Yatay yük taşıyıcı betonarme çerçeve sistemlerin kompozit panellerle depreme karşı güçlendirilmesi
Strengthening the lateral load carrying reinforced concrete frame  systems  against earthquake using composite panels
Yazar: MUHAMMET KARABULUT
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ TUNA ÜLGER ; DR. ÖĞR. ÜYESİ NECATİ MERT
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Betonarme çerçeve = Reinforced concrete frame ; Deprem analizi = Earthquake analysis ; Güçlendirme = Strengthening ; Kompozit levhalar = Composite plates ; Pushover analiz = Pushover analysis ; Sarsma tablası = Shaking table ; Yanal yükler = Lateral loads

Özet:
Ülkemiz aktif deprem kuşağında yer alan bir ülke olmasından dolayı, mevcut ve eski yapılarımızı olası depremlerin yıkıcı etkisine karşı yeterli düzeyde taşıma kapasitesine çıkarmamız gerekmektedir. Mevcut güçlendirme yöntemlerine ek olarak kompozit elemanların, profillerin ve panellerin betonarme çerçevelerde yatay yük taşıyıcı sistemi rijitleştirebileceği ve yatay yerdeğiştirmeyi sınırlayacağı, kolon kiriş birleşim bölgelerindeki dönmeleri kısıtlayacağı, plastik mafsal oluşumu yerine kirişlerde kesme çatlaklarının meydana gelmesi, yanal yük taşıma ve enerji yutma kapasitesini artıracağı düşünülmektedir. Son yıllarda pultruzyon yöntemi ile kompozit malzemelerin üretildiği ve inşaat sektöründe de yerini almaya başladığı görülmektedir. Kompozit malzemelerin özellikle klasik yapı malzemelerine (betonarme, çelik, ahşap) kıyasla çok hafif olması, yanmaz özelliğine sahip olması, korozyona karşı dayanıklı olması, yorulma dayananımın yüksek olması ve yapılara kolay entegre edilebilirliği kompozit elemanları klasik yapı elemanlarına karşı güçlü bir alternatif kılmaktadır. Bu doktora tezi çalışması kapsamında, dolgu duvarsız betonarme çerçevelerin cam elyaf takviyeli kompozit elemanlarla (GFRP) güçlendirme çalışmaları nümerik ve deneysel olarak araştırılmıştır. Tek katlı-tek açıklıklı ve iki katlı-tek açıklıklı oluşturulan betonarme çerçeve sonlu eleman modeller üzerinde farklı tip güçlendirme teknikleri tatbik edilmiştir ve sonuçları irdelenmiştir. Bu tez çalışmasının nümerik kısmında, farklı tip güçlendirme sonlu eleman modellerinin ardından, referans betonarme çerçeve çelik çaprazlarla güçlendirilmiş betonarme çerçevenin deneysel sonuçları sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak tekrarlanmış ve alternatif kompozit GFRP çaprazların yatay yük taşımada kapasiteleri çelik çaprazlı betonarme çerçevelerinkilerle kıyaslanmıştır. Sonrasında ise Türkiye'de özellikle İstanbul gibi aktif sismik bölgelerde yer alan mevcut yapıların durumunu temsil edebilecek  betonarme çerçeve modeller üzerinde nümerik ve deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Betonarme çerçeveler ZBEÜ Yapı Laboratuvarı'nda imal edilmiş ve GFRP çapraz plakalar kullanılarak güçlendirilmiştir. İmal edilen betonarme çerçeve mevcut yapıların durumunu yansıtabilmesi için beton basınç dayanımı düşük, yetersiz donatı oranı içeren, kolon kiriş birleşim bölgelerinin zayıf ve kenetlenmenin olmadığı ve narin kesitli olacak şekilde seçilmiştir. Deprem sarsma tablasında yapılan sismik analizlerle betonarme çerçevelerin yapısal davranışlarının yanı sıra dinamik karakteristikleri de 4  durum için belirlenmiştir. Bu durumlar yüksüz referans çerçeve, yüksüz güçlendirilmiş çerçeve, yük altında referans çerçeve ve yük altında güçlendirilmiş çerçeveden oluşmaktadır. 7 farklı depremin 3 farklı ölçeklerindeki ivme kayıtları kullanılarak betonarme çerçevelerde toplam 124 adet dinamik test, sarsma tablasında yapılmıştır. Testlerde kullanılan depremler sırasıyla 1938 Imperial Valley, 1995 Kobe, 1999 Chi-Chi, 1999 Düzce, 2019 DASK1, 2019 DASK2 ve 2019 DASK3'tür. Sarsma tablasından elde edilen yatay yerdeğiştirmeler kıyaslanmıştır. Yanal yük altında gerçekleştirilen yanal itme (pushover) analizi sonuçları deneysel ve nümerik olarak kıyaslanmıştır. Elde edilen deneysel sonuçlar neticesinde, her iki çerçevenin dinamik özellikleri, yatay yük taşıma kapasitesi, yatay kat ötelemeleri, enerji yutma kapasiteleri, çerçeve kırılma davranışları ve kolon-kiriş birleşim noktasının davranışları araştırılmış ve elde edilen sonuçlar bu tezde sunulmuştur. GFRP kompozit çapraz plakaların yapısal kusurlar içeren betonarme çerçevelerin özellikle yanal yük taşıma kapasitesi ve başlangıç rijitliği üzerindeki etkinliğini incelemek için 5 farklı durum araştırılmıştır. Bunlardan ilki deneysel statik itme testleri yapılmış betonarme çerçevelerin nümerik modellerle doğrulanmasıdır. İkinci durumda, kolon-kiriş düğüm noktalarının kenetli-kenetsiz olmasının, yanal yük taşıma kapasitesi üzeinde ki etkisi irdelenmiştir. Üçüncü durumda betonarme çerçevelerde açıklık/yükseklik (L/H) oranının yanal yük taşıma kapasitesi üzerine etkisi araştırılmıştır. Ayrıca betonarme çerçevelerde yapılan güçlendirmenin L/H oranı üzerindeki etkinliği değerlendirilmiştir. Dördüncü durumda betonarme çerçevelerde faklı rijitliklerdeki çerçevelere güçlendirmenin etkinliği irdelenmiştir. 3 farklı kesit alana sahip betonarme çerçevelerin güçlendirilmiş çerçevelere kıyasla yanal yük taşıma kapasitelerindeki artış oranları incelenmiştir. Beşinci ve son durumda ise üç farklı rijitlikteki GFRP çapraz plakasının narin kesitli betonarme çerçevelerin yanal yük taşıma kapasitesi ve enerji yutma kapasiteleri üzerinde ki etkinliği araştırılmıştır. Nümerik analizler sonucunda özellikle narin kesitli betonarme çerçevelerde güçlendirmenin katkısı ve önemi açık bir şekilde ortaya çıkmaktadır. Kompozit kutu profil ve GFRP çapraz plakalarla yapılan güçlendirmelerin, deneysel ve nümerik analizler neticesinde yalın (referans) betonarme çerçevelere kıyasla  güçlendirilmiş betonarme çerçevelerin yanal yük taşıma kapasitesinin ciddi oranda arttığı görülmüştür.

Abstract:
Existing and old detailed structures needs to be strengthened against catastrophic failure of earthquakes in our country which was located on the active seismic zone. In addition to the traditional strengthening methods, reinforced concrete moment frames either having infill walls or not can be strengthened against lateral loads alternatively with composite panels and lateral deflections can be controlled. Moreover, it is thought that it will limit the rotations at the column-beam junction points, prevent shear cracks that may occur in the beams, and increase the lateral load carrying and energy absorption capacity. Recent years pultruded composite sections have produced for civil structures in the market. These sections are commonly utilized and being alternative to the traditional structural components due light weight, high strength, inflammable, anti-corrosive, fatigue resistant properties. In this study, strengthening methods of the reinforced concrete moment frames without having infill walls are investigated numerical and experimental by adding GFRP composites. Different types of reinforcement techniques have been applied on the reinforced concrete frame finite element models which created with one-story-one-span and two-story-single-span, and the results have been examined. Numerical and experimental studies have been carried out on a reinforced concrete frame model that can represent existing structures in active seismic areas in Turkey, especially in Istanbul. In order to reflect the situation of the existing structures, the determined reinforced concrete frame was chosen in such a way that the concrete compressive strength is low, contains insufficient amount of reinforcement, and the column-beam junction points are weak and of delicate cross-section. The seismic analyses performed on the shaking table and the pushover test results under lateral load were compared numerically and experimentally. First part of this thesis, one of the experimental results of a reinforced moment frame reinforced with steel braces verified with finite element models and lateral load capacity of GFRP braces alternatively compared with steel braces' results. In the second part, identical reinforced concrete moment frames produced, afterward bare frame and strengthened frame with cross GFRP plate braces are compared. Seismic tests were carried out on the earthquake shaking table for 4 different situations. These situations consist of unloaded reference frame, unloaded strengthened frame, loaded reference frame, and loaded strengthened frame. Under the acceleration records of 7 different earthquakes at 3 different scales, a total of 124 dynamic tests were carried out on shaking tables. The earthquakes used in the tests are 1938 Imperial Valley, 1995 Kobe, 1999 Chi-Chi, 1999 Düzce, 2019 DASK1, 2019 DASK2 and 2019 DASK3 respectively. The horizontal displacements obtained from the shaking table were compared. Dynamic properties, lateral load capacities, story drifts, ductility, energy dissipation capacity, failure modes, and column-beam joint behavior of the frames are investigated by conducted experimental tests and presented in this thesis. The results of pushover analysis performed under lateral load were compared experimentally and numerically. Five different cases were investigated to examine the effectiveness of GFRP composite cross plates on the lateral load carrying capacity and initial stiffness of reinforced concrete frames containing structural defects. The first of these is the verification of experimental static pushover tests of reinforced concrete frames with numerical models. In the second case, it is the effect of clamped-non-clamping of the column-beam joints on the lateral load carrying capacity. In addition, the effectiveness of stregthening in reinforced concrete frames on the L/H ratio was evaluated. In the fourth case, the effectiveness of strengthening to frames with different stiffnesses in reinforced concrete frames was examined. The rate of raise in lateral load carrying capacity of reinforced concrete frames with 3 different cross-sections compared to rigidity of reinforced frames was investigated. In the third case, the effect of span/height (L/H) ratio on lateral load carrying capacity of reinforced concrete frames was investigated. In the fifth and last case, the effectiveness of three different rigidity GFRP cross plates on the lateral load carrying capacity and energy absorption capacity of slender reinforced concrete frames was investigated. As a result of the numerical analysis, the contribution and importance of strengthening  especially in slender reinforced concrete frames are clearly revealed. In particular, it has been seen as a result of the studies that the lateral load carrying capacity of the strengthened reinforced concrete frame has increased significantly compared to the capacity of the reference reinforced concrete frame.