Prekast Kolon–Kiriş Birleşimlerinin Eğilme Performansının Nümerik Olarak Değerlendirilmesi

Öz

Arka Plan— Prekast kiriş-kolon birleşimleri, yapı davranışını doğrudan etkilemektedir. Yüklerin yapı elemanları arasında güvenli bir şekilde aktarılmasını sağlamaktadır. Son yıllarda prekast yapıların kullanımının artması ve özellikle 2023 Türkiye depremlerinde pinli birleşimlerde gözlenen hasarlar, bu birleşimlerin performansının yeniden değerlendirilmesini gerekli kılmıştır.

Amaç—Bu çalışmada monolitik, yarı prefabrik, tek pinli, çift J pinli, çift pinli ve tek pinli–köşebent destekli olmak üzere altı farklı kiriş-kolon birleşim tipinin eğilme performansının sayısal olarak değerlendirilmesi amaçlanmıştır.

Yöntem—Literatürde yer alan ve uygulamada yaygın olarak kullanılan altı farklı birleşim tipi ABAQUS sonlu elemanlar yazılımı kullanılarak doğrusal olmayan analizlerle incelenmiştir. Düşey yük etkisi altında birleşimlerin taşıma kapasitesi, yük–yer değiştirme davranışı, göçme mekanizmaları ve hasar oluşumları değerlendirilmiştir. Analizlerde beton ile pim, köşebent, plaka ve bulon çelikleri için ayrı malzeme modelleri tanımlanarak gerçekçi davranışın elde edilmesi hedeflenmiştir.

Bulgular—Birleşim elemanı sayısının artmasıyla birlikte prefabrik sistemlerden monolitik sisteme doğru taşıma kapasitesinin arttığı belirlenmiştir. Yarı prefabrik birleşim, gusenin sağladığı katkı sayesinde en yüksek taşıma kapasitesine ulaşmıştır. Birleşimde kullanılan köşebent elemanının kapasiteyi önemli ölçüde artırdığı, kolona bağlanan yan bulonun ise kesme kapasitesine ulaşıncaya kadar monolitik birleşime benzer davranış sergilediği görülmüştür. Guse kullanımının prefabrik birleşimlerin performansını iyileştirdiği, buna karşılık monolitik birleşimde beton hasarının daha fazla olduğu belirlenmiştir.

Sonuç—Tek pinli birleşimlerde köşebent kullanımı ve guse mesafesinin kirişe oranının artırılması eğilme kapasitesini önemli ölçüde yükseltmiştir. Köşebent ilavesi tek pinli birleşimin kapasitesini 2.18 kat artırırken, çift pin kullanımı tek pinli birleşime göre kapasiteyi 1.21 kat artırmıştır. Elde edilen bulgular, prefabrik kiriş-kolon birleşimlerinin tasarımında uygun birleşim detaylarının seçilmesinin deprem performansı açısından kritik önem taşıdığını göstermiştir. 

Anahtar Kelimeler

• Köşebent Bağlantı
• Pinli Bağlantısı
• Kiriş-Kolon Bağlantısı
• Prekast Beton

Destekleyen Kurum

Bu çalışma için herhangi bir kurum veya kuruluştan mali destek alınmamıştır.

Etik Beyan

Bu çalışma, insan katılımcılar, hayvanlar veya kişisel veri içermediğinden etik kurul onayı gerektirmemektedir. Yazarlar herhangi bir çıkar çatışması olmadığını beyan eder.

Teşekkür

Bu çalışma kapsamında teşekkür edilmesi gereken kişi veya kurum bulunmamaktadır.

Numerical Evaluation of The Bending Performance of Precast Beam-Column Connections

Öz

Context—Precast beam-column connections directly affect the behavior of structure. These connections form the resistance of the structural system by transferring forces between elements. In recent years, there has been an increase in the use of precast structures. Performance issues observed during earthquakes have revealed the need for further research in this field. In the earthquakes that occurred in our country in 2023, it was determined that pin connections in precast structures were damaged.

Objective—The weakest points in the structure were found to be the connections in response to seismic effects. This situation was found to be significant in the structure. The damage occurring in the connections was seen to cause major damage throughout the structure. This made it necessary to reevaluate the connections. The study numerically investigated the bending performance of six different connection types: monolithic, semi-prefabricated, single-pin, double-J-pin, double-pin, and both single-pin and cleat angle.

Method—Connection types found in the literature and commonly used today were investigated. The structural performance, failure behavior, load and displacement capacities, and damage mechanisms of the connection types were investigated under vertical load using ABAQUS software. For this purpose, six connection types were considered. Nonlinear behaviors were considered to ensure the correct use of concrete and steel materials. In this context, separate material properties were defined for the pin, cleat angle, plate, and bolt steel materials and evaluated in the study.

Results—The capacity increased as the number of connection elements increased from precast to monolithic connection. The semi-prefabricated connection reached the highest capacity with the support of the gusset. The significance effect of the cleat angle used in the connection was observed. The side bolt connecting the column was observed to behave like a monolithic connection until it reached the shear capacity. The use of gussets was effective in precast connections. More damage was observed in concrete elements in monolithic structures.

Conclusion—The capacity was increased thanks to a cleat angle to the single-pin connection and the high ratio of the gusset distance to the beam. Using a cleat angle to pin connections increased capacity by 2.18 times. Using two pins increased capacity by 1.21 times compared to using a single pin.

Anahtar Kelimeler

• Cleat Angle Connection
• Dowel Connection
• Beam-Column Connection
• Precast Concrete

Destekleyen Kurum

No financial support was received for this study.

Etik Beyan

This study does not require ethical committee approval as it does not involve human participants, animals, or any personal data. The authors declare that there is no conflict of interest.

Teşekkür

The authors declare that there is no acknowledgment to be stated.

Kaynakça

1. M. F. Ishak, N. Hashim, “Precast Connection Behaviour Using Finite Element,” IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 849, 012084, 2020. https://doi.org/10.1088/1757-899X/849/1/012084.
2. H. M. Atalay, S. Ozden, “Cyclic Behavior of Beam-Column Connections in Precast Structures”, Frontiers in Built Environment, 7, 639778, 2021, https://doi.org/10.3389/fbuil.2021.639778.
3. Ş. M. Şenel, M. Palanci, A. Kalkan, Y. Yılmaz, “Mevcut Prefabrik Binaların Mafsallı Birleşimlerinin Kesme ve Devrilme Güvenliğinin Araştırılması”, Teknik Dergi, 24(119), 6505–6528, 2013, https://izlik.org/JA36DS63CT.
4. F. Kıpçak, M. Tapan, B. Erdil, “Mafsallı pimli bağlantılarda deprem kaynaklı düzlem dışı göçme durumlarının araştırılması” Beton Prefabrikasyon, 39(155), 11–28, 2025, https://ebrosur.net/prefab/
5. S. M. Senel, A. H. Kayhan, M. Palanci, A. Demir, “Assessment of Damages in Precast Industrial Buildings in the Aftermath of Pazarcık and Elbistan Earthquakes”, Journal of Earthquake Engineering, 29(16), 3337–3366, 2025. https://doi.org/10.1080/13632469.2024.2336206.
6. F. Avcil, E. Işık, R. İzol, A. Büyüksaraç, E. Arkan, M. H. Arslan, C. Aksoylu, O. Eyisüren, E. Harirchian, “Effects of the February 6, 2023, Kahramanmaraş earthquake on structures in Kahramanmaraş city”, Natural Hazards, 120(3), 2953–2991, 2024. https://doi.org/10.1007/s11069-023-06314-1.
7. E. Isik, M. R. Shendkar, F. Avcil, A. Büyüksaraç, S. S. Deshpande, “A Study on the Determination of Damage Levels in Reinforced Concrete Structures during the Kahramanmaras Earthquake on February 06, 2023”, E3S Web of Conferences - 2023 International Conference on Sustainable Technologies in Civil and Environmental Engineering, 405, 04029, 2023. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202340504029.
8. Türkiye Cumhuriyeti Cumhurbaşkanlığı Strateji ve Bütçe Bakanlığı, “2023 Kahramanmaraş ve Hatay Depremleri Raporu”, 2023, Erişim adresi: https://www.sbb.gov.tr/wp-content/uploads/2023/03/2023-Kahramanmaras-ve-Hatay-Depremleri-Raporu.pdf.

9. S. C. Girgin, C. Göksoy, E. Daş, İ. S. Mısır, “Seismic performance evaluation of a precast concrete structure with deformation-based limit criterions”, Journal of Structural Engineering & Applied Mechanics, 4(3), 140–150, 2021, https://doi.org/10.31462/jseam.2021.03140150.
10. B. Zoubek, T. Isakovic, Y. Fahjan, and M. Fischinger, “Cyclic Failure Analysis of the Beam-to-Column Dowel Connections in Precast Industrial Buildings,” Engineering Structure., 52, 179–191, 2013. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2013.02.028.
11. Joint Research Centre: Institute for the Protection and Security of the Citizen, “Design Guidelines for Connections of Precast Structures under Seismic Actions”, P. Negro, G. Toniolo, Eds., Publications Office of the European Union, Luxembourg, 2012. https://doi.org/10.2777/37605.
12. C. Aksoylu, Y. O. Özkılıç, Ş. Yazman, L. Gemi, M. Arslan, “İnceltilmiş Uçlu Önüretimli Aşık Kirişlerinin Yük Taşıma Kapasitelerinin Deneysel ve Numerik Olarak İrdelenmesi ve Çözüm Önerileri”, Teknik Dergi, 32(3), 10823–10858, 2021. https://doi.org/10.18400/tekderg.667066.
13. G. Magliulo, C. Di Salvatore, M. Ercolino, “Modeling of the Beam-To-Column Dowel Connection for a Single-Story RC Precast Building”, Frontiers in Built Environment, 7, 627546, 2021, https://doi.org/10.3389/fbuil.2021.627546.
14. G. D. Kremmyda, Y. M. Fahjan, I. N. Psycharis, S. G. Tsoukantas, “Numerical Investigation of the Resistance of Precast RC Pinned Beam-to-Column Connections Under Shear Loading”, Earthquake Engineering & Structural Dynamics., 46(9), 1511–1529, 2017, https://doi.org/10.1002/EQE.2868.
15. A. Saviotti, P. Olmati, F. Bontempi, “Finite Element Analysis of Innovative Solutions of Precast Concrete Beam-Column Ductile Connections”, Bridge Maintenance, Safety, Management, Resilience and Sustainability - Proceedings of the Sixth International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management, 2048–2055, 2012.
16. H. Balineni, D. C. K. Jagarapu, A. Eluru, “Analysis of Dry and Wet Connections in Precast Beam-Column Joint Using ABAQUS Software”, Materials Today–Proceedings, 33, 287–295, 2020. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.04.073.
17. B. P. V. N. Sai, D. C. K. Agarapu, A. Eluru, “Assay of Moment-Resisting Precast and Monolithic Frames Using ABAQUS Software”, Materials Today–Proceedings, 33, 162–169, 2020. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.03.735.
18. P. R. Kalyana Chakravarthy, R. Janani, T. Ilango, “Analysing the Strength Aspects of Precast Reinforced Beam-Column Connections”, International Journal of Mechanical Engineering and Technology, 9(13), 118–133, 2018, [Online]. Available: http://iaeme.com/Home/issue/IJMET?Volume=9&Issue=13.
19. S. Shukri, N.Taib, N. M. Husain, M. Taib. “Finite Element Analysis On Beam To Column Connection In Ibs Panel”, Carving The Future Built Environment: Environmental, Economic And Social Resilience, vol 2. European Proceedings of Multidisciplinary Sciences, P. A. J. Wahid, P. I. D. A. Aziz Abdul Samad, P. D. S. Sheikh Ahmad, A. P. D. P. Pujinda, Eds., Future Academy, 2017, 447-458. https://doi.org/10.15405/epms.2019.12.43.
20. F. Kıpçak, “Numerical Study of the Out-of-Plane Response of Dry-Stack Double-Wythe Brick Walls with Header Bricks”, Buildings, 15(23), 4342, 2025, https://doi.org/10.3390/buildings15234342.
21. F. Kıpçak, B. Erdil, “Effect of Adobe Wall Shapes and Openings on Out-of-Plane Behavior”, Structures, 77, 109090, 2025, https://doi.org/10.1016/j.istruc.2025.109090.
22. F. Kıpçak, B. Erdil, “Yığma yapıların düzlem dışı davranışlarına yan duvarın ve yan duvar boşluğunun etkisi”, Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 12(3), 853–860, 2023. https://doi.org/10.28948/ngumuh.1268912.
23. F. Kıpçak, B. Erdil, M. Tapan, A. Karaşin, “The Effect of Voids on Flexural Capacity of Reinforced Concrete Slabs”, Periodica Polytechnica–Civil Engineering, 67(4), 1048–1065, 2023, https://doi.org/10.3311/PPci.21988.
24. B. Zoubek, M. Fischinger, T. Isakovic, “Estimation of the Cyclic Capacity of Beam-to-Column Dowel Connections in Precast Industrial Buildings”, Bulletin of Earthquake Engineering, 13(7), 2145–2168, 2015. https://doi.org/10.1007/s10518-014-9711-0.
25. S. Kallam, S. B. Borghate, “Nonlinear Numerical Evaluation of Dry Precast Beam Column Connection with Embedded Bolts”, Latin American Journal of Solids and Structures, 19(7), e464, 2022. https://doi.org/10.1590/1679-78257314.
26. G. D. Kremmyda, Y. M. Fahjan, S. G. Tsoukantas, “Nonlinear FE Analysis of Precast RC Pinned Beam-to-Column Connections Under Monotonic and Cyclic Shear Loading”, Bulletin of Earthquake Engineering, 12(4), 1615–1638, 2014, https://doi.org/10.1007/s10518-013-9560-2.
27. Simulia, ABAQUS 6.14 user’s manuals. Dassault Systems Simulia Corporation, 2016, http://130.149.89.49:2080/v2016/pdf_books/ANALYSIS_2.pdf.
28. A. S. Genikomsou, M. A. Polak, “Finite Element Analysis of Punching Shear of Concrete Slabs Using Damaged Plasticity Model in ABAQUS”, Engineering Structures, 98, 38–48, 2015, https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2015.04.016.
29. I. Rewers, “Numerical Analysis of RC beam with High Strength Steel Reinforcement using CDP model”, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 471, 022025, 2019. https://doi.org/10.1088/1757-899X/471/2/022025.
30. T.C. Çevre Şehircilik ve İklim Değişikliği Bakanlığı, “Riskli Yapıların Tespit Edilmesine İlişkin Esaslar”, 2023, https://webdosya.csb.gov.tr/db/altyapi/icerikler/r-skl--yapilarin-tesp-t-ed-lmes-ne-il-sk-n-esaslar-20190218134628.pdf.
31. Betonarme Yapıların Tasarım ve Yapım Kuralları (Requirements for Design and Construction of Reinforced Concrete Structures), TS 500/2000, Ankara, Turkey, 2000, https://www.resmigazete.gov.tr/eskiler/2000/07/20000712M1-23.pdf.
32. Code for Design of Concrete Structures, Chinese Code-GB50010, Chinese: National Standard of the People’s Republic of China, 2010, https://www.chinesestandard.net/PDF/English.aspx/GB50010-2015.
33. Y. Guo, G. Gong, C. Chin, C. Zhang, “Structural Design of Concrete to EC2 and GB50010-2010: A Comparison”, MATEC Web of Conferences–2018 International Forum on Construction, Aviation and Environmental Engineering-Internet of Things (IFCAE-IOT 2018), 175, 01039, 2018. https://doi.org/10.1051/matecconf/201817501039.
34. G. Kaklauskas, V. Gribniak, P. L. Ng, E. Gudonis, R. Jakubovskis, “Generalised tension-stiffening relationship conforming to Chinese Design Code GB 50010-2010”, International Conference on Performance-based and Life-cycle Structural Engineering, Brisbane, QLD, Australia, 9-11 December 2015, 630–639. https://doi.org/10.14264/UQL.2016.1180.
35. L. Guo, R. Mao, Z. Liu, S. Li, G. Wu, Z. Wang, “Dynamic Large Deflection Response of RC Beams under Low-Speed Impact Loading”, Shock and Vibration, 2020, 8812890, 2020. https://doi.org/10.1155/2020/8812890.
36. Çelik-Betonarme İçin Donatı Çeliği (Steel for the Reinforcement of Concrete - Reinforcing Steel), TS 708, Ankara, Turkey, 2010. https://regbar.com/wp-content/uploads/2019/09/TS_708-2010.pdf”
37. Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings, EN 1993-1-1, European Committee for Standardization [CEN], 2005, https://www.phd.eng.br/wp-content/uploads/2015/12/en.1993.1.1.2005.pdf
38. X. Yun, L. Gardner, “Stress-Strain Curves for Hot-Rolled Steels”, Journal of Constructional Steel Research, 133, 36–46, 2017. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2017.01.024.
39. A. S. Daryan, H. Ketabdari, “Mechanical Properties of Steel Bolts with Different Diameters after Exposure to High Temperatures”, Journal of Materials in Civil Engineering, 31(10), 04019221, 2019. https://doi.org/10.1061/(asce)mt.1943-5533.0002865.
40. Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapım Esaslarına Dair Yönetmelik. Resmi Gazete (Sayı: 29614), Yayın Tarihi (04/02/2016), https://www.resmigazete.gov.tr/eskiler/2018/02/20180215M1-4-1.pdf.
41. Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği, Resmi Gazete (Sayı:30364), Yayın Tarihi: 18.03.2018, https://www.resmigazete.gov.tr/eskiler/2018/03/20180318M1-2-1.pdf.
42. S. M. Senel, M. Palanci, “Structural Aspects and Seismic Performance of 1-Story Precast Buildings in Turkey”, Journal of Performance of Constructed Facilities, 27(4), 437–449, 2013. https://doi.org/10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0000316.