Betonarme perdelerin deformasyon kapasitesinin incelenmesi

Abstract

Betonarme perdeler, yatay rijitlik ve dayanım arttırıcı etkilerinden dolayı deprem ve rüzgar yükleri gibi yüksek mertebelerde yatay yükleme beklenen bölgelerde tercih edilen önemli yapısal elemanlardır. Depreme dayanıklı yapı tasarımı için bu elemanların öneminin büyük olmasına rağmen EuroCode 8, ASCE 7, ACI 318-14, Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik – 2007 gibi farklı ülke kaynaklı güncel deprem yönetmelikleri tanımlanmadan önce yapılmış olan perdeli betonarme yapıların çoğunda bu yapı elemanlarının tasarımında eksiklikler olduğu tespit edilmiştir.Malzeme dayanımlarının düşük olması, donatılarındaki detaylandırmalarının eksik olması gibi sebepler sonucunda mevcut yönetmeliklerin yürürlüğe girmesinden önce tasarlanan perdelerin depremlerde hasar görme ya da göçme olasılıklarının yüksek olduğu geçmişteki deprem sonrası gözlemler ile tespit edilmiştir. Bu eksiklerle tasarlanan yapı elemanları içeren binaların deprem sebebiyle maruz kalabileceği olası hasarları azaltmak için ise yapıların performans analizleri ve gerektiği durumlarda güçlendirilmesi önemli bir hale gelmiştir. Güçlendirme projelerinde ise mevcut taşıyıcı sisteme perde eklenmesi ya da mevcut perdelerin iyileştirilmesi oldukça tercih edilen yöntemlerdir. Bu sebeple, betonarme binaların rehabilitasyonunda perdelerin analizi ve modellenmesi önemli hale gelmektedir. Bu perde modellerinin ise gerçek perde davranışı ile yakın sonuçlar vermesi beklenir. Betonarme perdelerin davranışından bahsedilirken, kesme dayanımı ve deformasyon kapasitesi bu tanım için gerekli olan önemli karakteristik özelliklerdir.Betonarme perdelerin karakteristik özelliklerinden kesme dayanımı ile ilgili literatürde yapılan çalışmalar ile mevcut deprem yönetmeliklerinde de perdelerin kesme dayanımları ile ilgili bilgilere ulaşmak mümkündür. Ancak perdelerin deformasyon kapasitesi ya da sünekliği ile ilgili yapılan çalışmalar daha sınırlı kalmaktadır. Bu çalışma ile perdelerin deformasyon kapasitesi ile ilgili yapılan çalışmalara katkı sağlanması ve perdelerin sünekliği ile ilgili bağıntılar geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda, literatürde betonarme perdelerin davranışının incelendiği deneysel çalışmalar incelenerek derlenmiş ve detaylı bir veri tabanı elde edilmiştir. Bu veri tabanı üzerinde perdelerin deney esnasında gördükleri hasarlar baz alınarak bazı sınıflandırmalar yapılmış ve perdeler kesme kontrollü, karma veya eğilme kontrollü perdeler olarak tanımlanmıştır. Farklı gruplardaki perdeler için ötelenme oranı sünekliği ve eğrilik sünekliği değerleri incelenerek bu süneklik değerlerinin dağılımları incelenmiştir. Öteleme oranı sünekliği için, perdelerin deplasman kapasitesindeki yatay deplasman perde yüksekliğine bölünerek öteleme oranı kapasitesi, akma anındaki deplasmanın perde yüksekliğine bölünmesi ile de akma öteleme oranı belirlenmiştir. Ardından öteleme oranı kapasitesinin akma öteleme oranına bölünmesiyle her bir perde için öteleme oranı sünekliği hesaplanmıştır. Buna göre, ötelenme oranı sünekliğinin ortalama değeri:•Kesme kontrollü duvarlarda : 3.05•Karma duvarlarda : 3.12•Eğilme kontrollü duvarlarda : 3.16olarak hesaplanmıştır. Ötelenme oranına göre değil, perde eğriliğine göre hesaplanan eğrilik sünekliği için ortalama değerler ise:•Karma duvarlarda : 3.48•Eğilme kontrollü duvarlarda : 4.61olduğu belirlenmiştir. Burada, kesme kontrollü perdelerde davranış olarak eğrilikten söz etmek mümkün olmadığı için sadece karma ve eğilme kontrollü perdelerin eğrilik süneklikleri ele alınmıştır. Bu incelemeler sonucunda hem ötelenme oranı sünekliğinin hem de eğrilik sünekliğinin daha narin olan eğilme kontrollü perdelerde daha yüksek değerlere ulaştığı görülmüştür. Çalışmanın devamında, birçok parametrenin farklı perde gruplarında nasıl bir dağılım gösterdiği de istatistiksel çalışmalar ile incelenmiştir.İstatistiksel çalışmaların ardından, tek parametreli doğrusal regresyon analizleri ile perdelerin ötelenme oranı ve eğrilik sünekliği üzerinde etkisi en yüksek olan parametrelerin incelenmesine geçilmiştir. Buna göre kesme kontrollü perdelerde ötelenme oranı sünekliğini en çok etkileyen parametrenin gövde bölgesindeki boyuna donatı oranı olduğu görülmüştür. Eğrilik sünekliğinin en çok etkilendiği parametrelerin ise karma ve eğilme kontrollü perdelerin her ikisinde de perdenin kuvvet kolunun perde uzunluğuna oranı olarak tanımlanan olduğu görülmüştür. Tek tek hangi parametrenin süneklik üzerinde nasıl bir etkisi olduğu incelendikten sonra farklı sayıda parametre içeren gruplar üzerinden çok parametreli doğrusal regresyon analizleri yapılarak betonarme perdelerin ötelenme oranı ve eğrilik sünekliği içn bağıntılar elde edilmiş ve bu bağıntılar arasından, fiziksel anlamı, kullanım kolaylığı gibi kıstaslar göz önüne alınarak seçimler yapılmıştır. Yapılan seçimlerin ardından tercih edilen bağıntılar üzerinde gerekli güvenirlilik analizleri yapılmıştır. Güvenirlilik analizleri ile tercih edilen bağıntıların verdiği sonuçlar deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak ise bu çalışma ile kesme kontrollü duvarlar için önerilen ötelenme oranı sünekliği bağıntısı ile karma ve eğilme kontrollü duvarlar için önerilen eğrilik sünekliği bağıntılarının deney sonuçlarından elde edilen ötelenme oranı sünekliği ve eğrilik süneklikleri ile oldukça yakın sonuçlar verdiği görülmüştür.

Since reinforced concrete shear walls are expected to provide significant lateral rigidity, strength, and deformation capacity (ductility) against lateral loads, they have been commonly used particularly in regions where strong ground motions are expected. Most of the structures in the existing building stock were constructed before current seismic codes and they were not designed with adequate reinforcing details and material quality. Experimental results and observations after earthquakes have shown that damages or collapse of buildings with weak structural elements is possible due to their inadequate detailing and material properties. Rehabilitation and retrofit of structures is a widely used method to reduce the risk of possible damages. An effective and economical rehabilitation can be achieved by modelling of structures as close to accurate as possible. Since reinforced concrete shear walls are one of the most effective lateral load carrying structural elements, this study aims to assess behavior of shear walls.Behavior of shear walls can be identified using shear strength and deformation capacity/ductility. Many research related to shear strength of structural walls can be found in literature from different countries. As a result of these studies, different shear strength equations are presented in current seismic codes (e.g. Turkish Seismic Code – 2007, ACI 318 – 14, ASCE 7, and EuroCode 8). On the other hand, there exist only a limited number of research on deformation capacity and ductility of reinforced concrete shear walls. Therefore, carrying out a sufficient analytical study on deformation capacity of reinforced concrete shear walls is aimed in this study.For both design of new buildings and evaluation/rehabilitation of existing shear wall buildings, an accurate assessment of median and dispersion of deformation capacity is needed. In this paper statistical results were used to assess deformation capacity (ductility) of shear walls that perform different behaviors. First of all, a wall test database consisting 172 specimens from 41 different research was conducted for statistical studies. Backbone curves were drawn on lateral load – displacement diagrams of each specimens. These backbone curves were approximated with four linear lines i.e. five points that include origin, crack point, yielding point, maximum lateral force, and maximum lateral displacement. However, maximum lateral displacement points of backbone curves were not taken as deformation limit. Deformation limit was determined as the point where shear strength is reduced to 80% of the maximum lareral force.After the database was assembled, walls within the database were divided into there groups for statistical studies. Specimens in the database were classified according to their reported failure types as shear – controlled walls, transition walls or flexure – controlled walls. This classification have shown that there were 35 shear – controlled walls, 73 transition walls, and 64 flexure – controlled walls in the database. Statistical studies were carried out after this classification. Drift ratios were calculated for each specimens. After that, drift ratio ductility for each specimens and curvature ductility for transition and flexure – controlled walls were calculated. Distribution and statistical values of drift ratio ductility and curvature ductility were presented in this thesis. Results of statistical studies on wall test database have shown that:Mean values of drift ratio ductility for different failure types were:•Shear – controlled walls : 3.05•Transition walls : 3.12•Flexure – controlled walls : 3.16Mean values of curvature ductility for different failure types were:•Transition walls : 3.48•Flexure – controlled walls : 4.61After results of the statistical studies have been obtained, detailed linear regression analyses on the database were carried out. These regression analyses led to identify parameters related to deformation capacity and to obtain equations for ductility of shear walls in each category.Correlation coefficient ( ) of a regression analysis shows the linear dependence between a source parameter/parameters and a target variable. Drift ratio ductility and curvature ductility were target variables for this study. First of all, two sets of linear regression analyses with one parameter were carried out to investigate linear dependence between various source parameters and both drift ratio ductility and curvature ductility. First single parameter linear regression analyses have shown that for shear – controlled walls vertical web reinforcement ratio ( ) gives the best correlation with drift ratio ductility with a correlation coefficient of 0.32. Second single parameter regression analyses were carried out to define parameters that show higher correlation coeffient with curvature ductility of transition and flexure – controlled walls. Results of that analyses showed that shear span ratio ( ) was the parameter that shows the best linear dependence with curvature ductility of both transition and flexure – controlled walls with correlation coefficients of 0.48 and 0.68, respectively.In the second part of regression analyses, multi – parameter linear regression analyses were conducted to obtain different equations for each failure types to calculate drift ratio ductility of shear – controlled walls, and curvature ductility of transition and flexure – controlled walls. Multi linear regression analyses were not repeated for drift ratio ductility of transition and flexure – controlled walls, and curvature ductility of shear – controlled walls.Various sets of parameters were tried in regression analyses to derive equations that estimate drift ratio and curvature ductility close to accurate. After these trials three final equations were selected for three different failure modes. During these trials, results that obtained from single parameter regression analyses were helpful to choose the best – fitted equations. Equation that derived in this study to calculate drift ratio ductility of shear – controlled walls includes axial load ratio ( ), longitudinal boundary reinforcement ( ), ratio of the theoretical shear strength to the shear strength at theoretical moment strength ( ), ratio of the spacing of boundary transverse reinforcement to the diameter of longitudinal boundary reinforcement ( ), horizontal web reinforcement ratio ( ), thickness of the boundary zone ( ), and thickness of the web zone ( ). On the other hand, equations that derived in this study to calculate curvature ductility of transition and flexure – controlled walls include same parameters. These parameters are axial load ratio ( ), shear span ratio ( ), spacing of boundary transverse reinforcement to the diameter of longitudinal boundary reinforcement ratio ( ), horizontal web reinforcement ratio ( ), thickness of the boundary zone ( ), and thickness of the web zone ( ).Finally reliability analyses for derived equations were carried out and mean values of the ratio of tested drift ratio ductility and estimated drift ratio ductility were calculated as 1.01 for shear – controlled walls. Mean values of the ratio of tested curvature ductility and restimated curvature ductility were calculated as 0.98, and 1.02 for transition, and flexure – controlled walls. Therefore, derived equations were found to be valuable in that they estimate tested values close to accurate and they can be used by engineers to provide reliable designs.