Betonarme kolonların darbe etkisi altında performansının ve artık kapasitenin belirlenmesi
Determination of the performance and residual capacity of reinforced concrete columns under impact effect
Yazar: ABDULLAH CENGİZ
Danışman: PROF. DR. METİN AYDOĞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Betonarme yapılar işlevine göre değişen kullanım ömürleri boyunca üzerine
gelebilecek yükler düşünülerek, mevcut yönetmelikler göz önüne alınarak
tasarlanırlar. Yapıya sürekli olarak etki eden zati yükler ve hareketli yüklerden başka
rüzgar yükleri, deprem yükleri gibi dinamik etkiler de tasarımda göz önüne alınan
yükler arasındadır. Taşıyıcı sistemlerin tasarımında göz önüne alınan bu yükler
dışında, konumu veya kullanım fonksiyonu farklı olan yapıların bilinenden farklı
risklere maruz kalması da olasıdır. Köprüler, viyadükler, otoparklar veya yol
güzergahında bulunan yapılar sıklıkla araç çarpmalarına maruz kalabilmektedir.
Yapılan az sayıda çalışmaya rağmen betonarme kolonların darbe etkisi altındaki
davranışı tam olarak ortaya konulamamıştır.
Bu tez çalışması kapsamında eksenel yüklü betonarme kolonların farklı enerji
düzeylerinde uygulanan darbe etkisi altındaki davranışı incelenerek darbe etkisi
sonrası artık taşıma kapasiteleri belirlenmiştir. Farklı eksenel yük düzeyleri altında
farklı darbe enerjisine maruz kalan numunelerin davranışının belirlenmesi amacıyla
sayısal modeller oluşturularak analiz edilmiştir. Bu tez çalışması kapsamında yapılan
araştırma tam ölçekli, eksenel yüklü betonarme kolonların darbe etkisi altındaki artık
taşıma kapasitelerinin deneysel olarak incelendiği ilk araştırmadır.
Tez çalışmasının ilk bölümünde çalışmanın konusu ve kapsamı açıklanmıştır. İkinci
bölümde, darbe etkisi altında betonarme yapı elemanlarının davranışının deneysel ve
sayısal olarak araştırıldığı çalışmalar sunulmuştur. Literatürde bulunan çalışmaların
birçoğunun ölçekli numuneler üzerinde yapıldığı, eksenel yük etkisinin çoğunlukla
ihmal edildiği saptanmıştır. Bununla birlikte darbenin etkitildiği kolon bölgesindeki
farklılıkların davranışı değiştirdiği görülmüştür. Darbe sonrası artık kapasitelerin
deneysel olarak incelendiği az sayıda çalışmanın ölçekli numuneler üzerinde
gerçekleştirilmiş olduğu, bu çalışmalarda darbe uygulanan bölgenin kolon üst veya
orta bölgesinden gerçekleştirildiği tespit edilmiştir.
Çalışmanın bir sonraki kısmında deney programı açıklanmıştır. Çalışma kapsamında
30x30x320 cm boyutunda ve geleneksel betonarme kolonları temsil edecek donatı
konfigürasyonunda numuneler üretilmiştir. Donatılara gerinim ölçerler yerleştirilerek
birim şekildeğiştirme ölçümlerinin yapılması sağlanmıştır. Deneysel çalışma, iki çelik
reaksiyon duvarı arasına yerleştirilen statik ve dinamik yükleme sistemleri yardımıyla
gerçekleştirilmiştir. Kolonlar reaksiyon duvarları arasında bulunan biri kayıcı, diğeri
sabit mesnetler üzerine yatay olarak yerleştirilmiştir. Bu mesnetler üzerinde bulunan
yük ölçerler yardımıyla mesnet tepkileri ölçülmüştür. Batı reaksiyon duvarından
hidrolik kriko yardımıyla 270 kN sabit eksenel yük uygulanmış ve bu kriko ucuna yük
kontrolünün sağlanması amacıyla yük ölçer yerleştirilmiştir. Kolon alt bölgesine 50
cm ara ile yerleştirilen potansiyometrelerden yerdeğiştirme ölçümleri yapılmıştır.
Darbe yükü, içinde kılavuz rayları bulunan çelik kule içinden darbe ağırlığının serbest düşürülmesiyle oluşturulmuştur. Statik yükleme ise yine darbe uygulanan bölgeye
kurulan yükleme sisteminde hidrolik kriko yardımıyla yapılmıştır. Bu kriko ucuna da
yük ölçümünün yapılması amacıyla yük ölçer yerleştirilmiştir. Tüm ölçümler dinamik
ve statik veri toplama sistemleri ve yazılımları aracılığıyla yapılmıştır. Deneyler
esnasında eksenel yük ölçümleri, mesnet tepkileri, yerdeğiştirmeler ve donatılarda
oluşan birim şekildeğiştirmeler ölçülerek çatlak şekilleri ve hasar durumları
incelenmiştir.
İlk olarak referans numune üzerinde statik yükleme deneyi yapılmıştır. Statik
yükleme, darbe uygulanan bölge ile aynı noktadan gerçekleştirilmiştir. Deney
sonucunda numunenin 176.9 kN yük taşıma kapasitesinde olduğu görülmüştür. Bu
deneyde numune 81 mm yerdeğiştirmeye ulaştıktan sonra betonda ezilmelerin
başlamasıyla yükleme sonlandırılmış ve 71 mm kalıcı yerdeğiştirmeye ulaşıldığı
saptanmıştır. Deney esnasında gerinim ölçerlerden alınan birim şekildeğiştirme
değerlerinden numunenin eğilme baskın davranış gösterdiği anlaşılmıştır.
İkinci olarak, referans numune ile eşdeğer numuneler üzerinde darbe deneyleri
yapılmıştır. Bu deneylerde darbe etkisi, farklı darbe enerjisine karşılık gelecek şekilde,
585 kg ağırlığındaki cismin 2.0, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0 metre yüksekliklerden serbest
düşürülmesiyle oluşturulmuştur. Başlangıçta sabit 270 kN olarak uygulanan eksenel
yükün darbe esnasında kısa süre içinde çok yüksek değerlere ulaştığı görülmüştür.
Eksenel yük düzeyi, deney sonucunda, hasar düzeyi yüksek numunelerde başlangıç
düzeyinin altına gerilerken az hasarlı numunelerde başlangıçtaki değere yakın değerler
almıştır. Darbenin uygulandığı bölgenin mesnet tepkileri üzerinde önemli rol oynadığı
görülmüştür. Darbe uygulanan bölgeye yakın konumda bulunan mesnette diğer
mesnetten daha büyük değerlere ulaşılmıştır. Bununla birlikte toplam mesnet tepkileri,
uygulanan darbe enerjileri birbirinden farklı olsa da, neredeyse tüm numunelerde
benzer değerlerde seyretmiştir. Darbe enerjisinin artmasıyla birlikte numuneler ağır
hasar alana kadar yerdeğiştirmelerin arttığı görülmüştür. Uygulanan darbe enerjisi
görece yüksek olan numunelerde, davranış kesme baskın davranışa doğru dönüşürken,
yerdeğiştirmeler de yaklaşık olarak aynı seviyede ölçülmüştür. Düşük darbe enerjisi
uygulanan numunelerde eğilme hasarları görülürken darbe enerjisi arttıkça kesme
çatlakları artmış, nihai olarak en yüksek darbe enerjisine ulaşıldığında numune kesme
göçmesiyle hasar almıştır. Uygulanan darbe enerjisinin artmasıyla birlikte boyuna
donatılar ve etriyeler akmaya erişmiş, boyuna donatılarda burkulmalar gözlenmiştir.
Deneysel çalışmanın son aşamasında darbe hasarlı numuneler üzerinde artık
kapasitelerin belirlenmesi amacıyla statik yükleme deneyleri yapılmıştır. Bu deneyler
sonucunda, uygulanan darbe enerjisinin artmasıyla birlikte yük taşıma kapasiteleri
önemli ölçüde azalmıştır. 22.96 kJ darbe enerjisi uygulanan numunede yük taşıma
kapasitesi referans numunenin yük taşıma kapasitesinin yaklaşık olarak yarısı değerine
kadar azalmıştır. Numunelerin rijitlikleri de darbe etkisiyle birlikte azalmıştır.
Referans numunenin sekant rijitliği 15.5 Gpa olmasına karşın bu değer 22.96 kJ darbe
enerjisine maruz kalan kolon için 5.9 Gpa değerine kadar azalmıştır. Başlangıçta 81
mm maksimum yerdeğiştirme kapasitesi bulunan referans numunede yerdeğiştirme
kapasitesi 37.8 mm'ye kadar düşmüştür. Yük taşıma kapasitesi ve yerdeğiştirme
kapasitesi büyük ölçüde azalan darbe hasarlı numunelerin enerji yutma kapasiteleri de
benzer şekilde azalmıştır. Darbe enerjisindeki artışla birlikte dinamik enerji yutma
kapasitesi %56'dan %76'ya yükselirken, statik enerji yutma kapasitesindeki kayıp
%53'ten %82'ye yükselmiştir. 
Tez çalışmasında yer alan sayısal analiz bölümünde, deneysel olarak incelenen
numunelerle aynı özelliklere sahip numunelerin farklı eksenel yük düzeyleri altındaki
davranışı incelenmiştir. Bu bölümde eksenel yüksüz durumla birlikte %10, %20, %30,
%40 ve %50 oranında eksenel yük düzeylerindeki kolonların farklı darbe enerjileri
altındaki davranışı incelenmiştir. Kurulan sonlu eleman modelleriyle deneysel analiz
sonuçlarının kabul edilebilir seviyede benzeştiği ortaya konmuştur. Özellikle mesnet
tepkileri, hasar şekilleri ve donatı birim şekildeğiştirmelerinde sonlu eleman
modellerinin deneysel sonuçlarla örtüştüğü görülmüştür. Sayısal analizlerde darbe
enerjisindeki ve eksenel yük düzeyindeki artışın mesnet reaksiyonları üzerinde kayda
değer bir etkisinin olmadığı görülmüştür. Bununla birlikte aynı eksenel yük
düzeyindeki numunelere uygulanan darbe enerjisi arttıkça yerdeğiştirmelerin de arttığı
görülmüştür. Uygulanan darbe enerjisinin eşit olduğu numunelerde eksenel yük düzeyi
arttıkça, betonarme kolon üzerindeki gerilmelerin ve yerdeğiştirmelerin azaldığı
saptanmıştır. Ancak belirli bir eksenel yük düzeyinden sonra, artan yerdeğiştirmelerle
birlikte, boyuna donatıların burkulması sonrasında numunelerin göçme bölgesine
geçtiği görülmüştür. Bu nedenle gerilmeler ve yerdeğiştirmeler küçük olsa da eksenel
yük düzeyi küçük olan numunede hasar oranı düşükken eksenel yük oranı yüksek olan
numunenin göçme durumuna geçebildiği saptanmıştır.

Abstract:
Reinforced concrete structures are designed considering the loads that may occur
during their lifetime and taking into account current regulations. In addition to dead
loads and live loads that affect the structure, dynamic effects such as wind loads and
earthquake loads are also among the loads taken into account in the design. Apart from
these loads taken into consideration in the design of the structural systems, it is also
possible that structures with different locations or usage functions may be exposed to
different risks than known. Bridges, viaducts, parking lots or structures located on the
road route may frequently be subject to vehicle collisions. Despite a small number of
studies, the behavior of reinforced concrete columns under impact has not been fully
revealed.
Within the scope of this thesis, the behavior of axially loaded full scale reinforced
concrete columns was examined under impact applied at different energy levels and
their post-impact residual capacities was determined. Numerical models were created
and analyzed to determine the behavior of specimens exposed to different impact
energy under different axial load levels. The research conducted within the scope of
this thesis is the first experimental research in which the post-impact residual capacity
of full-scale, axially loaded reinforced concrete columns under impact.
In the first chapter of the thesis, the subject and scope of the study are explained. In
the second chapter, studies in which the behavior of reinforced concrete structural
elements under impact are investigated experimentally and numerically are presented.
It has been determined that most of the studies in the literature were conducted on
scaled specimens and the axial load effect was mostly neglected. In addition, it has
been observed that differences on location of impacted area is change the behavior. It
has been determined that a few studies examining post-impact residual capacities
experimentally have been carried out on scaled specimens. Also these studies, the
impact area was upper or middle region of the column.
In the next part of the study, the experimental program is explained. Within the scope
of the study, specimens were prepared with a size of 30x30x320 cm and a
reinforcement configuration that would represent conventional reinforced concrete
columns. Strain gauges were placed on the reinforcement and strains were measured.
The experimental study was carried out with the help of static and dynamic loading
systems placed between two steel reaction walls. The columns are placed horizontally
on two supports, one on roller supports and the other on fixed supports, located
between the reaction walls. Support reactions were measured with the help of loadcells
on these supports. A constant axial load of 270 kN was applied from the western
reaction wall with the help of a hydraulic jack, and a loadcell was placed at the end of
this jack to ensure load control. Displacement measurements were made from potentiometers placed at 50 cm intervals at the bottom of the column. The impact load
is created by freely dropping the impactor through a steel tower with guide rails inside.
Static loading was applied with the help of a hydraulic jack installed in the area where
the impact was applied. A loadcell is placed at the end of this jack to measure the load.
All measurements were made with dynamic and static data acquisition systems and
softwares. During the experiments, loads, support reactions, displacements and rebar
strains were measured. Crack maps and failure modes were examined.
Firstly, a static loading test was performed on the reference specimen. As a result of
the experiment, it was seen that the specimen had a load carrying capacity of 176.9
kN. In this test, after the specimen reached a displacement of 81 mm, the loading was
terminated with the beginning of crushing in the concrete and it was determined that a
residual displacement was 71 mm. It was understood from the strain values taken from
the strain gauges that the specimen have a flexure dominant behavior.
Secondly, impact tests were carried out on equivalent specimens to the reference
specimen. In these experiments, the impact effect was created by free dropping a 585
kg impactor from heights of 2.0, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 5.0 meters, corresponding to
different impact energy. It was observed that the axial load, initially applied as a
constant 270 kN, reached very high values in a short time during the impact. As a result
of the experiment, the axial load level decreased below the initial level in the
specimens with high damage levels, while it reached values close to the initial value
in the specimens with less damage. It has been observed that the region where the
impact is applied plays an important role on the support reactions. Greater values were
reached at the support located close to the impact area than at the other. However, the
total support responses remained at similar values in almost all specimens, even though
the applied impact energies were different. It was observed that as the impact energy
increased, the displacements increased until the specimens were severely damaged. In
specimens with relatively high applied impact energy, the behavior changed towards
shear-dominated behavior, while the displacements were measured at approximately
the same level. While flexural damages were observed in the specimens to which low
impact energy was applied, shear cracks increased as the impact energy increased.
When the highest impact energy was reached, the specimens was damaged by shear
failure. With the increase in the applied impact energy, the longitudinal reinforcements
and stirrups reached yielding. Also buckling was observed in the longitudinal
reinforcements.
In the final stage of the experimental study, static loading tests were carried out on
impact damaged specimens to determine the residual capacities. As a result of these
experiments, the load carrying capacities decreased significantly with the increase of
the applied impact energy. In the specimen to which 22.96 kJ impact energy was
applied, the load carrying capacity decreased to approximately half of the load carrying
capacity of the reference specimen. The stiffness of the specimens also decreased with
the impact effect. Although the secant stiffness of the reference sample was 15.5 Gpa,
this value decreased to 5.9 Gpa for the column exposed to 22.96 kJ impact energy. In
the reference specimen, which initially had a maximum displacement capacity of 81
mm, the displacement capacity decreased to 37.8 mm. The energy absorption capacity
of impact damaged specimens, whose load carrying capacity and displacement
capacity decreased significantly, also decreased similarly. With the increase in impact
energy, the dynamic energy absorption capacity increased from 56% to 76%, while the
loss in static energy absorption capacity increased from 53% to 82%.
In the numerical analysis section of the thesis study, impact behavior of specimens
under different axial load levels was examined. In this section, the behavior of columns
under different impact energies at 0%, 10%, 20%, 30%, 40% and 50% axial load levels
are examined. It has been observed that the developed finite element model results and
experimental analysis results are similar at an acceptable level. It has been revealed
that the finite element models are a good agreement with the experimental results,
especially in support reactions, damage patterns and rebar strains. Numerical analyzes
showed that the increase in impact energy and axial load level did not have a significant
effect on the support reactions. However, at the same axial load level, it has been
observed that as the impact energy increases, the displacements also increase. It has
been determined that, at the same impact energy level, as the axial load level increases,
the stresses and displacements on the reinforced concrete column decrease. However,
it was observed that the specimens collapse after the longitudinal reinforcements
buckled with increasing displacements after a certain axial load level. For this reason,
although the stresses and displacements are small, specimens with a high axial load
level can collapse.