Experimental and numerical investigation of diagonally reinforced coupling beams in terms of behavior, performance, and strengthening techniques
Diyagonal donatılı betonarme bağ kirişlerinin davranış, performans ve güçlendirme teknikleri bakımından deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
- Tez No: 858278
- Danışmanlar: PROF. DR. İHSAN ENGİN BAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Deprem Mühendisliği, Earthquake Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 257
Özet
Betonarme yapıların deprem ve rüzgar gibi yanal yüklere karşı tasarımında betonarme perde duvarlar taşıyıcı eleman olarak sıkça kullanılır. Bu duvarlar sistemin rijitliğini artırır ve yatay yük altında katarası göreli ötelenmeyi azaltır. Yük transferi perde duvarlar arasında bağ kirişleri ve döşeme elemanları aracılığıyla gerçekleştirilir. Perde duvarların bağ kirişlerine göre daha yüksek eğilme rijitliği nedeniyle, yatay yük altında bağ kirişlerinin yer değiştirmesi ve dayanımı son derece önemlidir. Bağ kirişlerinin çevrimsel yükler altında önemli ölçüde enerji sönümlemesine izin veren sünek bir tasarım sağlamak önemlidir. Bununla birlikte, devam eden araştırmalar, bağ kirişlerinin yatay yük altında tasarım yüklerini perde duvarlara iletebilecek kadar rijit olmasını ve sistemin yer değiştirmesi sırasında dayanımında önemli bir kayıp olmaksızın yer değiştirebilecek kadar esnek olmasını hedeflemektedir. Kapasite tasarım prensibine göre depremlerde hasarın bağ kirişlerinde meydana geleceği ve yoğunlaşacağı öngörülmektedir. Performans temelli bir tasarım ve değerlendirme yaklaşımıyla, meydana gelen deformasyonlar ve elemanın nihai dönme değerleri incelenerek bağ kirişlerindeki hasar seviyesi belirlenebilir. Ancak bir tasarımın yönetmeliklerde tanımlananlardan sapması durumunda veya yeni uygulamaların devreye alınması durumunda uygunluk değerlendirmesi yapmak için deneysel yöntemler gereklidir. Bu çalışma, daha önce herhangi bir yönetmelikte belirtilmemiş olan üç farklı tip betonarme bağ kirişini tanıtmaktadır. Bunun sebebi, etriye oranı azaltılmış diyagonal donatılı bağ kirişlerinin yanal yükler altındaki davranışını deneysel olarak gösteren az sayıda çalışma yapılmış olması ve bu nedenle bu elemanların tasarımında bir miktar güvenli tarafta kalınması zorunluluğudur. Burada sunulan üç tip deneyden ikisi, sadece kademeli olarak etriye aralığı azaltılacak şekilde, enine donatı kullanımını zorunlu kılan son Türk Deprem Yönetmeliği'ne (TDY, 2019) göre tasarlanmıştır. Üçüncüsü, tüm kesitin belirli bir bölgede kısmen sınırlandırıldığı bina yönetmeliklerinde etriye detayı açısından benzersiz olan bir özelliktedir. Üç adet yarı ölçekli bağ kirişi numunesi üretilmiştir ve yerdeğiştirme kontrollü çevrimsel yüke tabi tutulmuştur. Hem Eurocode 8'e hem de ACI 318M-19'a göre, çapraz donatılı bağ kirişlerinde boyuna donatılar, yeterli ankraj uzunluğu ile perde duvara uzatılmamalıdır. Ancak Türkiye'de günümüzde yürürlükte olan deprem yönetmeliğine göre tasarlanan kirişlerde boyuna donatılar perde duvara ankraj yapılmak zorundadır. Bu nedenle, her numunedeki uzunlamasına donatılar duvar içlerine ankraj boyunu sağlayacak kadar sokulmuştur. Ankrajlı boyuna donatılar ve farklı etriye detaylarının eğilme davranışı, hasar dağılımı ve kesme kapasitesi üzerindeki etkilerini belirlemek için deneysel ve sayısal incelemeler yapılmıştır. Deneysel ve sayısal sonuçlar aşağıdaki sonuçları ortaya koymuştur: 1. Diyagonal donatılı bağ kirişlerinin tam sargılı olduğu durumlarda, kesitteki enine donatının %30 azaltılmasıyla yapılan numune (UCB), %5 eksen dönme kapasitesine ulaştığı tespit edilmiştir. Tüm kesitte etriye miktarının azaltılmasının (RCR numunesi) sünekliğin azalmasına neden olduğu gözlemlenmiştir. 2. Ankrajlı boyuna donatı, kiriş uç bölgelerinde çapraz donatı demetlerinde daha erken akma meydana gelmesine yol açarak elemanın dönme kapasitesinin azalmasına neden olmuştur. Sonuç olarak, aksini ispat eden daha fazla deneysel kanıt sunulana kadar boyuna ankrajlı donatılar için %5'in üzerinde eksen dönmesi kapasitelerinin dikkate alınmaması önerilir. Ayrıca, boyuna donatı ile ilgili koşulların yeniden gözden geçirilmesi ve TEC 2019'da güncellenmesi önerilmektedir. Boyuna donatılar bağ kirişinin çalışma davranışının doğal bir sonucu olarak burkulma yönünden hassastır. Boyuna donatıların duvarların içine ankraj edilmesi durumunda kiriş uç bölgelerinde kabuk betonu dökülmesi ile boyuna donatılarda hasar oluşmaktadır. Boyuna donatıdaki hasar ise ana diyagonal donatıların etrafındaki betonundaki dağılmayı hızlandırmakta ve bu durum kirişin sünekliğini dolayısı ile enerji sönümleme kapasitesini azaltmaktadır. 3. Çapraz donatılı bağ kirişlerinin eksenel uzaması, aralarına inşa edildikleri yapısal duvarların yüksek yanal rijitliği nedeniyle kısıtlıdır. Bu kısıtlama, sınırlı deplasman nedeniyle alt katlarda daha belirgindir. Bu nedenle bu çalışmada, çapraz donatılı bağ kirişlerinin eksenel uzaması sınırlandırılmış ve test edilmiştir. Çatlak ve sınır koşullarından kaynaklanan, doğal olarak kirişte gelişen eksenel yükün, yanal yükün bir bileşeni olmadığı, kiriş içinde gelişen bir eksenel yük olduğu gözlemlenmiştir. Bağ kirişinin eksenel uzama davranışı bilinen bir karakteristik özelliğidir. Ancak, bağ kirişinin perdelerin ve üzerindeki döşemelerin rijitliği ile uzama doğrultusunda ciddi düzeyde tutulu olması durumunda gelişen eksenel kuvvet düzeyi ve yapı davranışına etkisi güncel ve önemli bir araştırma konusu olmaya devam etmektedir. Yüksek katlı binaların özellikle alt katlarındaki perdeler arasında yer alan bağ kirişlerinin eksenel uzama yönünden daha yüksek tutululağa sahip olması ile gelişecek bağ kirişlerindeki eksenel kuvvetler toplanarak perde elamanlara kesme kuvveti olarak aktarılmaktadır. Tasarım mühendislerinin öngörmedikleri önemli düzeyde bir iç kuvvet oluşması burada söz konusu olabilir. Bu sebeple, bağ kirişlerinin uzamasına karşı direnç gösteren perdeler arasında bulunması durumu hem deneysel hem de sayısal olarak daha fazla ve farklı özelliklerdeki örnekler ile incelenmeli ve yapı tasarımında öngörülmeyen kuvvetlerin oluşmaması için özel çaba gösterilmelidir. 4. VecTor2 yazılımının, bağ kirişlerindeki başlangıç rijitliğini ve doğrusal olmayan aralıktaki bazı nihai dönme değerlerini yakalamak için daha fazla geliştirmeye ihtiyaç duymasına rağmen, beton ve donatıdaki gerilme ve birim şekildeğiştirme dağılımlarını anlamak ve çatlak dağılımını tahmin etmek için kullanışlı bir araç olduğu kanıtlanmıştır. Yapı mühendisliği tasarım pratiğinde kullanılan makro model yazılımlarına kıyasla modelleme ve analiz süresi olarak daha zahmetli ve daha uzun zaman gerektiren bir sürece sahip olsa da özellikle deneysel çalışmalar öncesi ya da yeni denenen bir tasarım detayı söz konusu olduğunda betonarme eleman davranışını öngörmek için kullanılabileceği anlaşılmaktadır. 5. Bu çalışmada, bağ kirişlerinin davranışı üzerindeki etkisini değerlendirmek için Cam Elyaf Takviyeli Polimer (GFRP) ile güçlendirme çalışması yapılmıştır. GFRP ile güçlendirmenin, bağ kirişlerinin davranışını geliştirmede olumlu sonuçlar gösterdiği ve deprem bölgesinde bulunan bu elemanların güçlendirilmesi için etkili bir yöntem sağladığı gösterilmiştir. Artçı depremlere karşı hasar görmüş numuneleri hızla güçlendirmek için kullanılan güçlendirme tekniğinin uygulanabilir olduğu bulunmuştur. Numunelerin büyük ölçüde dönme kapasitelerini ve kesme dayanımlarını koruyarak güçlü bir deprem enerjisi sönümleme kapasitesine ulaştığı gösterilmiştir. Bu bulgular, hasar görmüş bağ kirişlerinin davranışı ve güçlendirme potansiyeli hakkında önemli bir yaklaşım sunarak yüksek binalarda deprem sonrası güçlendirme stratejileri için yol göstermektedir. Aynı zamanda, GFRP güçlendirmesinin etkili bir güçlendirme tekniği olarak potansiyelini vurgulanmaktadır.
Özet (Çeviri)
In the design of earthquake and wind-resistant reinforced concrete structures, structural walls are frequently employed as load-bearing elements. These walls enhance the system's rigidity and reduce relative inter-story drift under horizontal loading. Load transfer between structural walls is facilitated through coupling beams and slab elements. Due to the higher flexural stiffness of structural walls compared to coupling beams, the displacement and strength of coupling beams under lateral loading are of paramount importance. Ensuring the ductile design of coupling beams allows for substantial energy dissipation under cyclic loads. However, ongoing research focuses on designing coupling beams that are both rigid enough to transfer design loads to structural walls under horizontal loads and capable of displacing without significant loss of strength under displacements in the system. According to the capacity design principle, it is anticipated that damage will occur in the coupling beams instead of RC walls. With a performance-based design and evaluation approach, it is possible to determine the level of damage in coupling beams by examining deformations in the material and the ultimate rotation values in the element. However, for examining cases deviating from the code, or in situations where the design deviates from what is defined in codes or when new applications are introduced, experimental methods are necessary to evaluate compliance. This study introduces three different types of reinforced concrete coupling beams not previously specified in any code. Two of them were initially designed according to the recent Turkish Earthquake Building Code (TEC, 2019), which mandates the use of diagonal reinforcement without confinement, only gradually decreasing the spacing between stirrups. The third is a type that is unique in terms of stirrup detail in the building codes where the entire section is partially confined in a specific zone. Three half-scale coupling beam specimens were constructed and subjected to cyclic loading. According to both Eurocode 8 and ACI 318M-19, longitudinal bars in coupling beams with diagonal reinforcement should not be extended to the structural wall with adequate anchorage length. However, in beams designed according to the TEC, longitudinal bars should be anchored to the wall. Accordingly, in each specimen, longitudinal bars were produced to be anchored to the walls. Experimental and numerical investigations were conducted to determine the effects of anchored longitudinal bars and different stirrup details on flexural behavior, damage distribution, and shear capacity. The experimental and numerical results revealed the following: 1. In cases where the entire section is confined in coupling beams with diagonal reinforcement, the specimen (UCB) with a 30% reduction in transverse reinforcement in the section was found to achieve a rotation capacity of 5%. It was observed that reducing the stirrup quantity for the entire section (RCR specimen) led to a decrease in ductility. 2. Longitudinal reinforcement embedded (i.e. anchored) into the RC walls was found to cause earlier yielding in the diagonal reinforcement bundles in the beam end regions, leading to a decrease in the rotation capacity of the coupling beams. Consequently, it is recommended not to consider rotation capacities above 5% for beams with longitudinally embedded reinforcement until more experimental evidence is available to prove the opposite. Also, it is recommended that the conditions related to longitudinal reinforcement be reconsidered and updated in TEC 2019. 3. The axial elongation of diagonal-reinforced coupling beams is constrained due to the high lateral rigidity of the structural walls between which they are built. This constraint is more significant in the lower floors due to limited differential lateral displacement between the walls. Therefore, the axial elongation of diagonal-reinforced coupling beams was limited and tested. It was observed that the axial load on the beam, which naturally develops due to crack and boundary conditions, is not a component of the lateral load, but an axial load developed within the beam itself. 4. The VecTor2 software, despite needing further development to capture initial stiffness and some ultimate rotation values in the nonlinear range, proved to be a valuable tool for understanding stress and strain distributions in concrete and reinforcement and estimating crack distribution. 5. A Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP) wrapping study was conducted to assess its impact on the behavior of coupling beams. The GFRP wrapping demonstrated promising results in enhancing the performance of coupling beams, providing an effective method for strengthening these elements in seismic-prone regions. The retrofitting technique used to quickly strengthen damaged specimens against aftershocks was found to be efficient. It was demonstrated that the specimens could largely retain their rotation capacities and shear strengths while achieving a robust seismic energy dissipation capacity. These findings offer significant insights into the behavior and strengthening potential of damaged coupling beams, providing valuable guidance for seismic retrofitting strategies in high-rise buildings, as well as highlighting the potential of GFRP wrapping as a viable strengthening technique.
Benzer Tezler
- Betonarme yüksek kirişlerde kesme çatlağının artık yük taşıma kapasitesine etkisinin incelenmesi
Investigation of effect of shear cracks on residual load carrying capacity of reinforced concrete deep beams
AYDIN DEMİR
Doktora
Türkçe
2018
İnşaat MühendisliğiSakarya Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NACİ ÇAĞLAR
- Birden fazla boşluklu çift doğrultulu betonarme döşemelerin zımbalama davranışının deneysel olarak incelenmesi
Experimental analytical and numerical investigation of punching behaviour of two way RC slab with multiple openings
SERCAN TUNA AKKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
İnşaat MühendisliğiGazi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜR ANIL
- The effects of partition walls on dynamic behavior of RC buildings
Bölme duvarların betonarme binaların dinamik davranışı üzerindeki etkileri
ERDEM KOÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
İnşaat MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERDAR SOYÖZ
DOÇ. DR. FUAT ARAS
- Tekrarlı yükler etkisindeki bölme duvarların çimento esaslı tekstil kompozitlerle iyileştirme yöntemlerinin geliştirilmesi
Improving retrofitting methods for partition walls under lateral cyclic loading using cement based textile composites
DİDEM DÖNMEZ
Doktora
Türkçe
2021
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA GENÇOĞLU