Seismic retrofit of RC columns with sprayed basalt mesh reinforced grc: Effects of stirrup spacing

Abstract

Türkiye dünyanın sismik yönden en aktif bölgelerinden birisidir. Can ve mal kaybınaneden olan büyük magnitüdlü pek çok depreme maruz kalmıştır. Yakın dönemdeTürkiye de yaşanan depremler sonrasında çok sayıda betonarme bina hasar görmüştür.Mevcut yapı stokunun çok düşük beton basınç dayanımı, kolonlardaki yetersiz eninedonatılar, etriyelerdeki detay zayıflıkları/yapım hataları ve bina kullanımınıntasarımdaki amaca uygun olmaması gibi pek çok nedenlerle yetersiz depremdavranışına sahip olduğunu açığa çıkarmıştır. Birçok binada da mevcut haliyle hasarolduğu belirlenmiştir. Önceki yıllarda ABYYHY-1975 ve TS500-1984yönetmeliklerine göre deprem esnasında yeterli davranışı göstermesi beklenen yapılaryeni tasarım yönetmelikleri olan DBYBHY-2007 ve TS500-2000 e göre yetersizçıkmakta ve bu yapıların güçlendirilmesi gerekmektedir.Betonun sargılanması, yük taşıma kapasitesinin ve /veya sünekliğin arttırılması içinkullanılan verimli bir yöntemdir. Kompozit güçlendirme sistemi betonarmeelemanlara dıştan uygulanan bir güçlendirme sistemidir. Harici yapıştırmalı kompozitsistemler, yapı elemanlarının yük taşıma kapasitesini ve eğilme dayanımını artırır.Son 10 yıllık sürede pek çok araştırma, betonarme kolonlarda -sismik açıdan zayıfdetaylandırılmış olanlar da dahil olmak üzere- TRMile sargılamanın gelecek vaat edenbir yöntem olduğunu göstermiştir. Bu çalışmayı diğer deneysel çalışmalardan ayıranyönü tekstilin karışım bileşeni olarak özel bir harçla (GRC) kullanımı ve özeluygulama (harcın tekstilin tamamını kaplayacak şekilde püskürtülmesi) tekniğidir. Bukompozit malzeme Tekstille Güçlendirilmiş Harç (TRM) olarak bilinmekte veçimento matrisinde reçine yerine cam liflerin bulunması daha yüksek modül sunmakta,bununla birlikte matris daha ucuz olan düşük modüllü tekstil kullanımına yolaçmaktadır. bu malzemeler hafif, yüksek mukavemetli, liflerin dizilim yönlerideğiştirilerek mukavemeti ayarlanabilen, beton ve çeliğin giremeyeceği yerleregirebilen, ince, uygulaması hızlı ve pratik, korozyona dayanıklı, uzun ömürlü yeninesil malzemelerdir. Yeni bir malzeme ve dış donatı olarak TRM nin kullanımı yapıendüstrisi tarafından incelenmektedir.Bu çalışmada; zayıf ve iyi donatılmış betonarme kolonların sismik performansları veaynı karakteristiklere sahip betonarme kolonlarda TRM nin eğilme davranışında veenerji tüketme kabiliyetindeki etkileri deneysel olarak incelenmiş ve sonuçlarkolonların histeretik davranışlarını tahmin için önerilen modellerle teorik olarakkarşılaştırılmıştır. Deneyler; dikdörtgen kesitli, sabit yüksek eksenel kuvvete sahip veçevrimsel yatay yüklemeye maruz 8 adet kolonda yürütülmüştür. Ek olarak, 4 adetkolon, kontrol numunesi olarak tasarlanmış ve diğerleri kontrol numuneleriyle aynıözelliklere sahip olmak üzere 3 kat Basalt Hasır Donatılı Püskürtme GRC (basalttextile reinforced mortar) ile sarılmış ve bütün tekstil katmanlarını kapatacak kadarcam lifli harç püskürtülmüştür. Numunelerde düşük dayanımlı beton ve düz donatıkullanılmıştır. Bütün kolonlarda paspayı 15 mm dir ve kolonların köşeleri 30 mmyarıçapında dairesel hale getirilmiştir. Etriyerler 60, 90, 120 ve 180 mm aralıklarlayerleştirilmiştir. Etriyelerin kanca açıları 90 derece ve kanca boyları80 mm dir.Bu amaç doğrultusunda çalışmanın ilk bölümünde öncelikle çalışmanın amacıvekapsamı anlatılmıştır. Konunun devamında ilgili geçmişte yapılan çalışmalardankronolojik sıraya göre bahsedilmiş, TRM malzeme ile güçlendirme yönteminingelecekte çok sık kullanılacak bir yöntem olduğu vurgulanmıştır. İkinci bölümde,deney numunelerinin özellikleri, deney numunelerinin üretim aşamaları ve deneydüzeneği açıklanmış, deneylerde kullanılan malzeme özellikleri belirtilmiştir. İç vedıştan sargılanmış kolonların davranışı üçüncü bölümde analitik çalışma kapsamındasunulmuştur. Dördüncü bölümde, test sırasında gözlenmiş kolonların davranışıanlatılmıştır. Deney sonuçlarının detaylı şekilde anlatıldığı ve çeşitli grafiklerikullanarak sonuçları birbirile karşılaştırdığı beşinci bölümün sonrasında, altıncıbölümde deney sonuçları yorumlanmış ve değerlendirmeler anlatılmıştır.Teorik çalışmalar kapsamında elemanların yük kapasiteleri, yük-yerdeğiştirme(öteleme oranı) ilişkileri, hasar durumları ve deprem sırasında maruz kalacaklarıöteleme oranları tahmin edilmeye çalışılmıştır. Deney sonuçları dayanım, süneklik,enerji yutma kapasitesi, rijitlik, kalıcı deformasyonlar ve göçme modları bakımındandeğerlendirilmistir ve sonuçlar Basalt Hasır Donatılı Püskürtme GRC ile sargınınötelenme oranı ve çevrimsel deformasyon kapasitesi bakımından zayıf ve iyidetaylandırılmış kolonlarda çok etkili olduğunu göstermiştir.Anahtar kelimeler: Basalt, Kolon, GFRC, Güçlendirme, Sismik.

For seismicityTurkey appears to be one of the most active regions on the earth exposedto large magnitude earthquakes, resulting in catastrophic consequences. Evaluatingrecent earthquakes in Turkey revealed that a remarkable number of existing buildingshave poor seismic performance because of very low axial compressive strength of theconcrete, inadequate lateral reinforcement in the columns, insufficient details in thestirrups or design/construction errors and change of the usage purpose of the facility.The existent buildings that are built using the old versions of Turkish Codes (i.e.ABYYHY 1975 and TS500-1984) which were expected to have sufficientperformance under earthquake forces could not satisfy the seismic code requirements.As a result, the New Turkish Codes (i.e. DBYBHY 2007 and TS500-2000) took thefact that a lot of old buildings are not anyway acceptable into consideration as manyrequirements, so strengthening is required to improve the performance of the samestructures to prevent from another disaster. All of mentioned reasons were caused NewTurkish Seismic Code introduced a section to improve the performance of oldstructures to prevent disastrous consequences.To mitigate such risks, many retrofitting oriented studies on seismic behaviour substandardcolumns were conducted in last decades (Triantafillou et al 2006, Ludovicoet al. 2008, Ilki et al. 2008, Bousias et al. 2009, Ilki et al. 2009, Sezen and Miller 2011and Colajanni et al. 2014). Confinement of concrete is an efficient technique used toincrease the load carrying capacity and/or ductility of a column and lateral pressure inthe concrete case. Interpreting the results of the large amount of research made in thelast decade on TRM jacketing as additional confinement, this method of structuralconfinement is highly successful and efficient for columns, including the ones, whichare poorly detailed located in seismic regions. The two elements making this researchunique is the usage of Basalt textile with special mortars (GRC) as a mix componentand applying to system by a special method (spraying the mortar until covering alltextile) which is a composite material known as Textile Reinforced Mortar (TRM). Anew technique for the use of lower modulus textile is offered due to the existence ofGlass fibers in the cement matrix (instead of resin) which is less expensive. Theconstruction industry started to use Textile Reinforced Mortar (TRM) reinforcementcurrently, experimenting and exploring the material for further use.In the experimental process, seismic performance of poor and well detailed RCcolumns and effectiveness of TRM for improving flexural behavior and energydissipation capacity of the same characteristic reinforced concrete columns areexperimentally investigated and compared with theoretical models which are used toestimate the hysteretic behavior of columns. The test specimens were cantilever typecolumns, representing half a column in a real building frame. A total of eightrectangular columns of dimensions 300 x 200 x 1500 mm along with a stub ofdimensions 700 x 700 x 450 mm were constructed. All columns are reinforced withfour longitudinal bars Ф14 placed symmetrically as longitudinal reinforcement. Thetransverse steel reinforcement was given by stirrups Ф8. All specimens were subjectedto cyclic lateral and constant high-axial loads. At the specimen designing phase,columns were expected to fail in flexural behavior before reaching their shear strength.In addition, four of the columns were designed as reference group and others, whichhad the same characteristics, were confined by three layers of Basalt mesh sprayedwith Glass Fiber Reinforced Concrete until covering all textile layers. Characteristicsof the specimens are low strength concrete with plain longitudinal reinforcement bar.Corners of all columns were rounded about 30 mm and clear cover thickness ofcolumns were 15 mm. Transverse reinforcement bars with hook angles of 90° andhook length of 80 mm at both ends were examined. Stirrups were placed at a variablespacing of 60 mm, 90 mm, 120 mm and 180 mm.For this purpose, primarily in the first chapter of the thesis, purpose and scope of thestudy was explained. In continuation of the work done in the past about the subject, asummuraised literature review was mentioned and TRM composites as a significantretrofitting method in the future are emphasized. In the second chapter, properties ofthe test specimens, material properties, manufacturing steps of the test specimens andexperimental setup are indicated. A summuraised analytical study at the third chapterof thesis discusses about internal and external confinement in columns. The forthchapter describes the behavior of columns that was observed during the test. Into thefifth chapter, a variety of experimental and theoritical results are described in detailand are compared by using graphics. At the end, the sixth chapter discussesconclusions and reccommondations related with thesis.Experimental results indicated that Basalt mesh jacketing, especially with sprayedGRC is quite effective as it increases the drift ratio and cyclic deformation capacity ofpoor and well detailed RC columns causing more energy dissipation.Keywords: Basalt, column, GFRC, retrofit, seismic.