Geri Dön

Experimental study of substandard RC frames enhanced with tube-in-tube buckling-restrained braces

Burkulmasi önlenmiş tüp içinde tüp çaprazlar ile iyileştirilmiş standart alti betonarme çerçevelerin deneysel çalişmasi

PDF İndir

  1. Tez No: 947274
  2. Yazar: EMİNE EVRİM OYGUÇ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ABDUL HAYIR
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Deprem Mühendisliği, Earthquake Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 202

Özet

Bu tezde standart altı betonarme çerçevelerin depreme karşı güçlendirilmesinde kullanılmak üzere yenilikçi bir yaklaşım olarak burkulması önlenmiş tüp-içinde-tüp çapraz (TnT BRB) sistem önerilmiş ve kapsamlı bir değerlendirme çalışması sunulmuştur. Bu çalışmada, özellikle gelişmekte olan ülkelerde yaygın bir sorun olarak görülen, modern tasarım kodlarının yürürlüğe girmesinden önce inşa edilmiş betonarme yapı stoğunun deprem etkisi altında hasar görebilirliği incelenmiştir. Bu tür yapılar, yetersiz süneklik, yetersiz donatı detaylandırması ve sınırlı yatay rijitlik gibi özellikleriyle tanımlanır ve güçlü depremler sırasında orantısız bir şekilde çökmeye ve kayba neden olmaktadır. Bu çalışma, sismik güçlendirmeyi, toptan yıkıma göre sürdürülebilir bir alternatif olarak ele alarak; malzeme tüketiminin, inşaat atıklarının ve gömülü karbonun azaltılmasındaki avantajlarını vurgulamaktadır. Araştırma kapsamında, mevcut güçlendirme seçenekleri gözden geçirilmiş ve kolon mantolama, perde duvarlar ve fiber takviyeli polimerler (FRP) gibi yöntemlerin çeşitli iyileştirmeler sunsa da ağırlık, inşaat karmaşıklığı ve kullanım alanı kaybı gibi pratik sınırlamalara sahip olduğu belirtilmiştir. Burkulması önlenmiş çapraz elemanlar (BRB), stabil ve simetrik histeretik davranışları ile enerji yutma kapasiteleri sayesinde optimal bir çözüm olarak öne çıkmıştır. Ancak, özellikle harç dolgulu geleneksel BRB'ler; ağırlık, uygulanabilirlik ve deprem sonrası denetim açısından sorunlar barındırmaktadır. Son mühendislik gelişmeleriyle ortaya çıkan tamamen çelikten, tüp-içinde-tüp tipi varyantlar ise daha yüksek süneklik, kolay değiştirilebilirlik ve imalat verimliliği vaat etmektedir. Ancak, yetersiz betonarme çerçevelerdeki performansları bugüne dek kapsamlı şekilde doğrulanmamıştır. Bu literatür taraması, TnT BRB sisteminin önceki sistemlerde karşılaşılan kütle, burkulma riski ve değiştirme zorluğu gibi dezavantajları aşacak şekilde geliştirildiği bu çalışmanın zeminini oluşturmaktadır. TnT BRB sistemi; içte yük taşıyan bir çelik tüp ile dışta burkulma engelleyici bir tüpün dikkatlice kalibre edilmiş bir aralıkla ayrıldığı yenilikçi bir yapıya sahiptir. Konfigürasyon, halka biçimli bir stoper ile sağlam uç plakası ve guse bağlantılarını içerir; tümü, hızlı değiştirilebilme olanağı sağlamak ve çaprazın hem çekme hem de basınçta istenilen performansı göstermesini güvence altına almak amacıyla optimize edilmiştir. Laboratuvar ortamında gerçekleştirilen çevrimsel yükleme testlerinde, TnT BRB tam anlamıyla simetrik ve sünek bir davranış göstermiş; maksimum süneklik 10, kümülatif süneklik ise yaklaşık 250 olarak elde edilmiştir. Basınç aşırı dayanımı ise %10 seviyesinde tutulmuş, bu da ana çerçeveye minimum dengelenmemiş kuvvet transferi ve rijitlik ya da dayanımdan ödün verilmeden kararlı enerji yutumu potansiyeli anlamına gelmiştir. Çalışmanın temel önemi, TnT BRB'nin zayıf betonarme çerçevelerdeki güçlendirme etkisinin deneysel olarak değerlendirilmesinde yatmaktadır. Allianz Teknik'te bulunan 3 m × 3 m boyutlarında, iki serbestlik dereceli sarsma masasında bir deney programı yürütülmüştür. Sistematik sarsma masası deneyleri, biri“güçlendirilmemiş”referans çerçeve, diğeri ise aynı boyut ve detaylarda“TnT-BRB ile güçlendirilmiş”olmak üzere, iki adet üçte bir ölçekli, tek katlı, tek açıklıklı çerçeve üzerinde gerçekleştirilmiştir. Bu çerçeveler, 1980'lerin Türk yapı stoğunda rastlanan eksiklikleri gerçekçi şekilde yansıtabilmek için basınç dayanımı 9 MPa olan düşük dayanımlı beton ve minimal donatı ile kasti olarak inşa edilmiştir. Deney tasarımında, gerçek yapıların atalet etkilerini ve yerçekimi yüklemelerini doğru şekilde simüle etmek amacıyla 6 ton ek kütle kullanılmış ve benzerlik ilkelerine uyulmuştur. Her biri 430 kg olan on dört çelik blok birbirine kaynaklanmış ve döşemeye ankre edilmiştir. Böylece geçerli sismik ölçekleme için prototip kütle ve atalet sağlanmıştır. TnT BRB'nin kendisi, ortadan bir stoperle sınırlandırılmış, 42 × 1.5 mm boyutlarında iç tüpü çevreleyen iki segmentli dış çelik tüp olarak inşa edilmiş ve uç bağlantıları sahadaki gerçek uygulama koşullarını minimize edecek biçimde detaylandırılmıştır. Enstrümantasyon son derece kapsamlı ve hassastır. Yüksek frekanslı lineer değişken diferansiyel transformatörler (LVDT'ler) ve ivmeölçerler ile stratejik olarak yerleştirilen on iki adet gerinim ölçer, özellikle kiriş-kolon birleşimleri ve çapraz elemanlarda yer değiştirme, ivme ve gerinim geçmişlerini gerçek zamanlı olarak izlemeye imkân tanımıştır. Test protokolü, beyaz gürültü ve serbest titreşimle başlayan sistem tanımlamasının ardından, her iki çerçevenin de seçilen 2023 Kahramanmaraş depremi kayıtlarının ölçeklenmiş versiyonuyla sarsılmasını içermektedir. İlk aşamada her iki çerçeveye 0.35g uygulanmış, ardından TnT BRB ile güçlendirilmiş çerçeve tam 1g kayıtla nihai kapasitesine kadar test edilmiştir. Kontrol çerçevesinde, ölçeklenmiş yer hareketinin sadece %35'inde ilk hasar belirtileri görülmüş, kiriş-kolon birleşimlerinde ilerleyen kesme çatlakları, ciddi yanal yer değiştirme (maksimum kat ötelenmesi %5.5) ve hem dayanım hem de rijitlikte hızlı azalma kaydedilmiştir. Boş çerçeve için Park–Ang hasar endeksi 0.89'a ulaşarak açıkça“çökme sınırı”na işaret etmiştir. Bu sonuçlar, çalışmada yer alan devlet araştırmaları, hasar istatistikleri ve fotoğrafik kanıtlarla belgelenen 2023 Kahramanmaraş depremi sonrası sahadaki yaygın hasar ile yakın bir uyum göstermektedir. Saha verileri, gevrek birleşim hasarları, yetersiz donatı ankrajı, düşük dayanımlı beton kullanımı ve yetersiz inşaat uygulamalarının felaketle sonuçlanan kayıpların başlıca tetikleyicileri olduğunu ortaya koymaktadır. Buna karşılık, TnT BRB ile güçlendirilmiş çerçeve sismik performansta çarpıcı iyileşmeler göstermiştir. Aynı sarsıntıda, belirgin bir hasar gözlenmemiş, yanal yer değiştirmeler 2 mm'nin altında tutulmuş ve yapı esasen elastik davranış sergilemiştir. Tam, ölçeklenmemiş yer hareketine (PGA ≈ 1g) maruz bırakıldığında bile, güçlendirilmiş çerçevede tepe yanal yer değiştirmesi sadece 19.86 mm'ye ulaşmış (kat ötelenmesi ≈ 0.02 rad) ve Park–Ang hasar endeksi hafifçe 0.34'e yükselmiş; yine de önemli beton veya donatı hasarı oluşmamıştır. Çaprazın kendisinde ise minimum süneklik talebi (5 mm'nin altında eksenel deformasyon ve süneklik 3'ün altında) kaydedilmiş ve nihai kapasitenin çok uzağında kalınmıştır. Ölçülen taban kesmesi belirgin şekilde artarken, kat ötelenmesinde ve kalıcı yerdeğiştirmede kayda değer azalma gözlenmiştir. Ayrıntılı test sonrası inceleme, en şiddetli yüklemelerden sonra dahi, kiriş-kolon birleşimleri ve kritik guse bağlantılarının neredeyse hiç zarar görmediğini doğrulamıştır. SeismoStruct V2025 ile gerçekleştirilen analitik modelleme, laboratuvar programının sağlam bir tamamlayıcısı olarak öne çıkar. Tüm numunelerin fiber tabanlı sonlu eleman modelleri, ölçülen malzeme özellikleriyle kalibre edilmiş ve doğal periyotlar, yer değiştirme geçmişleri ve tepe deplasmanları açısından deneysel verilerle doğrulanmış, genel olarak %5'in altında hata oranı elde edilmiştir. Sadece sayısal sonlu elemanlar modeli oluşturulan, konvansiyonel X tipi BRB ile enerji sönümleme ve şekil değiştirme davranışlarının doğrudan karşılaştırılması yapılmıştır. Modeller, X tipi BRB'lerin başlangıç rijitliğinin yüksek olduğunu, ancak daha az enerji sönümlediğini ve erken sıkışma etkisi ile dayanım kaybına eğilimli olduklarını doğrulamıştır. TnT BRB ise, daha büyük şekil değiştirme çevrimlerinde kuvvet simetrisini korumuş, üstün süneklik ve dayanıklılık sunmuştur. Çalışma, laboratuvar ve analitik doğrulamaların ötesine geçerek, 2023 Kahramanmaraş depremi sonrası geniş kapsamlı saha gözlemlerini de bütünleştirmekte; laboratuvar bulgularını gerçek yapı hasarlarıyla karşılaştırmak için kapsamlı görsel dokümantasyon kullanmaktadır. Analizler, 2000 sonrası Türk deprem yönetmelikleri ve inşaat pratiğindeki gelişmelerin çökme oranlarını azalttığını ancak yeterli birleşim sıklaştırması olmayan eski betonarme çerçevelerin hala yüksek risk altında olduğunu ortaya koymaktadır. Çalışma, deneysel ve saha bulgularını sentezleyerek, zayıf betonarme çerçevelerin TnT BRB ile güçlendirilmesini önermektedir. Sonuçlar, TnT BRB'nin bir çerçeveyi çökme eğiliminden dayanıklı hale getirebileceğini ve çok şiddetli yer hareketlerinde bile ötelenme ve hasarda önemli bir azalma sağlayabileceğini göstermektedir. Bulgular, ileri, hafif ve değiştirilebilir çapraz sistemlerin sismik güçlendirme yönetmeliklerinde açıkça yer almasını; birleşim detaylandırmasına, inşaat kalitesine ve saha denetimine titizlikle yaklaşılmasını önermektedir.

Özet (Çeviri)

This thesis offers an advanced and comprehensive evaluation of the seismic retrofitting of substandard reinforced concrete (RC) frames using an innovative tube-in-tube buckling-restrained brace (TnT BRB) system. The research addresses a pervasive global problem: the critical seismic vulnerability of existing RC building stock constructed before the enforcement of modern design standards, particularly in regions such as Türkiye. These buildings are typified by insufficient ductility, poor reinforcement detailing, and limited lateral stiffness, leading to their disproportionate collapse and loss during strong earthquakes. The study begins by framing seismic retrofitting as a sustainable alternative to demolition, noting its benefits in reducing material consumption, construction waste, and embodied carbon. The research reviews the current spectrum of retrofitting options, noting that while column jacketing, shear walls, and fiber-reinforced polymers (FRPs) offer some improvements, they suffer from practical limitations including weight, construction complexity, and floor space loss. Buckling-restrained braces (BRBs) have emerged as an optimal solution due to their stable, symmetrical hysteretic behavior and consistent energy dissipation. Yet, traditional BRBs, especially mortar-filled types, present challenges in terms of mass, constructability, and post-earthquake inspection. Recent engineering advances have produced all-steel, tube-in-tube variants, which promise greater ductility, ease of replacement, and fabrication efficiency, but whose performance in deficient RC frames has not been robustly verified prior to this work. This survey sets the stage for the present work, which positions the TnT BRB as a solution engineered to overcome the disadvantages of mass, buckling risk, and replacement difficulty that beset earlier systems. The TnT BRB system is engineered with an internal load-bearing tube and an outer buckling-restrainer tube, separated by a carefully calibrated gap. The configuration includes a ring-shaped stopper and robust end plate and gusset connections, all optimized to enable rapid replacement and ensure the brace's performance in both tension and compression. Laboratory cyclic tests of the TnT BRB itself demonstrated fully symmetrical and ductile behavior, with maximum ductility reaching 10 and cumulative ductility of about 250, while keeping the compression overstrength close to 10%. This indicates minimal unbalanced force transfer to the host frame and highlights the potential for stable energy dissipation without sacrificing stiffness or strength. The study's primary significance lies in its empirical assessment of the TnT BRB for retrofitting substandard RC frames. A sophisticated experimental program was implemented using the 3 m × 3 m two-degree-of-freedom shake table at Allianz Teknik in Istanbul. Systematic shake-table experiments on two one-third-scale, one-story, one-bay frame specimens: a“bare reference frame”and an identical“frame retrofitted with a TnT BRB”were conducted. These frames are deliberately constructed using low-strength concrete of 9 MPa and minimal reinforcement to authentically represent the deficiencies found in the Turkish building stock from the 1980s. The test design employed strict similitude principles, including the use of 6 tons of additional roof mass to correctly simulate inertial effects and gravitational loading as observed in real structures. Fourteen steel blocks ,each 430 kg, are welded together and anchored to the slab to replicate prototype mass and inertia, ensuring the dynamic similitude required for valid seismic scaling. The TnT BRB itself is built as a dual-segment outer steel tube encasing a 42 × 1.5 mm inner tube, separated by a small annular gap and restrained by a mid-span stopper, with end connections detailed for field realism and minimized end rotation. Instrumentation is extensive and precise. High-frequency linear variable differential transformers (LVDTs) and accelerometers, together with twelve strategically placed strain gauges, allow for real-time monitoring of displacement, acceleration, and strain histories at critical locations, particularly the beam–column joints and brace elements. The test protocol begins with system identification using white noise and free vibration, then subjects both frames to a scaled version of the 2023 Kahramanmaraş earthquake record, selected for its contemporary relevance and spectral compatibility with the latest Turkish code requirements. In the first phase, both frames are loaded to 0.35g; subsequently, the TnT BRB-retrofitted frame is tested under the full 1g record to explore its ultimate capacity. In the control frame, the first sign of damage appeared at only 35% of the scaled ground motion, with progressive shear cracking at the beam–column joints, severe lateral displacement (maximum story drift of 5.5%), and rapid degradation of both strength and stiffness. The Park–Ang damage index for the bare frame reached 0.89, firmly in the near-collapse range. These outcomes align closely with the widespread field damage observed during the 2023 Kahramanmaraş earthquake, illustrated by the photographic evidence included in the study. The field data underscore that brittle joint failures, inadequate reinforcement anchorage, the use of substandard concrete, and poor construction practice were the predominant triggers of catastrophic loss. By contrast, the TnT BRB-retrofitted frame exhibited dramatic improvements in seismic performance. Under the same shaking, no significant damage was observed, with lateral displacements held below 2 mm and the structure remaining essentially elastic. When subjected to the full, unscaled ground motion (PGA ≈ 1g), the retrofitted frame showed peak lateral displacement of only 19.86 mm (story drift ≈ 0.02 rad), and the Park–Ang damage index rises modestly to 0.34, well below life safety limits, still without substantial concrete or reinforcement damage. The brace itself displayed minimal ductility demand (axial deformation under 5 mm and ductility below 3), remaining far from its ultimate capacity. The measured base shear increased significantly, reflecting enhanced lateral resistance, while the reduction in story drift and residual displacement was particularly notable. Detailed post-test inspection confirmed that the beam–column joints and critical gusset connections of the retrofitted frame remained virtually undamaged, even after the most severe loading. Analytical modeling using SeismoStruct V2025 provides a rigorous parallel to the laboratory programme. Fiber-based finite element models of all specimens are calibrated using measured material properties and validated against experimental data for natural periods, displacement histories, and top displacement, achieving discrepancies generally under 5%. A third (purely numerical) model employing a conventional X-type BRB enables direct comparison of energy dissipation and deformation patterns between retrofitting strategies. The models confirm that while the X-type BRB imparts greater initial stiffness, it produces less energy dissipation and is prone to earlier pinching and strength degradation. The TnT BRB, by contrast, sustains larger deformation cycles, maintains force symmetry, and provides superior ductility and resilience. The study goes beyond laboratory and analytical validations to integrate broad field reconnaissance from the 2023 Kahramanmaraş earthquake, presenting collapse and heavy damage rates by province, construction type, and period, and using extensive visual documentation to correlate the laboratory findings with actual building failures. The analysis reveals that improvements in Turkish seismic codes and construction practice since 2000 have reduced, but not eliminated, collapse rates, with older RC frames and those lacking joint confinement remaining highly vulnerable. The study concludes by synthesizing experimental and field evidence to recommend the widespread adoption of TnT BRB retrofitting for deficient RC frames. The results show that the TnT BRB can transform a frame from collapse-prone to resilient, with order-of-magnitude reductions in drift and damage even under very severe ground motions. The findings advocate for explicit inclusion of advanced, lightweight, and replaceable bracing systems in seismic retrofit codes, along with rigorous attention to joint detailing, construction quality, and field inspection.

Benzer Tezler

  1. 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

  2. Tez No

    479970

    Kısa kolon oluşumuna neden olabilecek boşluksuz dolgu duvarlı betonarme çerçeve davranışının analitik ve deneysel yöntemlerle irdelenmesi

    Investigation of the infilled reinforced concrete frames without openings causing short column by analytical and experimental methods

    ONUR TUNABOYU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    İnşaat MühendisliğiAnadolu Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖZGÜR AVŞAR

  3. 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

  4. Tez No

    712865

    Seismic risk of substandard RC frames with foundation settlement

    Temel oturmasına maruz kalmış standart altı betonarme çerçevelerin sismik riski

    SHAHIN HUSEYNLI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. UFUK YAZGAN

  5. Tez No

    352307

    Mevcut bir betonarme yapı üzerinde güçlendirme ankrajlarının performanslarının araştırılması

    In-situ pullout and shear tests for retrofit anchors in low strength concrete

    DERYA ÇAVUNT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPER İLKİ

Geri Dön