Experimental investigation of contribution of some strengthening types to compressive strength capacities in steel braces

Öz

Steel members under the effect of axial compression are designed in such a way that there is no buckling. However, these elements should be strengthened in cases where the purpose of use of the structure changes or the building performance does not provide the desired strengths. In this study, four different strengthening were applied to increase the weak moment of inertia of the members by reference to the braces with a certain slender cross-section. Three of them are steel plate addition and the fourth is CFRP wrapping. One of the steel strengthening is welded and the other two are bolt supported strengthening. Strengthened test specimens were subjected to quasi-static cyclical axial loading with a prepared setup. As a consequence of the test, axial force-axial deformation curves were obtained. With the obtained data, bearing capacities, displacement capacities, buckling loads, energy dissipation capacities and ductility parameters are presented comparatively. As a result of the experiments, it was seen that the sample strengthened by welding the additional plate along the body caused the greatest increase in buckling strength compared to the reference sample, but it caused earlier failure in tensile. It was concluded that the contribution of the other samples to the compressive strength remained at low levels, but better performance could be achieved with improvements.

Anahtar Kelimeler

• Steel braces
• Strengthening of steel members
• Buckling strength
• energy dissipation capacity
• Hysteresis curve
• Energy ductility

Çelik basınç çubuklarında bazı güçlendirme türlerinin basınç dayanımı kapasitelerine katkısının deneysel araştırılması

Öz

Eksenel basınç etkisindeki çelik elemanlar burkulma olmayacak şekilde tasarlanır. Ancak yapının kullanım amacının değişmesi veya performans hesapları sonrasında yapının istenilen dayanımları sağlamadığı durumlarda güçlendirilmesi gerekebilir. Bu çalışmada, belirli narin enkesite sahip basınç çubuğu referans alınarak, çubuğun zayıf eksen ataletinin artırılmasına yönelik dört farklı güçlendirme uygulanmıştır. Bunlardan üçü çelik plaka ilavesi, dördüncüsü CFRP sargı yapılmasıdır. Çelik güçlendirmelerin biri kaynaklı diğer ikisi ise bulon destekli güçlendirmedir. Güçlendirilmiş test numuneleri hazırlanan bir düzenekte, yarı statik tersinir tekrarlı eksenel kuvvete maruz bırakılmıştır. Test sonucunda eksenel kuvvet-boyuna deformasyon eğrileri elde edilmiştir. Elde edilen verilerle taşıma kapasiteleri, yer değiştirme kapasiteleri, burkulma yükleri, enerji yutma kapasiteleri ile süneklik parametreleri karşılaştırmalı olarak ortaya konulmuştur. Deneyler sonucunda ek levhaların gövde boyunca kaynaklanmasıyla güçlendirilen kaynaklı numunenin, burkulma dayanımında en büyük artışı gösterdiği, ancak çekmede daha erken göçtüğü görülmüştür. Diğer numunelerin basınç dayanımına katkısının düşük seviyelerde kaldığı görülmüş olup, buna karşılık yapılacak iyileştirmelerle daha iyi performansa ulaşılabileceği sonucuna ulaşılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Çelik basınç çubuğu
• çelik eleman güçlendirme
• burkulma dayanımın artırılması
• enerji yutma kapasitesi
• histeresis eğrisi
• enerji sünekliği

Kaynakça

1. N. Hoveidae, and B. Rafezy, Overall buckling behavior of all-steel buckling restrained braces. Journal of Constructional Steel Research, 79, 151-158, 2013.https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2012.07.022
2. Q. Xie, State of the art of buckling-restrained braces in Asia. Journal of Constructional Steel Research, 61(6), 727-748, 2005. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2004. 11.005.
3. D. MacEachern and P. Sadeghian, Hybrid FRP strengthening of slender steel members for buckling control. Journal of Composites for Construction, 24(5), 04020039, 2020. https://doi.org/10.1061/(ASCE)CC. 1943-5614.0001050.
4. T. Yazan, Merkezi güçlendirilmiş çerçevelerde sürtünmesiz çelik basınç çubukları. Türkiye Mühendislik Haberleri Dergisi, 436: 47-52. 2005
5. O. Düğenci, Artı kesitli çekirdeğe sahip burkulması önlenmiş basınç çubuklarının eksenel yük altında deneysel ve numerik araştırılması, Doktora Tezi, Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye, 2015.
6. C. J. Black, N. Makris, and I. D. Aiken, Component testing, seismic evaluation and characterization of buckling-restrained braces. Journal of Structural Engineering, 130 (6): 880–894.2004. https://doi.org/ 10.1061/(ASCE)0733-9445(2004)130:6(880).
7. T. Yoshino, and Y. Karino, Experimental study on shear wall with braces: Part 2. In Summaries of technical papers of annual meeting, Architectural Institute of Japan, 11, 403-404, 1971.
8. M. Wakabayashi, T. Nakamura, A. Katagihara, H. Yogoyama and T. Morisono, Experimental study on the elastoplastic behavior of braces enclosed by precast concrete panels under horizontal cyclic loading—Parts 1 & 2. In Summaries of technical papers of annual meeting, Architectural Institute of Japan, 10, 1041-1044, 1973.

9. TÇYY-2016, Çelik Yapıların Tasarım, Hesap Ve Yapım Esaslarına Dair Yönetmelik. 4 Şubat 2016 tarih ve 29614 sayılı Resmi Gazete. 2016
10. TBDY-2018, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği. 18 Mart 2018 Tarih ve 30364 Sayılı Resmi Gazete, 2018
11. EN 1993-1-1:2005, Eurocode 3: Design of steel structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings.
12. TS EN 1993-1-1. Çelik Yapıların Tasarımı - Bölüm 1-1: Genel kurallar ve binalara uygulanacak kurallar (Eurocode 3). Türk Standartları Enstitüsü, 101s, Ocak 2014
13. ANSI/AISC 360-16, Specification for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, Inc. 680 pp. 2016.
14. S. Naimi and S. Kaya, Betonarme yapıların çelik çapraz elemanlar ile güçlendirilmesi. AURUM Journal of Engineering Systems and Architecture, 3(2), 191-204, Feb. 2020.
15. M. Elchalakani and D. Fernando, Plastic mechanism analysis of unstiffened steel I-section beams strengthened with CFRP under 3-point bending. Thin-walled structures, 53, 58-71, 2012.https://doi.org/ 10.1016/j.tws.2012.01.005.
16. M. Elchalakani, A. Karrech, H. Basarir, X. L. Zhao, S. Fawzia, and M.F. Hassanein, Strengthening of mild steel struts using CFRP sheets subjected to uniform axial compression. Thin-Walled Structures, 116, 96-112, 2017.https://doi.org/10.1016/j.tws.2017.03.010.
17. X.Y. Gao, T. Balendra, and C. G. Koh, Buckling strength of slender circular tubular steel braces strengthened by CFRP. Engineering Structures, 46, 547-556, 2013. https://doi.org/10.1016/ j.engstruct.2012.08.010.
18. G.L. Kulak, G.Y. Grondin, P.F. Adams, H.A. Krentz, Limit states design in structural steel. In:7th Canadian institute of steel construction, Alliston, Ontario; 2002.
19. M. Vild and M. Bajer. Strengthening under load: numerical study of flexural buckling of columns. Procedia engineering, 190, 118–125, 2017.https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.05.316.
20. TS EN ISO 6892-1,. Metalik Malzemeler-Çekme Deneyi, Bölüm 1: Oda Sıcaklığında Deney Metodu. Türk Standartları Enstitüsü, 57 s, 2011
21. ANSI/AISC 341-16, Seismic provision for structural steel building, American Institute of Steel Construction, Inc. 480 pp,2016.
22. E. Ekiz and S. El-Tawil, Using CFRP to achieve buckling restrained behavior in steel compression members. In Structural Engineering Research Frontiers 1-11., 2007. https://doi.org/ 10.1061/40944(249)51.
23. J. Park, J. Lee and J. Kim, Cyclic test of buckling restrained braces composed of square steel rods and steel tube, Steel and Composite Structures, 13 (5), 423-436, 2012 https://doi.org/10.12989/scs.2012.13.5.423
24. ECCS, ECCS Technical Committee 1 – Structural Safety and Loadings – Technical Working Group 1.3 – Seismic Design Recommended Testing Procedure for Assessing the Behaviour of Structural Steel Elements under Cyclic Loads. 1st Edition, Brussels,1986.
25. ATC-24, Guidelines for Cyclic Seismic Testing of Components of Steel Structures for Buildings, Report No. ATC-24, Applied Technology Council, Redwood City, CA,1992.
26. FEMA, Interim Protocols for Determining Seismic Performance Characteristics of Structural and Nonstructural Components Through Laboratory Testing, FEMA 461 Draft document, Federal Emergency Management Agency, 2007
27. Building Research Institute, Japan Iron and Steel Federation,. Testing methods of the evaluation of structural performance for the steel structures, Japan,2002
28. Y. Fukumoto and G. C. Lee, Stability and ductility of steel structures under cyclic loading CRC press, 3, 1991.
29. T. Usami, Y. Imai, T. Aoki and Y. Itoh, An experimental study on the strength and ductility of steel compression members under cyclic loading. Journal of Structural Engineering, 37, 93-106, 1991.