Testing and modeling of seismically retrofitted RC columns with high axial load and shear demand
Yüksek eksenel yük ve kesme etkisindeki depreme karşı güçlendirilmiş betonarme (BA) kolonların deneysel incelenmesi ve modellenmesi
- Tez No: 960842
- Danışmanlar: PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Deprem Mühendisliği, İnşaat Mühendisliği, Earthquake Engineering, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- 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: 210
Özet
Dünyanın birçok yerinde mevcut standartların altında inşa edilmiş çok sayıda yapı stoku bulunmaktadır. Sonuç olarak, bu binalar ve diğer türden yapılar Türkiye gibi aktif sismik bölgelerde birçok sorunla karşı karşıya kalmaktadır. Bu binaların miktarı, önemli ve orta büyüklükteki bir depremden sonra ortaya çıkacak can kaybı miktarında doğrudan rol oynamaktadır. Türkiye, birçok standart altı yapının inşa edildiği sismik olarak oldukça aktif bir ülkedir. Önceki yıllarda meydana gelen orta ve önemli büyüklükteki depremler nedeniyle çok sayıda insan hayatını kaybetmiştir. Binalar geçerli yönetmeliklere göre düzgün bir şekilde inşa edilmiş olsaydı, göçmeyeceklerdi. Bu tür standart altı binaların en önemli eksikliklerinden biri, tasarımda öngörülenden daha düşük beton basınç dayanımıdır. Bu durum, kolonların yaklaşık olarak eksenel yük kapasitelerine yakın yüksek eksenel yüklere maruz kalmasına neden olur. Kötü kür koşulları, yüksek su/çimento oranı, kalitesiz agrega kullanımı, betonun segregasyonu, zayıf vibrasyon vb., kalitesiz ve düşük basınç dayanımlı betonun başlıca nedenlerinden bazılarıdır. İkinci önemli konu ise betonun yetersiz sargılama etkisi nedeniyle düşük sünekliğe sahip olması ve deprem bölgelerinde yüksek kesme istemi nedeniyle kesme hasarına yol açan yetersiz enine donatıdır. Beton kalitesi düşük ve bu tür kolonlar geniş aralıklı etriyeli, eksenel göçme ve kısmi ya da tam yapısal göçme bakımından savunmasız olacaktır. Bu istenmeyen gevrek kırılma modları, eksenel yük kapasitelerine göre yüksek eksenel yüklü ve aynı zamanda nispeten yüksek kesme kuvvetine maruz kolonlarda daha da artacak ve kötüleşecektir. Diğer sorunlar ise 90 derece kanca, yetersiz bindirme ekleri gibi uygun olmayan detaylandırma ile düz donatıların kullanılması ve günümüzde sismik tasarım kodlarında zorunlu olan birçok sismik detayın eksikliğidir. Yukarıda sözü edilen düşük beton kalitesi ve yanlış donatı detaylandırmasının bir sonucu olarak, bu tür sorunlu yapıların sünekliği yeterli değildir ve ilgili hedef performans seviyeleri için tasarım kodları tarafından önceden tanımlanan belirli dönme ya da yerdeğiştirme sınırlarını karşılayamamaktadırlar. Bu nedenle, olası bir yer hareketi sırasında yapının yanal yük kapasitesi aniden azalmaktadır. Yapıların yanal yüke karşı davranışını iyileştirmek amacıyla güçlendirme yöntemlerinden yararlanılır. Standart altı binaları güçlendirmek için en iyi bilinen yöntemlerden biri karbon lifli polimerler (CFRP) ile kolonların sargılanmasıdır. Birçok çalışma bu malzemenin yapısal elemanların davranışındaki etkinliğini araştırmıştır. CFRP, betonarme elemanların güçlendirilmesindeki etkinliği ile yaygın olarak tanınsa da, kullanımıyla ilgili bazı sakıncaları vardır. Önemli bir sınırlama, yüksek sıcaklıklara ve yangına karşı duyarlılığıdır. CFRP malzemeler yüksek sıcaklıklara maruz kaldıklarında bozulabilir ve mukavemetlerini kaybedebilir. Ayrıca, CFRP ile beton yüzey arasındaki yapışma, nem ve uzun süreli çevresel etkiler gibi faktörlerden olumsuz etkilenebilir. Bu sınırlamaları göz önünde bulundurarak, bu tez çalışmasında cam elyaf takviyeli harç (GFRM) ile kolonların güçlendirilmesi konusu incelenmiştir. GFRM, yangına dayanıklılığı, düşük maliyeti ve yerinde uygulanabilirliği ile dikkat çeken bir alternatif olarak değerlendirilmektedir. Bu çalışmada, düşük beton dayanımına ve yetersiz sargı etkisine sahip betonarme kolonlar üzerinde GFRM uygulamalarının etkisi deneysel olarak araştırılmıştır. Çalışmada kullanılan numuneler, gerçeğe uygun davranışın elde edilebilmesi amacıyla tam ölçekli olarak tasarlanmıştır. Bu numunelerde boyuna donatı oranı ve enine donatı aralığı, tipik standart altı kolonlarda karşılaşılan oranlara benzetilmiştir. Ayrıca, numunelerin bir kısmı düşük eksenel yük seviyesiyle, diğer kısmı ise yüksek eksenel yük seviyesiyle test edilerek farklı eksenel yük etkileri gözlemlenmiştir. Çalışmada toplamda sekiz adet betonarme kolon numunesi hazırlanmıştır. Numuneler farklı eksenel yük seviyelerine ve çeşitli enine donatı oranlarına sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Bu kolonlardan bazıları mevcut halleriyle test edilirken, bazıları GFRM ile sarılarak güçlendirilmiştir. Deneysel çalışmalar sonucunda, GFRM ile güçlendirilmiş kolonların yer değiştirme kapasitesi ve enerji yutma yeteneklerinin önemli ölçüde arttığı gözlemlenmiştir. Özellikle düşük enine donatılı ve düşük beton dayanımlı kolonlarda GFRM uygulamasının, ani gevrek kırılmaların önüne geçtiği ve kolonların daha sünek bir davranış sergilemesini sağladığı belirlenmiştir. Bu deneysel çalışmanın bir diğer önemli katkısı, güçlendirme uygulamalarının hem mühendislik tasarımları hem de saha uygulamaları açısından kolay uygulanabilirliğe sahip olmasıdır. GFRM ile yapılan güçlendirme uygulamaları, işçilik hatalarını minimize ederken, uygulama süresini de ciddi şekilde azaltmaktadır. GFRM ile sarılan kolonlar, çıplak kolonlara kıyasla daha fazla çevrim sayısına dayanabilmiş ve daha yüksek yer değiştirme kapasiteleri sergilemiştir. Donatı burkulması, gevrek beton ezilmesi ve etriye açılmaları gibi hasar mekanizmaları, deney süresince detaylı biçimde gözlemlenmiş ve kayıt altına alınmıştır. Güçlendirilmemiş numunelerde ani kesme kırılması ve ezilme gibi gevrek davranışlar görülürken, GFRM ile sarılan kolonlarda plastik mafsal bölgesinin genişlediği ve enerji tüketiminin daha yaygın hale geldiği belirlenmiştir. Sayısal modelleme kapsamında kullanılan OpenSees yazılımı, kolonların davranışını etkileyen birçok parametreyi hassas bir şekilde analiz etme imkânı sağlamıştır. Özellikle temel-kolon birleşim bölgesindeki ankrajdan kaynaklı boyuna donatı uzaması, donatı burkulması gibi etkilerin modellenmesi sonucunda elde edilen yükdeplasman eğrileri deneysel sonuçlarla oldukça iyi bir uyum göstermiştir. Bu durum, modelin güvenilirliğini artırmakta ve benzer yapılar üzerinde kullanılabilirliğini desteklemektedir. Sayısal modellemede, fiber malzemenin doğrusal olmayan davranışı özel tanımlamalarla modellenmiştir. Betonun çatlama sonrası gerilme-şekil değiştirme eğrisi, deneye uygun kalibrasyonlarla modellenmiş ve özellikle konfineman etkisi altında şekil değiştirme kapasitelerinin doğru şekilde temsil edilmesi sağlanmıştır. Ayrıca, model kalibrasyonunda kullanılan parametreler, deneysel veriler ile karşılaştırılarak ayarlamalar yapılmıştır. Bu parametrelerin başında betonun yumuşama eğilimi, boyuna donatının akma ve burkulma davranışı, ve etriye sıkılığı yer almaktadır. Bu kapsamlı kalibrasyon, modelin sadece bu deney için değil, farklı parametrelere sahip sistemlerde de kullanılabilirliğini artırmaktadır. Yapılan parametrik çalışmalar sonucunda, düşük beton dayanımlı ve düşük enine donatı oranına sahip kolonların özellikle gevrek kırılmaya meyilli olduğu ve bu tür yapıların GFRM ile güçlendirilmesinin performans iyileştirmesinde etkili olduğu gösterilmiştir. Ayrıca, önerilen güçlendirme sisteminin farklı eksenel yük seviyelerine karşı duyarlılığı incelenmiş ve uygun detaylandırma ile geniş bir kullanım alanı oluşturulabileceği belirlenmiştir. Bu çalışma sonucunda önerilen GFRM güçlendirme yöntemi, hem mühendislik yapılarında hem de düşük maliyetli uygulamalarla sahada kullanılabilecek pratik ve etkili bir çözüm sunmaktadır. Deprem güvenliği açısından kritik öneme sahip bu tür sistemler, özellikle gelişmekte olan ülkelerde yapı stokunun iyileştirilmesi için büyük potansiyel taşımaktadır. Sonuç olarak, bu tez çalışması hem deneysel hem de sayısal yöntemleri bir arada kullanarak, yeni nesil bir güçlendirme yöntemi olan GFRM sisteminin etkinliğini ortaya koymuştur. Elde edilen bulgular, Türkiye gibi deprem riski yüksek olan ülkelerde düşük maliyetli ve etkili güçlendirme çözümleri arayan mühendisler için yol gösterici niteliktedir.
Özet (Çeviri)
There are many substandard building stock built in many parts of the world. Consequently, these buildings and structures face many catastrophic problems in seismically active regions such as Turkey, Greece, parts of Italy, etc.. The amount of these buildings plays a direct role in the amount of life loss following a devastating earthquake. Turkey is an active seismic country in which many substandard structures were built over the course of time. In previous years, many people were killed by occurrence of even some moderate (in rural areas) to major earthquakes. Had buildings constructed properly according to the authorized regulations and design codes, they would not have been collapsed. One of the most important deficiencies of such substandard buildings is lower concrete compressive strength than considered in the original design, causing the columns to be subjected to high axial loads approximately close to their axial load capacity. Poor curing conditions, high water-to-cement ratio, using inappropriate aggregate class, concrete segregation, poor vibration, etc. are some of the major reasons for poor quality and low compressive strength concrete. The second important issue is the light transverse reinforcement resulting in poor ductility due to poor confinement of concrete, and high shear demand leading to shear failure. Such columns with low concrete quality as well as largely spaced stirrups will be vulnerable in terms of axial failure and partial or full structural collapse. These undesired brittle failure modes would be amplified and worsened when columns bear high axial loads with respect to their axial load capacity and possess relatively high shear demand, simultaneously. The other issues are the utilization of plain reinforcements with improper detailing such as 90 degree-hook, insufficient lap splices, and deficiency of many seismic details which are mandatory nowadays in seismic design codes. As a result of the abovementioned poor concrete quality and improper reinforcement detailing, ductility of such deficient structures is not sufficient, and they are not able to satisfy the specified rotational or displacement limits predefined by design codes for related target performance levels. Thus, displacement demand is not being satisfied and the lateral load capacity of the structure decreases suddenly during a possible ground motion. Retrofitting, when properly implemented, is one of the promised methods to improve the seismic behavior of deficient structures. One of the most well-known methods to retrofit substandard RC buildings is wrapping columns with Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) for ductility improvement. Many researchers investigated the efficiency of this material in behavior of structural elements. While CFRP is widely recognized for its effectiveness in retrofitting RC members, there are certain drawbacks associated with its utilization. One key limitation is its susceptibility to high temperatures and fire. CFRP materials can degrade and lose their strength when exposed to elevated temperatures. Additionally, the adhesion between CFRP and concrete interface can be affected by factors such as moisture and long-term environmental exposure, leading to a reduced effectiveness over time. Furthermore, the cost of CFRP materials and the specialized installation techniques required can be relatively high (when compared to conventional jacketing methods), potentially posing financial challenges for retrofit projects. Finally, the aesthetic impact of CFRP application on the appearance of structures might not always align with the original architectural design, making it necessary to carefully consider the visual aspects of retrofitting. Also, damage evaluation and assessment of members would not be convenient after the occurrence of an earthquake by investigation of the crack propagation and crack width. Nowadays, a new retrofitting method, namely fiber-reinforced cementitious mortar (FRCM) jacketing, is being implemented by the scientific community. In retrofitting with FRP jackets, epoxy resin (organic resins) is used as the matrix to bind and impregnate fabrics. However, in retrofitting with FRCM, mortar (inorganic matrix) is used as the binder. Then, any mesh types or grids like carbon, glass, etc are buried inside the matrix. In this thesis, a novel retrofitting technique is proposed to dispose of the abovementioned drawbacks. Specifically designed substandard reinforced concrete (RC) columns were retrofitted by means of a novel composite material glass fiber reinforced mortar (GFRM) with and without basalt mesh. In the framework of this thesis, there were in total 8 RC specimens; four of them had a cross-sectional aspect ratio of 1.0 (square), where the other four used a cross-sectional aspect ratio of 2.0 (rectangular). Each group consisted of one substandard specimen, one 1975-Turkish-SeismicDesign-Code-compliant specimen, one GFRM retrofitted of substandard specimen, and one basalt-buried-GFRM retrofitted of substandard specimen. All columns were tested under constant axial load and reversed cyclic lateral displacement excursions. Crack propagation, failure mode, strain profiles of longitudinal bars, lateral loaddisplacement hysteretic curves, lateral load-displacement backbone envelope curves, energy dissipation capacity, ductility, stiffness, residual displacement, etc. were evaluated in the experimental program. Afterward, according to the observed behavior and captured experimental data, a numerical model developed in OpenSees is proposed. The proposed model successfully reproduced the load-displacement hysteretic curves of all specimens considering the buckling of the longitudinal rebars, extra rotation through moment rotation spring as a result of the longitudinal rebar slip due to strain penetration effects in the column-foundation interface. Also, for most of the specimens the stress-strain behavior in local level was in agreement with the experimental data. After verification of the proposed numerical model with the experimental data, a thorough parametric study is conducted to contain a vast majority of substandard buildings' properties. In this parametric work, different concrete compressive strengths, volumetric transverse reinforcement ratios, longitudinal reinforcement area to gross cross-section ratios, and axial load levels representing old/aged and new buildings are considered. In conclusion, retrofitting substandard reinforced concrete columns with novel GFRM composite material stands as a comprehensive strategy. It elevates structural performance, bolsters seismic resilience, and improves displacement ductility and energy dissipation capability. Also, in comparison to CFRP its cost-efficiency, and convenient applicability are crystal clear.
Benzer Tezler
- Seismic retrofit of full-scale substandard rectangular RC columns through cfrp jacketing and external steel ties
LP kompozitler ile mevcut betonarme binalardaki dikdörtgen kesitli kolonların dayanım ve sünekliklerinin geliştirilmesi
HAMID FARROKH GHATTE
Doktora
İngilizce
2016
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER İLKİ
- Saçıcıların elastik dalga saçılımı ile görüntülenmesi
Imaging of scatterers through elastic wave scattering
UTKU HARMANKAYA
Doktora
Türkçe
2023
Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiJeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE KAŞLILAR ŞİŞMAN
- The effect of infill walls on the seismic performance of boundary columns in reinforced concrete frames
Betonarme çerçevelerde dolgu duvarların kenar kolonların sismik performansına etkisi
AKSEL FENERCİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BARIŞ BİNİCİ
- Effects of near-fault earthquakes on seısmıcally ısolated brıdges
Faya yakin bölgelerde gerçekleşen yer sarsintilarinin deprem yalitimi uygulanmiş köprüler üzerinde yaratacaği etkiler
HABİB CEM YENİDOĞAN
Doktora
İngilizce
2014
Deprem MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ERDİK
- Türkiye'deki depremlerin büyüklük tahmininde karar ağaçları yönteminin uygulanması
Application of decision trees (DTs) method for magnitude prediction of earthquakes in Türkiye
İSMAHAN ERMİŞ