Yüksek eksenel yük ve kesme oranlarına maruz standart altı kolonların hibrit ince mantolama yöntemi ile güçlendirilmesi

Abstract

Türkiye başta olmak üzere, deprem kuşağı içerisinde yer alan bir çok ülkenin yapı stoğunda standart altı özelliklerle nitelenen binalar mevcuttur. Bu binalar en genel tanımıyla başarılı bir mühendislik hizmeti görmeden tasarlanıp imal edilmiş ve dolayısıyla inşa edildiği dönemin yönetmelik şartlarını sağlamayan yapıları temsil etmektedir. Olası bir depremde, standart altı bu yapılar mal ve can güvenliği açısından tehlike arzetmektedir. Ülkemizde ki bu standart altı yapılar incelendiğinde, düşük beton basınç dayanımı, enine donatı için adet, kanca boyu ve kanca açılarının yetersizliği, düz donatı kullanımı bu yapılarda gözlenen en temel kusurlardır. Standart altı bu binaların yapı stoğundaki hacmi göz önüne alındığında, mevcut tehlikeyi önleme adına, bu yapıların tamamen yıkılıp yeniden inşa edilmesinin hem zaman hem de maliyet açısından etkili bir çözüm olmadığı açıktır. Bu tür yetersiz yapıların veyahut yapı elemanlarının tamir edilmesi ve/veya güçlendirilmesi, uzun yıllardır yapı mühendisliği alanı içerisindeki yaygın mühendislik uygulamalardandır. Güçlendirme uygulamalarında tercih edilen geleneksel yöntemlerin başında ise betonarme mantolama ve çelik mantolama gelmektedir. Son yıllarda, farklı malzemelerle beraber, araştırmacılar tarafından yenilikçi güçlendirme yöntemleri geliştirilmekte ve ilgili yöntemlerin etkinliği incelenmektedir. Bu tez çalışması kapsamında, geleneksel güçlendirme yöntemlerinin aksine, standart altı yapıların deprem performanslarının iyileştirilmesi adına, yeni bir ince hibrit mantolama yöntemi önerilmiştir. İnce hibrit mantolama yöntemi, çelik donatı, karbon lifli polimer kumaş ) ve yapısal tamir harcının bir arada kullanımını esas almaktadır. Önerilen yöntem, i) mevcut kabuk betonunun temizlenerek ilave boyuna donatıların ankrajı, ii) yapısal tamir harcı yardımıyla kabuk betonunun yeniden sıvanması, iii) elemanın CFRP kumaşla enine sargılanması aşamalarında oluşan üç temel uygulama safhasını içerisinde barındırmaktadır. Geleneksel betonarme mantolama ile kıyaslandığında, uygulama sürecinde herhangi bir kalıp gerektirmemesi ve korunan kesit boyutlarına bağlı olarak elemanın/yapının dinamik karakteristiğinde bir değişime sebebiyet vermemesi, ince hibrit mantolama yönteminin güçlü yanlarını oluşturmaktadır. İlgili yöntemin etkinliğinin incelenmesi adına bahsedilen standart altı detaylara sahip 6 adet tam ölçekli konsol kolon numunesi üretilmiştir. Literatürde ki tam ölçekli kolon testleri incelendiğinde, yüksek eksenel yük oranı ve yüksek kesme oranının kolonların deprem performansı üzerindeki etkisinin yeterince incelenmediği görülmüştür. Bu çalışma kapsamında eksenel yük ve kesme oranları sırasıyla %75 ve %80 olarak belirlenmiştir. Tüm numuneler sabit eksenel yük ve yer değiştirme kontrollü yatay çevrimsel yükleme altından test edilmiştir. İlgili numuneler, en-boy oranı dikkate alınarak iki gruba ayrılmıştır. Elde edilen sonuçlar her iki grup için dayanım, süneklik ve enerji yutma kapasitesi açısından ayrı ayrı sunulmuştur. Bunun yanında, literatürde ki mevcut malzeme modelleri dikkate alınarak deneysel davranışın elde edilmesi adına teorik bir çalışmada yapılmış ve sonuçlar karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Elde edilen test sonuçları ışığında, en-boy oranı 1 olan (Grup 1) kolonları dikkate alındığında, önerilen hibrit mantolama yöntemiyle güçlendirilen numunelerde, referans numuneye kıyasla yatay yük taşıma kapasitesinde %66 artış ve yer değiştirme sünekliliğinde ise yaklaşık %100 bir iyileşme gözlenmiştir. Önerilen yöntem aynı uygulama adımları dikkate alınmasına rağmen, en-boy oranı 2 olan Grup 2 kolonları içerisinde yer alan güçlendirilmiş numunelerde, referans numuneye kıyasla ne yatay yük taşıma kapasitesi ne de yer değiştirme sünekliğinde herhangi bir iyileşme ortaya koymamıştır. Bu durum, Grup 2 içerisinde güçlendirilen kolonlarda farklı özellikte yapısal tamir harcı malzemesi kullanımına ve buna bağlı olarak ortaya çıkan uygulama aşamasındaki farklılıktan kaynaklanmaktadır. Sonuç olarak, uygulanacak yüzeyin kalınlığı dikkate alınarak uygun özellikte yapısal tamir harcı kullanıldığında, önerilen hibrit ince mantolama yönteminin yüksek eksenel yük oranı ve yüksek kesme oranına rağmen standart altı kolonların deprem performansları üzerinde etkin bir iyileşme ortaya koyduğu gözlenmiştir. İlgili yöntemin, nispeten daha düşük eksenel yük ve kesme oranlarında daha da etkili çalışacağı öngörülmektedir.

There are buildings characterized with sub-standard features in the building stock of many countries, especially in Turkey, located in the earthquake zones. In the most general definition, these buildings represent structures that were designed and manufactured without a successful engineering service and therefore did not meet the regulations and/or seismic codes of the period in which they were built. In a possible earthquake, such substandard structures pose a danger in terms of property and life safety. The most basic defects observed in these structures are low concrete compressive strength, large stirrup spacing, insufficient hook length and hook angles for transverse reinforcement, and the use of smooth reinforcement. Considering the number of these sub-standard buildings in the building stock, it is clear that completely demolishing and rebuilding process these structures in order to prevent the existing risk is not an effective solution in terms of both time and cost parameters. Repairing and/or strengthening such insufficient buildings or elements has been common structural engineering activities for many years. Reinforced concrete (RC) jacketing and steel jacketing are the most common conventional jacketing methods preferred from strengthening applications. In recent years, together with different materials, researchers have developed innovative strengthening material or methods and the effectiveness of them are examined. In this study, as an alternative to conventional RC jacketing method, a novel hybrid thin jacketing method has been proposed in order to improve the seismic performance of sub-standard building. The proposed jacketing method is based on the combined use of steel reinforcement, carbon fiber polymer fabric (CFRP) and structural repair mortar. Besides, the method includes main four basic application phases: i) removel of the cover concrete, ii) anchorge of the additional longitudinal reinforcements, iii) re-plastering the cover concrete with the structural repair mortar, iv) transverse wrapping with CFRP fabrics. The strengths of the proposed jacketing method are that it does not require any formwork during the application process and does not cause a change in the dynamic characteristics of the element or structure depending on the preserved cross-section dimensions, compared to the conventional RC jacketing. In order to examine the effectiveness of the specified method, six full-scale cantilever column specimens with sub-standard details were fabricated. In each group, one column was kept as a reference whereas the others were strengthened. Considering the full-scale column tests carried out under the cyclic loading in the literature, it is seen that the effect of high axial load ratio and high shear rate on earthquake performance of columns has not been adequately studied. Within the scope of this study, axial load and shear rates were determined as 75% and 80%, respectively. All samples were tested under constant axial load and displacement controlled horizontal cyclic loading. All samples were divided into two groups considering the aspect ratio and the results obtained were presented separately in terms of strength, ductility, energy dissipation capacity and residual displacement for both groups. In addition, a theoretical study was carried out in order to obtain experimental behavior by considering the existing material models in the literature and the results were presented comparatively. In the light of the test results obtained, considering the Group 1 columns with one aspect ratio, the specimens strengthened with the proposed hybrid thin jacketing method showed a 66% increase in the lateral load carrying capacity and a 100% improvement in the displacement ductility compared to the reference specimen. Although the proposed method were applied with the same implementation steps, it did not show any improvement in the lateral load carrying capacity and displacement ductility, compared to the reference specimen, on the strengthened specimens which is in the Group 2 columns with two aspect ratio. This is due to the use of different structural repair mortar material in the strengthened columns within the Group 2 and the resulting difference in the application phase. Therefore, taking into account the thickness of the surface to be applied, when appropriate structural repair mortar is used, it has been observed that the proposed hybrid thin jacketing method provides an effective improvement on the seismic performances of sub-standard RC columns despite the high axial load and high shear ratios. It is predicted that the specified method may work even more effectively at relatively low axial load and shear ratios.