Geri Dön

Betonarme kolonların darbe etkisi altında performansının ve artık kapasitenin belirlenmesi

Determination of the performance and residual capacity of reinforced concrete columns under impact effect

PDF İndir

  1. Tez No: 859614
  2. Yazar: ABDULLAH CENGİZ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. METİN AYDOĞAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 181

Özet

Betonarme yapılar işlevine göre değişen kullanım ömürleri boyunca üzerine gelebilecek yükler düşünülerek, mevcut yönetmelikler göz önüne alınarak tasarlanırlar. Yapıya sürekli olarak etki eden zati yükler ve hareketli yüklerden başka rüzgar yükleri, deprem yükleri gibi dinamik etkiler de tasarımda göz önüne alınan yükler arasındadır. Taşıyıcı sistemlerin tasarımında göz önüne alınan bu yükler dışında, konumu veya kullanım fonksiyonu farklı olan yapıların bilinenden farklı risklere maruz kalması da olasıdır. Köprüler, viyadükler, otoparklar veya yol güzergahında bulunan yapılar sıklıkla araç çarpmalarına maruz kalabilmektedir. Yapılan az sayıda çalışmaya rağmen betonarme kolonların darbe etkisi altındaki davranışı tam olarak ortaya konulamamıştır. Bu tez çalışması kapsamında eksenel yüklü betonarme kolonların farklı enerji düzeylerinde uygulanan darbe etkisi altındaki davranışı incelenerek darbe etkisi sonrası artık taşıma kapasiteleri belirlenmiştir. Farklı eksenel yük düzeyleri altında farklı darbe enerjisine maruz kalan numunelerin davranışının belirlenmesi amacıyla sayısal modeller oluşturularak analiz edilmiştir. Bu tez çalışması kapsamında yapılan araştırma tam ölçekli, eksenel yüklü betonarme kolonların darbe etkisi altındaki artık taşıma kapasitelerinin deneysel olarak incelendiği ilk araştırmadır. Tez çalışmasının ilk bölümünde çalışmanın konusu ve kapsamı açıklanmıştır. İkinci bölümde, darbe etkisi altında betonarme yapı elemanlarının davranışının deneysel ve sayısal olarak araştırıldığı çalışmalar sunulmuştur. Literatürde bulunan çalışmaların birçoğunun ölçekli numuneler üzerinde yapıldığı, eksenel yük etkisinin çoğunlukla ihmal edildiği saptanmıştır. Bununla birlikte darbenin etkitildiği kolon bölgesindeki farklılıkların davranışı değiştirdiği görülmüştür. Darbe sonrası artık kapasitelerin deneysel olarak incelendiği az sayıda çalışmanın ölçekli numuneler üzerinde gerçekleştirilmiş olduğu, bu çalışmalarda darbe uygulanan bölgenin kolon üst veya orta bölgesinden gerçekleştirildiği tespit edilmiştir. Çalışmanın bir sonraki kısmında deney programı açıklanmıştır. Çalışma kapsamında 30x30x320 cm boyutunda ve geleneksel betonarme kolonları temsil edecek donatı konfigürasyonunda numuneler üretilmiştir. Donatılara gerinim ölçerler yerleştirilerek birim şekildeğiştirme ölçümlerinin yapılması sağlanmıştır. Deneysel çalışma, iki çelik reaksiyon duvarı arasına yerleştirilen statik ve dinamik yükleme sistemleri yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Kolonlar reaksiyon duvarları arasında bulunan biri kayıcı, diğeri sabit mesnetler üzerine yatay olarak yerleştirilmiştir. Bu mesnetler üzerinde bulunan yük ölçerler yardımıyla mesnet tepkileri ölçülmüştür. Batı reaksiyon duvarından hidrolik kriko yardımıyla 270 kN sabit eksenel yük uygulanmış ve bu kriko ucuna yük kontrolünün sağlanması amacıyla yük ölçer yerleştirilmiştir. Kolon alt bölgesine 50 cm ara ile yerleştirilen potansiyometrelerden yerdeğiştirme ölçümleri yapılmıştır. Darbe yükü, içinde kılavuz rayları bulunan çelik kule içinden darbe ağırlığının serbest düşürülmesiyle oluşturulmuştur. Statik yükleme ise yine darbe uygulanan bölgeye kurulan yükleme sisteminde hidrolik kriko yardımıyla yapılmıştır. Bu kriko ucuna da yük ölçümünün yapılması amacıyla yük ölçer yerleştirilmiştir. Tüm ölçümler dinamik ve statik veri toplama sistemleri ve yazılımları aracılığıyla yapılmıştır. Deneyler esnasında eksenel yük ölçümleri, mesnet tepkileri, yerdeğiştirmeler ve donatılarda oluşan birim şekildeğiştirmeler ölçülerek çatlak şekilleri ve hasar durumları incelenmiştir. İlk olarak referans numune üzerinde statik yükleme deneyi yapılmıştır. Statik yükleme, darbe uygulanan bölge ile aynı noktadan gerçekleştirilmiştir. Deney sonucunda numunenin 176.9 kN yük taşıma kapasitesinde olduğu görülmüştür. Bu deneyde numune 81 mm yerdeğiştirmeye ulaştıktan sonra betonda ezilmelerin başlamasıyla yükleme sonlandırılmış ve 71 mm kalıcı yerdeğiştirmeye ulaşıldığı saptanmıştır. Deney esnasında gerinim ölçerlerden alınan birim şekildeğiştirme değerlerinden numunenin eğilme baskın davranış gösterdiği anlaşılmıştır. İkinci olarak, referans numune ile eşdeğer numuneler üzerinde darbe deneyleri yapılmıştır. Bu deneylerde darbe etkisi, farklı darbe enerjisine karşılık gelecek şekilde, 585 kg ağırlığındaki cismin 2.0, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0 metre yüksekliklerden serbest düşürülmesiyle oluşturulmuştur. Başlangıçta sabit 270 kN olarak uygulanan eksenel yükün darbe esnasında kısa süre içinde çok yüksek değerlere ulaştığı görülmüştür. Eksenel yük düzeyi, deney sonucunda, hasar düzeyi yüksek numunelerde başlangıç düzeyinin altına gerilerken az hasarlı numunelerde başlangıçtaki değere yakın değerler almıştır. Darbenin uygulandığı bölgenin mesnet tepkileri üzerinde önemli rol oynadığı görülmüştür. Darbe uygulanan bölgeye yakın konumda bulunan mesnette diğer mesnetten daha büyük değerlere ulaşılmıştır. Bununla birlikte toplam mesnet tepkileri, uygulanan darbe enerjileri birbirinden farklı olsa da, neredeyse tüm numunelerde benzer değerlerde seyretmiştir. Darbe enerjisinin artmasıyla birlikte numuneler ağır hasar alana kadar yerdeğiştirmelerin arttığı görülmüştür. Uygulanan darbe enerjisi görece yüksek olan numunelerde, davranış kesme baskın davranışa doğru dönüşürken, yerdeğiştirmeler de yaklaşık olarak aynı seviyede ölçülmüştür. Düşük darbe enerjisi uygulanan numunelerde eğilme hasarları görülürken darbe enerjisi arttıkça kesme çatlakları artmış, nihai olarak en yüksek darbe enerjisine ulaşıldığında numune kesme göçmesiyle hasar almıştır. Uygulanan darbe enerjisinin artmasıyla birlikte boyuna donatılar ve etriyeler akmaya erişmiş, boyuna donatılarda burkulmalar gözlenmiştir. Deneysel çalışmanın son aşamasında darbe hasarlı numuneler üzerinde artık kapasitelerin belirlenmesi amacıyla statik yükleme deneyleri yapılmıştır. Bu deneyler sonucunda, uygulanan darbe enerjisinin artmasıyla birlikte yük taşıma kapasiteleri önemli ölçüde azalmıştır. 22.96 kJ darbe enerjisi uygulanan numunede yük taşıma kapasitesi referans numunenin yük taşıma kapasitesinin yaklaşık olarak yarısı değerine kadar azalmıştır. Numunelerin rijitlikleri de darbe etkisiyle birlikte azalmıştır. Referans numunenin sekant rijitliği 15.5 Gpa olmasına karşın bu değer 22.96 kJ darbe enerjisine maruz kalan kolon için 5.9 Gpa değerine kadar azalmıştır. Başlangıçta 81 mm maksimum yerdeğiştirme kapasitesi bulunan referans numunede yerdeğiştirme kapasitesi 37.8 mm'ye kadar düşmüştür. Yük taşıma kapasitesi ve yerdeğiştirme kapasitesi büyük ölçüde azalan darbe hasarlı numunelerin enerji yutma kapasiteleri de benzer şekilde azalmıştır. Darbe enerjisindeki artışla birlikte dinamik enerji yutma kapasitesi %56'dan %76'ya yükselirken, statik enerji yutma kapasitesindeki kayıp %53'ten %82'ye yükselmiştir. Tez çalışmasında yer alan sayısal analiz bölümünde, deneysel olarak incelenen numunelerle aynı özelliklere sahip numunelerin farklı eksenel yük düzeyleri altındaki davranışı incelenmiştir. Bu bölümde eksenel yüksüz durumla birlikte %10, %20, %30, %40 ve %50 oranında eksenel yük düzeylerindeki kolonların farklı darbe enerjileri altındaki davranışı incelenmiştir. Kurulan sonlu eleman modelleriyle deneysel analiz sonuçlarının kabul edilebilir seviyede benzeştiği ortaya konmuştur. Özellikle mesnet tepkileri, hasar şekilleri ve donatı birim şekildeğiştirmelerinde sonlu eleman modellerinin deneysel sonuçlarla örtüştüğü görülmüştür. Sayısal analizlerde darbe enerjisindeki ve eksenel yük düzeyindeki artışın mesnet reaksiyonları üzerinde kayda değer bir etkisinin olmadığı görülmüştür. Bununla birlikte aynı eksenel yük düzeyindeki numunelere uygulanan darbe enerjisi arttıkça yerdeğiştirmelerin de arttığı görülmüştür. Uygulanan darbe enerjisinin eşit olduğu numunelerde eksenel yük düzeyi arttıkça, betonarme kolon üzerindeki gerilmelerin ve yerdeğiştirmelerin azaldığı saptanmıştır. Ancak belirli bir eksenel yük düzeyinden sonra, artan yerdeğiştirmelerle birlikte, boyuna donatıların burkulması sonrasında numunelerin göçme bölgesine geçtiği görülmüştür. Bu nedenle gerilmeler ve yerdeğiştirmeler küçük olsa da eksenel yük düzeyi küçük olan numunede hasar oranı düşükken eksenel yük oranı yüksek olan numunenin göçme durumuna geçebildiği saptanmıştır.

Özet (Çeviri)

Reinforced concrete structures are designed considering the loads that may occur during their lifetime and taking into account current regulations. In addition to dead loads and live loads that affect the structure, dynamic effects such as wind loads and earthquake loads are also among the loads taken into account in the design. Apart from these loads taken into consideration in the design of the structural systems, it is also possible that structures with different locations or usage functions may be exposed to different risks than known. Bridges, viaducts, parking lots or structures located on the road route may frequently be subject to vehicle collisions. Despite a small number of studies, the behavior of reinforced concrete columns under impact has not been fully revealed. Within the scope of this thesis, the behavior of axially loaded full scale reinforced concrete columns was examined under impact applied at different energy levels and their post-impact residual capacities was determined. Numerical models were created and analyzed to determine the behavior of specimens exposed to different impact energy under different axial load levels. The research conducted within the scope of this thesis is the first experimental research in which the post-impact residual capacity of full-scale, axially loaded reinforced concrete columns under impact. In the first chapter of the thesis, the subject and scope of the study are explained. In the second chapter, studies in which the behavior of reinforced concrete structural elements under impact are investigated experimentally and numerically are presented. It has been determined that most of the studies in the literature were conducted on scaled specimens and the axial load effect was mostly neglected. In addition, it has been observed that differences on location of impacted area is change the behavior. It has been determined that a few studies examining post-impact residual capacities experimentally have been carried out on scaled specimens. Also these studies, the impact area was upper or middle region of the column. In the next part of the study, the experimental program is explained. Within the scope of the study, specimens were prepared with a size of 30x30x320 cm and a reinforcement configuration that would represent conventional reinforced concrete columns. Strain gauges were placed on the reinforcement and strains were measured. The experimental study was carried out with the help of static and dynamic loading systems placed between two steel reaction walls. The columns are placed horizontally on two supports, one on roller supports and the other on fixed supports, located between the reaction walls. Support reactions were measured with the help of loadcells on these supports. A constant axial load of 270 kN was applied from the western reaction wall with the help of a hydraulic jack, and a loadcell was placed at the end of this jack to ensure load control. Displacement measurements were made from potentiometers placed at 50 cm intervals at the bottom of the column. The impact load is created by freely dropping the impactor through a steel tower with guide rails inside. Static loading was applied with the help of a hydraulic jack installed in the area where the impact was applied. A loadcell is placed at the end of this jack to measure the load. All measurements were made with dynamic and static data acquisition systems and softwares. During the experiments, loads, support reactions, displacements and rebar strains were measured. Crack maps and failure modes were examined. Firstly, a static loading test was performed on the reference specimen. As a result of the experiment, it was seen that the specimen had a load carrying capacity of 176.9 kN. In this test, after the specimen reached a displacement of 81 mm, the loading was terminated with the beginning of crushing in the concrete and it was determined that a residual displacement was 71 mm. It was understood from the strain values taken from the strain gauges that the specimen have a flexure dominant behavior. Secondly, impact tests were carried out on equivalent specimens to the reference specimen. In these experiments, the impact effect was created by free dropping a 585 kg impactor from heights of 2.0, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0 meters, corresponding to different impact energy. It was observed that the axial load, initially applied as a constant 270 kN, reached very high values in a short time during the impact. As a result of the experiment, the axial load level decreased below the initial level in the specimens with high damage levels, while it reached values close to the initial value in the specimens with less damage. It has been observed that the region where the impact is applied plays an important role on the support reactions. Greater values were reached at the support located close to the impact area than at the other. However, the total support responses remained at similar values in almost all specimens, even though the applied impact energies were different. It was observed that as the impact energy increased, the displacements increased until the specimens were severely damaged. In specimens with relatively high applied impact energy, the behavior changed towards shear-dominated behavior, while the displacements were measured at approximately the same level. While flexural damages were observed in the specimens to which low impact energy was applied, shear cracks increased as the impact energy increased. When the highest impact energy was reached, the specimens was damaged by shear failure. With the increase in the applied impact energy, the longitudinal reinforcements and stirrups reached yielding. Also buckling was observed in the longitudinal reinforcements. In the final stage of the experimental study, static loading tests were carried out on impact damaged specimens to determine the residual capacities. As a result of these experiments, the load carrying capacities decreased significantly with the increase of the applied impact energy. In the specimen to which 22.96 kJ impact energy was applied, the load carrying capacity decreased to approximately half of the load carrying capacity of the reference specimen. The stiffness of the specimens also decreased with the impact effect. Although the secant stiffness of the reference sample was 15.5 Gpa, this value decreased to 5.9 Gpa for the column exposed to 22.96 kJ impact energy. In the reference specimen, which initially had a maximum displacement capacity of 81 mm, the displacement capacity decreased to 37.8 mm. The energy absorption capacity of impact damaged specimens, whose load carrying capacity and displacement capacity decreased significantly, also decreased similarly. With the increase in impact energy, the dynamic energy absorption capacity increased from 56% to 76%, while the loss in static energy absorption capacity increased from 53% to 82%. In the numerical analysis section of the thesis study, impact behavior of specimens under different axial load levels was examined. In this section, the behavior of columns under different impact energies at 0%, 10%, 20%, 30%, 40% and 50% axial load levels are examined. It has been observed that the developed finite element model results and experimental analysis results are similar at an acceptable level. It has been revealed that the finite element models are a good agreement with the experimental results, especially in support reactions, damage patterns and rebar strains. Numerical analyzes showed that the increase in impact energy and axial load level did not have a significant effect on the support reactions. However, at the same axial load level, it has been observed that as the impact energy increases, the displacements also increase. It has been determined that, at the same impact energy level, as the axial load level increases, the stresses and displacements on the reinforced concrete column decrease. However, it was observed that the specimens collapse after the longitudinal reinforcements buckled with increasing displacements after a certain axial load level. For this reason, although the stresses and displacements are small, specimens with a high axial load level can collapse.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    852959

    Progressive collapse response of reinforced concrete high-rise buildings designed according to turkish earthquake code

    Türk deprem yönetmeliğine göre yapılan betonarme yüksek binaların ilerlemeli çökmeye tepkisi

    MUNYARADZI GONDOBWE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    İnşaat MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYDIN DEMİR

  2. Tez No

    76382

    Betonarme kolonların (kare ve fretli) eksenel yük altında fretli manto ile onarımı ve güçlendirilmesi

    Başlık çevirisi yok

    FERİDUN ÜNSAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    İnşaat MühendisliğiGazi Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSNÜ CAN

  3. Tez No

    776517

    Betonarme kolonların eksenel yük ve burulma etkisi altındaki davranışının deneysel olarak incelenmesi

    Experimental investigation of the behavior of reinforced concrete columns under axial load and torsion

    ABDULKADİR SOLAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    İnşaat MühendisliğiKonya Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET KAMANLI

  4. Tez No

    353672

    Seismic retrofit of RC columns with sprayed basalt mesh reinforced grc: Effects of stirrup spacing

    Betonarme kolonların bazalt hasır donatılı püskürtme GRC ile depreme karşı güçlnedirilmesi: Etriye aralığının etkisi

    AMİN NASRINPOUR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPER İLKİ

  5. Tez No

    496630

    Betonarme kolonların çarpma davranışının deneysel olarak incelenmesi

    Experimental investigation of impact behavior of reinforced concrete columns

    TOLGA YILMAZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    İnşaat MühendisliğiEskişehir Osmangazi Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NEVZAT KIRAÇ

Geri Dön