Düşük dayanımlı betonarme yapılarda kolon-kiriş birleşim bölgelerinin deprem performansının deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation on the seismic performance of beam-column joints in low-strength reinforced concrete structures
Yazar: ATAKAN MANGIR
Danışman: DOÇ. DR. TURGAY ÇOŞGUN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Kolon kiriş birleşimi =   ; Köşe birleşimleri = Corner joints

Özet:
Ülkemizdeki yapı stoğunun büyük bir kısmının deprem bölgesinde oluşu ve bu yapılardaki yapısal yetersizlikler göz önüne alındığında, mevcut yapıların büyük bir bölümü için olası bir depremde hasar alma veya göçme riskinin söz konusu olduğu görülmektedir. Deprem etkileri göze alındığında, yapılarda en çok etkilenecek bölgelerden biri de birleşim bölgeleridir. Yapıya etkiyen bu yanal yükler, "kritik bölge" olarak da adlandırılan birleşim bölgelerinde tersinir yüklemelere sebebiyet vermektedir. Yönetmelikler, kritik bölgeler olan birleşim bölgelerinin, gelen yükleri güvenli bir şekilde aktarabilecek yeterli yapısal güvenliğe sahip olacak bir şekilde tasarlanmalarını hedeflemektedir. Deprem etkileriyle oluşacak tersinir yüklerin yeterli dayanım ile karşılanabilmesi için kiriş boyuna donatılarına birleşim bölgelerinde 135 derece kanca yapılması, yüksek dayanımlı beton kullanılması ve kolon etriye düzenlemesinin birleşim bölgelerinde devam ettirilmesi (sıklaştırma aralığı korunarak) gibi hususlara dikkat edilmesi gerekmektedir. Ancak ülkemizdeki birçok örnekte öncelikle bu bölgelerde, enine donatının yetersiz olması veya hiç olmaması sebebi ile istenen sargılama etkisi sağlanmamaktadır. Birçok yapının birleşim bölgelerinde kanca uygulaması söz konusu olmamakla birlikte yapılanların çoğunda da 90 derece kanca yapılmıştır. Ayrıca düz yüzeyli donatılar kullanılması, tersinir yüklemeler altında donatının betonla olan aderansının kolayca kaybına sebep olmaktadır. Söz konusu yapıların yapıldığı dönemler dikkate alındığında, düşük dayanımlı beton (C10 ve altında) kullanımının yaygın olduğu görülmektedir. Dolayısı ile bu durumlar altında birleşim bölgelerine bağlanan betonarme elemanlar eğilme kapasitelerine ulaşmadan, birleşim bölgelerindeki eksikliklerden dolayı göçmeler meydana gelmektedir.
Deprem riski bulunan gelişmiş ülkelerin ülkemizle aynı dönemde yapılan yapılarında, ülkemize nazaran daha yüksek beton kalitesi ve nervürlü donatıların kullanımı söz konusudur. Her ne kadar artık ülkemizde de düz yüzeyli donatı kullanımı yasaklansa da eski yapılarımızda hala bu tür zayıflıklara rastlanmaktadır. Dolayısı ile bu konu hakkında söz konusu zayıflıkları içeren durumlar için yapılan çalışmalar daha sınırlı sayıda kalmaktadır. Ülkemizde bulunan yapılar için bu konuda kendi yapılarımıza özgü hataların ve eksikliklerin dikkate alındığı yeni çalışmaların yapılması, yapıların deprem performanslarının daha gerçekçi olarak tahmin edilebilmesi ve bu sebeple oluşabilecek yıkımların önüne geçilebilmesi için oldukça önemlidir. Ayrıca yukarıda bahsi geçen zayıflıkların önüne geçebilmek adına mevcut yapılarımızdaki zayıf olan birleşim bölgelerinin uygun bir şekilde güçlendirilebilmesi için yeni malzeme ve yöntemler hakkında çalışmalar yapılmasına da ihtiyaç duyulmaktadır.
Bu doktora çalışmasında, ülkemizdeki mevcut yapı stoğunun önemli bir kısmını temsil etmek üzere düşük dayanımlı beton ve düz yüzeyli donatıya sahip kolon-kiriş birleşim bölgelerinin çeşitli donatı konfigürasyonlarında (kiriş boyuna donatılarındaki kanca durumu, birleşim bölgesinde enine donatı kullanılıp kullanılmaması durumu, vb.) deprem etkilerini simüle eden çevrimsel yüklemeler altındaki davranışlarının deneysel olarak incelenmesi ve bu birleşim bölgelerinin FRP (fiber takviyeli polimer) malzemeler ile güçlendirilerek deprem performanslarının iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Güçlendirme işlemleri için daha ekonomik ve uygulanabilir bir güçlendirme tekniğinin denenmesi ve yapısal davranışa etkisinin belirlenmesi hedeflenmiştir.
Ayrıca yapılan bir analitik çalışma ile deneyleri gerçekleştirilen numunelerin birleşim bölgelerinden elde edilen deney sonuçlarının, bir analiz programı ile yapısal çerçeveler üzerinde uygulanarak, nümerik analizlerde yapılan kabullerde söz konusu zayıflıkların nasıl yansıtılabileceği araştırılmıştır. Son olarak, yönetmeliklerin birleşim bölgeleri ile ilgili kriterlerine değinilerek deney numunelerinin yönetmelik bazlı tahkikleri gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda öncelikle 10 adet numuneyi içeren bir deneysel çalışma planlanmıştır. Üretilen numuneler iki seriye ayrılmıştır;
İlk seride, 150 x 200 mm en kesit ebatlarında betonarme kirişin, 150 x 150 mm en kesit ebatlarında betonarme kolona bağlandığı 5 adet numune üretilmiş olup bunlardan bir tanesi referans numunesi olarak üretilmiştir. Söz konusu numunelerin birleşim bölgelerindeki donatı konfigürasyonları değişmektedir.
İkinci seride, ilk 5 adet numunenin, en-kesit ebatları ve donatı konfigürasyonları korunarak aynılarından 5 adet daha numune üretilmiştir. Ancak söz konusu numuneler Fiber Takviyeli Polimer (FRP) malzemeler ile güçlendirilerek deneylere tabi tutulmuştur.
Doktora tez çalışması beş ana başlık altında sunulmuştur:
1. Bölüm - Giriş: Bu bölümde tez konusunun önemi, amaç ve kapsamı verilmiştir. Deney numuneleri kısaca tarif edilerek hangi tür malzemeler ile güçlendirileceklerinden bahsedilmiştir.
2. Bölüm - Genel Kısımlar: Bu bölümde ülkemizdeki mevcut yapılardaki kolon-kiriş birleşim bölgeleri ile ilgili yetersizlikler hakkında bilgiler verilmiştir. Yaşanan depremlerde oluşan hasarlar görsel olarak sunulmuştur. Literatürde kolon-kiriş birleşim bölgelerinin davranışı ile ilgili yapılan çalışmalar ayrıca özetlenmiştir. Birleşim bölgesindeki yük aktarım mekanizması, güçlendirilmemiş ve güçlendirilmiş numuneler üzerinde yapılan deneysel çalışmalar ve analitik bazı yöntemler ile ilgili bir literatür özeti verilmiştir. Güçlendirilmiş numuneler ile ilgili olarak farklı ve yeni malzemeler ile yapılan bazı güncel çalışmalar da vurgulanmıştır. 
3. Bölüm - Malzeme ve Yöntem: Bu bölüm, deneysel çalışmalar, analitik çalışmalar ve yönetmeliklerin yaklaşımları olarak üç bölüme ayrılmıştır. Deneysel çalışmalarda; deney numunelerinin tasarım detayları, güçlendirme uygulaması, malzeme deneyleri, deney düzeneği ve ölçüm sistemleri ve deney planı sunulmuştur. Analitik çalışmalarda; nonlineer statik analiz modeli ve modellemede yapılan kabuller, beton ve donatı çeliği için malzeme modelleri, kolon ve kiriş kesitleri ile birleşim bölgelerinin kapasite hesapları anlatılmıştır. Yönetmeliklerin yaklaşımları ile ilgili bölümde ise DBYBHY (2007), Eurocode-8 (2004), ACI-318 (2011), ACI-352R-02 (2002), ACI-369R-11 (2011) ve ASCE/SEI-41-13 (2013) yönetmeliklerinin birleşim bölgeleri ile ilgili provizyonları özetlenmiştir. 
4. Bölüm - Bulgular: Bu bölümde deneysel çalışmalar, analitik çalışmalar ve yönetmeliklerin yaklaşımları ile ilgili sonuçlara ve elde edilen bulgulara yer verilmiştir.
Deneysel çalışmalar sonucunda elde edilen bulgularda öncelikle numunelerin davranışları yük-yerdeğiştirme-öteleme oranı grafikleri ile sunulmuştur. Devamında her deneyin farklı öteleme oranları için hasar incelemeleri yapılmıştır. Birleşim bölgelerinin deney esnasındaki kesme şekildeğiştirmeleri ve donatı şekildeğiştirmeleri değerlendirilmiştir. Son olarak numunelerin enerji tüketme kapasiteleri hesaplanarak, deney esnasında enerji tüketimleri ve rijitliklerindeki değişim ile ilgili sonuçlar verilmiştir. Analitik çalışmalar sonucunda elde edilen bulgular üç ana bölüme ayrılmıştır. Kolon ve kirişlerin kesit kapasite hesapları ile ilgili yazılımdan alınan sonuçlar verilmiştir. Nonlineer statik analizler sonucunda elde edilen eğriler karşılaştırılarak deprem etkilerindeki performansları değerlendirilmiştir. Analitik çalışmalar sonucunda bu tip eksiklikleri olan birleşim bölgelerinin nümerik analizlerinde kullanılması için bazı katsayılar önerilmiştir. Son olarak, deney numuneleri için yönetmeliklere göre yapılan kapasite hesaplarının sonuçları verilmiştir.
5. Bölüm - Tartışma ve Sonuç: Bu bölüm, bu doktora tezi çalışmasından elde edilen sonuçlar ve öneriler olarak iki ana başlığa ayrılmıştır. Sonuçlar bölümünde deneysel çalışmadan ve analitik çalışmadan elde edilen sonuçlar özetlenmiştir. Öneriler bölümünde ise analitik çalışma neticesinde elde edilen katsayılar hakkında bilgi verilerek, bu konuda ileride yapılması öngörülen çalışmalar ve yönetmeliklerde bulunması gerekliliği düşünülen kısımlar hakkında öneriler getirilmiştir.

Abstract:
A considerable portion of the building stock in our country is in earthquake-prone zones. Depending on this fact and structural deficiencies, there is a risk of significant damage or collapse on these structures when encountering possible ground motion. The beam-column joint regions are one of the most affected regions of a structure from the seismic effects. These lateral loads acting on the structures cause cyclic loadings in the beam-column joint regions which are also called "critical regions". The regulations aim at designing these regions with adequate structural safety to safely transfer the exposed loads. 135-degree hook arrangement on the beam longitudinal reinforcements in beam-column joint regions, usage of standard/high-strength concrete and continuum of column stirrups in joint regions with an adequate spacing are the most important facts that should be considered for beam-column joint regions to safely resist the cyclic loads caused by the seismic effects with sufficient strength. However, in many existing buildings located in our country, the desired confinement effect is not satisfied because of the lack of transverse reinforcement or an insufficient amount of transverse reinforcement in the beam-column joint regions. Also in many existing structures, the beam longitudinal reinforcements are not hooked in joint regions or hooked 90 degrees. Moreover, the use of plain reinforcement bars causes easily debonding of reinforcement from concrete under cyclic loads. Considering the periods in which these structures' built, the use of low-strength concrete 
(fc ≤ 10) in constructions were widespread. Therefore, collapse occurs without reaching the bending capacities of the reinforced concrete members connected to the joint regions as a result of the deficiencies mentioned above under these conditions.
In developed countries with seismic risk, higher concrete strength and the use of ribbed bars as reinforcements are typical in the structures built in similar periods concerning our nation. Although the use of plain bars as reinforcements banned in our country, such deficiencies are still encountered in our old structures. Thus, the studies on this topic in literature including the weaknesses mentioned above is rare. It is essential to conduct new studies on this subject considering the deficiencies and weaknesses of our structures for estimating the seismic performance of existing buildings more realistically and preventing the collapse that may occur due to this. It is also necessary to conduct new studies on strengthening the weak beam-column joint regions of our existing structures with new material and methods appropriate to preclude the effects of the deficiencies mentioned above.
In this Ph.D. study, the experimental investigation on the performance of beam-column joints having low-strength concrete and plain reinforcements with various configurations (hook status of beam longitudinal reinforcements, the existence of lateral reinforcements in joint regions, etc.) under cyclic loads simulating the seismic effects is aimed. It is desired to form the specimens having similarities with the existing building stock in our country. It is also wanted to improve the seismic performance of the mentioned joint regions by strengthening with FRP (fibre reinforced polymers) materials. It is intended to try more economical and easily applicable strengthening technique and to assess the effect of this technique on overall structural performance.
Besides, an analytical study is carried out including the application of test results on structural frames built in the analysis software. The applied results are obtained from the actual beam-column joints tests. The reflection of mentioned deficiencies for beam-column joint regions in the numerical analyzes is investigated. Finally, the perspective of building codes and regulations on this subject is presented. The calculations are done for the specimens in this thesis based on the provisions of various regulations. In this context, preliminarily an experimental study is planned including the tests of 10 different specimens. The produced specimens are grouped into two series;
In the first group, five different specimens are produced which are consist of joint regions formed with a reinforced concrete beam (150 x 200 mm cross-section) and a reinforced concrete column (150 x150 mm cross-section). One of them is produced as the reference specimen. The reinforcement configuration of these specimens is varying in the beam-column joint regions.
In the second group, five more specimens are produced having the same cross-section dimensions and reinforcement configuration with the first group.	 In other words, the specimens in the second group are the pairs of the ones in the first group. The specimens in the second group are strengthened with fibre reinforced polymer (FRP) materials.
This Ph.D. study is presented under five main chapters:
1. Chapter - Introduction: The importance of the thesis subject and the aim and scope of the thesis is presented in this chapter. The details of the specimens and which type of materials will be used in the strengthening are briefly explained.
2. Chapter – General Information: In this chapter, general information is given about the deficiencies encountered in the beam-column joint regions of the existing buildings in our country. The damages occurred from the previous earthquakes are visually presented. The studies related to beam-column joint behaviour in the literature are also summarised. A literature review of the load transfer mechanism in the joint region, experimental studies on the strengthened and unstrengthened joint specimens and some analytical methods about joint regions are given. Some recent work on the strengthened specimens with different and new materials are also presented.
3. Chapter – Materials and Methods: This chapter is divided into three sections as experimental studies, analytical studies and regulations' approaches. In experimental studies; design details of test specimens, the strengthening application, material tests, test setup, measuring systems and loading pattern are presented. In analytical studies; nonlinear static analysis model and assumptions made in the modelling phase, material models for concrete and reinforcement steel, strength evaluation for column and beam sections and joint regions are explained. In the section where regulations' approaches are summarised, the provisions about joint regions in DBYBHY (2007), Eurocode-8 (2004), ACI-318 (2011), ACI-352R-02 (2002), ACI-369R-11 (2011) and ASCE/SEI-41-13 (2013) regulations are presented.
4. Chapter – The Findings: In this chapter, the results and the findings obtained from experimental studies, analytical studies and regulations' approaches are given. Firstly, the behaviour of the specimens is presented by load-displacement-drift ratio graphs in the findings obtained from the experimental studies. Each test's damage assessment was done for different drift ratios. The findings obtained during the tests about the shear strain of the joint regions and strain of the reinforcement bars are evaluated. Finally, the total energy dissipation of the specimens is calculated, and the findings gathered about the energy dissipation and rigidity change during the tests are given. The findings obtained from the analytical studies are divided into three main sections. The results gathered from the related software about the cross-sectional strength of the beam and columns are given. The seismic performance of the frames is evaluated by comparison of the curves obtained from the nonlinear static analyzes. Some coefficients are proposed for the use of the numerical analyzes of the joint regions with this kind of deficiencies as a result of the analytical studies. Finally, the results of the strength calculations made for the specimens according to the regulations are presented.
5. Chapter – Discussion and Results: This chapter is divided into two sections as the conclusions obtained from this Ph.D. study and the proposals. In the conclusions section, the results from the experimental and analytical studies are summarised. In the proposals section, general information about the coefficients proposed as a result of the analytical studies and future work suggested for this subject is given. Also, suggestions are made about the parts considered necessary to be included in the regulations.