Hysteretic response of sub-standard rc columns under high axial stresses and shear demand confined with carbon fiber polymers
Karbon lifli polimer ile sargılanan standart altı betonarme kolonların yüksek eksenel gerilme ve kesme talebi altında tekrarlı çevrimsel davranışı
- Tez No: 684112
- Danışmanlar: PROF. DR. ALPER İLKİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Deprem Mühendisliği, Earthquake Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 135
Özet
Sismik açıdan aktif deprem kuşağında yer alan Marmara Bölgesi'nde nüfusun büyük bir çoğunluğu günümüzde geçerliliğini yitirmiş yönetmelik ve şartnamelere göre dizayn edilen mevcut yapı stoğunda ikamet etmektedir. Malzeme tedariğinin zorluğu ve göçlerin getirdiği acil barınma ihtiyacının bu bölgede geçmişte çarpık yapılaşmaya zemin hazırladığı bilinmektedir. Çarpık yapılaşma beraberinde düşük kalite malzeme ve işçilik ile birlikte kurgulandığından mevcut yapı stoğunun değerlendirilmesi ve rehabilite edilmesi hususu büyük bir depremde olası bir faciadan kaçınabilmek adına elzemdir. Özellikle düşük dayanımlı beton ve düz yüzeyli donatı çeliği kullanımı beton ile donatı arasındaki aderansın azalmasına ve uygulamada yetersiz enine donatı çeliği kullanımı ile birlikte sismik riskler altında yapıların deprem davranışlarının yetersiz kalmasına neden olmaktadır. Bu sebeple, mevcut yapıların performanslarının iyileştirilebilmesi için ya tüm yapı stoğu yenilenmeli ya da farklı güçlendirme senaryoları düşünülmelidir. Yapı stoğunun tamamen yıkılıp yeniden inşa edilmesi için gerekli maddi yeterlilikler ve zaman ile nitelikli işgücüne ihtiyaç olduğu düşünüldüğünde, farklı güçlendirme yöntemleri kullanılarak yapıların rehabilitesinin daha uygun olacağı sonucuna varılmaktadır. Bu amaçla, betonarme yapıların farklı onarım ve güçlendirme teknikleri ile sismik performanslarının arttırılması tercih edilmektedir. Gelişen teknoloji ile birlikte üretimi ve kullanımı yaygınlaşan kompozit sentetik malzemeler inşaat sektöründe de uygulamada yer edinmiştir. Yapıların güçlendirilmesinde, yüksek dayanıma ve yüksek rijitliğe sahip olan düşük hacimli karbon, aramid ve cam lifler yüksek dayanımlı polimer reçineler ile kompozit bir malzeme oluşturularak hafif, düşük maliyetli ve çevre dostu bir çözüm sunulmuştur. Kolonların deprem etkilerine karşı güçlendirilmesi, basınç dayanımında ve nihai eksenel deformasyonda gerçekleşen artış ile birlikte kolonun dayanım ve sünekliğinin iyileşmesini sağladığından uygulamada tercih edilmesine katkı sağlamıştır. Kolonlar üretildikleri dönemin yönetmelik şartlarına göre tasarlandıklarında yatay yük kapasitesi ve deformasyon yapabilme kapasitesi boyuna donatıları çevreleyen enine donatılar ve çirozlar ile desteklendiğinde artmaktadır. Ancak, günümüzde birçok yapının herhangi bir yönetmelik koşulu gözetmeksizin tasarlandığını ve depremde oluşacak kesme talebinin neredeyse yalnızca beton tarafından karşılandığı görülmektedir. Düşük kalite beton ile inşa edilen bu yapılar düşünüldüğünde, yalnızca kesme donatısının değil betonun da yetersiz kaldığı sonucuna varılmaktadır. Bu vahim durum, yalnızca depremde değil, yapının kullanım ömrü boyunca karşılaşacağı etkiler altında oldukça tehlikeli sonuçlar doğurabileceğini gözler önüne sermektedir. Tez çalışması kapsamında, 2000 yılı öncesi inşa edilmiş mevcut yapı stoğunu temsilen üretilen 12 adet tam ölçekli betonarme kolonun sabit eksenel yük ve çevrimsel yatay yükler altında davranışı deneysel olarak incelenmiş ve analitik bulgular ile karşılaştırılmıştır. Bu amaçla, betonarme kolonlar üç ana gruba ayrılmıştır. Her bir grup, yönetmeliğe uygun olarak üretilen bir adet referans numune ve yönetmelik koşullarına uygun olmayan (standart altı) referans ve güçlendirme numunelerinden oluşmaktadır. Tüm gruplarda yönetmeliğe uygun olarak üretilen referans kolonlar 19 MPa ve yönetmeliğe uygun olmayan standart altı kolonlar 10.5 MPa standart silindir beton basınç dayanımına sahiptir. Yönetmeliğe uygun olarak üretilen referans kolonlarda enine donatılar arası mesafe 80 mm ve kanca açısı 135° iken standart altı kolonlarda 250 mm ve kanca açısı 90° olarak düzenlenmiştir. Birinci ve ikinci grup kolonlarda boyuna donatı oranı %2.22, üçüncü grup kolonlarda ise %1.11'dir. Birinci ve üçüncü grup numunelerinde düz yüzeyli donatı çeliği, ikinci grup numunelerinde ise nervürlü donatı çeliği kullanılmıştır. Birinci ve ikinci grup numunelerinin en/boy oranı 1, üçüncü grup numunelerinin ise 2'dir. Bu amaçla, mevcut standart altı kolonların eğilme kapasiteleri tespit edilerek referans kolonlar ile karşılaştırılmıştır. Bu kapsamda, birinci ve üçüncü grupta iki adet betonarme kolon bir ve iki kat karbon lifli polimer ile güçlendirilerek sismik performansı referans numuneler ile karşılaştırılmıştır. İkinci grupta ise bir kat karbon lifli polimer ile güçlendirme yapılmıştır. Tüm gruplarda yönetmeliğe uygun numunelerin %40 ve standart altı numunelerin %75 eksenel yük oranı (eksenel yük/eksenel kapasite) altında yarı-statik deprem testleri gerçekleştirilmiştir. Bunlara ek olarak, üçüncü grup kolonlarda bir referans kolonu daha üretilmiş ve eksenel yük kapasitesinin %30'una karşılık gelen eksenel yük altında test edilmiştir.Tüm gruplarda standart altı kolonların kesme talebi (eğilme kapasitesine ulaştığı noktadaki kesme talebi / kesme kapasitesi) mevcut yönetmelik tanımlarına göre oldukça yüksektir. Bu sebeple, kolonların göçme hasarları incelendiğinde eğilme kapasitesine ulaşıldığı ve yüksek kesme talebi dolayısı ile kolonlarda kesme-eğilme türü hasarların da olduğu gözlemlenmiştir. Çalışmanın temel amacı yüksek eksenel yük ve yüksek kesme talepleri altında standart altı özellikler taşıyan mevcut kolonların lifli polimer ile güçlendirilerek yatay yük ve deformasyon kapasitelerinin arttırılmasıdır. Deneysel çalışma sonucunda elde edilen dayanım ve yerdeğiştirme kapasiteleri ile betonarme kolonların moment-eğrilik ilişkileri, süneklik ve enerji yutma kapasiteleri değerlendirilerek mevcut yapılarda bulunan standart altı kolonların davranışı açıklanmaya çalışılmıştır. Birinci grup numuneler incelendiğinde, bir kat ve iki kat güçlendirme ile referans standart altı numuneye göre yatay yük kapasitesinde sırasıyla %10 ve %18 artış görülmüştür. Moment-eğrilik ilişkileri incelendiğinde, tüm birinci grup numunelerde 0-30 mm arası ölçülen eğrilik değerlerinin yüksek olduğu ve hasarın kolon-temel arayüzünden itibaren ilk 30 mm de yoğunlaştığı görülmüştür. Birinci grup numunelerinin enerji yutma kapasiteleri incelendiğinde ise referans standart altı kolona göre bir ve iki kat lifli polimer sargının toplam enerji yutma kapasitesini 2.5 ve 8 kat arttırdığı gözlemlenmiştir. Koda uygun numuneler açısından incelendiğinde lifli polimer ile ancak iki kat sargılayarak standart altı numunenin yatay yük kapasitesini referans kod uyumlu kolonun yatay yük kapasitesine yakınsayabildiği görülmüştür. İki kat lifli polimer sargılama ile enerji yutma kapasitesi 2 kat arttırılmıştır. Analitik bulgular deneysel sonuçlar ile karşılaştırıldığında, birinci grup numunelerinde pik dayanım tahmini, pik sonrası düşen kolun eğimi, maksimum deplasman tahmini ve başlangıç rijitliklerinin birbirleri ile uyumlu olduğunu göstermektedir. İkinci grup numuneler incelendiğinde, bir kat güçlendirme ile referans standart altı numuneye göre yatay yük kapasitesinde %41 artış görülmüştür. Moment-eğrilik ilişkileri incelendiğinde, tüm ikinci grup numunelerde 0-30 mm arası ölçülen eğrilik değerlerinin yüksek olduğu ve hasarın kolon-temel arayüzünden itibaren ilk 30 mm de yoğunlaştığı görülmüştür. İkinci grup numunelerinin enerji yutma kapasiteleri incelendiğinde ise referans standart altı kolona göre bir kat lifli polimer sargının toplam enerji yutma kapasitesini yaklaşık 4.5 kat arttırdığı gözlemlenmiştir. Koda uygun numuneye göre enerji yutma kapasitesinde ve yatay yük kapasitesinde bir kat lifli polimer ile sargının artış sağlamadığı görülmüştür. Üçüncü grup numuneler incelendiğinde, iki kat güçlendirme ile aynı eksenel yük altında test edilen referans standart altı numuneye göre yatay yük kapasitesinde %15, kapasitesinin %30'u kadar eksenel yüke maruz bırakılan referans standar altı numuneye göre ise %21 artış görülmüştür. Moment-eğrilik ilişkileri incelendiğinde, koda uygun olan referans numune hariç tüm üçüncü grup numunelerde 0-30 mm arası ölçülen eğrilik değerlerinin yüksek olduğu ve hasarın kolon-temel arayüzünden itibaren ilk 30 mm de yoğunlaştığı görülmüştür. Üçüncü grup numunelerinin enerji yutma kapasiteleri incelendiğinde ise aynı eksenel yüke maruz bırakılan referans standart altı kolona göre bir ve iki kat lifli polimer sargının toplam enerji yutma kapasitesini 1.2 ve 3 kat arttırdığı gözlemlenmiştir. Eksenel yük kapasitesinin 30% u kadar eksenel yüke maruz bırakılan standart altı referans numune ise tüm kolonlar arasında enerji yutma kapasitesi en yüksek olan numunedir. Bu durum, yapılarda ağırlığın azaltılmasının enerji sönümleme üzerinde ne kadar etkili olduğunu açıkça ortaya koymaktadır. Standart altı numune iki kat lifli polimer ile sargılanarak enerji yutma kapasitesi koda uygun olarak üretilen kolonun enerji yutma kapasitesine yakınsayabildiği görülmüştür. En/boy oranı iki olan numunelerde açıkça görülmektedir ki, yönetmeliğe uygun olarak üretilen veya eksenel yük oranı düşük olan kolonlar yatay yük kapasitesi ve enerji yutma kapasiteleri en büyük olan kolonlardır. Karbon lifli polimer ile güçlendirilen tüm standart altı kolonlarda süneklik arttırılmıştır. Ayrıca, yönetmeliğe uygun olarak üretilen kolonların da benzer şekilde standart altı kolonlara kıyasla süneklikleri arttırılmıştır. Birinci grup numuneler incelendiğinde bir kat ve iki kat lifli polimer ile sargılanan standart altı kolonların, referans standart altı kolona göre süneklikleri 2 ve 4 katından fazla artmıştır. İkinci grup numuneler incelendiğinde, bir kat lifli polimer ile sargılanarak standart altı kolonun sünekliği yaklaşık 2 kat arttırılmıştır. Referans kolonlar kıyaslandığında ise yönetmelik koşulları sağlandığında sünekliğin tek kat lifli polimer sargılama ile benzer olarak arttığı gözlemlenmiştir. Üçüncü grup numuneler incelendiğinde, süneklik artışı dikdörtgen kolonlarda kare kolonlara göre nispeten daha az olmakla birlikte artış tek ve iki kat sargılama ile iki ve üç katına çıkartılmıştır. Düşük eksenel yük oranına sahip olan standart altı numunenin sünekliği diğer numunelere kıyasla daha fazladır. Benzer şekilde yönetmeliğe uygun olarak üretilen referans kolonun sünekliği standart altına kolona göre yaklaşık 2 kat fazladır.
Özet (Çeviri)
A good deal of existing reinforced concrete (RC) columns suffer from the absence of flexural resistance and ductile behavior against seismic actions in Turkey. There has been widely scrutinized the cyclic response of existing reinforced concrete columns in terms of the lateral resistance, ductility, and failure mechanisms in decades. Despite many existing experimental studies recently undertaken, conventional retrofitting methods have not yet adequate against catastrophic earthquakes. One of the most commonly preferred retrofitting techniques, the usage of externally wrapped fiber-reinforced polymers (FRPs), has increased dramatically in recent years due to the high tensile strength, superior durability, and the light-weight with the ease of installation. It is adopted as an appropriate retrofitting method to remain sustainable and occupant-friendly amongst other mentioned virtues. These advantages of the externally wrapped fiber-reinforced polymers pose a more considerable candidate for seismic strengthening of RC columns concerning conventional methods. Existing RC columns suffer from insufficient flexural seismic performance because of the sub-standard characteristics such as poor quality of concrete, inadequate reinforcing details, plain bar, and low transverse reinforcement. This thesis is addressed to investigate the seismic performance of twelve existing RC columns which are assumed to be designed before the 2000s in Turkey. To pursue this objective, columns were categorized into three different groups, first group, second group, and third group. Within this scope, the thesis focuses on the contributions of externally wrapped carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) on the existing RC columns having a high axial load ratio (defined as axial load/axial capacity), high shear demand (defined as the ratio of shear demand at flexural yielding to shear resistance) and low transverse reinforcement ratio. All columns are subjected to constant axial load under reversed cyclic lateral loading. All groups are split that in half itself as the reference and the retrofitted columns. Reference columns consist of the code-conforming and the sub-standard columns. All code-conforming columns were produced with sufficient transverse reinforcement and slightly good quality of concrete, whereas the sub-standard reference columns represent the existing RC columns, which are frequently encountered in Turkey. The sub-standard columns were constructed with the low quality of concrete, inadequate reinforcing details, insufficient transverse reinforcement steel bars. The first group columns are composed of the code-conforming column, the sub-standard column, one-ply, and two plies CFRP retrofitted square columns which are constructed with plain bars as longitudinal and transverse reinforcing steel bars. The code-conforming column is subjected to 40% of axial load-bearing capacity and the sub-standard bare and retrofitted columns are subjected to 75% of axial load-bearing capacities. Second group columns are composed of the code-conforming column, the sub-standard column and one-ply CFRP retrofitted square columns which are constructed with deformed bars as longitudinal and transverse reinforcing steel bars. The code-conforming column is subjected to 40% of axial load-bearing capacity and the sub-standard bare and retrofitted columns are subjected to 75% of axial load-bearing capacities. Third group columns are composed of the code-conforming column, two sub-standard columns, one-ply and two plies CFRP retrofitted rectangular columns which are constructed with plain bars as longitudinal and transverse reinforcing steel bars. The code-conforming column is subjected to 40% of axial load-bearing capacity and the sub-standard bare columns are subjected to 30% and 75% of axial load-bearing capacities. The retrofitted columns are subjected to 75% of axial load-bearing capacities as well. Experimental results demonstrate that one ply and two plies CFRP jacketing were improved 10% and 18% of the lateral load-bearing capacity of the sub-standard reference column for first group specimens. Furthermore, in comparison to the energy dissipation capacity of the reference sub-standard column was enhanced 2.5 and 8 times with one ply and two plies CFRP jacketing, respectively. For second group specimens, one-ply CFRP jacketing is improved 41% of the lateral load-bearing capacity of the sub-standard reference column. The one-ply CFRP jacketing provided 4.5 times the total energy dissipation capacity for the sub-standard reference column in the second group specimens. The two plies of CFRP jacketing in the third group specimens were improved 21% of the lateral load-bearing capacity of the sub-standard reference column which is subjected to 30% of axial load-bearing capacity. Also, cumulative energy dissipation capacity was enhanced 3 times for the same sub-standard reference column. CFRP jacketing dramatically enhanced the seismic performance of all sub-standard specimens in terms of ductility. For the first group specimens, displacement ductility of sub-standard columns increased more than two and four times for one and two plies CFRP sheets, respectively. The displacement ductility of code-conforming column exhibited an improved behavior compared to the sub-standard reference specimen. For the second group specimens, displacement ductility was improved 136% with one ply CFRP jacketing. Also, the code-conforming column's ductility was increased 159% compared to the sub-standard column. For the third group specimens, displacement ductility was increased for one ply CFRP jacketing with respect to the sub-standard reference column. Displacement ductility was improved as three times compared to the sub-standard column by using two plies of CFRP sheets. The sub-standard column which has the lower axial load ratio, RSP2-N30, have higher ductility demand with respect to the RSP2-N75 and RCP2-N40 reference specimens. In addition to that, the code-conforming column has 76% higher ductility demand with respect to the RSP2-N75.
Benzer Tezler
- 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
2022
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
- Türkiye'deki mevcut betonarme binaların depremlerde hasargörebilirliğinin istatistiksel kestirimi
Statistical evaluation of the fragility of existing RC buildings in turkey under seismic loads
ÜLGEN MERT TUĞSAL
Doktora
Türkçe
2016
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BEYZA TAŞKIN AKGÜL
- Energy based seismic performance assessment of reinforced concrete columns
Betonarme kolon elemanlarının enerji esaslı bir yöntemle sismik performans değerlendirmesi
BORA ACUN
Doktora
İngilizce
2010
Deprem MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Bölümü
DOÇ. DR. MURAT ALTUĞ ERBERİK
PROF. DR. HALUK SUCUOĞLU
- Adaptive metasurface designs for thermal camouflage, radiative cooling, and photodetector applications
Termal kamuflaj, ısınımlı soğutma ve fotodedektör uygulamaları için uyarlanabilir metayüzey tasarımları
EBRU BUHARA
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY