Geri Dön

Investigation of in-plane and out-of-plane seismic behavior of aac infill walls with innovative bed-joint reinforcement configurations

Yenilikçi derz donatıları ile imal edilen gazbeton bölme duvarların düzlem içi ve düzlem dışı doğrultudaki deprem davranışının incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 881098
  2. Yazar: ÖMER FARUK HALICI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ALPER İLKİ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Deprem Mühendisliği, İnşaat Mühendisliği, Earthquake Engineering, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  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: 412

Özet

Betonarme yapılarda alanların bölünmesinde ve yalıtımının sağlanması amacıyla yaygın olarak kullanılan bölme duvarlar, genel olarak gevrek malzemelerden yapılmakta ve kapsamlı güvenlik kontrolleri yapılmadan yapısal tasarımda yük olarak dikkate alınmaktadır. Son zamanlarda meydana gelen depremler (örneğin, 2009 L'Aquila, 2011 Van, 2020 İzmir ve 2023 Kahramanmaraş), bölme duvarların deprem etkileri altında ciddi hasarlara maruz kalabileceğini ve önemli yaralanmalara ve can kayıplarına neden olabileceğini göstermiştir. Buna ek olarak, bölme duvarların hasar görmesi ve yıkılması binadaki diğer yapısal olmayan elemanlarda ve ekipmanlarda (örneğin hastanelerde, laboratuvarlarda ve ofislerde) ciddi hasarlara neden olabilmektedir. Bu durum yıkıcı depremlerden sonra yoğun olarak ihtiyaç duyulan kritik tesislerin kullanılabilirliğini kısıtlamakta olup afet sonrasında yaraların sarılması ve günlük hayata geri dönüş için gereken süreyi arttırmaktadır. Binalarda yapısal olmayan elemanların maliyetinin toplam bina maliyetinin çoğunluğunu kapsadığı göz önüne alındığında, bölme duvarların deprem etkileri altındaki güvenliğinin değerlendirilmesi ve performanslarının arttırılması, depremler sonrasındaki ekonomik yükün azaltılmasına önemli bir katkı sağlayacaktır. Depremler sırasında bölme duvarlar hem düzlem içi hem de düzlem dışı etkilere maruz kalmaktadır. Deprem etkileri nedeniyle bölme duvarlarda meydana gelen düzlem içi hasarlar, duvarlarının düzlem dışı kapasitesini azaltmakta ve duvarların düzlem dışı doğrultuda beklenenden önce devrilmesine sebebiyet vermektedir. Deprem yönetmelikleri, bölme duvarların düzlem içi ve düzlem dışı doğrultulardaki davranışı için ayrı ayrı kontroller tanımlamış olsa da düzlem içi hasarların düzlem dışı doğrultudaki etkilerini içeren kontroller içermemektedir. Bölme duvarların deprem etkileri altındaki performanslarının artırılması deprem dirençli yapıların ve şehirlerin elde edilmesi açışından büyük önem arz etmektedir. Duvar yüzeylerinde lif takviyeli polimer uygulamaları ve duvarlar ile taşıyıcı sistem elemanları arasında esnek bağlantı elemanlarının kullanılması da dahil olmak üzere deprem etkileri altında bölme duvarların performansını artırmak için çeşitli yöntemler mevcuttur. Bölme duvarların düzlem dışı doğrultuda performansının artırılması için pratik ve etkili bir çözüm yollarından biri de derz donatılarının kullanılmasıdır. Bu yöntem ilk olarak 20. yüzyılın son çeyreğinde duvar panelleri için araştırılmış olmakla birlikte günümüzde halen bilimsel araştırma projelerinin konusu olmaya devam etmektedir. Derz donatıları duvarların imalat aşamasında uygulanmakta olup, bir sıra duvarın örülmesinden sonra derzin üzerinde donatının yerleştirilmesi ve duvar imalatına devam edilmesi ile inşa edilmektedir. Kullanılan derz donatı alanı ve düşeydeki aralık, duvarın tasarım gereksinimlerine göre belirlenebilmektedir. Bu tezde, özellikle dolgu duvarlarda yeni tip derz donatı sistemlerinin kullanılmasıyla duvar performansında elde edilen iyileştirmelerinin yapı mühendisliği bakış açısıyla değerlendirilmesine odaklanılmıştır. Bu doktora tezi kapsamında yapılan çalışmalar, bölme duvarlarda hem geleneksel hem de yeni tip derz donatı sistemlerinin kullanılmasıyla dayanım, başlangıç rijitliği ve enerji sönümleme kapasitesi parametrelerinde elde edilen performans iyileştirmelerini araştırmayı hedeflemektedir. Buna ek olarak, yapıların depremler sonrasında kullanılabilirliği duvarlarda meydana gelen hasarlara da bağlı olduğu için, tez kapsamında derz donatısı kullanımı ile duvarlarda deprem etkileri neticesinde meydana gelen hasarların azaltılıp azaltılamayacağı da değerlendirilmiştir. Ayrıca, düzlem içi deprem etkileri nedeniyle meydana gelen duvar hasarlarının düzlem dışı davranışa etkisi parametrik olarak incelenmiştir. Deneysel çalışmalar sonrasında tasarım yönetmeliklerince hesaplanan düzlem dışı kapasitelerin, yönetmeliklerce düzlem içi doğrultuda izin verilen yerdeğiştirmeler neticesinde hasar görmüş elemanlarda da konservatif sonuçlar verip vermediği değerlendirilmiştir. Tez kapsamında bu incelemelerin yapılabilmesi için: (i) derz donatılı bölme duvarların düzlem içi ve düzlem dışı davranışında dayanım, hasar gelişimi ve enerji sönümleme kapasitesi açısından iyileşme olup olmadığını değerlendirmek üzere tam ölçekli duvar deneyler yapılmıştır; (ii) test parametreleri sistematik olarak farklı düzlem içi hasar seviyeleri altında düzlem dışı davranışın nasıl etkilendiğini gözlemlemek üzere seçilmiştir; (iii) deneysel olarak elde edilen düzlem dışı duvar dayanımı değerlerinin Eurocode 6'da kullanılan yöntem ile elde edilen kapasitelerle karşılaştırılması yapılmıştır; (iv) deneysel bulguları genelleştirebilmek amacıyla numune davranışının düzlem içi ve düzlem dışı doğrultuda kabul edilebilir bir yaklaşıklıkla temsil edebilecek bir nümerik analiz yaklaşımı geliştirilmiş ve doğrulama çalışmaları yapılmıştır. Bölme duvarlar, çeşitli kalınlıklarda çeşitli duvar kagir birimleri (içi boş kil tuğlalar, dolu kil tuğlalar, içi boş beton bloklar ve gazbeton vb.) kullanılarak inşa edilebilse de, bu tez kapsamında 150 mm kalınlığındaki gazbeton bölme duvarların deprem etkileri altındaki davranışına odaklanılmıştır. Bunun başlıca nedeni, depremler esnasında gazbeton bölme duvarların davranışını inceleyen akademik araştırma sayısının görece sınırlı olması ve gazbeton duvarları inceleyen araştırmalarda görece kalın duvarların incelenmiş olmasıdır. Tez kapsamında çelik kafes tipi ve çelik kord tipi olmak üzere, 2 tip derz donatısının gazbeton bölme duvarların deprem etkileri altındaki davranışına katkıları araştırılmıştır. Tezin ilk bölümünde (Bölüm 1) araştırma problemi ve tezin kapsamı tanıtıldıktan sonra, Bölüm 2'de bir literatür taraması özetlenmiştir. Duvarlarda düzlem içi ve düzlem dışı etkileşimini araştıran deneysel araştırmalar ve derz donatısı ile duvar davranışında elde edilen iyileştirmeleri değerlendiren çalışmalar sunulmuştur. Geçmiş deneysel araştırma sonuçları, duvarların düzlem içi doğrultusundaki deprem etkileri neticesinde düzlem dışı dayanımlarının azaldığını ve devrilme kırılganlıklarının arttığını göstermiştir. Literatürdeki araştırmalarda incelenen duvar geometrilerinin birbirinden farklı olması, düzlem dışı testlerden önce numunelerin farklı düzeylerde düzlem içi hasarlara maruz bırakılması ve duvar kagir birimlerinin birbirinden farklı olması nedeniyle mevcut araştırmalardan kapsamlı ve nicel bir sonuç çıkarmak kolay olmamaktadır. Bununla birlikte, geçmiş deneysel araştırmalar, derz donatısı kullanımının bölme duvarların düzlem dışı performanslarına önemli ölçüde katkıda bulunduğunu göstermiştir. Parametrik olarak düzlem içi ve düzlem dışı etkiler altında görece ince gazbeton bloklar ile imal edilen duvarlarda derz donatılarının düzlem dışı davranışını araştıran çalışmalar açısından literatürde önemli bir boşluk bulunmakta olduğu görülmüştür. Bölüm 3'te, düzlem içi ve düzlem dışı yüklemelerin yapılabildiği tam ölçekli deney düzeneği ve ölçüm düzeneğinin detayları sunulmuştur. Bölme duvarların etrafında taşıyıcı sistem elemanlarını temsil eden tam ölçekli betonarme çerçevelerde kullanılan donatıların detayları ve malzeme deneyi sonuçları gösterilmiştir. Tez kapsamında yapılan deneysel çalışmalarda kullanılan derz donatılarının mekanik özellikleri ve numunelerdeki donatı konfigürasyonları sunulmuştur. Test matrisi 8 adet tam ölçekli bölme duvar numunesinden oluşmaktadır. Tüm numuneler düzlem dışı doğrultuda test edilmiş olup bunlardan 5 tanesi düzlem dışı test öncesinde 0.005 ya da 0.010 düzlem içi göreli kat öteleme oranına maruz bırakılmıştır. Deneysel çalışmalarda kullanılan düzlem içi ve düzlem dışı yükleme protokolleri bu bölümde sunulmuştur. Numuneler düzlem içi doğrultuda tersinir çevrimsel yüklemelere maruz bırakılmıştır. Düzlem dışı doğrultudaki etkiler de çevrimsel olarak uygulanmış olmakla birlikte sadece itme doğrultusunda yükleme ve serbest bırakma olarak uygulanmıştır. Bölüm 4'te tam ölçekli deneylerden elde edilen bulguların sunumu yapılmıştır. Her numunenin düzlem içi (eğer düzlem içi doğrultuda test edilmişse) ve düzlem dışı doğrultulardaki davranışları incelenmiş olup deneyler esnasında ölçülen kuvvet-yerdeğiştirme ilişkileri sunulmuştur. Bununla birlikte, düzlem içi ve düzlem dışı doğrultuda yapılan testler esnasında numunelerde meydana gelen hasarlar, tasarım yönetmelikleri ve mevcut yapı değerlendirme kılavuzlarında belirtilen performans kriterleri dikkate alınarak değerlendirilmiştir. Bölüm 5'te deneysel olarak elde edilen bulguların kapsamlı bir değerlendirmesi yapılmıştır. Numunelerin düzlem içi ve düzlem dışı doğrultuda uygulanan deprem etkileri altındaki davranışları, derz donatısı kullanımının deprem etkileri altında duvar davranışını iyileştirip iyileştirmediği değerlendirilmiştir. Bununla birlikte, düzlem içi doğrultuda test edilen numunelerde bu etkiler neticesinde meydana gelen hasarların duvarların düzlem dışı doğrultudaki performansına etkileri parametrik bir şekilde değerlendirilmiştir. Ayrıca, düzlem dışı bölme duvar kapasiteleri için Eurocode 6 uyarınca analitik hesaplar yapılmış ve deneysel bulgular yönetmelik uyarınca hesaplanan kapasiteler ile karşılaştırılmıştır. Deney sonuçları, kafes tipi ve kord tipi donatı kullanılması ile donatı kullanılmayan numunelere kıyasla %21.5 ila %36.8 arasında değişen oranlarda düzlem dışı dayanım artışı elde edilebildiğini göstermiştir. Ayrıca, Eurocode 6'da servis sınırları için üst sınır olarak tanımlanan 0,005 düzlem içi göreli kat ötelemesi oranı etkileri nedeniyle duvarlarda meydana gelen hasarların duvarların düzlem dışı dayanımını düzlem içi hasarsız numunelere kıyasla %30.2 ile %36.3 oranında azalttığı görülmüştür. Düzlem içi göreli kat ötelemesi oranının 0.010 olduğu durumlarda ise düzlem içi doğrultuda hasar görmemiş numunelere kıyasla %40.5 ila %45.0 oranında dayanım azalması görülmüştür. Bölüm 6'da, düzlem içi ve düzlem dışı doğrultularda deneysel olarak gözlemlenen numune davranışlarını kabul edilebilir bir yaklaşıklıkla temsile edebilecek bir sayısal modelleme yöntemi geliştirilmiştir. Modelin geliştirilmesi sürecinde basitleştirilmiş mikro modelleme (simplified micro model) yaklaşımı kullanılmıştır. Sayısal model öncelikle tam ölçekli olarak düzlem içi ve düzlem dışı doğrultularda gerçekleştirilen deneysel veriler kullanılarak dayanım ve hasar gelişimi açısından değerlendirilmiştir. Elde edilen bulgular, hazırlanan modelin düzlem içi ve düzlem dışı doğrultularda gazbeton bölme duvarların hasar gelişimini ve dayanımını temsil edebilmek için önemli bir potansiyele sahip olduğunu göstermiştir. Geliştirilen yaklaşımın en büyük zayıflığı, düzlem içi doğrultuda çevrim sıkışması ve düzlem dışı doğrultuda başlangıç rijitliğini yeteri kadar iyi temsil edememesidir. Bu eksikliklerin detayları ve olası nedenleri ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Bölüm 7 bu doktora tezi kapsamında yapılan tam ölçekli duvar deneyleri ve nümerik analizlerden elde edilen genel sonuçlardan oluşmaktadır. Ayrıca, çalışma kapsamında elde edilen bulgular ışığında gelecekte yapılabilecek araştırmalar ile ilgili önerilerde bulunulmuştur.

Özet (Çeviri)

The infill walls, which are widely used in reinforced concrete (RC) structures as separators between areas and thermal insulators, in general, are made of brittle materials and are often overlooked in the structural design procedures without performing comprehensive safety assessments. Recent earthquakes (e.g., 2009 L'Aquila, 2011 Van, 2020 Izmir and 2023 Kahramanmaras) indicated that infill walls can be subjected to severe damages which results in significant injuries and life losses. In addition, failure of an infill wall may cause serious damages to other non-structural elements and costly equipment (i.e. in hospitals, laboratories and offices) which may disrupt the functionality of critical facilities that are intensively needed after destructive earthquakes. In addition to this, considering the fact the nonstructural content of buildings covers the majority of the total building cost, the safety assessment and performance enhancement of infill walls have a respectable contribution to reduce the economic burden after seismic events. During seismic events, the infill walls are subjected to both in-plane (IP) and out-of-plane (OOP) actions. Consequently, the prior IP damage in the infills due to earthquake actions is found to reduce the OOP capacity of the infill walls, which causes the expulsion and collapse of the infills. Even though seismic design codes enforce safety checks in the IP and OOP direction of infills separately, the effect of IP damage on the OOP performance of infills is not considered. Enhancing the seismic performance of infill walls is crucial for creating a resilient building environment. There are various methods available to improve the infill performance under seismic actions, including the external application of fiber reinforced polymers and the use of flexible joints between infills and the structural frames. One practical and effective solution for enhancing the OOP performance of infill walls is the utilization of bed-joint reinforcement. This approach was initially explored in the last quarter of the 20th century for infill panels and continues to be the subject of ongoing scientific research projects. The industry is also developing new types of bed-joint reinforcements, such as cord reinforcements and polymer meshes. During construction, bed-joint reinforcement is applied to the infills by placing horizontal reinforcement on top of a completed infill course before continuing with the assembly of the next course. The reinforcement area and vertical spacing can be adjusted based on the wall's design requirements. This thesis specifically focuses on evaluating the performance improvements achieved by utilizing new-generation bed-joint reinforcement systems in infill walls from a structural engineering perspective. The works carried out in this Ph.D. project aim to assess the enhancements in strength, stiffness, and energy dissipation capacity achieved by employing both traditional and new-generation bed-joint reinforcement systems in infill walls. Additionally, the works seek to evaluate the potential delay in damage propagation resulting from the use of bed-joint reinforcement, as the condition of infills plays a crucial role in the serviceability of earthquake-damaged buildings. The project also investigates the impact of pre-existing IP damage on the OOP response of infill walls. To ensure design reliability, the experimental strengths are compared with the strength values calculated according to Eurocode 6, aiming to determine whether the lack of consideration for prior IP damage in the design of infill walls leads to conservative or unconservative design strength values. To achieve these purposes the objectives of the research are as follows: (i) execution of full-scale experimental tests to investigate the effect of bed-joint reinforcement on the IP and OOP performance of infill walls from strength, damage propagation and energy dissipation capacity points of view; (ii) experimentally observing the effects of prior IP damage on the OOP response of the infill walls; (iii) analytical evaluation of the experimental OOP strength values with the capacities obtained from the methodology adopted in Eurocode 6; (iv) development and validation of a numerical modeling approach that can sufficiently represent the specimen responses, which would be used to generalize the experimental findings. Although infill walls can be constructed using a variety of infill units (such as hollow clay bricks, clay bricks, hollow concrete blocks, and Autoclaved Aerated Concrete (AAC), etc.) with various thicknesses, the seismic performance of 150 mm thick AAC infill walls is the main emphasis of this thesis. The major reason for this is that the number of studies evaluating the response of AAC infills during earthquakes is rather limited, and those investigating the response of AAC infills dealt with relatively thicker walls. Additionally, one of the most typical infill layouts utilized in Turkey is AAC infill walls with a thickness of 150 mm. Two types of bed-joint reinforcement configurations are used to investigate their contribution to the OOP performance of infill walls namely truss-type and cord-type. After introducing the research motivations and scope of the thesis (Chapter 1), a literature review study is conducted in Chapter 2. Past experimental research items investigating the IP/OOP interaction and those evaluating the benefits of using bed-joint reinforcement are reviewed. The results of earlier experimental research showed that the OOP strength of infills is decreased as a result of the IP effects of the seismic events, which increases their vulnerability. It is currently difficult to make a thorough and quantitative conclusion from the existing research because of the variability in specimen geometries, infill unit types, and the applied IP drift levels prior to the OOP testing. In addition, in the light of the previous experimental research, the use of bed-joint reinforcement is found to substantially contribute to the OOP performance of infill walls. There is a need to investigate the seismic performance enhancement of bed-joint reinforcement to the relatively thin AAC infill walls under parametric IP/OOP interaction. In Chapter 3, the details of the experimental test setup and instrumentation, which enables the IP and OOP loading of the specimens without reassembling are presented. The reinforcement details of the full-scale RC frame, which is used to surround the infill walls, are presented together with material test results. The mechanical properties of the bed-joint reinforcements are presented, and the reinforcement configurations of the specimens are given. The test matrix covers 8 infill wall specimens. All specimens are tested in the OOP direction, and 5 of them are also imposed to cyclic IP displacement reversals up to 0.005 and 0.010 drift ratios. The loading protocols followed in the experimental test scheme included cyclic IP displacement reversals and cyclic OOP displacements. The OOP displacements are applied only in the pushing direction. Chapter 4 is dedicated to the presentation of the full-scale experimental test results. The specimen responses in the IP (if tested) and OOP directions are evaluated and force-displacement relationships measured during the experimental tests are presented. Also, key damage observations in the IP and OOP tests are presented considering the performance criteria given in design codes and performance evaluation guidelines. In Chapter 5, a comprehensive evaluation of the experimental observations is presented. The IP and OOP responses of the specimens are evaluated whether the presence of bed-joint reinforcement alters and improves the specimen response under representative seismic actions. Based on the experimental responses of the specimens, the effect of various prior IP displacement reversals on the OOP performance of infill walls is evaluated. In addition, analytical calculations for the OOP capacities are performed and the experimental responses are compared with the capacities calculated according to Eurocode 6. The experimental results indicated that the use of flat-truss and cord-type bed-joint reinforcement provides OOP strength enhancement for infill walls ranging from 21.5% to 36.8% compared to the undamaged specimens in the IP direction. In addition, the damages that are formed through the application of 0.005 IP drift ratio, which is the upper limit for service requirements defined in Eurocode 6, resulted in 30.2-36.3% reduction in the OOP strength of infill specimens. When the prior IP drift ratio is increased to 0.010, the OOP strength reduction is ranging between 40.5% and 45.0% compared to that of the undamaged specimens in the IP direction. In Chapter 6, a numerical modeling methodology that has the ability to represent the specimen responses in the IP and OOP directions is developed. Simplified micro modeling approach is adopted in the model development processes. The model is first validated and evaluated through the IP and OOP experimental test results from strength and damage propagation points of view. The observations indicated that the model has a great potential to represent the damage formation of AAC infill walls in the IP and OOP directions. The major weakness of the developed approach is the representation of pinching in the IP direction and the initial stiffness in the OOP direction. Details and potential reasons for these deficiencies are explained in detail. Chapter 7 comprises of the general conclusions obtained from the experimental tests and numerical analyses regarding the IP and OOP response of the AAC infill walls. Additionally, in the light of the observations, recommendations for future studies are presented.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    414163

    Investigation of seismic behavior of infill wall surrounded by reinforced concrete frame

    Betonarme çerçeveli dolgu duvarların sismik davranışının araştırılması

    ONUR ONAT

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Deprem MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİ KOÇAK

    PROF. DR. PAULO B. LOURENÇO

  2. Tez No

    647740

    Tarihi kemer köprünün düzlem içi ve düzlem dışı deprem davranışının incelenmesi

    Investigation of the in-plane and out-plane earthquake behavior of the historical arc bridge

    BETÜL NİHAN ÜSTÜN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    İnşaat MühendisliğiBartın Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ EMİN HÖKELEKLİ

  3. Tez No

    353483

    Yığma yapıların güçlendirilmesi

    The experimental investigation of the strengthening of masonry structures

    MURAT GÖKHAN ÇAKIROĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    İnşaat MühendisliğiSüleyman Demirel Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FUAT DEMİR

  4. Tez No

    512127

    Ortak yalıtım düzleminde bulunan sismik yalıtımlı iki bağımsız yapının kapsamlı parametrik incelenmesi

    Comprehensive parametric investigation of two base isolated structures with common isolation plane

    MÜCAHİT BEKİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ BARIŞ ERKUŞ

  5. Tez No

    807187

    A3 düzensizliği bulunan binaların taşıyıcı sistem davranışlarının incelenmesi ve dilatasyon derzi ile düzensizliğin giderilmesi

    Investigation of structural system behavior of structures with A3 irregularity and removal of irregularity with dilatation joint

    ŞEVKET TAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TÜLAY AKSU ÖZKUL

Geri Dön