlanmıştır; bunlar akma sonrası rijitliğin ilk rijitliğe oranı ve enerji sönümleme oranıdır (ard-germe miktarı). Doğrusal olmayan zaman tanım alanında yapılan hesaplar sonucunda, akma sonrası rijitlik oranının artışı ile deprem sonrası kalıcı şekildeğiştirmelerin azaldığı, bununla birlikte ivmelerin arttığı gözlenmiştir. Bu bölümün diğer bir çıkarımı ise deprem sonrası kalıcı şekildeğiştirmelerin önemsenmeyecek derecede olması için tam kendinden merkezlenmenin gerekli olmayabileceği sonucudur. Üçüncü bölümden çıkan sonuçlar dikkate alınarak, dördüncü bölümde tez kapsamında geliştirilen çaprazın tasarım ve üretim süreci açıklanmıştır. Geleneksel BÖÇ'lere dört adet simetrik ard germeli karbon lifli kompozit kablolar eklenerek kendinden merkezlenme (kısmi ya da tam) özelliği olan bir çapraz (AG-BÖÇ ya da PT-BRB) elde edilmiştir. AG-BÖÇ'ler temelde çelik çekirdek, iç ve dış tüp, iki uç plaka ve 4 adet karbon lifli kompozit kablolardan (KLKK ya da CFCC) oluşmaktadır. İlk olarak çelik çekirdek üretilmiş ve rijitlik arttırıcılara kaynaklanmıştır. Sonrasında çekirdek iç tüpe yerleştirilir, iç tüpün yalnızca bir (sol) tarafından kaynaklanır ve iç tüp normal ya da yüksek dayanımlı harçla doldurulur. Böylece çaprazın enerji sönümleyici parçası (BÖÇ) tamamlanmış olur. Üçüncü adımda BÖÇ dış tüpün içine yerleştirilir ve bu kez sadece sağ taraftan çekirdek dış tüpe kaynaklanır. Son adımda KLKK'ler ve uç plakalar çapraza herhangi bir kaynak yapılmadan yerleştirilir ve art germe kuvveti uygulanır. İç tüpe kaynaklanması dışında BÖÇ üretim süreci, geleneksel üretim sürecine çok benzemektedir. Bu kaynaklama yöntemi ile iç tüp hem kendinden merkezlenme mekanizmasının bir parçası hem de burkulmayı önleyici bir eleman olarak kullanılmıştır. Kendinden merkezlenme mekanizmasının temel amacı basınç kuvveti kablolara iletilirken yönünü 180 derece değiştirmektedir. Önerilen çapraz yüksüz olduğu ilk durumda tüpler uç plakalar ile temas halindedir. Çapraz çekme kuvveti etkisinde uzadığında, tüpler kuvveti kaynaklı taraflarından uç plakalara iterler. Bunun sonucunda uç plakalar ve tüplerin kaynaksız uç bölümleri arasında boşluk oluşur. Basınç etkisi altında ise kuvvetlerin bir bölümü tüplerle uç plakalara taşınır ve uç plakalarla bu kez tüpün kaynaklı uçları arasında boşluk oluşur. Böylece AG-BÖÇ'ler, hem çekme hem de basınç altındayken kabloların uzaması sağlanmaktadır. Tez çalışması için 3 adet aynı özelliklerde AG-BÖÇ geliştirilmiş özellikle üretim aşamalarından fotoğraflar sunulmuştur. Beşinci bölümde geliştirilen çaprazlara ilişkin deneysel çalışmalar verilmiştir. İlk olarak KLKK ve çelik çekirdek kupon (malzeme) deneyleri gerçekleştirilmiştir. KLKK'ler köprü inşaatlarında ya da ön germeli donatı elemanı olarak betonun içerisinde sıkça kullanılmaktadırlar. Buna karşın beton dışında kullanılan KLKK'nin çevrimsel davranışına literatürde pek rastlanmamaktadır. Bu tür kabloların çevrimsel eksenel yükleme altında davranış performanslarının daha iyi anlaşılması için AG-BÖÇ deneylerinden önce KLKK'ler üniversal çekme deneyi makinası ile test edilmiştir. Ankraj sisteminde, KLKK'leri çelik millere sabitlemek için yüksek genleşme özelliğine sahip malzeme kullanılmıştır. Kimyasal reaksiyon sonucu genleşen (HEM) malzeme, dişli mil ve KLKK'ler arasında yüksek basınç oluşturur. Bu yüksek basınç KLKK'deki eksenel kuvveti herhangi bir gerilme yoğunlaşması olmadan dişli mile aktarılmasını sağlamaktadır. Farklı ard-germe düzeylerinde 3 adet KLKK test edilmiştir. Test edilen kupon numunelerden KLKK-0'a herhangi bir ön çekme kuvveti uygulanmamıştır. KLKK-11.4 ve KLKK-19'da tasarım kopma yükünün sırasıyla %15'i ve %25'i kadar ön çekme kuvveti uygulanmıştır. Test sonuçlarında KLKK'lerin çevrimsel davranışının doğrusal olmadığı gözlenmiş olup temelde iki farklı rijitliğe sahiptirler. İlk rijitlik, kayma ve ankraj sisteminin yerleşmesini de içermektedir. Özellikle KLKK-11.4 ve KLKK-19 için kalıcı şekildeğiştirme sonrası yerleşen kabloların rijitlikleri artmakta ve ikinci rijitlik doğrusal olarak gözlemlenmektedir. KLKK-0'da ön çekme kuvveti olmadığı için, kablodaki kuvvet azaldıkça rijitlik azalmakta ve kuvvet çok düşük olduğunda rijitlik sıfıra doğru gitmektedir. Tüm kupon numuneleri garanti edilen kopma kuvvetine ulaşmışlardır. Ortalama toplam birim şekildeğiştirme ve minimum doğrusal elastik birim şekildeğiştirme sırasıyla %4.83 ve %2.07 bulunmuştur. KLKK numunesi şekildeğiştirme kapasitesini aşınca dayanımı aniden düşmektedir. Kablodaki tüm teller aynı anda kopmamış olup, deney kablodaki tüm teller kopana dek devam ettirilmiştir. KLKK göçmesinin gevrek olduğunu gözlenmiştir. Hiçbir numunede ankraj sisteminde hasar gözlenmemiştir. Kupon test sonuçları ışığında kablolara art germe uygularken belirli bir yol izlenmesine karar verilmiştir. Her bir kabloya 70 Kn'a kadar ön çekme kuvveti uygulanıp, sonra hedef art çekme kuvvetine kadar gevşetilmesi planlanmıştır. Böylelikle kayma ve ankraj sisteminin yerleşmesinden doğan kalıcı deformasyonların önüne geçilmesi amaçlanmıştır. Bu yöntemin diğer bir üstünlüğü ise kablo dayanımını ve rijitliğini AG-BÖÇ deneyinden önce doğrulamaktır. KLKK'ler betonun dışında harici bir eleman olarak kullanılacağı için art germede böyle bir yol izlenmesi doğrusal davranış için gereklidir. Buna ek olarak üretilen BÖÇ'lerde Japonya'da sıkça kullanılan SN400B tipi çelik çekirdek seçilmiş ve 4 adet numune tek yönlü olarak denenmiştir. 284 MPa ortalama çekme dayanımı ve 440 MPa kopma dayanımı elde edilmiştir. Beşinci bölümde ayrıca üretilen üç adet AG-BÖÇ'ün deney sonuçları paylaşılmıştır. Üretilen çaprazların uygulanan ard-germe kuvveti dışındaki tüm özellikleri aynıdır. AG-BÖÇ-16 geleneksel BRB'e benzer olarak ancak görece yüksek akma rijitlik oranına sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. AG-BÖÇ-56 ve AG-BÖÇ-80 farklı ard-germe kuvveti değerlerine sahip kısmi kendinden merkezlenen çaprazlardır. AG-BÖÇ-16, AG-BÖÇ-56 ve AG-BÖÇ-80 çaprazlarına uygulanan ard germe kuvvetleri sırasıyla kabloların tasarım kopma kuvvetlerinin %5, %18 ve %26'sıdır. Ayrıca, çapraz isimlerindeki son iki karakter uygulanan AG kuvvetlerini kN cinsinden göstermektedir. AG-BÖÇ'ler tasarlanırken AG kuvvetlerinin çaprazın özelliklerine etkisinin incelenmesi ve uzama kapasitelerinin mevcut yönetmeliklere uygun olup olmadığı düşünülmüştür. Bu nedenle birçok yönetmelikte can güvenliği performans düzeyini sağlamak için önerilen %2 kat ötelemesi deneysel çalışmada kullanılan yükleme protokolünde hedef olarak seçilmiştir. AG-BÖÇ'ler deney çerçevesine iki ucu mafsallı bağlantı elemanları ile diagonal olarak yerleştirilmiştir. Yükleme yönü ve AG-BÖÇ arasındaki açı 9 metre açıklıklı çelik çerçeveli binada kullanılan diagonal çaprazların açılarına benzer olarak 25.34° dir. Yerdeğiştirme kontrollü deney 500 kN kapasiteli hidrolik yükverenlerle Tokyo Teknoloji Enstitüsü, Ookayama Yerleşkesi (Midarigauka 2) binasında gerçekleştirilmiştir. Mafsaldan mafsala olan mesafe ve çekirdek uzunluğu sırasıyla 3540 mm ve 1000 mm'dir. Test sırasında yerdeğiştirmeler 12 yerdeğiştirme ölçerle, CFCC'deki tepki kuvvetleri 4 adet yük ölçer ile ölçülmüştür. Ek olarak, iç ve dış tüpe birim şekildeğiştirme ölçerler yerleştirilerek tüplerdeki gerilme değişimleri kaydedilmiştir. Karşılaştırma yapabilmek adına yükleme protokolünün ilk kısmında BÖÇ'lerin yeterliliği için hazırlanan ANSI/AISC 341-16 çevrimsel deney protokolü uygulanmıştır. Yüklemenin ikinci bölümünde, tüm örnekler farklı protokollerle test edilmiştir. Protokoller, farklı birim şekildeğiştirme seviyelerindeki düşük çevrimsel yorulma davranışını elde etmek için ve çaprazın (KLKK ya da BÖÇ çekirdeği) kopan bileşenini belirlemek için, iki ana amaç ile değiştirilmiştir. Yükleme, genel göçme durumunu gözlemlemek için çekirdek koptuktan sonra da sürdürülmüştür. Geliştirilen tüm çaprazlar deney süresince kararlı bir davranış göstermiş, ANSI/AISC 341-16 protokolü %1 tasarım ve %2 maksimum kat ötelemesi seviyeleri için beklenmedik kopma, dayanım kaybı ya da rijitlik azalması olmamıştır. Maksimum basınç kuvvetinin maksimum çekme kuvvetine oranı en yüksek AG-BÖÇ-56 için elde edilmiştir. Bu değer 1.18 olup ANSI/AISC 341-16'de izin verilen üst limitten (1.5) daha küçüktür. AG-BÖÇ-56 ve AG-BÖÇ-80 tasarlandığı gibi kısmen kendinden merkezlenme davranışında bulunurken, AG-BÖÇ-16 çift-doğrusal davrandığı gözlenmiştir. AG-BÖÇ'lerde önerilen ard germe kuvveti uygulama yöntemi sayesinde, uç ankraj sisteminden kaynaklanan kalıcı bir deformasyon olmamıştır. Kablolar rijitliklerinde önemli değişiklikler olmaksızın doğrusal ve kararlı bir davranış göstermişlerdir. Yükleme protokolünün ilk bölümü tamamlandıktan sonra, AG-BÖÇ-56 ve PT-BTB-80 çaprazlarının ait düşük çevrimli yorulma performansı araştırılmıştır. Buna ek olarak, AG-BÖÇ-16 çaprazın uzama kapasitesini belirlemek için artan bir yükleme uygulanmıştır. Kopmadan önce, PT-BTB-80 çaprazının çekirdeği yaklaşık %2.5 birim şekildeğiştirmede 13 çevrimi tamamlarken, AG-BÖÇ-56 çaprazının çekirdeği yaklaşık %1.8 birim şekildeğiştirmede 34 çevrimi tamamlamıştır. AG-BÖÇ-16 çaprazın çekirdeği yaklaşık %3.8 birim şekildeğiştirmesine ulaşmış olup bu değer mevcut mühendislik uygulamalarına göre nispeten yüksek bir değerdir. Yükleme protokolünün son bölümünde, AG-BÖÇ'ların kopma durumları araştırılmıştır. İlk kopma durumunda, AG-BÖÇ-56 ve AG-BÖÇ-80 için çekirdeğin düşük çevrimli yorulmadan dolayı kopması araştırılmıştır. Çekirdek koptuktan sonra bile kablolar kararlı davranış sergilemiştir. AG-BÖÇ-16'nın kablolarının kopma durumu araştırması amaçlanmasına karşın kablolar deney sırasında kopmadığından gevşetildiler ve yalnızca BÖÇ denenmiştir. Çaprazın KLKK kabloları olmaksızın da kararlı olduğu gözlenmiştir. Tezin altıncı bölümünde deneysel çalışmaya ilişkin veriler kullanılarak geliştirilen çaprazların sayısal modelleri kurulmuştur. Sayısal analizler, Opensees'in (Deprem Mühendisliği için Açık Sistem) Python programlama dili yorumlayıcısı olan Openseespy tarafından gerçekleştirilmiştir. Hem çapraz bileşeninin hem de çarpazın örnek bir çelik çerçeve sisteminde modeli kurulmuştur. Sistem modellemesi, AG-BÖÇ'lerin seçilen tasarım parametrelerinin bir bina çerçevesinin genel davranışı üzerindeki etkisini göstermek için yapılırken, bileşen modellemesi sayısal modelin deneysel çalışma ile karşılaştırılması amacı ile kurulmuştur. Çapraz bileşeni modelinde, sayısal çalışmalarda elde edilen çevrimsel eğriler ve sönümlenen enerji değerleri, deneysel çalışma sonuçları ile çok uyumludur. Bileşen modelinde, akma sonrası rijitlik ve maksimum kuvvetler kolayca öngörülebilirken, sayısal modelin başlangıç rijitliği gerçek durumdan biraz daha yüksektir. AG-BÖÇ'li altı katlı çelik bir binanın deprem etkisi altında davranışı farklı enerji sönümleme parametreleri için incelenmiş, ayrıca AG-BÖÇ'lerdeki KLKK'ler yerine çelik halatlar kullanılması durumu ile de karşılaştırılmıştır. Sayısal analizler sonucunda deprem sonrası kalıcı deformasyonların azaltılması için tam merkezlenmenin gerekli olmadığı sonucu ortaya çıkmaktadır. Geliştirilen çaprazların mevcut yönetmeliklerle gerçek binalar üzerinde uygulanabileceği de görülmüştür. Teze ilişkin sonuçlar tezin yedinci bölümünde verilmiş olup çapraz elemanlarının tasarım hesapları ve deneysel çalışmaya ilişkin veriler Ekler bölümünde sunulmuştur.
Özet (Çeviri)
There has been an increasing interest in using residual deformation as a seismic performance indicator for earthquake resistant building design. Recent efforts to minimize residual deformations in yielding systems have typically employed post-tensioning or shape memory alloys. These systems exhibit a characteristic flag-shaped hysteresis and may be designed to fully statically self-center. However, these have two important differences from the bilinear elasto-plastic behavior of conventional yielding systems: lower dissipated energy and a greater overstrength demand for the similar target displacement. On the other hand, numerous studies have reported that increasing the post-yield stiffness ratio is an effective method to reduce residual displacements. This may be achieved, for example, by designing a parallel elastic moment frame. Such systems also impose large overstrength demands, especially at large ductility ratios. Following the principles of capacity-based design, the main structure is designed for the peak forces generated by the energy dissipators, and so increasing the overstrength may lead to a less economic solution. This thesis investigates firstly the effect of the hysteresis shapes on residual drifts. Parametric nonlinear response history analyses are conducted by varying the energy dissipation and post-yield stiffness ratios. Numerical results showed that fully self-centering behavior may not be required to minimize residual deformations. In the experimental part of the thesis, a new type of buckling restrained brace (BRB) with externally attached post-tensioned carbon fiber composite cables (PT-BRB) is proposed. The steel core of the brace is used as an energy dissipator, while the carbon fiber composite cables (CFCCs) provide the self-centering force for minimizing residual story drifts. Three proof-of-concept specimens are designed, fabricated, and cyclically tested at different post-tensioning force levels. The CFCC behavior including the anchorage system is examined closely. Additional parametric study is also conducted to show the impact of different configurations of PT-BRBs on the inelastic response. Furthermore, optimal brace parameters are discussed to realize design recommendations. The results indicated that implementation of partially self-centering BRBs in building frames could lead to acceptable residual displacements. A stable behavior is obtained for the proposed PT-BRBs when subjected to the loading protocol specified in the AISC 2016 Seismic Provisions
Benzer Tezler
- Betonarme yapıların burkulması engellenmiş çelik çaprazlar ile dış güçlendirme metotlarının geliştirilmesi
The development of design methods for seismic retrofitting of reinforced concrete structures wi̇th buckling restrained braces
ELİF FİRUZE ERDİL
Doktora
Türkçe
2023
İnşaat MühendisliğiAkdeniz Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAMAZAN ÖZÇELİK
- Kaynaklı çelik yapıların DIN 18800 ve ANSI AWS D1.1'e göre tasarımı
Design of welded connections
HAKAN KÖROĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELAHADDİN ANIK
- Betonarme kolonların deprem performansının tekstil donatılı / donatısız cam lifli püskürtme harçla iyileştirilmesi
Improvement of seismic performance of reinforced concrete columns using glass fiber reinforced sprayed mortar with / without textile reinforcement
ALİ OSMAN ATEŞ
Doktora
Türkçe
2022
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER İLKİ
- Numerical and experimental investigation on the crushing behaviour of auxetic lattice cells produced with additive manufacturing techniques
Eklemeli imalat teknikleri ile üretilmiş ökzetik kafes yapıların ezilme davranışlarının nümerik ve deneysel olarak incelenmesi
KADİR GÜNAYDIN
Doktora
İngilizce
2020
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
DR. ÖĞR. ÜYESİ ANTONIO MATTIA GRANDE