Standart altı geniş betonarme kolonların yön değiştiren tekrarlı yükler altında davranışı, modellenmesi ve değerlendirilmesi
Behavior, modeling, and assessment of substandard wide reinforced concrete columns under reversed cyclic loads
Yazar: BİLAL SARI
Danışman: PROF. DR. ALPER İLKİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Betonarme kolon = Reinforced concrete column ; Deneysel analiz = Experimental analysis ; Deprem yönetmelikleri = Earthquake regulations ; Sayısal modelleme = Numerical modelling

Özet:
Türkiye'deki betonarme yapıların büyük çoğunluğu deprem etkilerine uygun olarak tasarlanmamıştır. Yetersiz sargılama, yüksek eksenel yük oranı ve düşük beton dayanımı gibi özelliklere sahip betonarme elemanlar geçmiş depremlerde yapıların göçmesine ve can kayıplarına yol açmışlardır. Bu tip elemanlardan birisi, Türkiye'de kullanımı sıklıkla görülen geniş betonarme kolonlardır. Literatürdeki çok sayıda betonarme kolon çalışmasını içeren ve bazı yönetmeliklerin temel aldığı veri tabanları incelendiğinde: kolonların büyük çoğunluğunun kare kesite, normal beton dayanımına ve düşük eksenel yük oranına sahip oldukları görülmüştür. Benzer sonuçlar düz donatılı betonarme kolon çalışmalarının derlendiği bir veri tabanında da ortaya konulmuştur. 
Bu çalışmada standart altı geniş betonarme kolonların deprem davranışının anlaşılması, deprem davranışını yansıtacak şekilde numerik analizinin yapılması ve mevcut deprem yönetmeliklerine göre değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Bu çalışma ayrıca, eş zamanlı olarak yapılan güçlendirme çalışması için referans niteliğindedir.
Bölüm 2'de deneysel çalışma ele alınmıştır. Toplam yedi adet tam ölçekli konsol kolonu içeren çalışmada, beş farklı enkesit en-boy oranı (1, 2, 3, 4, 5) ve iki farklı eksenel yük oranı (%35, %60) parametreleri incelenmiştir. Enkesit en-boy oranının elemanların deformasyon yeteneği üzerindeki asıl etkisi kesme açıklığı/etkili derinlik oranını etkilemesinden kaynaklanmaktadır. Bu doğrultuda, tüm numunelerin kesit genişliği 200 mm olarak sabit tutulup kesit derinlikleri enkesit en-boy oranına göre belirlenirken, numune boyları değiştirilerek kesme açıklığı/etkili derinlik oranına müdahale edilmiştir. Enkesit en-boy oranı 1 ve 2 olan numuneler özdeş kesme açıklığı/etkili derinlik oranına sahipken, diğer numunelerde enkesit en-boy oranı arttıkça kesme açıklığı/etkili derinlik oranı azalmaktadır. Tüm numunelerde düşük beton dayanımı, 90 derece kancalı ve geniş aralıklı enine donatılar kullanılmıştır. Enine ve boyuna donatılar düz yüzeylidir. Standart altı elemanlarda görülen soğuk derz oluşumunu sağlamak amacıyla farklı zamanlarda temel ve kolon beton dökümleri yapılmıştır. Numuneler sabit eksenel ve yön değiştiren tekrarlı yatay yükler altında test edilmiştir. Deneyler, numunelerin yük taşıma kapasitelerini kaybettikleri noktaya ulaşıncaya dek sürdürülmüştür.
Eksenel yük oranı arttıkça numunelerin deformasyon yeteneği büyük ölçüde azalmaktadır. Buna ek olarak, kesme açıklığı/etkili derinlik oranı azaldıkça da deformasyon yeteneğinde azalım eğilimi görülmektedir. Fakat bu azalım, eksenel yük oranı etkisindeki kadar açık değildir. Numunelerin yerdeğiştirme bileşenleri incelendiğinde: sıyrılma deformasyonunun kesme açıklığı/etkili derinlik oranı arttıkça ve eksenel yük oranı azaldıkça artış gösterdiği, kesme deformasyonunun ise kesme açıklığı/etkili derinlik oranı azaldıkça artış gösterdiği görülmüştür. 
Düz donatılı kolon çalışmalarında belirtilen seyrek çatlak oluşumu bu çalışmada da görülmüş, numunelerde sadece iki seviyede eğilme ya da eğilme-kesme çatlakları gözlemlenmiştir. Temel-kolon birleşim bölgesinde, eksenel yük oranı düşük olan numunelerde daha geniş oldukları tespit edilen çatlaklar görülmüştür. Bu çatlaklar donatı sıyrılma mekanizmasının etkinliğini göstermektedir. Numunelerde görülen eğilme-kesme çatlakları kesme deformasyonlarının oluşumuna işaret etse de bu deformasyonlar çoğunlukla ihmal edilebilecek düzeyde kalmıştır. Numunelerin yük taşıma kapasiteleri kaybolmadan bir çevrim önce ya da yük taşıma kapasiteleri kaybolurken, boyuna donatılarda burkulmalar görülmüştür. Eksenel yük oranı büyük olan numunelerde, temelin yarattığı sınırlayıcı etkiden kaynaklı olarak, hasarın ikinci etriye aralığında yoğunlaştığı görülmüştür.
Bölüm 3'te numerik çalışmaya yer verilmiştir. Numunelerdeki toplam deformasyonun eğilme, donatı sıyrılma ve kesme deformasyonları olarak üç ayrı bileşenden oluştuğu kabul edilmiştir. Eğilme deformasyonunda yayılı plastik davranışı dikkate alan kuvvet tabanlı sonlu eleman modeli, donatı sıyrılma deformasyonunda sabit aderans gerilmesini kullanan bir makro model, kesme deformasyonunda ise değiştirilmiş basınç alanı teorisini uygulayan bir kesit analizi programı kullanılmıştır. 
Numerik uygulama açık kaynak kodlu bir yazılım olan OpenSees üzerinde yapılmıştır. Numunelerin çevrimsel davranışını yansıtabilmek için malzeme modellerinde ve kullanılan elemanlarda histeretik özelliklere dikkat edilmiştir. Numune kesitleri liflerine ayrıklaştırılmış: sargılı ve sargısız beton için ConcreteCM, donatı çeliği için burkulmayı da dikkate alan ReinforcingSteel malzemeleri kullanılmıştır. Eğilme deformasyonu için kullanılan kuvvet tabanlı kiriş-kolon sonlu elemanlarında görülen lokalizasyon probleminin önüne geçebilmek için plastik mafsal integrasyon şemaları uygulanmıştır. Donatı sıyrılma deformasyonu bir dönme yayı, kesme deformasyonu ise bir öteleme yayı aracılığıyla temsil edilmiştir. Kesme deformasyonları çoğunlukla ihmal edilebilecek düzeyde kaldıkları için monotonik olarak dikkate alınmıştır. Numune modelleri oluşturulduktan sonra deneysel yükleme protokolü altında analizleri yapılmıştır.
Numerik analizden elde edilen yük-deformasyon ilişkileri, deneysel çalışmadan elde edilen ilişkilerle oldukça benzerdir. Numunelerin yatay yük kapasiteleri ve rijitlik azalımları deneysel çalışma ile örtüşmektedir. Nihai öteleme oranları ve yük taşıma kapasitelerinin kaybolduğu noktalar, çevrimsel dayanım kayıpları, yükleme boşaltımları ve kalıcı yerdeğiştirmeler oldukça başarılı bir şekilde tahmin edilebilmiştir. Eğilme davranışının modellenmesinde plastik mafsal integrasyon şemalarıyla birlikte kullanılan kuvvet tabanlı kiriş-kolon sonlu elemanları, bu başarının yakalanmasındaki ana etmendir. Donatı sıyrılmasından kaynaklı dönmeler incelendiğinde, tutarlı sonuçların elde edildiği görüşmüştür. Kesme etkilerinin en baskın olduğu enkesit en-boy oranı 5 olan numunede, kesme çatlağının yaşandığı kuvvet doğru tahmin edilirken, elde edilen kesme deformasyonunun deney verisinden daha düşük seviyede kaldığı görülmüştür. Bu duruma kesme deformasyonu hesabı için kullanılan kesit analizi yaklaşımının, kesme açıklığı/etkili derinlik oranı küçük olan elemanlarda beklenenden daha düşük değerler vermesi neden olmuştur.
Bölüm 4'te mevcut betonarme yapıların değerlendirilmesinde kullanılan ASCE 41-17, Eurocode 8 – Bölüm 3 (EC8-3), Yeni Zelanda Yönetmeliği Bölüm C5 ve Revizyonu (NZG-C5 ve NZG-C5R) ile Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (TBDY) ele alınmıştır. Her bir yönetmelikte öncelikle mevcut malzemelerin dikkate alınışı ve varsa malzeme modelleri incelenmiştir. Ardından, yönetmeliklerin karşılaştırılmasında kullanılan akma ve nihai öteleme oranlarını veren performans seviyelerine bakılmıştır. Son olarak, yönetmeliklerde verilen kesme kapasitesi modelleri incelenmiştir.
Yönetmeliklere göre hesaplanan akma öteleme oranları, deneysel akma öteleme oranları ile kıyaslandığında, EC8-3 ve TBDY çok daha büyük, NZG-C5R daha büyük, ASCE 41-17 ve NZG-C5 daha küçük sonuçlar vermiştir. En başarılı sonuç, 1.10 deney/yönetmelik akma öteleme oranı ortalamasına sahip ASCE 41-17 ile elde edilmiştir.
Yönetmeliklere göre hesaplanan nihai öteleme oranları değerlendirildiğinde, ASCE 41-17 çok güvensiz, EC8-3'teki istatistik tabanlı ifade güvensiz, TBDY güvenli, EC8-3'teki mekanik tabanlı ifade ve NZG-C5R çok güvenli, NZG-C5 aşırı güvenli tarafta kalan sonuçlar vermiştir. En başarılı sonuç, 1.30 deney/yönetmelik nihai öteleme oranı ortalamasına sahip TBDY ile elde edilmiştir. Bununla birlikte, eksenel yük oranı büyük olan numunelerde TBDY'de verilen şekildeğiştirme limitlerinin güvensiz tarafta oldukları görülmüştür. Bu duruma rağmen nihai öteleme oranlarında güvenli tarafta kalınmasına, plastik dönme limitinde kullanılan güvenlik katsayıları yol açmıştır.
Yönetmeliklerde birbirinden farklı kesme kapasitesi modelleri kullanılsa da ilave malzeme güvenlik katsayıları dikkate alınmadığında, elde edilen kesme kuvveti oranlarının birbirlerine yakın oldukları görülmüştür.

Abstract:
Most of Turkey's reinforced concrete structures are not designed according to the effects of earthquakes. Reinforced concrete elements with features such as insufficient confinement, high axial load ratio, and low concrete strength have caused the collapse of structures and loss of life in past earthquakes. One of such elements is the wide reinforced concrete columns, which are frequently used in Turkey. When the databases, which include many reinforced concrete column studies in the literature and on which some codes are based, are examined, it is seen that most columns have a square cross-section, normal concrete strength, and low axial load ratio. Similar results were also presented in a database of reinforced concrete columns with plain (smooth) reinforcement.
This study aims to understand the earthquake behavior of substandard (nonconforming) wide reinforced concrete columns, perform numerical analysis to reflect the earthquake behavior, and assess them according to the current earthquake codes. This study also serves as a reference for a simultaneous strengthening study.
Experimental work is discussed in Chapter 2. Five different cross-sectional aspect ratios (1, 2, 3, 4, 5) and two different axial load ratios (35%, 60%) parameters were investigated in the study, which includes a total of seven full-scale cantilever columns. The main effect of the cross-sectional aspect ratio on the deformation ability of the elements is due to its effect on the shear span/effective depth ratio. In this direction, while the section width of all specimens was kept constant at 200 mm and the section depths were determined according to the cross-sectional aspect ratio, the shear span/effective depth ratio was intervened by changing the specimen lengths. Specimens with cross-sectional aspect ratios 1 and 2 have identical shear span/effective depth ratios. In other specimens, the shear span/effective depth ratio decreases as the cross-sectional aspect ratio increases. All specimens used low concrete strength, 90-degree hooks, and wide-spacing transverse reinforcements. Transverse and longitudinal reinforcements are plain-surfaced. In order to ensure the cold joint formation seen in substandard elements, foundation and column concrete castings were made at different times. The specimens were tested under constant axial and reversed cyclic loads. The experiments were continued until the specimens reached the point where they lost their load-carrying capacity.
As the axial load ratio increases, the deformation ability of the specimens is significantly reduced. In addition, the deformation ability tends to decrease as the shear span/effective depth ratio decreases. However, this reduction is not as apparent as in the axial load ratio effect. When the displacement components of the specimens are examined, it is seen that the slip deformation increases as the shear span/effective depth ratio increases and the axial load ratio decreases, while the shear deformation increases as the shear span/effective depth ratio decreases.
The sparse crack formation, which was noted in studies of reinforced concrete columns with plain bars, was also observed in this study. Flexure or flexure-shear cracks were observed in the specimens only at two elevation levels. In the foundation-column interface, cracks were observed to be wider in the specimens with a low axial load ratio. These cracks show the effectiveness of the reinforcement slip mechanism. Although the flexure-shear cracks observed in the specimens indicate the formation of shear deformations, these deformations mostly remained at a negligible level. One cycle before the load-bearing capacity of the specimens was lost or while their load-bearing capacity was lost, buckling was observed in the longitudinal reinforcements. In specimens with a high axial load ratio, it was observed that the damage was concentrated in the second stirrup spacing due to the restraint effect created by the foundation.
Numerical work is given in Chapter 3. It has been accepted that the specimens' total deformation consists of three components: flexural, reinforcement slip, and shear deformations. A force-based finite element model that considers the distributed plastic behavior in flexural deformation, a macro model that uses uniform bond stress in reinforcement slip deformation, and a section analysis program that applies modified compression field theory in shear deformation are used.
The numerical application was made on OpenSees, an open-source software. In order to reflect the cyclic behavior of the specimens, attention was paid to the hysteretic properties of the material models and the elements used. Specimen sections were discretized into fibers: ConcreteCM was used for confined and unconfined concrete, and ReinforcingSteel was used for steel, which also accounted for buckling. Plastic hinge integration schemes have been applied to avoid the localization problem in force-based beam-column finite elements used for flexural deformation. Reinforcement slip deformation is represented by a rotational spring, and shear deformation is represented by a translational spring. Since shear deformations are usually negligible, they are considered monotonic. After the specimen models were created, they were analyzed under the experimental loading protocol.
The load-deformation relationships obtained from the numerical analysis are similar to those obtained from the experimental study. The specimens' lateral load capacities and stiffness reductions are consistent with the experimental study. Ultimate drift ratios and points of loss of load-carrying capacity, cyclic strength degradations, unloading stiffnesses, and residual displacements can be predicted quite successfully. The force-based beam-column finite elements used together with plastic hinge integration schemes in modeling the flexural behavior are the main factors in achieving this success. When the rotations caused by reinforcement slip were examined, it was seen that consistent results were obtained. In the specimen with a cross-sectional aspect ratio of 5, where shear effects are most dominant, the force at which shear cracking was predicted correctly, and it was observed that the shear deformation obtained was lower than the experimental data. This situation was caused by the section analysis approach used for shear deformation calculation to give lower values than expected for elements with a small shear span/effective depth ratio.
In Chapter 4, ASCE 41-17, Eurocode 8 - Part 3 (EC8-3), New Zealand Guideline Part C5 and its Revision (NZG-C5 and NZG-C5R), and Turkey Building Earthquake Code (TBEC), which are used in the assessment of existing reinforced concrete structures, are discussed. In each code, the consideration of existing materials and material models, if any, were examined. Then, the performance levels that give the yield and ultimate drift ratios used in comparing the codes are examined. Finally, the shear capacity models given in the codes were examined.
EC8-3 and TBDY were much larger, NZG-C5R larger, ASCE 41-17, and NZG-C5 smaller when the yield drift ratios calculated according to the codes were compared to the experimental yield drift ratios. The most successful result was ASCE 41-17, with a mean experiment/code yield drift ratio of 1.10.
When the ultimate drift ratios calculated according to the codes are evaluated, ASCE 41-17 is very unsafe, statistical-based expression in EC8-3 is unsafe, TBDY is safe, mechanically-based expression in EC8-3, and NZG-C5R is very safe, NZG-C5 is extremely safe. The most successful result was obtained with the TBDY, which has an average of 1.30 experiment/code ultimate drift ratio. However, the strain limits given in TBDY were found to be on the unsafe side for specimens with high axial load ratios. Despite this situation, the safety coefficients used in the plastic rotation limit caused the ultimate drift ratios to remain on the safe side.
Although different shear capacity models are used in the codes, it has been observed that the shear force ratios obtained are close to each other when the additional material safety coefficients are not considered.