Farklı eksenel yüklere maruz standart altı betonarme kolonlarda boyuna donatı bindirmeli ek detayının deprem performansına etkisi
The effect of lap-splice configuration on earthquake performance of sub-standard rc columns under different axial loads
Yazar: ALİHAN BALTACI
Danışman: PROF. DR. ALPER İLKİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering
Dizin: Betonarme kolon = Reinforced concrete column ; Eksenel yük = Axial load

Özet:
Gelişmekte olan birçok ülkede, mevcut yapı stokunun büyük bir kısmını inşa edildiği dönemin yönetmelik kurallarına uymayan betonarme yapılar oluşturmaktadır. Bu yapıların elemanlarında, düşük beton dayanımı, yetersiz enine donatı ve uygun inşaat detayları olmayan düz yüzeyli donatı kullanımı (örn. yetersiz bindirme şekilleri) gibi önemli eksiklikler görülmektedir. Taşıyıcı sistemin en önemli parçası olan kolon, bu eksikliklerden en çok etkilenen eleman konumundadır. Kolonlar, yapı ağırlığından kaynaklanan eksenel yüklere ve deprem olması durumunda yatay yüklere maruz kalmaktadır. Bu yetersiz kolon elemanlarının deprem yükleri altında davranışlarının anlaşılabilmesi, olası can ve mal kayıplarını önleyebilecek yapısal müdahale yaklaşımlarının geliştirilebilmesine olanak sağlayacaktır.
Tez çalışması kapsamında, ülkemizde sıkça rastlanılan standartların altında özelliklere ve farklı eksenel yük seviyelerine sahip betonarme kolon elemanlarında, boyuna donatılarda görülen bindirme şekillerinin deprem davranışına etkisi incelenmiştir. Mevcut yapıların büyük bir bölümünü temsil eden standart altı özelliklere sahip numunelerin üretilmesine dikkat edilmiştir. Bu sebeple kolonlar üretilirken düşük dayanımlı beton (10 MPa) kullanılmıştır. Hem boyuna donatılar hem de enine donatılar için aderans yeteneği çok az olan düz yüzeyli çelik donatılar tercih edilmiştir. Ayrıca mevcut yapılarda fazlaca karşılaşılan fazla enine donatı aralığı (200 mm), etriye sonunda 90° kanca kullanımı, yetersiz bindirme boyu gibi detaylar kullanılmıştır. 
Numuneler, 300 mm x 300 mm kesit boyutlarına sahip ve 1,5 metre boyunda üretilmiştir. Boyuna donatılar için 14 mm, enine donatılar için 10 mm çapında düz yüzeyli donatılar kullanılmıştır. Bindirme olmayan bölgelerde minimum donatı oranı olan yüzde 1 değeri tercih edilmiştir. Bindirmeli ek detayı içeren numunelerde mevcut yapılarda da sıkça rastlanılan 20db bindirme boyu kullanılmıştır.
Numunuler, üzerinde bulunan eksenel yük seviyesi ve boyuna donatılarda bulunan bindirme şekilleri parametre olarak dikkate alınacak şekilde 9 adet tam ölçekli kolon numunesi üretilmiştir. Birinci seti temsil eden 3 adet numunede temel içerisinden kolon tepesine kadar uzanan sürekli donatı bulunmaktadır. İkinci seti temsil eden diğer 3 adet numunede 20db bindirme boyuna sahip ve bindirme sonunda kanca bulunan boyuna donatı bulunmaktadır. Son olarak üçüncü seti temsil eden 3 adet numunede ise 20db bindirme boyuna sahip ve bindirme sonunda kanca bulunmayan boyuna donatı bulunmaktadır. Deneylerde eş zamanlı olarak yapıların düşey yüklerini ve sismik hareketleri temsil edecek şekilde, numune setlerinde bulunan kolonlar üç farklı eksenel yük seviyesine (eksenel yük kapasitelerinin %30'u, %50'si ve %70'i) ve tekrarlı çevrimsel yatay yer değiştirmeye maruz bırakılmıştır.
Deneysel bulgulara bakıldığında, bindirme şeklinden bağımsız, kolonların maruz kaldığı eksenel yük seviyesi arttıkça, numunelerin yapabileceği yerdeğiştirme kapasitesi azalmakta, dolayısıyla yutulan enerji de bu düzeyde azalmaktadır. Üzerinde eksenel yük kapasitesinin %30'u ve %50'si bulunan numunelerde, şeklinden bağımsız bindirmelerin, numunenin yatay yük kapasitesini ve yapabileceği yerdeğiştirme kapasitesine olumsuz etkisi olduğu görülmüştür. Üzerinde eksenel yük kapasitesinin %70'i bulunan numunelerde ise, bindirmelerin etkisi görülemeden göçme gerçekleşmiştir. Eksenel yük kapasitesinin %30'u üzerinde bulunan numunelerde temel ile kolon kesişim bölgesinde sıyrılma gözlemlenirken, eksenel yük kapasitesinin %50'si üzerinde bulunan numunelerde sıyrılmanın çok az olduğu, eksenel yük kapasitesinin %70'i üzerinde bulunan numunelerde ise sıyrılma olmadığı gözlemlenmiştir.
Bindirme eki detayından bağımsız, kolonların üzerindeki eksenel yük seviyesi arttıkça plastik mafsal bölgesinde değişim olduğu gözlemlenmiştir. Üzerinde eksenel yük kapasitesinin %30'u ve %50'si bulunan numunelerde, plastik mafsal bölgesi kolon tabanı ile 400 mm yüksekliği arasında oluşurken,üzerinde eksenel yük kapasitesinin %70'i bulunun kolonlarda plastik mafsal bölgesi 400 mm ile 800 mm aralığında olduğu gözlemlenmiştir. Bu durum çok yüksek eksenel yük seviyelerinde temelden gelen sargılama etkisinin arttığını dolayısıyla kolon temel birleşim bölgesinin hasar almaması ile sonuçlanmıştır.
Üzerinde eksenel yük kapasitesinin %30'u ve %50'si bulunan numunelerde deneyin ilk çevrimlerinde numune uzüerinde eğilme çatlakları gözlemlenmiştir. Deney sonuna yaklaşıldıkça eğilme çatlakları yerini basınç çatlaklarına bırakmıştır. Diğer yandan üzerinde eksenel yük kapasitesinin %70'i bulunan numunelerde ise deney boyunca sadece basınç çatlakları gözlemlenmiştir. Buradan bu numunelerde tüm kesitin basınç gerilmeleri altında olduğu anlaşılmıştır.
Kalıcı yer değiştirme oranlarına bakıldığında özellikle bindirme içeren numunelerde itme ve çekme yönlerinde gerçekleşen kalıcı yerdeğiştirmelerde büyük farklılıklar olduğu gözlemlenmiştir. Numunelerde bindirmenin varlığı, itme ve çekme çevrimlerinde simetrik kalıcı yerdeğiştirmenin önüne geçmiştir.
Sürekli donatıya sahip kolonlar, açık kaynak kodlu sonlu eleman yazılımı olan Opensees programında modellenmiştir. Sargılı, sargısız beton ve çelik donatı davranışının modellenmesi için Opensees malzeme kütüphanesinden yararlanılmıştır. Üzerinde eksenel yük kapasitesinin %30'u ve %50'si bulunan numunelerde görülen sıyrılma davranışı parametrik bir model yardımıyla programa tanımlanmıştır.  Modellemenin ardından analiz yapılmıştır ve deneysel veriler ile analitik çalışma sonucu elde edilen verilerin karşılaştırılması yapılmıştır. Karşılaştırma sonucunda özellikle üzerinde eksenel yük kapasitesinin %30'u ve %50'si bulunan numuneler için deneysel verilerle, analitik veriler arasında iyi bir uyum olduğu görülmüştür. 
Elde edilen sonuçların literatürde konu ile alakalı boşluğu dolduracağı ve bindirmeli donatı içeren kolon incelemeleri ve bu tip kolonların güçlendirilmesinde mühendislerin daha doğru yaklaşımlar üretmesine katkı sağlayacağı düşünülmektedir. Ek olarak geçmiş yönetmeliklerde, bindirme içeren kolon elemanlarda eksenel yük seviyesinden bağımsız olarak belirli kısıtlamalar koyulmuştur. Ancak çalışma sonucunda özellikle yüksek eksenel yük seviyelerinde bazı kısıtlamaların geçerliliğini yitirdiği gözlemlenmiştir. Düz yüzeyli donatılarda bindirme eki kullanılacaksa bindirme sonunda kanca yapılmasının zorunlu tutulması bu kısıtlamaların en önemlilerinden biridir. Ancak yapılan çalışma gösteriyor ki, kapasitesinin %50 ve %70'i kadar eksenel yük seviyesine maruz ve bu denli az bindirme boyuna (20db) sahip kolonlarda bindirmenin kancalı veya kancasız olmasının davranışa etkisi neredeyse aynıdır. Kapasitesinin %30'u kadar eksenel yük seviyesine maruz kolonlarda ise kancanın varlığı kancasız duruma göre az da olsa davranışa olumlu etkisi olduğu görülmüştür.

Abstract:
In many developing countries, most of the existing building stock consists of reinforced concrete structures that do not comply with the codes of the period in which they were built. Elements of these structures have vital deficiencies such as use of low strength concrete, insufficient transverse reinforcement and  use of plain reinforcing bars without proper construction details (ie. inadequate configurations of lap-splices). The column, which is the most important part of the load bearing system, is the element most affected by these deficiencies. Columns are subjected to axial loads caused by the weight of the building and horizontal loads in case of earthquakes. Understanding the behavior of these weak column elements under seismic loads will allow the development of structural intervention approaches that can prevent possible loss of life and property.
Within the scope of the thesis study, the effect of lap-splice configurations seen in the longitudinal reinforcements on the seismic behavior of reinforced concrete column elements with different axial load levels was investigated. For this reason, low strength concrete (10 MPa) was used when building the specimens. For both longitudinal and transverse reinforcements, plain round steel bars with very low adherence ability were preferred. In addition, details such as large transverse reinforcement spacing (200 mm), use of 90° hooks at the end of stirrups and insufficient lap-splice length, which are frequently encountered in existing structures, were used.
The specimens were built with cross-section dimensions of 300 mm x 300 mm and 1.5 meters in column length. Plain round steel bars with a diameter of 14 mm for longitudinal reinforcement and 10 mm for transverse reinforcement were used. The minimum logitudinal reinforcement ratio of 1 percent was preferred in areas without lap-splice. 20db lap-splice length, which is frequently seen in existing structures, was used in the specimens containing additional details of lap-splice.
Nine full-scale column samples were built by considering the axial load level on the samples and the lap-splice configurations on the longitudinal reinforcements as parameters. In 3 samples representing the first set, there are continuous longitudinal bars extending from the foundation to the top of the column. In the other 3 samples representing the second set, there is a 20db lap-splice length and a longitudinal bars with a hook at the end of the lap-splice. Finally, 3 samples representing the third set have longitudinal bars with 20db lap-splice length and no hook at the end of the lap-splice. In the experimental study, the columns were subjected to three different axial load levels (30%, 50% and 70% of their axial load capacity) and repetitive cyclic lateral displacements simultaneously representing vertical loads from structures and seismic actions, respectively. 
Considering the experimental findings, regardless of the lap-splice configurations, as the axial load level increases, the displacement capacity of the columns decreases, thus the absorbed energy decreases in the same manner. In the samples with 30% and 50% of the axial load capacity, lap-splice has a negative effect on the lateral load capacity and the lateral displacement capacity of the sample. On the other hand, in the samples with 70% of the axial load capacity, collapse occurs before the effect of lap-splices could be seen. 
While slippage of  bars was observed at the intersection of the foundation and column in the specimens subjected 30% of the axial load capacity, it was observed that the slippage was very low in the specimens subjected 50% of the axial load capacity, and no slippage was observed in the specimens subjected 70% of the axial load capacity.
It was observed that there was a change in the plastic hinge region as the axial load level on the columns increased, independent of the lap-splice configurations. In the specimens subjected to 30% and 50% of the axial load capacity, the plastic hinge region was placed between the column base and the height of 400 mm, while the plastic hinge region was placed between 400 mm and 800 mm in the columns subjected to 70% of the axial load capacity. This situation resulted in the fact that the confinement effect from the foundation increased at very high axial load levels, so that the column-foundation intersection was not damaged.
In the specimens subjected to 30% and 50% of the axial load capacity, flexural cracks were observed on the specimens in the first cycles of the test. As the end of the experiment approached, flexural cracks give place to compression cracks. On the other hand, only compression cracks were observed during the test in specimens subjected to 70% of the axial load capacity. From this, it is understood that the whole section of these samples is under compressive stresses.
When the residual displacement ratios are examined, it is observed that there are large differences in the residual displacements in the push and pull directions, especially in the samples containing lap-splice detail. The presence of lap-splice in the specimens prevented the symmetrical resudial displacement in the push and pull cycles.
Columns with continuous bars were modelled in Opensees, an open source finite element software. Opensees material library was used to model the behavior of confined and cover concrete and steel reinforcement. The slippage behavior of the specimens subjected to 30% and 50% of the axial load capacity was defined in the program with the help of a parametric model. After modelling, analysis was performed and the experimental data and the data obtained from numerical study were compared. Especially for the samples subjected to 30% and 50% of the axial load capacity, there was a good agreement between the experimental data and the numerical data.
It is thought that the obtained results will fill the gap related to the subject in the literature and it will contribute to the engineers to produce more accurate approaches in the investigation of the columns with lap-spliced longitudinal bars and the strengthening of this type of columns. In addition, codes impose certain restrictions on column members with lap-splice deficiency, regardless of the axial load level. However, as a result of the study it has been observed that some restrictions lose their validity especially at high axial load levels. One of the most important of these restrictions is the obligatory 180° hooking at the end of the lap-splice, if the plain round bars were used. However, the study shows that the effect of lap-splice with hook or no hook on the behavior is almost the same in specimens that are subjeted to axial load levels of 50% and 70% of their capacity and have such a small lap-splice length. In columns subjected to axial load levels of 30% of their capacity, the presence of the hook has been found to have a slightly positive effect on the behavior compared to the no hook situation.