Betonarme manto ve CFRP ile güçlendirilen yetersiz kesme dayanımına sahip kolonların doğrusal olmayan analizi

Abstract

Geçmişte yaşanmış depremler incelendiğinde, birçok yapının kolonlarda meydana gelen ciddi hasarlardan kaynaklı göçtüğü görülmüştür. Bu nedenle mevcut yapılarda yetersiz kesme dayanımına ve/veya yetersiz şekil değiştirme kapasitesine sahip olan kolonların güçlendirilmesi gerekmektedir. Güçlendirilmiş elemanların çeşitli yükler altındaki davranışlarını elde etmede en etkili yöntem deneysel çalışmalar olmasına rağmen maliyetlerinin yüksek ve imkanlarının kısıtlı oluşu, gelişen bilgisayar teknolojisi ile sonlu eleman programlarının kullanılmasını güvenilir ve tercih edilir bir seçenek haline getirmiştir. Bu çalışma kapsamında, yetersiz kesme dayanımına sahip olan betonarme kolonların, betonarme manto (BM) ile güçlendirilmiş kolonların ve karbon fiber takviyeli polimer (CFRP) ile güçlendirilmiş kolonların sonlu eleman modelleri oluşturulmuş ve yatay tersinir tekrarlı yükler altındaki davranışları incelenmiştir. Doğrusal olmayan analizlerde OpenSees sonlu eleman programından yararlanılmıştır. Betonarme kolonların davranışlarında etkin rol oynayan kesme ve donatı sıyrılmasından kaynaklanan deformasyon bileşenleri de modellere entegre edilmiştir. Analiz sonuçları deneysel sonuçlar ile karşılaştırıldığında, doğrusal olmayan modellerin elemanın dayanım, yanal rijitlik, süneklik, çevrimsel rijitlik azalımı ve sıkışma gibi karakteristik davranış özelliklerde makul başarıyla temsil ettiği gösterilmiştir. Bu modellerden yararlanılarak kesme dayanımı yetersiz ve eksenel yük düzeyi farklı referans numunelerin, BM ile güçlendirilme ve CFRP ile güçlendirme yöntemleri kullanılarak parametrik çalışmaları gerçekleştirilmiştir. BM ile güçlendirmede manto beton dayanımının ve manto etriye aralıklarının etkileri ve CFRP sargılama ile güçlendirmede ise FRP sargısının maksimum çekme dayanımının ve sargı kalınlığının etkileri dayanım, rijitlik, süneklik ve enerji tüketme miktarları bakımından karşılaştırılarak incelenmiştir. Bu çalışmanın sonucunda, BM ile güçlendirme referans numunesine dayanımda, rijitlikte, şekil değiştirme kapasitesinde ve enerji yutma kapasitesinde belirgin katkılar sağlarken, CFRP sargılama ile güçlendirme ise süneklik ve enerji yutma kapasitelerinin gözle görülür artışlar sağladığı görülmüştür. Ayrıca elemanların yalnız şekil değiştirme kapasitelerinde belirgin artışlar isteniyorsa CFRP ile güçlendirme yöntemi, elemanın sünekliliğinin dışında dayanım, rijitlik ve enerji yutma kapasitelerinde de katkılar istenmesi durumunda BM ile güçlendirme yöntemi daha uygun bir seçenek olduğu anlaşılmıştır.

It has been experienced during past earthquakes that many buildings collapsed due to serious damages on columns. Therefore, the columns having insufficient shear strength and/or deformation capacity in existing structures should be strengthened. Additionally, although experimental studies are one of the most effective methods to investigate actual behavior of reinforced members under various loads, due to their high cost and requirement of developed infrastructure and skilled human labor, finite element programs are an alternative, reliable and mostly preferred method with an advancing computer technology. In this study, finite element models of reinforced concrete (RC) columns with an insufficient shear strength and strengthened by RC jacketing and carbon fiber reinforced polymer (CFRP) confined RC columns were created and their nonlinear behaviors under horizontal reversed cyclic loading were investigated. OpenSees finite element program was used in nonlinear analyses. Modeling steps were explained, and the constitutive relation of the materials used in the models were presented. The deformation components consisting of shear and reinforcement slip playing an active role in the behavior of reinforced concrete columns were also integrated into the models. According to the analysis results, nonlinear models were highly successful to represent experimental behavior of the tested members in terms of strength, lateral stiffness, ductility, cyclic stiffness degradation, and pinching. By using these models, a parametric study with the reference samples having insufficient shear strength and different axial load levels were performed by using RC jacketing and CFRP confinement strengthening methods. The effects of jacket concrete strength and jacket stirrup spacings in by RC jacketing and the effects of maximum tensile strength and thicknesses of FRP wraps CFRP confinement were comparedd in terms of strength, rigidity, ductility, and energy dissipation. As a result of the study, while RC jacketing strengthening method significantly increases the strength, stiffness, deformation capacity and energy dissipation capacity of the reference sample, strengthening with CFRP confinement contributes an apparent improvement in ductility and energy dissipation capacities. It is understood that CFRP reinforcement method can be preferred in case where significant increases in the deformation capacities of the elements are desired, while the RC jacketing strengthening method is a more suitable option that it is desired contributions of strength, rigidity and energy absorption capacities in addition to the contribution in the ductility of the element.