Düşük süneklikli betonarme çerçevelerin güçlendirilmesinde ince çelik levhaların kullanımı
Use of thin steel infill plates for seismic retrofit of low ductile reinforced concrete frames
Yazar: EKİN ŞİMŞEK
Danışman: YRD. DOÇ. DR. CÜNEYT VATANSEVER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Sismik güçlendirme = Seismic strengthening ; Yapısal güçlendirme = Structural empowerment ; Çelik levhalar = Steel plates ; İnşaat mühendisliği = Civil engineering

Özet:
Deprem kuşağında yer alan ülkemizde, özellikle İstanbul gibi büyük şehirlerdeki yapı stoğunun önemli bir kısmı kalitesiz malzeme kullanımı, yeterli ve gerekli mühendislik hizmetini almamış olması veya bu hizmeti almış olsa dahi günümüz standart ve yönetmeliklerinde ön görülen performans düzeylerine ulaşamaması sebebiyle insan hayatı açısından risk arz etmektedir. Bu nedenle, söz konusu yapıların belirlenen performans düzeylerine ulaşmalarını sağlamak amacıyla güçlendirme uygulamaları yapılmakta ve mevcut elemanlara ek olarak yeni yatay yük taşıyıcı sistemler ilave edilmektedir. Hedeflenen performansa ulaşmak için, bina türü yapılarda en çok tercih edilen güçlendirme tipleri kuşkusuz ki betonarme perdeler ve çelik çaprazlı sistemlerdir. Bu geleneksel yöntemlerin, yapının güçlendirilmesinde etkili oldukları ispatlanmış olsa da, özellikle betonarme perdelerin mevcut yapıya eklenmesindeki zorluklar ve yapıya kattıkları ilave ağırlıklar nedeniyle yeni güçlendirme metodları geliştirilmeye çalışılmaktadır. Hem uygulama kolaylığı, hem de diğer yöntemlere kıyasla ağırlığının düşük olması sebebiyle, ince çelik levhalar ile oluşturan yatay yük taşıyıcı sitemler bu anlamda ön plana çıkmaya başlamıştır. Son yıllarda ince çelik levhalar kullanılarak teşkil edilmiş perde sistemler, çeşitli ülkelerde meydana gelen birçok depremde sünek davranış sergilemiş ve iyi bir performans göstermiştir. Bu durum ince çelik levhalı yatay yük taşıyıcı sistemlerin mevcut binaların güçlendirilmesinde de kullanılabileceğinin bir göstergesi olmuştur. Bu amaçla ince çelik levhalar ile oluşturulan perde sistemlerin davranışları ve yine bu sistemlerin mevcut betonarme çerçevelerle birlikte deprem yükleri gibi yatay yükler karşındaki davranışları konusunda araştırmalar devam etmektedir.
Yüksek lisans tezi olarak sunulan bu çalışmada, yukarıda belirtilen araştırmalara paralel olarak, tek açıklıklı, süneklik düzeyi düşük bir betonarme çerçevenin, ince çelik levhalar kullanılarak güçlendirilmesi sonrası yatay yük taşıma kapasitesi, enerji yutma kapasitesi ve sağladığı rijitlik özelliklerinde meydana gelen değişimler kuramsal ve deneysel olarak incelenmiştir. Bu amaçla biri betonarme yalın çerçeve, diğer ikisi ise ince çelik levhalarla güçlendirilmiş üç çerçeve analitik olarak modellenmiş ve deneysel çalışmalarda kullanılmak üzere bu üç çerçeveyi temsil eden numuneler hazırlanmıştır.
Söz konusu çerçeveler tipik tek katlı bina türü betonarme bir yapıya ait moment çerçevesinin ½ oranında ölçeklendirilmiş hali olup, kiriş açıklıkları 1,700m, kat yükseklikleri 1,525m'dir. Çerçeve kolon boyutları 0.25mx0.20m, kiriş boyutları 0.325mx0.200m'dir. Ayrıca kiriş eleman üzerinde, döşeme etkilerini de göz önüne almak amacıyla 0.82mx0.12m boyutlarında bir tabla bulunmaktadır.  Çerçeveye ait temelin boyutları ise 3mx0.6mx0.5m'dir. Betonarme çerçevede kullanılan malzemelerin dayanımları, ülkemizde özellikle güçlendirmeye ihtiyaç duyan 30 yaş üstü betonarme yapılarda sıklıkla karşılaşıldığı gibi, beton için eksenel basınç dayanımı 10Mpa, donatı çeliği için ise eksenel çekme dayanımı yaklaşık olarak 220Mpa olarak belirlenmiştir.  Numunelerde mesnet bölgelerinde etriye sıklaştırması yapılmamış olup, kullanılan tüm donatılar nervürsüzdür.  Güçlendirilmiş numunelerde kullanılan ince çelik levha kalınlığı 1mm, malzeme kalitesi ise S235'dir. 
Kuramsal çalışmalarda çerçeve analizleri SAP2000 programı aracılığıyla hazırlanan sonlu eleman modeliyle ve güçlendirme levhaları için "strip modeling" yaklaşımı kullanılarak yapılmıştır.  Beton malzeme özelliklerinin programa tanıtılması amacıyla, Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik (DBYBHY)  Bilgilendirme Eki 7B'de doğrusal elastik olmayan davranış gösteren sargısız beton için önerilen ve "Mander Modeli" olarak da bilinen malzeme modeli kullanılmıştır. Donatı çeliği de dahil olmak üzere, tüm çelik elemanlar için de aynı bölümde çelik için önerilmiş olan malzeme modeli esas alınmıştır. Kesit özellikleri ise yine SAP2000 programı Section Designer modülü aracılığıyla tanımlanmıştır. Oluşturulan güçlendirilmiş ve güçlendirilmemiş modellere doğrusal olmayan statik itme analizi uygulanarak yatay yük taşıma kapasiteleri belirlenmiştir. Çerçeve bağlantı detayları ise ince çelik levhanın akma sınır durumuna karşı gelen etkiler altında, AISC 360-2005 Çelik Yapılar Yönetmeliği'nde belirtildiği şekilde eleman kapasiteleri hesaplanılarak tahkik edilmiştir.
Deneysel inceleme amacıyla analitik modeller ile aynı özelliklere sahip üç adet çerçeve numunesi tamamiyle laboratuvar ortamında üretilmiştir Hazırlanan numunelerin yatay yük taşıma kapasiteleri İTÜ Yapı ve Deprem Mühendisliği Laboratuvarı'nda gerçekleştirilen deneyler sonucunda belirlenmiştir. Kuramsal ve deneysel çalışmalar sonucunda elde edilen sonuçlar karşılaştırılarak meydana gelen yatay yük taşıma kapasitesi, enerji yutma kapasitesi ve sistem rijitliği değişimleri incelenmiştir.
Yukarıda özetlenen çalışmaların anlatıldığı bu tez altı bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde giriş başlığı altında genel bilgiler sunulmuştur. Bu kısımda geleneksel güçlendirme teknikleri, ince çelik levhalı perde sistemler ve sistem modelleri hakkında açıklamalar bulunmaktadır.
Çalışmanın ikinci bölümünde, konuyla ilgili çeşitli araştırmacılar tarafından yapılan çalışmalara ilişkin özet bilgiler kronolojik sıralamaya uygun bir biçimde sunulmuştur.
Üçüncü bölümde deney öncesi hazırlık süreci, bu süreçte karşılaşılan zorluklar ile SAP200'de analitik modellerin oluşturulmasına ilişkin detaylı bilgiler, analitik çalışmalara ilişkin sonuçlar ile birlikte sunulmuştur.
Tezin dördüncü bölümünde deney numunelerinin tasarımı, birleşim bölgeleride yer alan bağlantı elemanlarının tahkiki ve deney düzeneğine ilişkin bilgilere yer verilmiştir.
Beşinci bölümde deneysel çalışmalar öncesi donatı çeliği, yapı çeliği, beton ve bulon elemanlar üzerinde gerçekleştirilen malzeme deneylerine ilişkin veriler ve elde edilen sonuçlar paylaşılmıştır.
Tezin altıncı ve yedinci bölümlerinde ise yapılan deneysel çalışmalara ilişkin gözlemler, elde edilen sonuçlar sunulmuş, analitik çalışma sonucunda elde edilen veriler karşılaştırmalı olarak sunulmuştur.

Abstract:
Turkey is located in an active earthquake zone. Therefore, earthquake resistant design of buildings and determining structure performance under seismic effects are critical points for structural engineers. In many regions in Turkey, espicially in İstanbul, most of existing buildings are in danger of collapse because of lack of engineering support and being used poor quality material. Even so some of buildings designed and constructed under control of engineers, they do not have required performance level which is stated in contemporary seismic codes. As a result of this, to improve performance level and ductility of the structure, various retrofitting methods are applied and some structural elements are added to system. For reaching demanded earthquake resistance in codes, most prefered two methods are adding new reinforced concrete shear walls and retrofitting with steel braced frames. Even if positive effects of these traditional retrofitting methos on earthquake resistance of structure are proved experimentally, new strengthening methods are researched because of application difficulties of adding reinforced concrete shear walls and additional masses transfered on existing buildings by them. At this point, the steel plate shear wall systems stand out due to ease of application and low weight. In recent years, steel plate shear walls reveal excellent performance and ductile behavior during earthquakes in several countries. These show us that shear walls which consist of thin steel infill plates are usefull for retrofitting existing buildings against seismic effects. The studies about behavior of reinforced concrete frames which are strengthened by using steel plate shear walls are proceeded.
In this study that is presented as master thesis, changes in structural properties such as story shears, energy absorption ability and rigidity of a single span low ductile reinforced concrete frame are investigated after the frame is retrofitted by using thin infill plates. Studies are carried out theoretically as well as experimentally. For that purpose, analytical models and test speciemens is prepared for three different type of frame. First of them is produced to determine structural properties of low ductile reinforced concrete frame which is not retrofitted. Other types of frames are designed as shear walls which are composed of a reinforced concrete boundary frame and thin steel infill plates. It is aimed in this study to see if an additional ductility will be provided adding steel infill plates. Difference between last two type is elements that steel infill plates conntect to. In one of them, thin steel plate is connected to all structural elements such as beam, columns and foundation which is bounded it. However, in the other type, steel infill plate is connected only to beam and foundation, not to columns. The aim here is to determine effects of retrofitting type on structural properties of a strengthened reinforced concrete frame.
These frames are ½ scaled form of one of the moment frames of a single story building. The frames have one span in length 1,700m and their story height is 1,525m. Column dimensions are 0.250mx0.200m and beam dimensions are 0.325mx0.200m. Besides, a reinforced concrete slab in dimension 0.82mx0.12m is located to top of the beam for considering slab effects on reinforced concrete frame. Foundation system is continuous footing that has 3.00m length, 0.60m width and 0.50m height. Axial compression strenth of concrete is chosen as 10MPa and axial tension strenth of rebar steel is selected as 275MPa. Given material strenths of reinforced concrete members are determined by considering low ductile behavior of existing buildings which were constructed by using poor quality material and are needed to retrofit as soon as possible. There is not any confinement zone on beam and columns. Also, all reinforcement steel elements are unribbed. Thin steel infill plate which is used in retrofitted specimens has 1mm thickness and is in S235 quality. By using all informations given above, analatical models and test speciemens are prepared.
Analytical models are developed by using SAP2000. In this process, strip modelling technique is used for modeling thin steel infill plates. According to this tecnique, steel infill plate is divided to 23 tension-only pieces (strips) which have 45o angle with horizontal axis. Each strip is connected as pinned to existing reinforced concrete beam and columns and plastic hinges are defined at strips' mid-points. As a result of using this technique, in model, beam and colum elements are diveded where they have intersection point with strip elements and plastic hinges are defined at start and end points of these column and beam parts. Foundation is not attached to analytical models and all points at which columns connect to foundation  are defined as fixed support and it is not allowed any rotation and translation. Concrete material properties are defined by using linear inelastic methods given in "Specification For Structures To Be Built In Disaster Areas Information Annex 7B" (Turkish Seismic Code, a.k.a. DBYBHY 2007 Bilgilendirme Eki 7B ). This model also known as "Mander Material Model". Inelastic material properties of reinforcement and retrofitting materials are taken also from same chapter of mentioned specification. Sections are defined by using Section Designer, which is a module in software SAP2000. All axial force - moment interaction curves and moment – curvature curves are obtained through this module. After modelling step, systems are anlayzed in SAP2000 with displacement controlled nonlinear pushover method and base reaction – displacement curve of system is obtained. As a result of this process, changes in structural properties of reinforced concrete frame after retrofitting is reported. 
Connection details are designed accordingly "American Institute of Steel Construction 360–05 : Specification for Structural Steel Buildings (ANSI/AISC 360-05)". At this point, it is assumed that yielding strees of steel infill plate will be a limitation for the system stability. On this basis, it is supposed that the forces which act on connections will reach their maximum when yield occurs on steel infill plate. Based on these assumptions and mentioned code, element load bearing capacities are calculated and details are designed. Connection between thin steel infill plate and reinforced concrete elements is consituted via built-up T-Shape steel base profiles which have 20mm flange thickness and 6 mm web thickness. Behavior of this bolted T-Shape base profile under tension force is determined by using ultimate prying models.  Infill plates are connect to the T-Shape base profile by using pre-tensioned M16 bolts. These connections are designed as slip-critical connections. The T-Shape steel base profiles are conntect to reinforced concrete elements by using M12 post-installed anchor rods. All bolts and rots be used in connections  are in 10.9 quality (Yielding stres is  900 N/mm2, Ultimate tension strength is 1000 N/mm2 ). After connection details are designed, all datas whic are needed for producing test specimens are obtained.
Specimens which are used in experimental studies are produced in İstanbul Technical University Structural and Earthquake Engineering Laboratuary (ITU STEEL). With this aim, first of all, concrete mix design is prepared. In accordance with this design, cubic specimens are produced and tested for determining its compressive strength. Also, all steel elements are tested for determining their tensile strengths. During producing process of frame specimens, strain gauges are located on rebars at nearby to beam – column nodal points, system support points and  mid-span of beam because these are probable plastic hinge points on the frame. There is not any confinement zone on beam and columns. Spacing between two confinenment bar is 0.25m. All frame loading tests are performed in ITU Structural and Earthquake Engineering Laboratuary. Results of this experimental study are investigated and compared with analytical results which are obtained through SAP2000 models.
This master thesis that summarized above is consist of six chapters. In first chapter, general informations about traditional retrofitting methos, steel plate shear walls and frame systems which are used in this study are given.
In chapter two, recent researches about topic are given chronologically.
Chapter three is about preparing process of speciments and analytical models developed by using SAP2000. 
Chapter four contains informations about design of speciments and connection details.
In chapter five, results of material tests of rebar, structural steel, anchor bolts and concrete are given.
In chapter six and seven, observations and results obtained from experimental studies are given.