Experimental and numerical evaluation of bare and retrofitted pinned beam-to-column connections in industrial precast rc structures

Prekast betonarme yapısal elemanları, kurulum kolaylığı, yüksek kalite ve düşük inşaat süresi gibi avantajları nedeniyle, son zamanlarda diğer geleneksel yapısal elemanlara göre popüler olmuştur. Bu yapıların dezavantajları arasında prekast elemanların ağır oluşu sebebiyle yaşanabilecek nakliye zorluğu ve en önemlisi olarak da elemanların hassas birleşimlerinin olması gösterilebilir.Normalde prekast yapı elemanlarında kiriş-kolon bağlantısı mafsallı birleşim olarak tasarlanır ve uygulanır. Bu yüzden, kiriş-kolon birleşim bölgelerinde mafsallı bağlantı nedeniyle rijitlik yetersizliği oluşabilir ve bu da büyük deformasyonlara, yapılarda ciddi hasarlara sebep olur.Bu yapıların rijitliğini ve davranışını iyileştirmek üzere araştırmacılar bir çok yöntem sunmuş ve test etmiştir. Bu yöntemlerden biri, bağlantı bölgelerine sönümleyici veya takviye gibi mekanik cihazların eklenmesidir. Son yıllarda bir sönümleyici türü olarak `kurşun ekstrüzyon sönümleyici (KES)` geliştirilmiştir. KES sönümleyici tipinin özel bir türü Araş. Gör. Dr. Cihan SOYDAN tarafından doktora tezinde incelenmiştir. İlgili çalışmada, bu cihaz prekast endüstriyel yapısal elemanlara uygulanmış ve yapılar üzerindeki etkisini belirlemek için farklı deprem kayıtları altında sarsma masasında deneyler yapılmıştır. Bu deneylerin gerçek zamanda yapılması, çatlakların ve hasar mekanizmasının gözlemlenebilmesini elverişsiz hale getirmektedir. Bu nedenle, bu çalışmada Dr. Cihan SOYDAN'ın kullandığı deney numuneleri ve KES'in oluşturduğu sistem üzerinde çevrimsel statik yükleme deneyleri yapılmıştır. Bu tez 5 bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde, teze giriş kısmı ve tez ile ilgili literatür taraması yer almaktadır. İkinci bölümde, numunelere ait olan geometri ve malzeme deneyleri bulunmaktadır. Üçüncü bölümde, yapılan deneylerden ve modellerden elde edilen sonuçlar verilmiştir. Dördüncü bölümde, nümerik ve deneysel sonuçların karşılaştırması yer almaktadır. En son bölümde, deneylerden elde edilen genel sonuçlar aktarılmıştır.Bu tezde, numuneler deneysel yöntemler ve nümerik modelleme yapılarak incelenmiştir. Deneysel çalışmalar, İstanbul Teknik Üniversitesi Yapı ve Deprem Mühendisliği Laboratuvarında (YDMLab) ve Bilimsel Araştırma Proje (BAP) birimi desteği ile gerçekleştirilmiştir. Deneylerin yükleme protokolü için ACI 374.2R kılavuzu kullanılmıştır. Bu kılavuza göre her adımda verilen deplasman miktarı, akma deplasmanı katsayıları olarak belirlenmiş ve ona göre numunelere uygulanmıştır. Akma değerinin belirlenmesi için yalın numune üzerinde yük artım analizi yapılmıştır.Numuneler gerçek bir endüstriyel yapının elemanlarının ½ ölçeğinde küçültülmüş örnekleridir. 30x30 (cm) kare kesitli kolonlar, 8Ф16 boyuna donatı ve 8 mm çapında enine donatılarla üretilmiştir. T-kesite sahip kirişlerin, toplam yüksekliği 450 mm, başlık genişliği 1250 mm, başlık kalınlığı 170 mm, gövde yüksekliği 280 mm ve gövde genişliği 250 mm'dir. Kirişler gusenin üzerinde oturmaktadır. Gusede yer alan iki tane 14 mm çapındaki dışa çıkan donatı, kirişin içinde mevcut olan deliklere geçirilmiştir. Bu şekilde kiriş guseye bağlanmıştır. Kolon temel bağlantısı soket birleşim olarak sağlanmıştır.Numunelerin sayısal modellemesi, diğer programlara kıyasla hızlı çözme kabiliyetine sahip olan doğrusal ve doğrusal olmayan statik ve dinamik analiz yapan bir program olan `SeismoStruct` yazılımı ile gerçekleştirilmiştir. Betonun modellenmesinde Mander modeli kullanılmıştır. Bu model beton çekme dayanımını dikkate alırken diğer modeller ihmal etmektedir. Donatı çeliklerinin modellemesi için, burkulma sonrası davranışı dikkate alan Menegotto-Pinto modeli kullanılmıştır. KES'in modellemesi için, simetrik bi-liner modelin kullanılması planlanmıştır. Deney sonuçlarına göre asimetrik bi-liner model seçilmiştir. Malzeme modellerine girilen parametreler, malzeme deneylerinden elde edilmiştir.Bu tez çalışmasında, sistem deneylerinde 3 tür çerçeve incelenmiştir; `yalın çerçeve`, `KES ile güçlendirilmiş çerçeve`, `KES ile güçlendirilmiş ve kiriş gövdesi üzerinde ek yan plakalı çerçeve`. Deneye tabi tutulan çerçeveler, Dr. Cihan SOYDAN'ın sarsma masanında uyguladığı dinamik deneylerdeki numuneler ile aynı kesit ve özelliktedir.Kirişin diğer tarafı kayıcı mesnet görevi yapan bir çelik kolon üzerine oturmaktadır. T-kesitli kiriş gövdesinden geçen pim ile çelik kolona bağlanmıştır. Dr. Cihan SOYDAN'ın uyguladığı sarsma masası deneylerinde kirişin üzerinde ağırlık kütleleri yer almıştı. Bu tez çalışmasında uygulanan yarı-statik deneylerde, kiriş-kolon birleşim bölgesinin davranışını belirlemek üzere deneylerde kütle kullanılmamıştır. Deprem yükü sisteme kirişten aktarılmıştır. Deneylerde 2 tür ölçüm cihazı kullanılmıştır; `yer-değiştirme ölçer` ve `birim şekildeğiştirme ölçer`. Yerdeğiştirme ölçerler numunelerin `çerçeve tepe deplasmanını`, `kolon yatay deplasmanını`, ve `gusenin dönmesini` hesaplamak için kullanılmıştır. Kolonun alt bölgesinde birim şekildeğiştirmeyi takip etmek ve akma deplasmanını belirlemek için üç seviyede 4'lü birim şekildeğiştirme ölçer kesidin içinde boyuna donatı üzerine beton dökümünden önce yerleştirilmiştir. Kolonun alt bölgesindeki birim şekildeğiştirme ölçerlerine ek olarak guseden çıkan iki tane donatının üzerine de birim şekildeğiştirme ölçer yerleştirilmiştir. `KES ile güçlendirilmiş çerçeve` ve `KES ile güçlendirilmiş ve kiriş gövdesi üzerinde ek yan plakalı çerçeve` deneylerinde KES'te oluşan kuvvetin belirlenmesi için KES'in kolları üzerine birim şekildeğiştirme ölçerleri yapıştırılmıştır.`Yalın çerçeve` deneyinde, ilk çatlak 2.14 mm'de ve bu deplasmana sebep olan 7 kN yükte meydana gelmiştir. Maksimum 175 mm deplasmanda taşıma gücünü kaybeden bu çerçeve yaklaşık 30 kN yüke kadar dayanabilmiştir. Yüklemenin son aşamasında kolonun alt bölgesindeki boyuna donatılar burkulma ve kopma göçmesine maruz kalmıştır.`KES ile güçlendirilmiş çerçeve` deneyinde, ilk çatlak 1.4 mm'de ve bu deplasmana sebep olan 4 kN yükte meydana gelmiştir. Bu deneyde, KES'in kiriş ile bağlandığı yerde takılan rodların çıkması ile birlikte maksimum 100 mm deplasmana erişilebilmiştir. `KES ile güçlendirilmiş ve kiriş gövdesi üzerinde ek yan plakalı çerçeve` deneyinde, KES'in kiriş ile bağlandığı yerde rodların çıkmasını engellemek için iki yan levha eklenmiştir. Deneyde, ilk çatlak 1.45 mm'de ve bu deplasmana sebep olan 6.5 kN da meydana gelmiştir. 125 mm maksimum deplasmana 65 kN'luk yükte erişilmiştir ve KES'in pin ile levhaya bağlandığı yerde oluşan kopmadan sonra deney sona ermiştir. KES'li deneylerde sistemin göçmesi KES bağlantı bölgesinde gerçekleşmiştir.Gerçekleştirilen statik deneylerin sonuçlarına göre, yarı-viskoz bir sönümleyici olan KES'in sisteme önemli miktarda sönüm katmadığı belirlenmiştir. Bu sonuca sebep olarak, deneylerde kullanılan yükleme hızının çok düşük olması gösterilebilir. Bu şartlarda KES'in yarı-viskoz özelliği aktif hale geçmemektedir. KES'in yalın çerçeve rijitliğine katkısı yaklaşık 35% iken, sönümlenmesine katkısı küçüktür. KES'in deney şartlarına göre sisteme sönümlemeden ziyade rijitlik kattığı belirlenmiştir.KES'in varlığının, mafsallı kiriş-kolon birleşim bölgesindeki göreli yerdeğiştirmeyi 60%'a düşürdüğü belirlenmiştir. Buna ek olarak, kiriş ve kolon arasındaki dönme açısını da yaklaşık 20% azaltmıştır.Deneylerden elde edilen sonuçlara göre, KES'li çerçeveli deneylerde KES için hesaplanan ortalama eşdeğer sönüm oranı sırasıyla yaklaşık 48% ve 26% olarak belirlenmiştir. Sonuç olarak, statik karakterli deneylerde KES'in sönümden ziyade sisteme rijitlik kattığı sonucuna ulaşılmıştır. Precast RC structural elements have recently been popular in comparison with other conventional structural elements due to the advantages that they may offer such as ease of installation, high quality and low construction time but, beside these excellences, these elements have their own drawbacks such as transportation issues, heavy members to lift and sensitive connection works which the latter can be considered as the most significant disadvantage for precast RC structures.Normally the connection of the precast structural elements at beam-column connection zone is designed and applied in pinned type connection. The pinned connection at beam-column connection zone leads to insufficient rigidity which results in huge deformations and consequently considerable damages to the structures. To improve these types of structures rigidity and behavior some methods have been presented and tested by researchers. One of these methods is adding energy absorbing devices such as dampers or stiffeners to the connection zone. One type of these dampers is Lead Extrusion Damper (LED) which has been designed and tested in the recent decades. A specific kind of these dampers type was designed and tested at Istanbul Technical University Structural and Earthquake Engineering Laboratory (STEELab) by Dr. Cihan SOYDAN as his PhD. thesis. He implemented this device to a set of precast industrial type structural elements (beam-to-column connection) and tested on shake table with different earthquake records to determine its effect on the structures. Due to the fact that these tests were conducted in a short period of time and observation of the cracks and failure mechanism was not possible, hence it was intended to define this thesis subject and test the same specimens with the same designed device in quasi-static loading conditions with the support of Research Fund of Istanbul Technical University.This thesis was completed in two major parts; experimental tests of the specimens which have been built on their ½ scale of the real structural elements and their numerical modeling carried out by using SeismoStruct software. The experimental tests include quasi-static cyclic loading of thee specimens each of which had a T-section beams lying on the corbel of square columns connected with two extruding rebar on the corbel. The other side of the beam was put on a steel column acting as a roller support providing lateral freedom to the beam. The loading protocol of the test was determined based on ACI 374.2R guidelines which is a Guide for Testing Reinforced Concrete Structural Elements under Slowly Applied Simulated Seismic Loads.The numerical modeling of the specimens as mentioned before was conducted by SeismoStruct software which is a program for linear and non-linear static and dynamic analysis with a fast solving capability in comparison with the other programs. For modeling of the concrete, Mander model has been used because that model considers concrete tensile strength while other models neglects it. For reinforcement modeling Menegotto-Pinto model has been used due to the fact that it considers post-buckling behavior of the rebar. Moreover, for modeling of the LED it was planned to use a symmetric bi-linear model which asymmetric bilinear model was selected based on the test results.This thesis consists of three tests, the bare specimen, specimen retrofitted with LED and specimen retrofitted with LED plus additional lateral plates on the beam web. The specimens failed at 175 mm, 100 mm, 125 mm respectively in which the failure of the 1st specimen occurred at it column base section accompanied by buckling and rupture of the longitudinal rebar. At the second and third test the failure of the system took place at the LED connection zone. Based on the experimental results, the LED could not add considerable amount of damping to the system due to the fact that it was a semi-viscous damping which needs velocity to initiate its function but since in the tests the velocity was not provided because of quasi-static loading condition. According to the tests results, the LED increased the bare specimen rigidity approximately 35% while it added insignificant mount to the damping of the bare specimen.Furthermore, the installation of the LED reduced beam-column lateral displacement up to 60% which is a significant value. This means that the device added more rigidity than damping to the system. In addition, it decreased the rotation angle between beam and column about 20% which is not a significant value. Furthermore, based on the computed equivalent damping ratios for three specimens, the average of equivalent damping ratio for the LED was calculated 48% and 26% for the second and third test respectively. For all three tests this ratio was approximately 10% for the frames which indicated that the installation of the LED did not increase the specimens damping capability. As a conclusion it can be mentioned that the LED added more rigidity than damping based on the static loading test results and the retrofitted specimen exhibited a behavior more dominant to a specimen with rigid connection at its beam-column connection zone which is caused by lack of velocity at the tests in the thesis. 107