Geri Dön

Seismic retrofit of full-scale substandard rectangular RC columns through cfrp jacketing and external steel ties

LP kompozitler ile mevcut betonarme binalardaki dikdörtgen kesitli kolonların dayanım ve sünekliklerinin geliştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 444254
  2. Yazar: HAMID FARROKH GHATTE
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ALPER İLKİ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2016
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 310

Özet

Türkiye'deki mevcut betonarme yapıların önemli bölümünün depreme dayanıklı şekilde inşa edilmemiş olduğu bilinmektedir. En önemli eksiklerin başında deprem etkileri altında yapının en hayati taşıyıcı elemanları olan kolonlarda enine donatılarının yetersizliği olduğu daha önce yaşanmış olan depremlerde gözlenmiştir. Bu yetersizlik deprem sırasında sünek davranış göstereceği öngörülmüş olan kolonların gevrek şekilde hasar görmesine neden olmaktadır. Bu tür bir yapısal performans da genellikle ağır hasar ve büyük kayıplara neden olmaktadır. Enine donatısı yetersiz olan kolonların gevrek davranışını, sünek hale getirebilmenin en hızlı ve pratik yollarından biri kolonların dıştan LP (lifli polimer) kompozitler ile sargılanmasıdır. Önceki yıllarda, ancak, ekonomik olmayan çözümler sunabilen LP kompozitlerin kullanımı, günden güne bu malzemelerin daha yaygın kullanılması ve Türkiye'de üretilmeye başlaması sonucunda, ekonomik açıdan diğer konvansiyonel yöntemler ile rekabet edebilir düzeylere gelmiştir. Kolonların sargılanarak, dayanım ve sünekliklerinin arttırılması dairesel ve küçük kesitli kolonlarda daha etkili iken, kolon boyutları büyüdükçe ve dikdörtgen kolonlarda kesit derinliğinin genişliğine oranı arttıkça, sargılamanın etkinliği azalmaktadır. Genellikle, Türkiye'deki mimari tasarımlarda, kolonların bir kenarının duvar içinde kalması, diğer boyutunun statikçe gerektiği kadar büyütülmesi öngörülmektedir. Bu yaklaşımla sıklıkla kullanılan, örneğin 25x50, 30x60, 30x80 cmxcm boyutlarında dikdörtgen kolonlar bülunmaktadir. Yaklaşık 20 yıldır LP malzemelerin yapıların güçlendirilmesinde kullanımı üzerine çeşitli çalışmalar İTÜ (İstanbul Teknik Üniversitesi) Yapı ve Deprem Mühendisliği Laboratuvarı'nda yapılmaktadır. Özellikle Türkiye'deki mevcut yapılarda olduğu gibi, beton kalitesinin düşük olduğu durumlarda, LP kompozitler ile yapılan sargılamanın etkinliği artmaktadır. Önerilen çalışmada kesit boyut oranı 2 olan (30 ˟ 60) betonarme kolonların dıştan LP kumaşlar ile sargılanması sonrasında düşey yük ve yön değiştiren tekrarlı yatay yükler altında deneye tabi tutulması ve kolonların davranışlarının teorik olarak açıklanıp, güçlendirme tasarımı için hesap algoritmasının ve uygulama detaylarının geliştirilmesi hedeflenmektedir. Türkiye dünyanın sismik yönden en aktif bölgelerinden birisidir ve can ve mal kaybına neden olan büyük magnitüdlü pek çok depreme maruz kalmıştır. Son depremler, Türkiye'deki mevcut yapı stokunun çok düşük beton basınç dayanımı, kolonlardaki yetersiz enine donatılar, etriyelerdeki detay zayıflıkları/yapım hataları ve bina kullanımının tasarımdaki amaca uygun olmaması gibi pek çok nedenlerle yetersiz deprem davranışına sahip olduğunu açığa çıkarmıştır. LP kompozit malzemelerin bu eksikliklerin giderilmesi amacı ile yapı mühendisliğinde de kullanımı günden güne artmaktadır. Önceki yıllarda ABYYHY-1975 ve TS500-1984 yönetmeliklerine göre deprem esnasında yeterli davranışı göstermesi beklenen yapılar yeni tasarım yönetmelikleri olan DBYBHY-2007 ve TS500-2000 e göre yetersiz çıkmakta ve bu yapıların güçlendirilmesi gerekmektedir.Meydana gelen depremler sonrası betonarme yapılarda yapılan araştırmalar, yapının en fazla zarar görmesine neden olan yapısal elemanın kolonlar olduğunu ortaya koymuştur. Betonarme bir yapıda kolonlar eğer kendisinden beklenen performansı göstermiş ise yapı ayakta kalmış ve daha az hasarla depremi atlatmıştır. Betonarme yapıların deprem anında ayakta kalması büyük ölçüde kolonlar aracılığıyla olduğu için, yapılan çalışmalar bu yapı elemanı üzerinde yoğunlaşmakta ve yıllardan beri bu konu üzerinde sayısız bilimsel çalışma yapılmış ve yapılmaktadır. Türkiye de güçlendirme ihtiyacı duyulan yapıların ortak kusurlarından bazıları, yetersiz ve düz yüzeyli donatı kullanımı, düşük beton dayanımı ve yetersiz süneklikteki kesitler olarak kabul edilebilir. Çeşitli güçlendirme yöntemleriyle bu eksikliklerin giderilme imkanı vardır. Özellikle de betonarme kolonları süneklik ve dayanım açısından belirli bir seviyeye getirmek için enine donatı(etriye) çok önemlidir. Çünkü betonarme kolonlarda enine donatı yerleşimi gerek dayanım gerekse süneklik açısından davranış üzerinde önemli etkilere sahiptir. Literatürdeki çalışmalarda genel olarak yönetmelik kurallarına uygun enine donatı yerleşimleri incelenmiş, sınırlı sayıda çalışmada ise yönetmelik kurallarına bütünü ile uymayan enine donatı yerleşimleri ve bu durumda davranışta ortaya çıkan zayıflıkların giderilmesine ağırlık verilmiştir. Bunlara karşılık yönetmelik şartlarını kısmen sağlayan, kısmen sağlamayan enine donatı yerleşimlerinin davranışa etkisi araştırılmamıştır. Bu konuya yönelik olarak İTÜ Yapı ve Deprem Mühendisliği Laboratuvarında çok kapsamlı bir çalışma sürmektedir. Bu tezde devam eden çalışmaların bir bölümüne ait sonuçlar sunulmaktadır. Uzun yıllar uçak ve otomobil üretiminde kullanılan fiber takviyeli polimerler (FRP) son yıllarda yapı elemanlarının güçlendirilmesinde de kullanılmak üzere araştırma konusu olmuştur. Çeşitli geometrik özelliklerde bulunan FRP 'ler, deprem güçlendirilmesinde genellikle kullanıma hazır karbon fiber takviyeli polimer örtüler halinde kullanılır. Duvar kağıdını veya kumaşı andıran elyaflar genellikle 0,30-0,60 metre eninde rulolar halinde satılır. Yapı elemanları üzerine reçine sistemi ile uygulanan FRP çok yüksek çekme dayanımına sahiptir. Yalnız bu dayanım, malzemenin uygulanış şekli ve işçilik kalitesi ile değişebilir. Bu nedenle çok dikkatli olmak gerekir. Sonuçta ortaya çıkan kompozit malzemenin özellikleri kullanılan elyaf miktarı ile yakından ilgilidir. Örneğin, bol reçineli bir uygulama, karbon elyafın elastisite modülü ve dayanımı ne denli yüksek olursa olsun, ortaya çıkan kompozit malzemenin elastisite modülünü ve dayanımını büyük ölçüde düşürür. Öte yandan, kullanılması öngörülen özel çelik rulolar ile reçine fazlası alınan uygulamalarda elastisite modülü ve çekme dayanımı önemli ölçülerde artar. Bu değişimlerden dolayı, her uygulama için çekme deneyi yapmak ve malzeme özelliklerini deneysel olarak belirlemek gerekebilir. Hasar görmüş betonarme elemanlara başlangıçtaki orijinal mukavemetlerini kazandırmak veya güçlendirmek amacı ile karbon lifi-cam lifi takviyeli epoksi esaslı kompozit malzemeler çelik plakalarla yapılan geleneksel güçlendirme sistemlerine alternative olarak geliştirilmişlerdir. Çekme dayanımları çelikten fazla olan bu tür kompozit malzemelerin en büyük avantajları hafif olmaları, korozyona uğramamaları, ve rulolar halinde saklanabilmeleri ve kolaylıkla uygulanabilmeleridir. Polimer esaslı bu malzemelerin yüksek maliyetleri ve UV ışınlarına dayanıksız olmaları nedeniyle özel sıvalar veya kaplamalarla korunmalarının gerekmesi dezavantajlarıdır. Polimerlerin uzun süreli sabit yükler altında sünme deformasyonlarının yüksek oluşu da bir diğer problemdir. Frp'ler sadece lif eksenine paralel çekme kuvvetlerini karşılayabildikleri için uygulama yönü önemlidir. Betonun sargılaması, yük taşıma kapasitesinin ve /veya sünekliğin arttırılması için kullanılan verimli bir yöntemdir. Bu çalışmada ayrıca, referanslar ve LP ile güçlendirilmiş kolonların doğrusal olmayan analizi ve analitik sonuçların deneysel verilerle karşılaştırılmasının sonuçları, ACI 440 ve Türk Deprem Yönetmeliği'nden elde edilen güçlendirme tasarımı muhafazakar olduğunu ortaya çıkardı, halbuki Eurocode'daki yöntemler daha rafine güçlendirme çözümlerine yol açar. Literatürde bulunan çeşitli FRP modelleri, modellerin tahminleri ve deneysel sonuçlarla kontrolü için kullanılmıştır. Ayrıca deneysel sonuçların sayısal modellerle kalibrasyonu için, sonlu elemanlar metodu platformu kullanılmıştır. Bu amaçla numunelerin tümü sonlu elemanlar programı, Seismostruct yazılımını kullanılarak ayrı ayrı modellenmiştir.

Özet (Çeviri)

It is well known that Turkey is located in one of the most seismically active regions on earth. With this location, Turkey is subjected to large magnitude earthquakes, resulting in substantial loss of life and property damage. Moreover, a large portion of the existing reinforced concrete (RC) structures have not been constructed with sufficient seismic resistance and ductility. In addition, the brittle behavior of substandard columns during earthquakes is one of the most common reasons for structural failures. Since capacity design principles and ductile detailing concepts were not properly adopted during the construction of a large portion of the existing buildings, many of those buildings are in urgent need of seismic retrofitting, particularly in terms of earthquake resistance and the enhancement of ductility characteristics. Past earthquakes have demonstrated that the lack of sufficient transverse reinforcement, poor concrete quality, and plain bars used within columns comprise the main deficiencies of the typical RC structures. One important consequence of these deficiencies remains the lack of sufficient ductility, remarkably limiting the displacement capacity of the existing structures. While confinement is very effective for strength and ductility enhancement for circular columns, the methodology has significant weaknesses for rectangular members. Limited studies have been executed on the study of full-scale columns, and those studies are not sufficiently robust to offer realistic and reliable remediation solutions, particularly for typical, substandard rectangular RC columns. External fiber-reinforced polymer (FRP) jacketing of columns is a feasible and promising method to overcome the insufficient ductility problem of existing substandard structures through increasing their confinement efficiency. In this study, the seismic behavior of full-scale substandard rectangular RC columns were investigated, both experimentally and theoretically. Additionally, this study evaluated the various FRP confinement models, and the ability to improve the model's predictions based on experimental results. Moreover, this study critiques the current seismic design codes, and their limitations in terms of the required strength enhancements and recognition of FRP effective rupture strain. The findings of the study clearly demonstrated the efficiency of FRP jacketing for substandard columns, even in the case of the extended, rectangular cross-sectioned columns. FRP jacketing is particularly effective for ductility, and consequently in lateral displacement (drift) capacity. Furthermore, this study introduced an improved method, using carbon fiber reinforced polymers (CFRP) and external steel ties to accomplish the seismic retrofitting of rectangular RC columns loaded in their weak directions. In the experimental portion of the study, eleven cantilever columns with a cross-sectional aspect ratio of two (300 mm x 600 mm cross-section dimensions) were tested under constant axial load and reversed cyclic lateral loads. The columns are representative of existing substandard structural members, mimicking their characteristics, such as low concrete quality, incorrectly detailed and insufficient transverse reinforcement ratios, and construction using plain round bars. The specimens were tested under two axial load levels (approximately 20% and 35% of the axial load capacity of the columns) and two loading directions (strong and weak directions). In this manner, the specimens were classified into four categories based on axial load, loading direction, CFRP jacketing layers, and the use of external steel ties. The test results indicated that FRP jacketing and insertion of external steel ties significantly improved the seismic performance in terms of ductility and energy dissipation. The theoretical portion of the study consists of three parts. First, the reinforcement specimens were modeled separately using SeismoStruct software as a finite element platform. The spread of the material nonlinearity along the member length and across the section area was explicitly represented through the employment of a fiber modeling approach, implicit in the displacement-based formulation for the inelastic column elements employed in the analyses. Second, various FRP confinement models that were available in the literature were used for comparison with the predictions for this study's models and their experimental results. Additionally, the analytical findings were compared with the test results for both the strong and weak directions of the columns. Comparisons also revealed that the use of various models for the stress-strain relationship of FRP-confined concrete can yield significantly unrealistic or too conservative retrofit designs, in terms the determined yielding point, and the ultimate strain point of the lateral load-displacement relationships obtained from the analytical procedures. One of the stress-strain confinement models was slightly modified to obtain more accurate agreement with test data. Nonlinear analyses were executed for columns tested in this study, as well as columns tested by others. Finally, the current seismic design assessment guidelines were used for prediction of the behavior of retrofitted columns, and the test results were compared with this study's predictions. Such testing revealed that the retrofit design approach and seismic assessment documents, such as ACI 440.2R (2008) and the Turkish Seismic Design Code (2007), are quite conservative, leading to infeasible retrofit options, whereas the approach employing Eurocode 8 (2005) is not conservative and led to more feasible retrofit solutions.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    753493

    Mevcut betonarme binaların burkulması önlenmiş çaprazlar (BÖÇ) ile davranış kontrollü güçlendirilmesi

    Response control retrofit of existing RC buildings using buckling restrained braces (BRB)

    AHMET BAL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK

  2. Tez No

    424141

    Üç boyutlu betonarme çerçevelerin düğüm noktalarının deprem etkilerine karşı güçlendirilmesi

    Seismic retrofit of joint of 3d reinforced concrete frames with FRP

    CUMHUR COŞGUN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPER İLKİ

    YRD. DOÇ. DR. AHMET MURAT TÜRK

  3. Tez No

    393025

    Betonarme çerçevelerin doğrusal olmayan analizinde değişik modelleme stratejilerinin araştırılması

    Investigation of various modeling strategy in nonlinear analysis of concrete frames

    KÜRŞAT AKTAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATMA GÜLTEN GÜLAY

    YRD. DOÇ. DR. İHSAN ENGİN BAL

  4. Tez No

    389235

    Üç katlı çelik bir yapının performansının belirlenmesi ve viskoz sönümleyiciler ile güçlendirilmesi

    Performance evaluation of a three story steel structure and retrofit with using fluid viscous dampers

    MUSTAFA DENİZ GÜLER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ELİŞAN FİLİZ PİROĞLU

  5. Tez No

    152463

    Seismic retrofitting of RC columns with lap-splicing problem for improved strength and ductility

    Betonarme kolonların süneklik ve dayanımlarını arttırmak için sismik güçlendirme

    MUSTAFA SİNANGİL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2004

    İnşaat MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. CEM YALÇIN

Geri Dön