Standart altı geniş betonarme kolonların yön değiştiren tekrarlı yükler altında davranışı, modellenmesi ve değerlendirilmesi

Abstract

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.