Tez özetleri Astronomi ve Uzay Bilimleri Anabilim Dalı

Effects of Assumptions About Floor Rigidity and Boundary Conditions on the Analysis o-of Building Type Structures

The purpose of this study is to establish the effects of assumptions about floor rigidity and of boundary conditions on the analysis of building type structures.

Before the advent of computers only limited number of equations could be solved manually. Therefore simplification methods have been developed to reduce the total processes.

In the structural analysis of buildings, floor slabs are usually assumed to be rigid in their planes. At the mass center of each rigid floor, there is a master node having three degrees of freedom to represent the two in plane translations and one out of plane rotation.

Soil-structure interaction and the effect of soil rigidity must be considered in the design of building type structures. The effect of the rigidity of the soil is investigated and it is observed that soil rigidity may change the distribution of the stresses in the components of the structure significantly.

In this work, the linear elastic design analysis is carried out modeling floors as rigid diaphragm and flexible diaphragm, foundation as rigid joints and Winkler foundation. A three-dimensional finite element model is constructed for each example building, and four analyses are conducted.

  

GÜNEŞ Barış

Tez Adı : Karbon Lifli Polimerler (CFRP) ile Güçlendirilmiş Çelik-Betonarme Kompozit Kirişlerin Yorulma Davranışı

Danışman : Prof. Dr. Namık Kemal ÖZTORUN

Prof. Dr. Alper İLKİ

Anabilim Dalı : İnşaat Mühendisliği

Programı : -

Mezuniyet Yılı : 2013

Tez Savunma Jürisi : Prof. Dr. Namık Kemal ÖZTORUN

Prof. Dr. Ekrem MANİSALI

Prof. Dr. Fahriye KILINÇKALE

Prof. Dr. Oğuz Cem ÇELİK

Doç. Dr. Ercan YÜKSEL

Karbon Lifli Polimerler (CFRP) ile Güçlendirilmiş Çelik-Betonarme

Kompozit Kirişlerin Yorulma Davranışı
Köprüler, karayolu ve demiryolu ulaşım sisteminin en önemli unsurlarından biri olup hattın trafik hacmini ve taşınabilecek yük miktarını belirlemektedir. Köprülerin hizmete devam etmesi ve gerekli yapısal güvenliğe sahip olması, ulaşım sisteminin aksamaması açısından son derece önemlidir. Ülkemizde ve dünyada birçok çelik karayolu ve demiryolu köprüsü mevcuttur. Bu köprülerin bir kısmında; yorulma, korozyon, artan taşıt yükleri ve trafiği, ilave zati yükler, çevresel etkiler gibi sebeplerle zamanla yapısal emniyetin azalması veya kaybedilmesi gibi sorunlar ortaya çıkabilmektedir. Bu durumdaki köprülerin yıkılıp yeniden yapılması veya güçlendirilmesi gerekmektedir. Genellikle yapıların yıkılıp yeniden yapılma maliyeti, güçlendirme maliyetinden daha yüksektir. Sanayileşmekte olan birçok ülkede olduğu gibi ülkemizde de mevcut finans kaynaklarının sınırlı oluşu, bu durumdaki köprüler için güçlendirme yöntemini ön plana çıkarmaktadır. Ayrıca bir yapıyı yıkıp yeniden inşaa etme sürecinde çevresel açıdan ortaya çıkabilecek olumsuzluklar da göz ardı edilmemelidir. Bu bağlamda, yıkılan malzemelerin nasıl kullanılacağı önemli bir sorun olmakla beraber, yeni yapı malzemeleri için doğal kaynakların da tüketileceği unutulmamalıdır.
Çelik karayolu ve demiryolu köprüleri için geleneksel olarak uygulanan çeşitli güçlendirme yöntemleri mevcuttur. Fakat bu yöntemler, yapıya önemli miktarda zati ağırlık eklemenin yanı sıra zayıf yorulma mukavemeti ya da kesit kayıpları oluşmasına sebep olmaktadır. Ülkemizde ve dünyadaki geniş köprü envanteri düşünüldüğünde, mevcut köprülerin verdiği hizmetlerin aksamaması için efektif, ucuz ve hızlı bir güçlendirme yöntemine ihtiyaç vardır. Geleneksel güçlendirme yöntemlerine alternatif olarak; gittikçe ucuzlayan maliyeti, güçlü malzeme özellikleri ve kolay uygulanabilirliği ile karbon lifli polimer (CFRP) malzemelerle güçlendirme oldukça uygun bir yöntem olarak karşımıza çıkmaktadır.
Bu çalışmada; yapısal yetersizliği belirlenmiş, güçlendirme ihtiyacı olan korozyon hasarlı veya hasarsız çelik-betonarme kompozit kirişli köprüler için karbon lifli polimerler (CFRP) ile güçlendirme yöntemi ve bu köprülerin maruz kalacağı statik ve dinamik (tekrarlı) yükler altındaki yük-yerdeğiştirme ve yorulma davranışlarının incelenmesi ve iyileştirilmesi esas alınmıştır. Bu kapsamda deneysel çalışma yapılmış, analitik model geliştirilmiş ve ilgili yönetmeliklere göre köprülerin servis durumları incelenmiştir.
Deneysel çalışma kapsamında; malzeme deneylerinin yanı sıra yaklaşık 1/6 ölçekli numuneler ile dört noktalı yükleme altında, 6 adet statik ve 8 adet uzun süreli dinamik (yorulma) olmak üzere toplam 14 adet deney yapılmıştır. Tüm numuneler enine berkitme levhalarının çelik profilin başlıklarına ve gövdesine kaynaklandığı yorulma detayına sahiptir. Statik deneyler ile çukurcuk korozyonu hasarları ve CFRP güçlendirme uygulamalarının kirişlerin yük-yerdeğiştirme davranışına etkisi incelenmiştir. Dinamik deneylerde ise öncelikle hasarsız numunelerin yorulma davranışları incelenmiş, daha sonra çukurcuk korozyonu hasarları ve CFRP güçlendirme uygulamalarının bu davranışa etkisi belirlenmiştir.
Analitik çalışma kapsamında; statik yükler altında çelik-betonarme kompozit kirişlerin yük-yerdeğiştirme ve moment-eğrilik davranışlarının tahmin edilebilmesi amacıyla bir model geliştirilmiştir. Model korozyon hasarları ve CFRP güçlendirme uygulamalarını da içermektedir. Modelin daha kolay uygulanabilmesi amacıyla bir bilgisayar yazılımı hazırlanmıştır. CFRP plaka ile çelik kiriş arasındaki yapıştırıcının dayanımı için geliştirilmiş mevcut bir model, hazırlanan yazılıma aktarılmıştır.
Yönetmelik ve tasarım kapsamında ise ilgili yönetmeliklerde (AASHTO, 2002) (AASHTO LRFD, 2007) belirtilen tasarım ilkeleri ve yapılan bazı kabuller doğrultusunda, kompozit kirişlerin hareketli yük ve yorulma yükü kapasiteleri belirlenmiştir. Statik ve dinamik yükler altında çukurcuk korozyonu hasarları ve CFRP güçlendirme uygulamalarının bu kapasiteleri ne şekilde etkilediği ortaya konmuştur.
Çalışmada numuneler üç seriye ayrılmıştır:
Birinci seri numunelerde; enine berkitme levhalarının çelik profilin başlıklarına ve gövdesine kaynaklandığı yorulma detayına sahip çelik-betonarme kompozit kirişlerin yorulma davranışları incelenmiştir. Bu kirişlerde korozyon hasarları ve güçlendirme uygulaması yoktur. Bir statik (monotonik) ve dört dinamik (tekrarlı) olmak üzere toplam beş deney yapılmıştır. Monotonik deney ile numunelerin yük-yerdeğiştirme davranışı, dinamik deneyler ile yorulma davranışları belirlenmiştir. Yorulma deneylerinde numuneler farklı gerilme aralıklarında tekrarlı yüklere maruz bırakılmış ve gerilme aralığı-yük tekrar sayısı (S-N) verileri elde edilmiştir. Tekrarlı yüklemeler, ilgili yönetmeliklere göre yorulma kırılması olmasının beklendiği gerilme aralıklarında yapılmıştır. Bu seride, kritik yorulma bölgeleri olarak tanımlanan enine berkitmeyi alt başlığa bağlayan kaynağın ucunda (berkitme bölgeleri alt başlık üstü) çeliğin akma dayanımının %45’inin altında gerilme aralığına maruz bırakılan numunelerde yorulma hasarları ile karşılaşılmamıştır. Yorulma kırılması olan numunelerde yorulma çatlağı beklenildiği gibi berkitmeyi alt başlığa bağlayan kaynağın ucundaki kesitte; alt başlığın altında ya da kenarında oluşmuş ve bu çatlağın alt başlığı geçip gövde yüksekliği boyunca ilerlemesi ile numune göçmüştür. Yorulma deneyleri sonuçları bu detay tipi için ilgili yönetmeliklerdeki yorulma kategorileri ile kıyaslandığında, yönetmeliğin güvenli tarafta kaldığı görülmüştür. Deneysel çalışmadan elde edilen veriler literatürdeki kompozit olmayan çelik kiriş S-N verileri ile karşılaştırıldığında ise yüksek gerilme aralıklarında birbirine yakın sonuçlar elde edilmiş olmasına rağmen, daha düşük gerilme aralıklarında bu çalışmada daha yüksek yorulma dayanımı elde edilmiştir. Tekrarlı yükleme süresince sabit gerilme aralığı için numunelerin yerdeğiştirme aralıkları genel olarak artmış, buna bağlı olarak rijitlikleri azalmıştır. Fakat bu değişimler oldukça düşük seviyededir. Tekrarlı yükleme sırasındaki rijitlik değişimi, yorulma ömrü tayini için yeterli bir parametre değildir. Kritik yorulma bölgelerindeki şekildeğiştirme aralıklarında meydana gelen değişimler yorulma davranışında belirleyici olmaktadır. Tekrarlı yükleme sonunda yorulma kırılması olmayan numuneler artık dayanımının belirlenmesi amacıyla monotonik olarak yüklenmiş; bu yükleme sonunda rijitlik, akma dayanımı ve nihai kapasitede önemli bir azalma olmadığı görülmüştür. Çalışmada, tekrarlı yükleme sonunda yapılan monotonik deney sonuçları baz alınarak yönetmeliklerde belirtilen esaslar doğrultusunda, numunelerin hareketli yük ve yorulma yükü kapasitelerinin değişimi de belirlenmiştir. Buna göre tekrarlı yükleme sonunda akma dayanımındaki azalmaya paralel olarak numunelerin hareketli yük kapasitelerinde düşüşler olurken yorulma yükü kapasitelerinde önemli bir değişim olmadığı görülmüştür. Karşılaştırmalar tekrarlı yükleme uygulanmamış referans numuneye göre yapılmıştır.
İkinci seri numunelerde; çelik-betonarme kompozit kirişlerde oluşacak çukurcuk korozyonu hasarları ve CFRP güçlendirme uygulamalarının statik etkiler altında kirişlerin yük-yerdeğiştirme davranışını ne şekilde etkilediği incelenmiştir. Bu kapsamda beş adet statik deney yapılmıştır. Bunlardan dört tanesi monotonik bir tanesi ise tekrarlı (statik) yükleme deneyidir. Monotonik deneylerde korozyonlu, korozyonsuz, korozyonlu-güçlendirilmiş ve korozyonsuz-güçlendirilmiş numuneler, dört noktalı yükleme altında statik olarak yüklenerek; çukurcuk korozyonu hasarları ve CFRP güçlendirme uygulamalarının kirişlerin rijitliğini, akma dayanımını, nihai kapasitesini ve yük-yerdeğiştirme davranışını nasıl etkilediği ortaya konmuştur. Deneysel çalışmada, çelik profil alt başlığında oluşturulan çukurcuk korozyonu hasarlarının numunenin rijitlik, akma dayanımı ve nihai kapasitesini azalttığı görülmüştür. CFRP plakalar ile güçlendirme uygulaması ise kaybolan rijitliği ve dayanımı geri kazandırmanın yanı sıra elemanın eğilme performansını hasarsız numunenin üzerine çıkarmıştır. CFRP plakalar ile güçlendirilmiş kirişlerde akma dayanımı ve nihai kapasite önemli oranda artarken, kullanılan CFRP plakaların elastisite modülünün orta seviyede olmasından dolayı rijitlikteki artış daha az olmuştur. Güçlendirilmiş numunelerde monotonik yükleme sırasında öncelikle çelik profil akmış, daha sonra CFRP plakaların çelik profilden ayrılmasını takip eden betonarme tabliye ezilmesi ve donatı burkulması sonucu numune göçmüştür. CFRP güçlendirme uygulaması, numunelerin dayanımını arttırmış olmasına rağmen sünekliğini azaltmıştır. Çukurcuk korozyonu hasarları ise hem dayanımın hem de sünekliğin azalmasına neden olmuştur. Çalışmada korozyonlu, korozyonsuz, korozyonlu-güçlendirilmiş ve korozyonsuz-güçlendirilmiş çelik-betonarme kompozit kirişlerin yük-yerdeğiştirme ve moment-eğrilik davranışlarının tahmin edilebilmesi amacıyla analitik bir model geliştirilmiştir. Modelin daha kolay ve hızlı bir şekilde uygulanabilmesi için “CompCurv” adında “Visual Basic” tabanlı bir bilgisayar yazılımı hazırlanmıştır. Analitik model ile numunelerin akma dayanımı ve nihai kapasiteleri deneysel çalışmaya yakın olarak tahmin edilmekle beraber; rijitlik tahminlerinde daha yüksek değerler elde edilmiştir. Bu durumun analitik model kabulleri, betonarme tabliye ile çelik profil arasındaki muhtemel kaymalar, numunede oluşan yerel gerilme yığılmaları ve betonarme tabliyedeki rötre çatlaklarından kaynaklandığı düşünülmektedir. Numunelerin monotonik deney sonuçları baz alınarak ilgili yönetmeliklerde belirtilen esaslar doğrultusunda, hareketli yük ve yorulma yükü kapasiteleri belirlenmiştir. Buna göre korozyon hasarları, kirişlerin hareketli yük ve yorulma yükü kapasitesini azaltmış, CFRP güçlendirme uygulaması ise arttırmıştır. Numunelerin yorulma yükü kapasitelerindeki değişim, hareketli yüke göre daha az olmuştur.
Üçüncü seri numunelerde; enine berkitme levhalarının çelik profilin başlıklarına ve gövdesine kaynaklandığı yorulma detayına sahip çelik-betonarme kompozit kirişlerde oluşacak çukurcuk korozyonu hasarları ve CFRP güçlendirme uygulamalarının, kirişlerin yorulma davranışına etkisi incelenmiştir. Bu kapsamda bir adet hasarsız (korozyonsuz ve güçlendirilmemiş) numune, iki adet aynı korozyon hasarlarına sahip özdeş numune ve bir adet korozyonlu-güçlendirilmiş numune ile toplam dört yorulma deneyi yapılmıştır. Tekrarlı yükleme aralığı, hasarsız numunenin akma dayanımının yaklaşık %40’ı olarak belirlenmiştir. Tüm numunelere hasarsız numune ile aynı yükleme aralığında tekrarlı yükler uygulanmıştır. Tekrarlı yükleme sonunda, hasarsız numunede yorulma çatlağı oluşmazken, çukurcuk korozyonu hasarlı iki numunede de yorulma çatlağı ve kırılması görülmüştür. Çukurcuk korozyonu hasarları, yerel gerilme yığılmalarına neden olarak kritik yorulma bölgelerinde yorulma çatlağı oluşmasına sebep olmuştur. CFRP güçlendirme uygulaması ise aynı korozyon hasarlarına sahip numunede yorulma çatlağı oluşmasını engellemiştir. Çukurcuk korozyonu hasarlarından kaynaklanan ilave gerilmeler statik açıdan tolere edilebilir seviyede olmasına rağmen, tekrarlı yükleme durumunda yorulma hasarlarına neden olmakta ve köprünün hizmet ömrünü azaltabilmektedir. CFRP plakalar ile güçlendirme yöntemi, bu durumdaki köprülerin hizmet ömrünün arttırılması için uygun bir yöntemdir. Yorulma kırılması olan numunelerde ilk çatlak berkitmeyi alt başlığa bağlayan kaynağın ucundaki kesitte; alt başlığın altında ya da kenarında oluşmuş, bu çatlağın alt başlığı geçip gövde yüksekliği boyunca ilerlemesi ile numune göçmüştür. Tekrarlı yükleme süresince sabit yükleme aralığı için numunelerin yerdeğiştirme aralıklarındaki artış oldukça düşük seviyede kalmış; buna bağlı olarak rijitlikte önemli bir değişim olmamıştır. Tekrarlı yükleme sırasındaki rijitlik değişimi, yorulma ömrü tayini için yeterli bir parametre değildir. Kritik yorulma bölgelerindeki şekildeğiştirme aralıklarında meydana gelen değişimler yorulma davranışında belirleyici olmaktadır. Numunelerin S-N verileri, bu detay tipi için ilgili yönetmeliklerdeki yorulma kategorileri ile kıyaslandığında, yönetmeliğin güvenli tarafta kaldığı görülmüştür. Tekrarlı yükleme sonunda yorulma kırılması olmayan numuneler, artık dayanımlarının belirlenmesi amacıyla monotonik olarak yüklenmiş ve her numune kendisi ile aynı özellikleri taşıyan (malzeme, korozyon ve güçlendirme uygulaması açısından) tekrarlı yükler uygulanmamış numune ile karşılaştırılmıştır. Buna göre tekrarlı yükleme sonunda hasarsız numune ile korozyonlu-güçlendirilmiş numunenin rijitlik ve dayanım özelliklerinde önemli bir azalma olmadığı görülmüştür. CFRP güçlendirme uygulaması yapılmış kirişin tekrarlı yükleme sonundaki rijitlik ve dayanım kayıpları, güçlendirilmemiş numuneye oranla daha az olmuştur. Numunelerin tekrarlı yükleme sonunda yapılan monotonik deney sonuçları baz alınarak yönetmeliklerde belirtilen esaslar doğrultusunda hareketli yük ve yorulma yükü kapasiteleri belirlenmiş ve aynı özelliklere sahip tekrarlı yükler uygulanmamış numuneler ile karşılaştırılmıştır. Buna göre tekrarlı yükleme sonunda akma dayanımındaki azalmaya bağlı olarak numunelerin hareketli yük kapasitelerinde düşüşler olurken yorulma yükü kapasitelerinde önemli bir azalma olmadığı görülmüştür.
Tez çalışması beş bölümden oluşmaktadır:
Bölüm 1. Giriş: Bu bölümde tezin konusu, amacı ve kapsamı anlatılmış; çalışmada kullanılan yöntemler hakkında bilgiler verilmiştir. Numunelerin üç seriye ayrıldığı belirtilmiş; her serideki numunelerin amacı, kapsamı, mevcut çalışmalardan farkı ve literatüre olan katkısı açıklanmıştır.
Bölüm 2. Genel Kısımlar: Bu bölümde çelik üstyapı elemanlarına sahip mevcut karayolu ve demiryolu köprülerinin durumu, bu köprülerde güçlendirme ihtiyacı doğuran sebepler (yorulma, korozyon, artan taşıt yükleri vb.) ve bu konularda daha önce yapılan çalışmalar incelenmiştir. CFRP malzemeler ile güçlendirme kısmında ise yüzey hazırlığı, durabilite, yapıştırma işlemi, güçlendirme uygulamaları ve bu konularda yapılan çalışmalar hakkında bilgiler verilmiştir.
Bölüm 3. Malzeme ve Yöntem: Bu bölüm deneysel çalışma, analitik çalışma, yönetmelik ve tasarım olmak üzere üç kısımdan oluşmaktadır. Deneysel çalışmada; numunelerin tasarım özellikleri, imalatı, malzeme özellikleri, deney düzeneği, veri toplama sistemleri ve deney programı anlatılmıştır. Korozyon hasarları ve CFRP güçlendirme uygulamalarının detayları bu bölümde verilmiştir. Analitik çalışmada; malzeme modelleri, yapılan kabuller, modellemeye esas olan bağıntılar, korozyon hasarlarının modellenmesi, CFRP güçlendirme sisteminin modellenmesi ve yapıştırıcının davranışı anlatılmıştır. Ayrıca analitik modelin uygulanması için yazılan “CompCurv” bilgisayar programının özellikleri, kapsamı, veri girişi, kullanımı ve akış şeması verilmiştir. Yönetmelik ve tasarım kısmında ise ilgili yönetmeliklerdeki tasarım ilkeleri, yükler ve yük kombinasyonları, kesit ve dayanım kontrolleri ile yorulma limit durumu anlatılmıştır.
Bölüm 4. Bulgular: Bu bölümde deneysel çalışma, analitik çalışma ve yönetmelik ve tasarım kısımlarına ait sonuçlar verilmiştir. Deneysel çalışmada her üç seriye ait deney sonuçları verilmiş, numunelerde oluşan yerdeğiştirmeler ve deformasyonlar gösterilmiştir. Analitik çalışmada her serideki numuneler, analitik model esaslarına göre hazırlanan “CompCurv” bilgisayar yazılımı ile analiz edilmiş ve sonuçlar deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Yönetmelik ve tasarım kısmında ise ilgili yönetmeliklerdeki tasarım esasları örnek bir numune üzerinde anlatılarak her serideki numunelerin deneysel çalışma ve yönetmeliğe göre yapılan tasarım sonucu bulunan hareketli yük ve yorulma yükü kapasiteleri belirlenmiştir.
Bölüm 5. Tartışma ve Sonuç: Bu bölümde çalışmadan elde edilen genel sonuçlar verilmiş; her serideki numunelerin deneysel, analitik ve yönetmelik ve tasarım sonuçları özetlenmiş, ileride yapılması önerilen çalışmalar anlatılmıştır.
   

 

 

Fatigue Behavior of Steel-Concrete Composite Beams Strengthened with Carbon

Fiber Reinforced Polymers (CFRP)
Bridges are vital components of highway and railway transportation systems, and determine the traffic volume of the line and the maximum load that can be carried. For smooth transportation system, it is extremely important that the bridges can be used without interruption and possess the required structural safety. There are many steel highway and railway bridges, both in Turkey and abroad. In some of these bridges, the structural safety might decrease or completely vanish in time due to a variety of factors such as fatigue, corrosion, increasing vehicle loads and traffic, additional dead loads, and environmental effects. The bridges with reduced or no structural safety should either be demolished and reconstructed, or strengthened. Generally, the costs associated with the demolition and reconstruction of structures is higher than those required for strengthening. As in many other industrializing countries, the available financial resources are limited in Turkey, and therefore the strengthening of such bridges is considered to be a better option. Moreover, the adverse environmental effects due to demolition and reconstruction should also be considered. In this context, although determining how to use the demolished material is an important problem, it should be kept in mind that natural resources are consumed to obtain new construction materials.
There are a variety of strengthening methods conventionally used for steel highway and railway bridges. However, these methods result in considerable amounts of additional dead loads to be imposed on the structures. In addition, these methods might also cause poor fatigue strength and cross-section losses. When the wide inventory of bridges in Turkey and abroad is considered, it is clearly seen that an effective, economic, and rapid strengthening method is needed for the smooth functioning of existing bridge structures. The strengthening method using carbon fiber reinforced polymers (CFRP) has come to the forefront as an alternative to the conventional strengthening methods due to increasingly falling costs, desired material properties, and easy applicability.
This study discusses the carbon fiber reinforced polymer-based (CFRP) strengthening method for the corroded and uncorroded steel-concrete composite bridge girders with determined structural deficiency and the need to be strengthened. The study focuses on investigating and improving the load-deflection and fatigue behavior of these beams under the static and dynamic (cyclic) loading. Within this framework, an experimental study was carried out, an analytical model was developed, and service conditions of bridges were examined in accordance with the specifications.
In the experimental phase of this study, along with materials tests, a total of 14 steel-concrete composite beams were tested under four-point loading. All specimens have the same scale, equal to approximately 1/6, and same fatigue sensitive details with welded stiffener connections (full-depth transverse stiffeners welded to both the flanges and web of the steel profile). Of the tests that were performed, six were static and eight were long-term dynamic (fatigue) tests. By means of the static tests, the effects of pitting corrosion damages and CFRP strengthening system on load-deflection behavior of the beams were investigated. The dynamic tests first examined the fatigue behavior of the undamaged specimens, and then the impact of pitting corrosion damages and CFRP strengthening system on this behavior.
In the analytical phase of this study, an analytical model was developed in order to predict the load-deflection and moment-curvature behavior of steel-concrete composite beams under static loads. The model includes also corrosion damages and the CFRP strengthening system. In addition, computer software was developed for easier application of the model. An existing model that was developed to determine the strength of the adhesive system between the CFRP laminate and steel beam was integrated into this software.
In the specification and design phase, the live load and fatigue load capacities of the composite beams were determined in line with the design principles of relevant specifications (AASHTO, 2002) (AASHTO LRFD, 2007) and various assumptions. The impact of pitting corrosion damages and the CFRP strengthening system on these capacity values was shown under the static and dynamic loads.
In this study, the specimens were grouped into three series:
In the first series of specimens, the fatigue behavior of steel-concrete composite beams with full-depth transverse stiffener welded connections was investigated. Corrosion damages and CFRP strengthening were not applied to these beams. A total of five specimens were tested: one static (monotonic) and four dynamic (cyclic). The load-deflection behavior was determined with the monotonic test, while fatigue behavior was determined by dynamic tests. In the fatigue tests, the specimens were subjected to cyclic loadings at different stress ranges, and stress range-cycle (S-N) data were obtained. Cyclic loadings were applied within stress ranges where fatigue fracture was expected according to the relevant specifications. In this series, no fatigue damages were observed in the specimens subjected to stress ranges correspond to less than 45% of the steel yield strength at critical fatigue points (the toe of the fillet weld connecting the stiffener to the tension flange). In the specimens in which fatigue fracture was observed, as expected, fatigue crack occurred at the bottom or edge of the bottom flange in cross-section at the toe of the fillet weld connecting the stiffener to the bottom flange. The specimens failed as this crack passed the bottom flange and progressed along the height of the web. When the results obtained from the fatigue tests were compared to the fatigue detail categories in the relevant specifications, it was seen that the specifications remained on the safe side. When the data obtained from the fatigue test are compared to the values reported in the literature related to the S-N data obtained from non-composite steel beams, it was seen that although similar results were obtained for higher stress range, higher fatigue strength was obtained for lower stress range in this study. During the cyclic loading, in general, the deflection ranges of the specimens under constant stress range increased, and therefore the stiffness of the specimens decreased. However, these changes were all very small. The change in stiffness during cyclic loading is not a sufficient parameter to determine fatigue life. The changes occurring in strain ranges at the critical fatigue points are the main determinant of fatigue behavior. The specimens with no fatigue fracture at the end of cyclic loading were loaded monotonically in order to determine the residual strength, and no significant decrease in stiffness, yield strength, and ultimate capacity were detected at the end of this loading. In addition, using the design principles in the specifications, the changes in the live load and fatigue load capacities of the specimens were determined based on the results obtained from the monotonic tests carried out after the cyclic loading. Accordingly, parallel to the decrease in the yield strength at the end of cyclic loading, the live load capacity of the specimens decreased. However, no significant change was observed in the fatigue load capacities. The comparisons were made on the basis of reference specimen with no cyclic loading applied.
In the second series of specimens, the effects of pitting corrosion damages and the CFRP strengthening system on the load-deflection behavior of the beams under the static loading were investigated. For this aim, five static tests were carried out. Four of these were monotonic and one was a cyclic (static) loading test. In the monotonic tests, corroded, uncorroded, corroded-strengthened, and uncorroded-strengthened specimens were loaded statically under four-point loading, and the impact of pitting corrosion damages and the CFRP strengthening system on the stiffness, yield strength, ultimate capacity, and load-deflection behavior were determined. These tests showed that pitting corrosion damages at the bottom flange of the steel profile resulted in a decrease in the stiffness, yield strength, and ultimate capacity of the specimen. On the other hand, strengthening using CFRP laminates helped not only to regain the stiffness and strength loss, but also to obtain a bending performance level, even higher than that of the undamaged specimen. In the beams strengthened with CFRP laminates, the yield strength and ultimate capacity increased substantially, while the stiffness increase appeared to be lower since the modulus of elasticity of the CFRP laminates used for strengthening was moderate. During the monotonic loading of the strengthened specimens, first, the steel beam yielded, then the CFRP laminates detached from the steel beam; finally the specimens failed as a result of crushing of the concrete deck slab and the buckling of the longitudinal reinforcement bars. The CFRP strengthening system increased the strength of the specimens; however, the ductility was reduced. On the other hand, pitting corrosion damages resulted in reduced both the strength and ductility of the specimens. In this study, an analytical model was developed to predict the load-deflection and moment-curvature behavior of corroded, uncorroded, corroded-strengthened, and uncorroded-strengthened steel-concrete composite beams. In order to apply the model more easily and rapidly, computer software titled “CompCurv” was developed using the “Visual Basic”. Yield strength and ultimate capacity that were predicted with the analytical model were in good agreement with the experimental study; however, the predicted stiffness values were higher than the experimental data. This is considered to be due to the assumptions of the analytical model, possible slips between the concrete deck slab and steel beam, local stress concentrations, and shrinkage cracks in the concrete deck slab. The live load and fatigue load capacities of composite beams were determined based on the monotonic tests results and the design principles in the specifications. Accordingly, corrosion damages reduced the live load and fatigue load capacities of the beams, whereas the CFRP strengthening system increased the live load and fatigue load capacities. The change in the fatigue load capacity of the beams was less than that in the live load capacity.
In the third series of specimens, the effects of pitting corrosion damages and the CFRP strengthening system on the fatigue behavior of steel-concrete composite beams with full-depth transverse stiffener welded connections were investigated. For this aim, four fatigue tests were carried out with one undamaged (uncorroded and unstrengthened) specimen, two corroded specimens with the identical corrosion damages, and one corroded-strengthened specimen. Cyclic loading range was determined as approximately 40% of the yield strength of the undamaged specimen. All specimens were loaded in the same cyclic loading range as the undamaged specimen. At the end of cyclic loading, no fatigue cracks were observed on the undamaged specimen, whereas on both specimens with pitting corrosion damages, fatigue cracks and fractures were formed. Pitting corrosion damages resulted in fatigue cracking at the fatigue sensitive details that lead to local stress concentrations. The CFRP strengthening system prevented the formation of fatigue cracks on the specimens with identical corrosion damages. Although the additional stresses occurring due to pitting corrosion damages are at tolerable levels under static loading, they caused fatigue damages under cyclic loading and reduced the service life of the bridges. The strengthening technique using CFRP laminates is a suitable method to increase the service lives of such bridges. In the specimens in which fatigue fracture was observed, the fatigue crack occurred at the bottom or edge of the bottom flange in cross-section at the toe of the fillet weld connecting the stiffener to the bottom flange. The specimens failed as this crack passed the bottom flange and progressed along the height of the web. During the cyclic loading, the increase in the deflection ranges of the specimens remained quite low for the constant loading range, and therefore no significant change was observed in stiffness. The change in stiffness during cyclic loading is not a sufficient parameter to determine fatigue life. The changes occurring in strain ranges at the critical fatigue points are quite meaningful to determine fatigue behavior. When the S-N data obtained from fatigue tests are compared to the fatigue detail categories in the relevant specifications, it was seen that the specifications remained on the safe side. The specimens with no fatigue crack at the end of cyclic loading were loaded monotonically to determine their residual strength, and the obtained results were compared to the values obtained from specimens with same characteristics (in terms of material, corrosion, and strengthening) and with no cyclic loading applied. The results showed that at the end of cyclic loading, no significant reduction was observed in the stiffness and strength features of the undamaged specimen and corroded-strengthened specimen. At the end of cyclic loading, the stiffness and strength loss on the beam strengthened using CFRP was less than those of the unstrengthened specimen. On the basis of the results obtained from the monotonic tests carried out after the cyclic loading, the live load and fatigue load capacities of specimens were determined in line with design principles in relevant specifications. These capacities were compared to the values obtained from specimens with the same characteristics and with no cyclic loading applied. Accordingly, parallel to the decrease in the yield strength at the end of cyclic loading, the live load capacity of the specimens decreased. However, no significant change was observed in the fatigue load capacities.

This thesis is composed of five chapters:

Chapter 1. Introduction: In this chapter, the subject, aim, and content of the thesis are presented and the methods used in the study are introduced. It was indicated that the specimens were divided into three series; the aim and content of the specimens in each series, the innovative features of this study and the expected contribution to the literature are explained.
Chapter 2. General Information: In this chapter the current conditions of existing steel highway and railway bridges, the reasons for strengthening these bridges (fatigue, corrosion, increasing vehicle loads, etc...) and previous studies carried out in this field are investigated. In the section related to strengthening using CFRP, information related to surface preparation, durability, adhesive systems, strengthening techniques and previous studies in this field is provided.
Chapter 3. Materials and Methods: This chapter is composed of three sections: experimental study, analytical study, and specification and design. In the experimental study section, the design of the specimens, construction of the specimens, material properties, test setup, instrumentation, and experimental program are explained. Details regarding corrosion damages and the strengthening system using CFRP are given in this section. In the analytical study section, detailed information about the assumptions, material models, equations used for modeling, behavior of adhesive, modeling of corrosion damages, and modeling of CFRP strengthening system are given. In addition the features, content, data input, use, and flowcharts of the “CompCurv” software developed for the application of the analytical model are given in this section. In the specification and design section, the design principles in the codes, loads and load combinations, cross-section and strength checks, and fatigue limit state are explained.
Chapter 4. Results: In this chapter, the results obtained from the experimental study, analytical study, and specification and design section are presented. In the experimental study, the test results of the specimens in all three series were given, and deflections and deformations occurring in the specimens are shown. In the analytical study, the specimens of each series are analyzed with the "CompCurv" software developed on the basis of the analytical model, and the results are compared to the experimentally obtained results. In the specification and design section, the design principles in the codes are explained on an exemplary specimen, and the live load and fatigue load capacities of specimens in each series are determined in accordance with the design made based on the experimental study and specifications.
Chapter 5. Discussion and Conclusion: In this chapter, general conclusions drawn at the end of this study are presented, and the results regarding experimental, analytical, and specification and design of the specimens in each series were summarized, and potential studies to be conducted in the future are mentioned.