Deprem etkisindeki çerçevelerde GFRP ve çelik donatılı kolonların bindirme bölgelerinin deneysel ve analitik incelenmesi

Abstract

Betonarme çerçeve elemanlarda kolonlar, deprem gibi yatay yüklere maruz kaldığında katlar arasında yanal yük aktarımını sağlayan elemanlardır. Yatay yükler altında kolonlarda en büyük gerilmeler kolon kiriş birleşim bölgelerinde oluşur. Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018 (TBDY 2018) kolon boyuna donatıları bindirmeli eklerinin birleşim bölgelerinde yapılmasını kısıtlayarak kolonun orta 1/3'lük bölgesinde yapılması koşulunu getirmiştir. Kolon boyuna donatılarının katlar arasındaki yük aktarımını sağlıklı bir şekilde gerçekleştirebilmesi, yeterli bindirme boyuna ve beton ile aderansını korumasına doğrudan bağlıdır. Bu çalışmada kolon boyuna donatıları çelik ve cam lifi takviyeli polimer (GFRP) donatılı betonarme çerçevelerin tersinir tekrarlı yatay yükler altında davranışı deneysel ve analitik olarak incelenmiştir. GFRP donatılar korozyona karşı dayanıklı olmaları ve sahip oldukları yüksek çekme mukavemeti nedeniyle yapı çeliğine alternatif olarak kullanılmaktadır. GFRP donatıların bindirme bölgelerinin kolon orta bölgesinde yapılması durumunda sismik etkiler altındaki davranışını inceleyen çalışmalar kısıtlıdır. Bu çalışma ile literatürdeki bu boşluğun doldurulması ve TBDY 2018'e göre kolon bindirme bölgelerinin farklı bindirme boyları için çerçeve davranışına etkisinin deneysel ve analitik olarak incelenmesi amaçlanmıştır. Deneysel çalışmalarda altı adet tam ölçekli betonarme çerçeve imal edilerek kolonlar üzerinde sabit eksenel yük ve yatayda tersinir çevrimsel yükleme altında test edilmiştir. Çalışmada, bindirme bölgelerinin kolon ortasında (1/3'lük kısmında) yapılması koşulunun davranışa olumlu katkı sağladığı, yetersiz bindirme boyunun yatay yük taşıma kapasitesini düşürdüğü görülmüştür. GFRP donatıların bindirme boyu donatı çapının 70 katı olarak düzenlendiğinde ek boyunca aderans kuvvetlerini aktarmada yeterli olduğu ve büyük öteleme oranlarında yanal yük taşıma kapasitesini koruduğu görülmüştür. Ayrıca yeterli bindirme boyuna sahip GFRP donatılı çerçevelerin kararlı histeretik eğrilere sahip olduğu ve çerçeve elemanların yatay deplasman kapasitesini arttırdığı gözlemlenmiştir. Analitik çalışma kapsamında çelik ve GFRP donatılı çerçevelerin davranışı OpenSees programı ile sayısal olarak analiz edilmiştir. Analitik çalışmalar ile deney sonuçlarını %96 oranında doğru tahmin eden çelik ve GFRP donatılı çerçevelerin histeretik davranışlarının analizlerinde kullanılabilecek sayısal modeller sunulmuştur.

Columns in reinforced concrete frames are the elements that transfers the lateral loads between floors when subjected to earthquake loadings. The greatest stresses in columns under lateral loading occur at the beam column joints. Turkey Building Earthquake Code 2018 (TBDY 2018) recommends providing lap splices in the middle 1/3 of the column by restricting the lap splices at construction joints. The ability of column longitudinal reinforcements to transfer lateral loads is related to the length of the lap splice and their ability to maintain the bond with the concrete. In this study, full-scale reinforced concrete frames with steel and GFRP column longitudinal reinforcement were investigated experimentally and analytically under cyclic reversed loads. Because of their corrosion resistance and high tensile strength, GFRP reinforcements are being used as an alternative to conventional structural steel. Limited research study analyzing the behavior of GFRP reinforcements under seismic effects has been encountered in the literature when the lap splices are placed in the middle of the column. This study aims to fill this gap in the literature by investigating how the new regulation's requirements for lap splices affect frame behavior for different lap splice lengths. Six full-scale reinforced concrete frames with different lap splice lengths were constructed and tested under combined axial and cyclic reversed loads. Test results demonstrated that, providing lap splices in the middle third of the column contributes positively to the behavior, whereas insufficient lap splice length reduces horizontal load carrying capacity. At large drift ratios, GFRP rebars with lap splices 70 times the diameter was sufficient to transfer bond forces along the lap splices while maintaining lateral load-carrying capacity. In addition, it has been observed that GFRP reinforced frames with adequate lap splice length had stable hysteretic curves and increased the deformability and horizontal displacement capacity of the reinforced frames. Within the scope of the analytical study, the behavior of steel and GFRP reinforced frames was numerically analyzed using the OpenSees program. Following the analytical study, numerical models with a 96% prediction performance are proposed for analyzing the hysteretic behavior of steel and GFRP reinforced frames.