Çimento Esaslı Kompozitlerle Güçlendirilen Dolgu Duvarlı Betonarme Çerçevelerin Tersinir Tekrarlı Yükler Altında Davranışı

Abstract

Türkiye, coğrafi olarak büyük bir deprem bölgesidir. Başta Kuzey Anadolu ve Doğu Anadolu Fayları olmak üzere birçok fay ve deprem bölgesi barındırdığı için dünyada sismik aktivitesi en yüksek bölgelerden biridir. Dolayısıyla, ülkemizde yapıların projelendirilmesinde ve inşasında mühendislik hizmetleri hayati önem taşımaktadır. Yaşadığımız coğrafyanın tarihine bakıldığında büyük ölçekli depremlerin dışında orta ölçekli ve hatta küçük ölçekli depremlerin de can ve mal kaybına sebep olduğu görülmüştür. Bu durum, yurdumuzdaki (özellikle kırsal kesimlerinde) çoğu yapının mühendislik hizmeti görmemiş olmasından kaynaklanmaktadır. Dolayısıyla, yaşadığımız coğrafyadaki mevcut yapıların çoğu, mühendislik hizmeti görmediğinden ve herhangi bir denetim mekanizmasından geçmediğinden dolayı, düşük dayanımlı beton ve yetersiz donatı ile inşa edilen yapılar olup, can ve mal kaybı için büyük risk taşımaktadırlar. Hal böyle iken, risk faktörlerini azaltmak veya tamamen kaldırmak için bu yetersiz dayanımlı ve zayıf yapıların depremlere karşı güçlendirilmesi gerekmektedir. Ancak yurdumuzdaki mevcut yapı stoku düşünüldüğünde, bu güçlendirme işlemleri ülke ekonomisini önemli derecede etkileyecektir. Bunun için, güçlendirme ihtiyacı olan yapıların güçlendirilmesi, önemli derecede düşük maliyetli ve yeterli derecede güvenli olmak zorundadır. İşte bu tez çalışması, zayıf yapıların depreme karşı güçlendirilmesinde alternatif bir güçlendirme yöntemi oluşturmayı ve aynı zamanda güçlendirme işleminin ekonomik olarak da daha az maliyetli olmasını amaçlamıştır. Bu tez çalışması için İ.T.Ü. Yapı ve Deprem Mühendisliği laboratuarında deneysel olarak çalışılmıştır. Bu çalışma kapsamında, denenmek için 10 adet 755x755 mm ölçekli bölme duvar numunesi ile 6 adet 1/3 ölçekli, tek açıklı, tek katlı betonarme çerçeve numunesi üretilmiştir. Deney numunelerindeki betonarme çerçeveler, ülkemizin mevcut yapı stokunda sıkça karşılaştığımız gibi düşük dayanımlı betona sahip zayıf kolon, kuvvetli kiriş şeklinde üretilmiştir. Üretilen bu numunelerden bazıları, alternatif bir güçlendirme tekniği olan çimento esaslı kompozitler (CMG) ile güçlendirilmiş ve bu güçlendirme yönteminin numune dayanımlarına olan etkileri, güçlendirilmeyen şahit numuneler ile karşılaştırılarak incelenmiştir. Yeni bir güçlendirme tekniği olarak çimento esaslı kompozitler (CMG), çimento harcı ve liflerden oluşan kare boşluklu ağ şeklinde dokunmuş özel tekstillerden oluşmaktadır. Bu sistemle üretilen kompozitlerin detaylı bir yüzey hazırlığı veya titiz bir işçilik gerektirmemesi, yangına karşı dayanımının karbon elyafı ve epoksiden oluşan kompozitlere göre oldukça yüksek olması, özellikle nem gibi atmosferik koşullardan etkilenmemesi ve ara yüzeyde çok iyi bir yapışma sağlaması gibi avantajlara sahiptir. Bu çalışmada çimento esaslı kompozit (CMG), özel bir şirkette üretilen ticari adı SRG45 olan alkali dayanımlı cam lifli tekstil malzemesi ve çimento hamurundan oluşmaktadır. Çimento hamuru, çimento, kum, su, akışkanlaştırıcı ve belli bir miktar silica fume içermektedir. Ayrıca, duvar ve çerçeve numunelerinin güçlendirmesinde, CMG sistemler, deprem yönetmeliğimizin önerdiği ankraj uygulamasına uyularak SRG45’ten oluşan ankrajlarla bölme duvarlara uygulandı. Birinci aşamada, 10 adet 755 mm x 755 mm boyutlarındaki bölme duvar numunesi diyagonal kayma etkisi altında denenmiş ve CMG ile farklı şekillerde güçlendirilmiş numunelerin kayma dayanımlarına ve rijitliklerine etkisi incelenmiştir. Çıkarılan sonuçlara bakıldığında, CMG ile güçlendirilmiş numunelerin şahit numunelere göre kayma gerilmesi, kayma şekil değiştirmesi ve kayma modüllerinde önemli derecede artışlar olmuştur. İkinci aşamada 6 adet 1/3 ölçekli tek katlı ve tek açıklı betonarme çerçeve numunesi tekrarlı yatay yükler etkisinde denenmiştir. Birer adet dolgu duvarsız (yalın/çıplak çerçeve) ve dolgu duvarlı betonarme çerçeve referans numuneleridir. Diğer 4 adet betonarme çerçeve numunesi CMG ile farklı şekillerde güçlendirilmiş ve bu farklı güçlendirme şekilleri ile bağlantı detaylarının etkisi referans numuneleriyle karşılaştırılarak incelenmiştir. Betonarme çerçeve numunelerinin deneysel verilerinden elde edilen yatay yük-tepe yer değiştirmesi eğrileri, zarf eğrileri; başlangıç rijitliği ve yatay yük taşıma kapasiteleri gibi parametrelerde referans numunelere göre oldukça olumlu sonuçlar elde edilmiştir.

Geographically, Turkey is a large earthquake zone. Due to the the existence of severe earthquake faults, such as North Anatolian and East Anatolian Faults, in the Alphin region, Turkey is considered as one of the countries which have highly seismic activities. For this reason, engineering services are vitally important in design and construction of the buildings in Turkey. When the history of the region where we live is studied, it is seen that not only high scale earthquakes but also moderate or even small scale earthquakes have caused loss of properties and casualties. This situation leads a consequence that the majority of the buildings in Turkey, especially in rural areas, have not taken any engineering service. Due to the lack of the engineering services and inspection, the vast number of the existing structures in this region have been constructed with low strength concrete and insufficient reinforcement. So, these structures pose a risk for life and property. In this case, in order to decrease or remove the risk factors, it is required that the weak structures or those with insufficient strength should be retrofitted against the earthquakes. However, if the stock of existing structures is considered, these retrofitting processes may effect the country economy significantly. For this purpose, the retrofitting of the corresponding structures must be substantially low-cost and secure enough. In this study, the purpose was to produce an alternative and cost-effective way to retrofit the vulnerable structures against the earthquakes. The experimental study which is presented in this thesis was conducted at Istanbul Technical University, Earthquake and Structural Engineering Laboratory. For the study, 10 infill wall specimens with 755x755 mm size and 6 1/3 scaled reinforced concrete frames with single storey and single bay were produced. While some of these specimens were retrofitted by cement based composites (CBC) which can be an alternative retrofiting method, the others were tested as reference specimen. Finally, the efficiency of the applied retrofitting methods were investigated by comparing to the reference specimens’ test results. As a new retrofitting technique, the CMG consist of a combination of cement mortar and some special textile which is woven by the fibres such a square shape net. This retrofitting system has some clear advantages. The composites produced by this system do not require a detailed surface preperation or a fine labour. It has a higher fire strength than the composites which are formed by carbon fibre and epoxy. It is not affected by the atmospheric conditions such as humidty and it provides a quite effective adhesion on interface. The fabric used in this study was produced by a private company with a commercial name; SRG45. The CMG system consists of glass fabric with alkaline resistance and cement paste. The cement paste includes cement, sand, water, plasticizer and an amount of silica fume. On the other hand, this composite system was applied for the retrofitting of infill walls specimens and infill wall within the reinforced concrete frames by using the anchorage application which is suggested in Turkish Seismic Code. The anchorages were produced by SRG45 fabric. At the first stage of the experimental study, 10 infill wall specimens were produced. For the production of the wall specimens, thin-walled bricks with 190 mm x 190 mm x 135 mm size and standard cement mortar were used. After the production of the wall specimens, they were plastered by using the same cement mortar up to 10 mm thickness. Afterthere, these plastered equilateral specimens were divided into 5 different groups. Amongst these groups, the first group of specimens were labeled as S-2-1 and retrofitted by 1 ply of the CMG layer with anchorage on both sides. Additionally, while the second group specimens, namely S-2-2, were retrofitted by 2 plies of CMG layers with anchorage on both sides, the third group specimens, which were labeled as S-1-2, were retrofitted by 2 plies of the CMG without anchorage on one side. The specimens in the fourth group were S-D-2-2 specimens which were retrofitted by 2 plies of CMG with anchorage on both sides but diagonally. The width of the diagonal straps were 30 cm. The last group of specimens, fifth group, were lefted to be tested as reference specimens for the purpose of making comparisons to reveal the efficiency of the retrofitting methods. Each group out of these five groups consisted of 2 similar specimens. All these infill wall specimens were tested under diagonal compression according to ASTM E 519-02. The effect of CMG systems applied in different ways on the shear strength and stiffness was observed. The test results were evaluated to obtain shear stres - shear strain relationships and shear modulus. After comparisons, it was observed that a significant enhancement was provided in terms of experimental parameters especially on shear stresses between reference and the retrofitted specimens. As a second stage in the study, 6 numbers of 1/3 scaled reinforced concrete frames with single storey and single bay were produced and tested under reversed cyclic lateral loads. One bare reinforced concrete frame and one reinforced concrete frame with plastered infill wall was selected as reference specimen. The remaining 4 reinforced concrete frames were retrofitted with CMG in different types. The retrofit type and the effect of strenghened details were investigated in comparison with the reference specimens. The size of the frame specimens were 1000 mm height and 933 mm bay width. Also they had strong foundations with 400 mm height and 1533 mm length. The column, beam and foundation cross sections were 100x200 mm, 100x200 mm and 400x700 mm, respectively., While 4 longitudinal reinforcing bars with Ø8 diameter were used for the columns and the beams, 12 longitudinal reinforcing bars with Ø12 diameter were used for the foundations. The transverse reinforcement were selected as Ø8/140 mm for the columns and the beams, Ø10 for the foundations. The concrete used for the production as a representative of the existing reinforced concrete structures built in Turkey. On the other hand, the frame specimens had strong beam - weak column deficiency. The reinforced concrete frame specimens were produced in a construction site environment. All these frame specimens were produced as bare frames initially. After that, one of these bare reinforced concrete frames was selected as a reference specimen, others were added infill walls. For production of infill walls, thin-walled bricks with 1/3 size and standard cement mortar were used. After the production of the wall in the frames, they were plastered by using the same cement mortar up to 10 mm thickness. And one reinforced concrete frame with infill wall was selected as reference specimen. Thus, one bare reinforced frame specimen and one reinforced frame specimen with infill wall were selected as reference specimens. The remaining 4 reinforced concrete frames were retrofitted with CMG in different types. The frame specimens which retrofitted with CMG system were named according to retrofit shames. Thus, the reinforced frame specimen which named SRG-2-1-A was retrofitted by 1 ply of the CMG layer with anchorage on both sides. Additionally, while the second specimen, namely SRG-2-2-A, was retrofitted by 2 plies of CMG layers with anchorage on both sides, the third specimen, which was labeled as SRG-1-2, was retrofitted by 2 plies of the CMG without anchorage on one side. The last specimen was S-D-2-2 specimens which were retrofitted by 2 plies of CMG with anchorage on both sides but diagonally. The width of the diagonal straps were 30 cm. A considerable improvement was attained in terms of the top displacement- lateral load relationships which were obtained via the tests of the reinforced concrete frame specimens, the envelope curves, the initial stiffnesses and the lateral load bearing capacities , especially for the specimen SRG-2-2-A , in comparison with the reference frame specimens and other retrofitted frame specimens.