Experimental and analytical investigation of post-tensioned hybrid rocking coupled shear walls
Ardgermeli hibrit dönerek hareket eden bağ kirişli perde duvar sistemleri üzerine deneysel ve analitik araştırma
- Tez No: 1013080
- Danışmanlar: PROF. DR. ERCAN YÜKSEL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, İnşaat Mühendisliği, Deprem Mühendisliği, Engineering Sciences, Civil Engineering, Earthquake Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu doktora tezi, yüksek sismik performans, sınırlı yapısal hasar ve kendi kendini merkezleme davranışı hedefleri doğrultusunda geliştirilen, özel bağlantı elemanları ile donatılmış, yeni bir hibrit ardgermeli dönerek hareket eden bağ kirişli perde duvar sisteminin geliştirilmesini, analitik olarak modellenmesini ve deneysel olarak değerlendirilmesini kapsamaktadır. Çalışma, performansa dayalı deprem mühendisliği yaklaşımı çerçevesinde yürütülmüş olup geleneksel ardgermeli dönerek hareket eden perde duvar sistemlerinin uygulamada karşılaşılan temel yetersizliklerini gidermeyi amaçlamıştır. Hibrit ardgermeli dönerek hareket eden perde duvar sistemleri, deprem etkisinde kontrollü dönme mekanizması ve aderanssız ardgerme tendonlarının kullanımı sayesinde kalıcı deformasyonları sınırlamaları, ana taşıyıcı elemanlarda oluşan hasarı azaltmaları ve yüksek düzeyde güvenilir kendi kendine merkezlenme davranışı sergilemeleri nedeniyle yüksek performanslı yanal yük taşıyıcı sistemler olarak kabul edilmektedir. Bu sistemlerde deprem enerjisi büyük ölçüde dönme mekanizması ve ek enerji sönümleyici elemanlar aracılığıyla karşılanmakta, böylece ana taşıyıcı elemanlarda plastik şekildeğiştirmelerin oluşması sınırlandırılmaktadır. Bununla birlikte, literatürde yer alan mevcut sistemlerin uygulamada yaygınlaşmasını engelleyen çeşitli sorunları da bulunmaktadır. Bunlar arasında, dönerek hareket eden perde duvarlar ile döşeme diyaframları arasındaki deformasyon uyumsuzluğu, sistemin enerji sönümleme kapasitesinin sınırlı olması, duvar–temel ve duvar–duvar birleşimlerinde sürtünmeye bağlı kayma mekanizmalarının gelişmesi, duvar ayak bölgelerinde beton ezilmesi ve hasar oluşumu ile yapı davranışını olumsuz yönde etkileyen yüksek mod etkilerinin belirginleşmesi yer almaktadır. Bu yetersizlikler, sistemin genel davranışını karmaşıklaştırmakta, tasarım sürecinde belirsizlikleri artırmakta ve bu tür sistemlerin gerçek yapılarda güvenilir bir şekilde uygulanmasını sınırlandırmaktadır. Bu doktora tezi kapsamında, yukarıda sıralanan yetersizlikleri gidermek amacıyla bütüncül ve sistem odaklı bir bağlantı stratejisi geliştirilmiştir. Geliştirilen hibrit dönerek hareket eden perde duvar sisteminin en önemli özgünlüğü, perde duvarlar ile döşeme diyaframı arasında etkin deformasyon uyumluluğu sağlayan özel duvar–döşeme bağlantı elemanının geliştirilmesidir. Bu bağlantı elemanı, perde duvarların deprem etkisinde oluşan düşey yerdeğiştirmelerini ve düzlem içi dönmelerini döşeme sisteminden etkin bir biçimde izole ederken, yanal kesme kuvvetlerinin güvenli ve kontrollü bir şekilde aktarılmasını sağlamaktadır. Geliştirilen duvar–döşeme bağlantı elemanı sayesinde perde duvarların, civatalı bağlantılar aracılığıyla çerçeve kirişlerine veya döşeme sistemine vinç yardımıyla hızlı ve pratik bir şekilde bağlanması mümkün olmaktadır. Bu sayede kaynak ve iskele gereksinimleri ortadan kaldırılmış; yapım sürecinde uygulama hızı, iş güvenliği ve pratiklik açısından önemli avantajlar elde edilmiştir. Bu özellikleri sayesinde perde duvarlar, sadece yeni yapıların inşasında değil aynı zamanda mevcut yapıların sismik güçlendirilmesinde de mevcut yapıya kolaylıkla entegre edilebilmekte ve yüksek düzeyde uygulanabilir ve pratik bir çözüm sunmaktadır. Geliştirilen özel duvar–döşeme bağlantı elemanına ek olarak, bu tez kapsamında sigorta tipi değiştirilebilir dolgusuz mekanik bağlayıcılar ve kısmi kauçuk dolgulu mekanik bağlayıcılar tasarlanmış, geliştirilmiş ve duvar–duvar ile duvar–temel birleşimlerinde uygulanmıştır. Bu mekanik bağlayıcılar, çevrimsel yükler altında yerdeğiştirmeye bağlı çalışan enerji sönümleme elemanları olarak tasarlanmıştır. Yeterli dayanım, rijitlik ve deformasyon kapasitesine sahip olan bu elemanlar sayesinde plastik şekildeğiştirmeler ana taşıyıcı elemanlar yerine değiştirilebilir bağlayıcılarda yoğunlaştırılmış, böylece sistemin onarılabilirliği önemli ölçüde artırılmıştır. Özellikle kauçuk dolgulu mekanik bağlayıcıların taban seviyesinde kullanılması, duvar–temel birleşiminde sürtünmeye bağlı kayma mekanizmasını büyük ölçüde azaltmış, duvar ayak bölgelerinde beton hasarının oluşmasını engellemiş ve ardgerme tendonlarındaki kuvvet değişimini önemli ölçüde azaltmıştır. Ayrıca, dolgulu mekanik bağlayıcıların yapı yüksekliği boyunca duvar–duvar birleşimlerinde kullanılması, çoklu ve kararlı dönme mekanizmalarının geliştirilmesini mümkün kılmakta ve yüksek mod etkilerinin tek bir bütünleşik önlem ile etkin biçimde azaltılmasını sağlamaktadır. Tez kapsamında izlenen araştırma yöntemi, bileşen ve sistem düzeylerinde gerçekleştirilen deneysel çalışmalar ile bunları destekleyen analitik ve sayısal modelleme çalışmalarından oluşmaktadır. Bileşen düzeyinde, dolgusuz ve kısmen kauçuk dolgulu mekanik bağlayıcı elemanların çevrimsel tek eksenli ve iki eksenli yükler altındaki davranışları incelenmiş; sistem düzeyinde ise önerilen hibrit dönerek hareket eden perde duvar sisteminin farklı konfigürasyonları üzerinde yarı-statik çevrimsel yükleme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Bu deneylerde sistemin genel davranışı; yanal rijitlik, dayanım, enerji sönümleme kapasitesi, kalıcı deformasyonlar ve ardgerme kuvveti değişimleri açısından değerlendirilmiştir. Deneysel çalışmalara paralel olarak, özel bağlantı elemanları ve hibrit dönerek hareket eden perde duvar sisteminin bütünü için geçerli analitik modeller ile sonlu eleman modelleri Abaqus ve SeismoStruct yazılımlarında geliştirilmiş ve deneysel sonuçlar ile doğrulanmıştır. Bu modeller, sistem davranışının güvenilir bir şekilde temsil edilebildiğini göstermiş ve gelecekte yapılabilecek tasarım, optimizasyon ve parametre çalışmalarına temel oluşturmuştur. Deneysel sonuçlar, geliştirilen duvar–döşeme bağlantı elemanının büyük ötelenme oranlarında dahi duvar kaynaklı düşey ve dönme deformasyonlarını döşeme sisteminden etkin bir biçimde izole ettiğini ortaya koymuştur. Hibrit dönerek hareket eden perde duvar deney numuneleri, %7.5 ötelenme oranına kadar doğrusal elastik sınırlar içerisinde kalmış; duvarlarda, duvar–döşeme bağlantı elemanında ve döşeme diyafram sisteminde herhangi bir yapısal hasar gözlenmemiştir. Enerji sönümleme davranışının esas olarak değiştirilebilir mekanik bağlayıcılarda yoğunlaştığı belirlenmiştir. Önerilen hibrit dönerek hareket eden perde duvar sisteminin performansı değerlendirildiğinde, geliştirilen bağlantı elemanlarının katkısının yalnızca yerel birleşim davranışı ile sınırlı olmadığı, aynı zamanda yapının genel deprem performansını doğrudan etkilediği görülmüştür. Dolgusuz ve kauçuk dolgulu mekanik bağlayıcı elemanlarının çevrimsel yükler altındaki kararlı ve tekrarlanabilir histeretik tepkileri, sistemin enerji sönümleme kapasitesinin sürekliliğini sağlamıştır. Plastik şekildeğiştirmelerin mekanik bağlayıcı elemanlarda yoğunlaşması, ana taşıyıcı elemanların elastik sınırlar içerisinde kalmasına olanak tanımış ve deprem sonrası yapının servis verebilirliği mümkün olmuştur. Bu yönüyle önerilen sistem, onarılabilirlik ve yeniden kullanılabilirlik esaslarına dayanan çağdaş deprem mühendisliği yaklaşımlarıyla uyumlu bir çözüm sunmaktadır. Önerilen hibrit dönerek hareket eden perde duvar sisteminin ayarlanabilirliği, çalışmanın önemli çıktılarından biridir. Mekanik bağlayıcıların geometrisi ve sayısı, dolgulu mekanik bağlayıcılarda kullanılan kauçuk malzemenin özellikleri ve gömülü çelik sac tabakalarının yoğunluğu ile uygulanan ardgerme kuvveti seviyesinin seçimi; sistem rijitliği, dayanımı, enerji sönümleme kapasitesi ve kendi kendine merkezlenme davranışı üzerinde doğrudan etkili olmuştur. Bu durum, sistemin farklı deprem tehlike düzeyleri ve performans hedefleri için esnek ve ayarlanabilir bir tasarım imkânı sunduğunu ortaya koymuştur. Önerilen sistem, sadece yeni yapıların tasarımında değil, aynı zamanda mevcut betonarme ve çelik yapıların sismik güçlendirilmesinde de etkin bir çözüm olarak değerlendirilmektedir. Geliştirilen özel bağlantı elemanları sayesinde, mevcut yapılara ek sistem kütlesi getirmeden rijitlik, dayanım, sönümleme ve kendi kendine merkezlenme özelliklerinin artırılması mümkün olmaktadır. Bu özellik, taşıma kapasitesi sınırlı olan veya ek kütle artışının istenmediği güçlendirme uygulamaları açısından önemli bir üstünlük sağlamaktadır. Ayrıca, civatalı ve değiştirilebilir bağlantı elemanları sayesinde, güçlendirme sonrası bakım ve olası onarım işlemleri pratik bir şekilde gerçekleştirilebilmektedir. Sonuç olarak, bu doktora tezi kapsamında geliştirilen hibrit ardgermeli dönerek hareket eden bağ kirişli perde duvar sistemi; yenilikçi duvar–döşeme bağlantı elemanı, değiştirilebilir mekanik bağlayıcıları ve doğrulanmış analitik–deneysel altyapısı ile mevcut sistemlere kıyasla belirgin üstünlükler sunmaktadır. Elde edilen bulgular, önerilen sistemin yüksek performanslı, düşük hasarlı, ekonomik ve uygulanabilir bir yanal yük taşıyıcı çözüm olduğunu ortaya koymakta; sistemin hem akademik çalışmalar hem de mühendislik uygulamaları açısından güçlü bir potansiyele sahip olduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
This PhD thesis presents the development, analytical modeling, and experimental evaluation of a novel post-tensioned hybrid rocking coupled wall (PHRCW) system incorporating specially designed connection devices to achieve high seismic performance, limited structural damage, and reliable self-centering behavior. The study is conducted within the framework of performance-based seismic design principles and aims to address the critical limitations that have restricted the practical implementation of conventional post-tensioned rocking wall systems in seismic regions. Hybrid post-tensioned rocking wall systems are recognized for their high seismic performance, low damage potential, and ability to effectively limit residual deformations through the use of controlled rocking mechanisms and unbonded post-tensioning tendons. Despite these advantages, existing systems exhibit several unresolved deficiencies, including incompatibility between wall and floor deformations, limited energy dissipation capacity, shear slip at wall–foundation and wall–wall interfaces, damage in wall toe regions, and the amplification of higher-mode effects. These shortcomings complicate the overall structural response, increase uncertainty in design and performance prediction, and restrict the practical applicability of such systems in real structures. To overcome these challenges, this thesis proposes an integrated and system-oriented connection strategy as the core of the developed PHRCW system. A principal contribution of the study is the development of an innovative Ferris wheel–shaped (FW) wall-to-floor (W–F) connector that ensures effective displacement compatibility between rocking walls and floor diaphragms. The developed connector effectively isolates vertical displacements and in-plane rotational deformations of the rocking walls from the floor system while reliably transferring lateral shear forces. The connector is developed such that the rocking walls can be assembled to the floor diaphragm through a bolted connection using a crane, thereby eliminating the need for welding and scaffolding and enhancing constructability, safety, and practicality in both new construction and retrofitting applications. In addition to the FW W–F connector, fuse-type, replaceable bare mechanical couplers (BMCs) and partially rubber-filled mechanical couplers (PFMCs) were developed and employed at wall–wall and wall–foundation interfaces. These devices are designed to function as displacement-dependent energy dissipation elements with sufficient strength, stiffness, and deformation capacity under cyclic loading. By concentrating inelastic deformations within these replaceable mechanical components, damage to precast walls, floor diaphragms, and other primary structural elements is effectively prevented. The PFMCs, in particular, provide high bearing and shear strength combined with adequate deformation capacity, enabling their use at critical interfaces subjected to combined axial and shear loading. The research methodology adopted in this thesis consists of an integrated experimental and analytical approach conducted at both component and system levels. At the component level, the mechanical behavior of bare mechanical couplers (BMCs) and partially rubber-filled mechanical couplers (PFMCs) was investigated under cyclic uniaxial and biaxial loading conditions to evaluate their hysteretic response, stiffness degradation, energy dissipation capacity, and failure mechanisms. The component-level studies also included the development of a wall–floor (W–F) connector designed to accommodate rocking-induced kinematic demands. Its design principles and configuration were defined, and simplified manual tests using a dedicated test setup were conducted to simulate representative wall rocking actions. At the system level, extensive cyclic quasi-static loading tests were performed on the proposed PHRCW system with different configurations and design parameters. These tests focused on evaluating global structural response characteristics, including lateral stiffness, strength, energy dissipation capacity, residual deformations, and variations in post-tensioning force. In parallel with the experimental program, analytical and numerical modeling studies were performed. Validated finite element and analytical models of the special connectors and the overall PHRCW system were established in Abaqus and SeismoStruct software and verified against experimental results. These models provide reliable tools for understanding system behavior and form a basis for future parametric and design-oriented studies. The experimental results demonstrate that the innovative W–F connector effectively isolates wall-induced vertical and rotational deformations from the floor diaphragm, maintaining damage-free performance even at large drift ratios. The PHRCW specimens remained within the linear-elastic range up to a drift ratio of 7.5%, with no observed damage in walls, floor systems, or primary structural components. Energy dissipation was predominantly provided by the replaceable mechanical couplers, particularly the wall–wall connectors. Moreover, the incorporation of partially rubber-filled mechanical couplers (PFMCs) at the base level substantially reduced shear slip, effectively prevented damage at the wall toe regions, and ensured stable post-tensioning force behavior with negligible variation throughout the applied loading protocol. Furthermore, the use of PFMCs at wall–wall interfaces along the height of the structure can facilitate the development of multiple stable rocking mechanisms, thereby mitigating higher-mode effects through a single integrated solution. Overall, the proposed PHRCW system demonstrated sufficient stiffness and strength, high energy dissipation capacity, and robust self-centering performance over a wide range of lateral drift demands. These performance characteristics can be systematically adjusted by modifying the geometry and number of employed mechanical couplers, the density of embedded steel sheet layers and the rubber properties in the PFMCs, as well as the level of applied post-tensioning force. The findings confirm that the proposed system constitutes a high-performance, cost-effective, and practical lateral load-resisting solution suitable for both new construction and the seismic strengthening of existing reinforced concrete and steel structures, as it enhances structural stiffness, damping, and self-centering properties without introducing additional system mass.
Benzer Tezler
- Öngerilmeli inşaat elemanlarında gerilme analizi
Stress analysis in prestressed structural elements
ABDULLAH DÖNMEZ
Doktora
Türkçe
2015
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZİYA ABDULALIYEV
DOÇ. DR. ŞENOL ATAOĞLU
- Betonarme perdelerin kesme dayanımının incelenmesi
Investigation of reinforced concrete wall shear strength
ÇAĞLAR İNCEOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
ÖĞR. GÖR. ZEYNEP DEĞER
- Towards new narratives and signifiers against“Global ends”: Chile's great refusal
“Küresel sonlara”karşı yeni anlatılara ve gösterenlere doğru: Şili'nin büyük reddi
EMRE ÖNKİBAR
Doktora
İngilizce
2025
SosyolojiGalatasaray ÜniversitesiUluslararası İlişkiler Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FERİDE SELCAN SERDAROĞLU POLATAY