Seismic behavior of fifteen years old RC frame

Abstract

It is known that during the construction process of significant part of RC structure stock, mild steel and aggregates coming from sea bed used before the existing code proposals and standards in Turkey. Low concrete quality, mild-nonribbed reinforcement and sea type of aggregates are some of the under design features of those structures. This study mainly focused on seismic behaviour of this type of RC frame as experimentally and analytically. Especially in humid environments, reinforcement corrosion probably occurs when the concrete quality is low and it includes aggregates coming from sea bed. The reinforcement corrosion can cause a lot of structural problems such as cracking of concrete, bond lost and decreasing of effective cross sectional area of rebar during the service life of RC structure. These destructive corrosion results limit the service life of existing structure stock. Depending on the degree of natural corrosion attack, the adherence between the reinforcement and concrete is adversely affected, the effective reinforcement cross section is reduced as a function of time and the cracking of the concrete cover can be seen as the main structural damages. Within the scope of this study, the fifteen years old RC frames were tested to represent the structures which are naturally corroded and constructed before recent earthquake codes and standards. Nearly 1/3 scale one RC frames and one reference frame (15 years ago) were tested under the cyclic horizontal loads and constant axial forces in the ˙Istanbul Technical University Building and Earthquake Engineering Laboratory. The seismic behavior of reinforced concrete frames has been tried to be explained by analysing the strength development, displacement capacity, ductility, lost of effective cross sectional area of reinforcement, stiffness, moment-curvature relations and displacement components obtained under cyclic load procedures. The poisson ratio of fifteen years old confined and unconfined concrete in descending branch of stress-strain diagrams was another topic for which only limited amount of literature is available. In the theoretical part of this study; non-linear pushover analysis of the structural frame was investigated using by DC2B-v2 which include distributed plasticity theory, Sap2000 and SeismoStruct that are based on concentrated plasticity theory computer programs. The outputs obtained from these programs by using theoretical models and the results of the experimental behavior are compared. There is a special purpose computer program has been developed for finding the buckling load parameters of a frame with and without plastic hinges. According to the experimental and analytical results; strength development, lateral and vertical displacement capacity, ductility and moment curvature relationships have been measured, evaluated and compared. The tested frame specimen did not reach its theoretical load capacity and drift level due to decrement of effective cross sectional area of reinforcement and decrement of adherence between the concrete and rebar. Displacement capacity of tested corroded frame was reduced visibly when compared with uncorroded reference frame. Some of the reinforcing bars of stirrups which are closer to the outer joints were ruptured at 4% story drift that indicate a loss in displacement capacity and shear capacity due to high corrosion attack on those outer stirrups reinforcements.

Ülkemizde bir çok kontrollü ve kontrolsüz yapı üretilmiş ve üretilmeyede devam etmektedir. Günümüzde yönetmelik ve standartlarından önce üretilen bu betonarme yapı stokunun önemli bir kısmının inşaası esnasında düz yüzeyli yumuşak betonarme çeliği ve beton üretiminde tuz muhtevası yüksek deniz kumu kullanıldığı bilinmektedir. Bu özellikleri taşıyan betonarme malzeme ile inşaa edilen mevcut yapı stokunun bir kısmı ise önemli depremlerde yapısal zarar görmüş veyahut kullanılamaz hale gelmiştir. Özellikle rutubetli ortam şartlarında, kullanılan beton kalitesinin düşük olduğu hallerde veya beton içeriğinde kullanılan su veya agreganın korozyon tetikleyici bileşenleri içermesi durumunda ortaya çıkan yapısal korozyon ve süreç esnasında betonda meydana gelen çekme çatlakları ve dayanımdaki azalış yapının servis ömrünü etkileyen hasarların arasında en önemlilerinden bazılarıdır. Korozyon evresine bağlı olarak betonarme eleman bileşenleri arasındaki aderans bağını azaltması, etkili donatı kesit alanının azalması ve beton örtüsünün zarar görmesi başlıca yıkıcı etkili donatı kesit alanının azalması ve beton örtüsünün çatlayarak ayrılması başlıca yıkıcı yapısal etkiler olarak görülebilir. Çalışmamız kapsamında ülkemizdeki var olan bu yapı stokunu temsil edebilmesi amacıyla yaklaşık 15 yıllık süreç ve doğal dış ortam koşulları içerisinde korozyona uğramış düz yüzeyli yumuşak betonarme donatısı ve deniz kumu kullanılarak üçe bir ölçekte üretilmiş betonarme çerçevelerin yatay yükler altındaki davranışı analitik ve deneysel olarak irdelenmiştir. İstanbul Teknik Üniversitesi Yapı ve Deprem Mühendisliği Labratuvarında gerçekleştirilen deneysel çalışmalar için 15 yıl önce üretilen ve doğal korozyon sürecine maruz bırakılan 3 adet numune ve 15 yıl önce aynı deney düzeneği ile denenmiş olan referans numunesi kullanılmıştır. Betonarme numuneler, kolon tepe noktalarına aynı anda etkiyen sabit düşey yükler ve her iki yönde etkitilen çevrimsel yükleme ile deneye tabi tutulmuştur. Kullanılan numuneler, ülkemizdeki yapı rezervinde sıklıkla karşılaşılan, standart ve yönetmeliklere uygun olmayan şekilde inşaa edilmiş; beton mukavemeti yetersiz, nervürsüz yumuşak çelik, deniz kumu ve agregası, yetersiz enine donatı gibi özellikleri taşıyan yapı sistemlerini temsil etmektedir. Sargı ekisinin gözetildiği onbeş yıllık beton/betonarme numune setleri ise gerilme-şekil değiitirme bağıntılarından yararlanmak maksadı ile deneysel çalışma kapsamında denenmiş, iniş kolunda Poisson oranının davranışı gözlemlenmiştir. Deneysel çalışma ile elde edilen yapısal dayanım, deplasman kapasitesi, yapısal ve eleman sünekliği, donatı ve beton gerilme-şekil değiştirme bağıntıları, moment-eğrilik ve açısal yerdeğiştirme verileri ile doğal korozyon sürecine maruz bırakılmış betonarme elemanların deprem etkisi altında yapısal davranışı irdelenmiştir. Bu çalışmanın kuramsal bölümünde ise; yapısal sistemin doğrusal olmayan analizi DC2B(v2), Sap2000 ve SeismoStruct programları kullanılarak incelenmiştir. Kuramsal modeller kullanılarak bu programla çalışılan yapısal davranışa ait veriler, laboratuvar çalışmasıyla elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılmış ve irdelenmiştir. Sonuç olarak, onbeş yıllık dogal korozyon sürecinin yapısal davranışta büyük önem derecesinde etki etmediği, net beton örtüsünün az olduğu sargı donatısı kısımlarında daha etkili olduğu görülmüştür. %4 kat ötelemesi oranına ulaşıldığında bu sargı donatılarındaki etkili çapın azalması ve kesme kuvvetini karşılayamadığından yapısal göçmeler oluştuğu görülmüştür. Analitik çalışmalar ile deneysel çalışmaların sonuçlarının uyum içerisinde olduğu görülmüştür. Gerilme şekli değiştirme bağıntılarında iniş kolu esnasında beton numuneler üzerindeki yanal şekil değiştirmenin büyük mertebelere ulaşması ve kabuk betonunun çatlama/ezilme suretiyle ayrışmasından dolayı Poisson oranının elde edilmesini olumsuz yönde etkilemiştir.