Geri Dön

Assessment of seismic performance of RC members after fire exposure through large-scale testing

Betonarme yapı elemanlarının yangın sonrası deprem performanslarının geniş ölçekli deneylerle belirlenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 648701
  2. Yazar: UĞUR DEMİR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ALPER İLKİ, PROF. DR. MARK F. GREEN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Deprem Mühendisliği, İnşaat Mühendisliği, Earthquake Engineering, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2020
  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: 136

Özet

Betonarme yapılar şiddetli yangınlara maruz kalmaya duyarlıdır. Bu tür yapılarda, aktif ve pasif yangından koruma yöntemleri; depremler, tsunamiler, kundaklama ve terörist saldırılar nedeniyle veya çoğunlukla kaza ile oluşan yangınlarda uygulanamayabilir veya işe yaramayabilir. Bu durumda yapıya hasar verebilecek şiddette yangınlar meydana gelebilir. İstanbul Büyükşehir Belediyesi İtfaiye Daire Başkanlığı tarafından yayımlanan rapora göre, 2014-2018 yılları arasında İstanbul'da yılda ortalama 15.000 yapısal meydana gelmiştir. Uluslararası Yangın ve Kurtarma Birliği'nin raporuna göre 1993-2014 yılları arasında oluşan yangınların yaklaşık %40'ı yapılardan kaynaklanmıştır ve bu yangınlar nedeniyle hayatını kaybeden insan sayısı bir milyonu aşmıştır. Bu durum yangın sonrası betonarme yapıların davranışlarının belirlenmesine yönelik çalışmaların gerekliliğini göstermektedir. Betonarme yapılarda, yangın nedeniyle betonun ve donatıların mekanik özelliklerinde bir miktar azalma görülebilir. Bu azalma genellikle yangın sırasında ulaşılan en yüksek sıcaklığa, kullanılan beton ve donatının özelliklerine ve betonarme yapı elemanlarının üzerinde bulunan yük durumuna bağlıdır. Ülkemiz ve dünyada mevcut yangın yönetmeliklerinin hemen hepsinde, betonarme yapı elemanları için gerekli paspayı kalınlıkları önerilmekte ve bu paspayını sağlayan elemanlardan teşkil edilmiş betonarme yapıların, servis yükleri altında yangın sonrası can güvenliğini sağlayacağı öngörülmektedir. Bunun yanında ülkemiz ve dünyanın önemli miktarda nüfusuna ev sahipliği yapan birçok ülke (Ör. Çin, Hindistan, Pakistan, Amerika Birleşik Devletleri, Japonya, İtalya v.b.) deprem fay hatları üzerinde yer almaktadır. Deprem riski altındaki bu ülkelerde, yangın geçiren betonarme yapılarda meydana gelmesi olası depremler dikkate alınarak tasarım ve yangın sonrası performans değerlendirmesi yapılmalıdır. Bu durum, betonarme yapıların yangın sonrası deprem performansının belirlenmesine yönelik araştırmaları gerektirmektedir. Betonarme kolonlar çerçeve tipi yapılarda ana taşıyıcı elemanlar olduğundan, bu tez kapsamında betonarme kolonların yangın sonrası deprem performansı incelenmiştir. Yangına maruz kalmış kolonların olası depremler sonrası performansının değerlendirilmesine yönelik yeterli miktarda araştırma literatürde bulunmamaktadır. Şimdiye dek bu konuda yapılan deneysel çalışmalar, mevcut yapılarda uygulama açısından belirli yetersizlikleri bulunan (Ör. kesme kritik) ve görece küçük ölçekli betonarme kolonlara yöneliktir. Bu çalışmaların büyük çoğunluğu, yangın sonrası betonarme kolonların onarım ve güçlendirilmesine yönelik gerçekleştirilmiştir. Tüm bu bilgiler ışığında tez kapsamında; önemli deprem ve yangın yönetmeliklerine uygun olarak tasarlanmış, eğilme-kritik, tam ölçekli betonarme kolonların yangın sonrası deprem performansının belirlenmesine yönelik bir deneysel çalışma literatürde ilk kez gerçekleştirilmiştir. Tez, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü tarafından yayımlanan“Doktora Tezlerinin Bilimsel Yayınlardan Hazırlanmasına İlişkin Yönerge”kapsamında dört adet makalenin birleştirilmesinden oluşmaktadır. Bunlardan tezin iki, üç ve dördüncü bölümünü oluşturanlar, Scopus tarafından Q1 olarak taranan dergilerde yayımlanmak üzere kabul edilmiştir. Tezin ilk bölümünde, betonarme yapılarda yangın sonrası deprem performansını etkileyen faktörler tartışılmıştır. Geniş kapsamlı literatür taraması sonucu, beton ve donatıda yüksek sıcaklık nedeniyle oluşan değişiklikler, soğuduktan sonraki durumu da dikkate alacak şekilde ortaya konmuştur. Tezin ikinci bölümünde, az ve orta katlı betonarme yapılardaki genel durumu temsil etmek üzere, yerinde döküm yöntemiyle inşa edilmiş betonarme kolonların yangın sonrası deprem performansı, analitik ve deneysel yöntemlerle incelenmiştir. İlgili kolonlarda deprem yönetmeliklerinde verilen minimum koşullar dikkate alınarak yapılan tasarımda, beton paspayı tüm yangın yönetmeliklerine uygun şekilde 40 mm olarak seçilmiş, deprem yönetmeliklerinin izin verdiği fakat yangın yönetmeliklerine uymayan, mevcut yapılarda sıkça karşılaşılan durumu temsil etmek üzere, numunelerin bir tanesinde paspayı 25 mm olarak uygulanmıştır. Betonarme kolonlar, üretildikten sonra nihai dayanımlarına ulaşana kadar yaklaşık 14 ay bekletildikten sonra yangın testleri gerçekleştirilmiştir. Yangın testleri, ISO-834 yangın yönetmeliği tarafından önerilen standart yangın eğrisi, 30, 60 ve 90 dakika izlenerek gerçekleştirilmiş, kolon numuneler yangına maruz bırakıldıktan 60 gün sonra deprem testlerine maruz bırakılmıştır. Altmış günlük süre, yangından sonra performans tayini için gerekli incelemeler ve analizler için geçen yaklaşık süreyi temsil etmektedir. Deprem testleri sabit düşey yüklerle kombine edilmiş yatay tersinir tekrarlı yükler altında gerçekleştirilmiştir. Kolonlardaki düşey yükler, az ve orta yükseklikteki betonarme yapıları temsil etmek üzere, eksenel yük kapasitesinin yaklaşık %20'si mertebesinde uygulanmıştır. Deprem testleri sonucunda, betonarme kolonlara ait çevrimsel yatay yük-yatay yerdeğiştirme ilişkileri, süneklik faktörleri, rijitlikler, enerji yutma kapasiteleri ve nihai kalıcı yerdeğiştirmeler elde edilmiştir. Deney sonuçları, kolonlarda standart yangınlar sonrasında yatay yük taşıma kapasitelerinde %20'ye varan kayıplar oluştuğunu göstermiştir. Betonun elastisite modülünde yangın hasarına bağlı olarak oluşan önemli azalmalar, betonarme kolonlarda akmaya karşı gelen ötelemelerde artışa neden olurken, nihai ötelemelerde kaydadeğer herhangi bir değişikliğe yol açmamıştır. Bu nedenle, 30 ve 60 dakikalık yangınlara maruz kalmış kolonlarda kolon sünekliklerinde önemli bir değişiklik görülmezken, akma yerdeğiştirmesinde görece daha yüksek miktarda artış meydana gelen, 90 dakika yangına maruz kalmış kolonda süneklik %20 mertebelerinde azalmıştır. Test edilen tüm kolonlarda süneklik faktörü 3.5'in üzerinde olduğundan, incelenen şiddette yangın hasarının incelenen koşullar altında betonarme kolonların sünekliği üzerinde önemli bir etkisi olmadığı değerlendirilebilir. Beton elastisite modülünde yangın hasarı nedeniyle meydana gelen azalma, kolon rijitliklerinde azalmaya neden olmuştur. Bu azalma yangın süresi ile orantılıdır. Enerji yutma kapasitelerinde yangın hasarına bağlı olarak, yangın süresine orantılı şekilde azalmalar gözlemlenmiştir. Kalıcı yerdeğiştirmelerde pik yük değerine kadar önemli bir değişiklik gözlenmezken, bu noktadan sonra yangın süresi ile orantılı azalmalar gözlenmiştir. Beton paspayının azalması bir taraftan donatıdaki sıcaklıkların artmasına neden olmakla birlikte, diğer taraftan kesit faydalı yüksekliğini ve dolayısıyla moment kapasitesini arttırdığından, incelenen koşullar altında yangın sonrası deprem performansını önemli ölçüde etkilememiştir. İncelenen koşullar altında donatının yangın sonrası mekanik özelliklerinde herhangi bir değişiklik gözlenmemiş olduğu ve donatı nihai mekanik özelliklerinde bir azalma olması durumunda paspayı azalmasının aynı sonucu doğurmayacağı akılda tutulmalıdır. Deneysel çalışma neticesinde elde edilen veriler kullanılarak, betonarme kolonlarda yatay yük-yatay yerdeğiştirme ilişkisi nümerik olarak modellenmiştir. Modelleme sırasında sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak kolon kesitlerindeki sıcaklık dağılımları belirlenmiş, bu değerlere karşı gelen dayanım kayıpları literatürde yer alan dayanım azalması ilişkileri kullanılarak elde edilmiş ve geleneksel yapı mekaniği ilkeleri uyarınca davranış modellenmiştir. Geliştirilen nümerik algoritmanın deney sonuçlarını tahmin etme konusunda başarılı olduğu görülmüştür. Tezin üçüncü bölümünde, sanayi yapılarında sıklıkla uygulandığı bilinen öndökümlü betonarme kolonları temsil etmek üzere tam ölçekli, soket temelli kolonlar imal edilmiştir. Kolonların tasarımı deprem ve yangın yönetmeliklerine uygundur. Bu kolonlara da yerinde dökümlü betonarme kolonlarla kıyas yapılabilmesi için aynı yangın senaryoları uygulanmıştır. Yangına maruz bırakıldıktan sonra kolonların deprem perfromansları incelenmiştir. Bu kolonlarda, soket temel ile kolonlar arasına pratikte uygulanan tamir harcının yangın sonrası yeterli performansı gösterdiği görülmüştür. Yangın sonrası öndökümlü kolonların, yerinde döküm kolonlara yakın davranış sergilediği gözlenmiştir. Öndökümlü kolonların yangın sonrası deprem sonrası davranışı ikinci bölümde belirtilen şekilde nümerik olarak modellenmiştir. Geliştirilen nümerik algoritmanın deney sonuçlarını tahmin etme konusunda başarılı olduğu görülmüştür. Tezin dördüncü bölümünde yangın sonrası geçen sürenin deprem performansına etkisi incelenmiştir. Yukarıda belirtildiği gibi, yapılan literatür taraması sonucu yangın sonrası beton mekanik özelliklerinin zamanla değiştiği bilinmektedir. Tez kapsamında küçük ölçekli silindir ve küp numunelerden elde edilen sonuçlar da bu durumu desteklemektedir. Fakat literatürde mevcut sınırlı sayıdaki çalışmalar, farklı koşullar altında gerçekleştirilmiş ve farklı sonuçlar rapor etmiştir. Genel olarak, maruz kalınan en yüksek sıcaklıktan bağımsız olarak, yangından 60 gün sonraki beton basınç dayanımı, yangından 30 gün sonrasına kıyaslandığında bazı çalışmalara göre değişmez iken bazı çalışmalara göre % 15 daha artmaktadır. Literatürde rapor edilen bu çelişkili durumu netleştirmek ve yangın sonrası geçen sürenin deprem performansına etkisini incelemek üzere, yangından 60 gün sonra test edilmek üzere yukarıda bahsedilen kolonlarla aynı özelliklere sahip iki kolon daha üretilmiş, 90 dakikalık standart yangına maruz bırakılmış ve yangından 30 ve 360 gün sonra aynı deprem yüklerine maruz bırakılmıştır. Deneyler sonucunda, yangından 30 ve 60 gün sonra test edilen kolonların yatay yük-yatay yerdeğiştirme ilişkilerinde ve sünekliklerinde önemli miktarda farklılıklar görülmezken, yangından 60 gün sonra test edilen kolondaki rijitliğin, 30 gün sonra test edilene kıyasla daha yüksek olduğu gözlenmiştir. Yukarıda bahsedilen nümerik çalışma tezin bu bölümü için de yangın sonrası davranışın modellenmesine yönelik olarak tekrarlanmıştır. Yapılan hesaplarda, yangından 60 gün sonra test edilen kolonun beton basınç dayanımı, 30 gün sonra test edilen kolonunkine kıyasla %15 fazla alındığında nümerik ve deneysel sonuçların birbirine yaklaştığı görülmüştür. Tez kapsamında gerçekleştirilen deneysel ve nümerik çalışmanın, konunun önemi ve insanların can güvenliği perspektifinden bakıldığında, kaydadeğer bir katkı sunduğu değerlendirilmelidir. Bu çalışma, ayrıca beraberinde incelenmesi gereken yeni sorunların varlığını ortaya koymaktadır. Bu nedenle, daha sonra yapılması gerekli çalışmalara ön ayak olacağı düşünülmektedir.

Özet (Çeviri)

Quantifying the seismic resistance of reinforced concrete (RC) buildings after fire is currently difficult because of the lack of information regarding their strength and ductility under earthquake loads. This thesis presents the results of an experimental study, which was carried out to investigate the post-fire seismic behavior of reinforced concrete columns. The thesis is mainly comprised of three papers accepted by high quality journals. In the first chapter, the factors affecting the post-fire seismic behavior of RC columns are analyzed with a particular focus on the behavior of concrete and steel under elevated temperatures and after cooling. In the second chapter, post-fire seismic behavior of cast-in-situ RC columns are investigated. Five cast-in-place RC columns were tested to failure under constant axial load and reversed cyclic lateral displacements after being exposed to ISO-834 standard fire for 30, 60 or 90 minutes. All of the columns are full-scale and designed to behave in flexure-controlled manner complying with major design codes (e.g. ACI 318-14). Other than the effects of fire exposure durations, the effects of thickness of concrete cover (25 and 40 mm) on structural performance was also investigated for the short fire exposure duration (30 minutes). The responses of the columns are analyzed in terms of lateral load-displacement relationships, ductility, stiffness, energy dissipation capacities and residual displacements. The test results indicated that fire exposure reduced the lateral load capacity of the columns whereas the deformability capabilities were found to be satisfactory in terms of structural response. It was also seen that the thickness of the concrete cover has only a slight influence on the post-fire seismic behavior of the columns which is attributed to the fact that lower concrete cover thickness results in higher effective depth which in turn leads to higher bending moment capacity and thereby higher lateral load capacity. Furthermore, a theoretical study was conducted to predict the load-displacement response of the fire exposed columns. The comparison of the experimentally and theoretically obtained load-displacement relationships indicated that the principals of structural mechanics usually applied to conventional columns are also valid for the columns exposed to fire in case the proposed algorithm is followed. In the third chapter, a similar approach as stated for the cast-in-situ columns is followed for precast RC columns as well. The precast columns had the same cross-section and reinforcement configuration and had been exposed to the same fire scenarios with the cast-in-situ columns. These columns were inserted into a socket foundation and had a lower axial load ratio (i.e. 10%) in order to represent the condition in common industrial buildings. The findings indicated that the repair mortar between the columns and foundation behaved in a satisfactory manner and therefore, similar post-fire seismic behavior was observed for cast-in-situ and precast columns. In the fourth chapter of the thesis, an experimental study is presented to examine the impact of time after fire on (i) post-fire behavior of small-scale specimens (cubes and cylinders), (ii) seismic behavior of full-scale reinforced concrete columns. The post-fire seismic response of the columns are analyzed 30, 60 and 360 days after fire exposure. Impact of time after fire exposure on residual lateral load capacity and ductility of the columns was found to be limited while the column subjected to seismic test 30 days after fire exposure, exhibited less stiff behavior with respect to the columns tested later. Furthermore, an analytical study is conducted for the prediction of seismic behavior of reinforced concrete columns after fire exposure considering the variations in residual properties of concrete by time, and the proposed model is found to be in good agreement with the test results.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    421260

    Mevcut bir betonarme binanın TDY'07'de belirtilen doğrusal elastik olmayan analiz yöntemlerine göre performans değerlendirmesi

    Performance assessment of an existing RC building according to nonlinear elastic analysis methods stated in TSC'07

    AHMET TUĞRUL AKYILDIZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KONURALP GİRGİN

  2. 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

  3. Tez No

    350545

    Seismic behavior of rc columns with corroded plain and deformed reinforcing bars

    Korozyona uğramış düz ve nervürlü donatılı betonarme kolonların deprem yükleri altında davranışı

    ÇAĞLAR GÖKSU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPER İLKİ

  4. Tez No

    389440

    Düzce depreminde yıkılmış 6 katlı betonarme binanın farklı yöntemlerle değerlendirilmesi

    Seismic assessment of six storey reinforced concrete building that collapsed after Düzce earthquake

    MERVE ÖZKARATAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATMA GÜLTEN GÜLAY

  5. Tez No

    323884

    Van depreminde hasar gören mevcut betonarme bir binadaki hasarın, DBYBHY 2007'ye göre yapılan performans analiz sonuçları ile karşılaştırılması

    Comparison of the observed damage and calculated performance assessment results according to the TSC2007 of an RC building which exposed to the van earthquake

    ALPER AYDIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPER İLKİ

Geri Dön