Seismic Rehabilitation Of Columns With Corroded Reinforcing Bars Through Practical Interventions

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2013Türkiye’de 50’li yıllarda başlayan ve günümüze kadar devam eden hızlı nüfus artışıyla beraber, hızlı yapılaşmada beraberinde gelmiştir. Mevcut yapı sayısının çok hızlı artması, ülkenin yüz ölçümü bakımından %90’ının, nüfus sayısı bakımından %95’inin deprem bölgesi üzerinde olmasından dolayı, yapılan bu yapı stokunun olası bir deprem ya da dinamik etki altında can ve mal kaybına yol açmaması için birçok çalışma yapılmaktadır. İlk afet yönetmeliğinin çıkışından beri yönetmelikler birçok kez yenilenmiş, yeni yapılan yapıların bu yönetmeliklere uyularak bir nebze de güvenli hale getirilmelerine çalışılmıştır. Yapılar tasarlanırken tam anlamıyla yönetmeliklere uyulsa bile, malzeme kalitesinin kötü olabilmesi ya da yapım sırasındaki hatalar nedeniyle yapılar zarar görebilmekte, bu zararlar uzun vadedeki etkilerle birlikte yapıda hasara yola açıp yapının olası deprem performanslarında düşüşe neden olabilmektedir. Yapıyı uzun vadede etkileyerek yapı performansının önemli bir derecede düşmesine neden olan günümüzdeki en büyük problemlerden biri de betonarme binaların taşıyıcı elemanlarındaki çelik donatıların korozyona uğramasıdır. Korozyona uğrayan çelik donatıların korozyon artıkları nedeniyle hacimlerinde artış gerçekleşmekte, bu hacim artışıyla beraber dıştaki beton tabakası çatlamakta ve korozyona uğrayan eleman önemli derecede dayanım ve süneklik kaybına uğramaktadır. Bunun yanı sıra korozyon çelik donatılarda kesit kaybına yol açmakta dış beton sağlam olsa dahi donatılardaki kesit kayıpları nedeniyle donatılar gevrek hasara uğrayıp kopmaktadırlar. Donatıların hasara uğraması ve betonda hasarların oluşması nedeniyle de beton-donatı arasındaki aderans azalmaktadır. Genel olarak korozyon, çelik donatı içerisinde yer alan demir iyonlarının klorid iyonlu bir ortamda bulunmasından ya da karbonasyondan kaynaklanır. Korozyonu oluşturan en önemli etmenlerin, yüksek klorid oranı, düşük pH, ısı, su/çimento oranı, nem, döküm sırasındaki yetersiz vibrasyon ve problemli atık/yağmur su sistemleri olduğu düşünüldüğünde, korozyonun Türkiye’de bulunan yapılara büyük oranda etki ettiği ve bu yapılara geçen yıllar içerisinde hasar verdiği aşikardır. Ülkede deprem riskinin yüksek olması ve olası bir yüksek büyüklükteki depremin beklendiği gerçeğinden yola çıkılırsa, tüm bu yapıların deprem performanslarının güçlendirilmesi, yapıların iyileştirilmesi, can ve mal güvenliği açısından düşünüldüğünde bir zorunluluktur. Ülkenin bu oranda bir güçlendirme ve iyileştirmeyi kaldırabilecek ekonomik yeterliliklerden uzak olduğu ve ekonomik şartlar sağlansa bile bu denli büyük bir güçlendirme çalışmasında insanların konaklamalarında problem çıkacağı düşünüldüğünde, uygulama açısından basit, ekonomi açısından ucuz ve güçlendirme açısından başarılı bir güçlendirme tekniğinin gerekliliği ortadadır. Yapılacak deneysel bir çalışma ile, donatıları korozyona uğramış betonarme kolonların güçlendirilmesi adına basit yöntemlerin bulunması amaçlanmış, elde edilecek deneysel sonuç veritabanları ile bu alanda ortaya çıkan sorunları çözmek adına inşaat mühendisliğine katkı yapılması istenmiştir. Korozyonun global bir problem olduğu göz önüne alındığında bulunacak basit bir yöntemin tüm dünyada ekonomik ve uygulanabilir bir sonuca sahip olacağı kesindir. Bu çalışmada kullanıcı dostu ve ucuz yöntemler öner sürülerek uygulanabilir basit yöntemler denenmiş ve deprem yüklemesine benzer bir yüklemeyle deprem performansları denenmiştir. Bu çalışma için 6 adet numune hazırlanmıştır. Deney için üretilmiş numuneler tipik normal dayanımlı yapısal kolon elemanlar olarak tasarlandılar. Türkiye’de kullanılan en son yönetmeliklerden yararlanılarak, 28 günlük beton basınç dayanımı 25 MPa olan betona ve nervürlü donatılara sahip, yönetmeliğe uygun enine ve boyuna donatı detayları olan numuneler tasarlanmış ve uygulanmıştır. Deneysel çalışma için hazırlanan 6 numune tamamen aynı koşullar altında hazırlandı ve ülkede çok sık karşılaşılan korozyon problemini modelleyebilmek adına numunelerden 1’i referans olarak ayırılarak geri kalanı hızlandırılmış korozyona maruz bırakıldı. Hızlandırılmış korozyona maruz bırakılan bu kolonlarda korozyona bağlı donatı boyunca çatlaklar ortaya çıktı ve numunelerin çoğunluğunda korozyon hasarları oluştu. Referans dışında geriye kalan 5 kolondan bir diğeri korozyonlu referans numunesi olarak ayrıldı ve güçlendirme yapılacak kolonlar için öncelikle korozyon hasarlı dış beton temizlendi, ardından ortaya çıkarılan donatılar mekanik temizleyicilerle temizlendi. Bu işlemin ardından korozyon sonucu ortaya çıkan kesit kayıpları hesaplandı ve en büyük kesit kayıplarının kolon-temel birleşimindeki donatı kesitlerinde ortaya çıktığı görüldü. Tüm bu korozyonlu kesitler kaynak ile doldurularak tamir edildiler. Ardından bir numune de birleşimlerdeki korozyonun kaynakla doldurulmasının performansa etkisini incelemek için ayırılırken geriye kalan 3 adet, kolon-temel birleşiminde bulunan korozyon hasarı nedeniyle donatı kesitleri kaynakla doldurulmuş, numune farklı güçlendirme teknikleriyle güçlendirildiler. Birinci numune de kolon içerisinde bulunan kolon ve filiz donatısının birlikte çalışmasının etkisini incelemek amacıyla kolon ve filiz donatıları tamamen birbirine kaynaklandı. İkinci bir numune de eski korozyon hasarlı donatıların yanına 4 adet yeni önceki filiz donatılarıyla aynı çapta ve özellikte nervürlü donatı ankre edildi ve donatı eklemenin davranışa etkisi incelendi. Son numune içinse filiz ve kolon donatılarının sıyrılma bölgesindeki alanlarına mekanik delicilerle her 1 cm’de bir korozyona benzer ufak oyuklar açıldı ve test sırasında akma bölgesinin bir oyuktan diğerine yer değiştirerek sünekliği artırıp artırmayacağı denendi. Tüm numuneler sabit eksenel yük ve tekrarlı tersinir eğilme etkileri altında dayanımlarının büyük kısmını kaybedene kadar test edildiler. Deney sonucunda deprem etkisi altında performansı incelenen numunelerde bir takım davranış karakteristikleri(dayanım-yer değiştirme grafikleri, moment-eğrilik ilişkileri, kalıcı yer değiştirme düzeyleri, donatılarda oluşan şekil değiştirme değerleri ve süneklik kaybı değerleri) belirlendi. Korozyona uğramış ve daha sonra kesit kayıpları kaynak kullanılarak doldurulan donatıların, numune donatılarında deney öncesinde bulunan maksimum kesit kayıplarının bulunduğu yerlerden koptuğu, tüm hasarlarında bu bölgelerde yoğunlaştığı deney sonuçlarından ve deney sonrasında yapılan otopsi çalışmalarından gözlemlenmiştir. Korozyona uğrayan referans numunesiyle, korozyona maruz bırakılmamış referans numunesi karşılaştırıldığında, düşen plastik mafsal uzunluğuna, donatılarda yer alan kesit kayıplarına ve beton üzerinde oluşan çatlaklara bağlı olarak yer değiştirme ve enerji yutma kapasitesinin önemli ölçüde düştüğü gözlemlenmiştir. Basit yöntemlerle güçlendirmeleri yapılmış numunelerin davranışlarında gözle görülür bir davranış değişiminin ortaya çıkmadığı görülmüştür. Maksimum kesit kaybına sahip bölgeleri kaynaklamanın deprem performansına bir etkisinin olmadığı, donatıların yine aynı yer değiştirme mesafesinde aynı bölgelerden koptuğu gözlemlenmiştir. Korozyona uğramış donatıların yanlarına yeni donatı ankraj edilen numune de başlangıçta yeni donatıların etkisiyle dayanımda bir artışın ortaya çıktığı fakat dış betonun ezilmesi ve dökülmesiyle beraber dayanımda büyük bir düşüşün yaşanarak düşük yer değiştirme kapasitesinde hasara uğradığı ortaya çıkmıştır. Ayrıca filiz ve kolon donatılarını kaynaklamanın çok az bir dayanım artışı sağladığı fakat yer değiştirme kapasitesi açısından herhangi bir yarar sağlamadığı gözlemlenmiştir. En son donatıları üzerinde oyuklar açılan numunede yapılan inceleme ve hesaplarda, numune dayanımının artmadığı fakat plastik mafsal boyunun oluşturulan oyuklarla uzatılarak öteleme kapasitesinin artırıldığı tespit edilmiştir. Bu sebeplerden bu çalışmada ortaya çıkan sonuçlardan basit güçlendirme yöntemleriyle herhangi bir dayanım yada öteleme kapasitesi artışı yapılamadığı buna rağmen enerji yutma kapasitesi ve süneklik değerlerinde de bir artışın ortaya çıkmadığı söylenebilir. Çalışmanın sonuçlarına bakıldığında kullanılan basit iyileştirme yöntemlerinin dayanım ya da öteleme kapasitesi açısından bir iyileştirme sunmadığı ve bunun nedeninin de donatılarda korozyon hasarına bağlı erken kopma olduğu tespit edilmiştir. Gelecek çalışmalarda bu problemin çözümüne yönelik çalışmalar yapılmasına olanak tanıması nedeniyle elde edilen bilgilerin tüm betonarme yapılarda ortaya çıkan korozyon problemini çözmesi adına büyük yararlarının olduğu aşikardır.Corrosion, which generally results from either exposure of steel to chloride ions or carbonation, is one of the widespread durability problems. The seismic behavior of existing structures is affected by corrosion through degradation in their strength and displacement capacity. Rehabilitation of aged and deteriorated structure stock that has potential of damage during the earthquakes in Turkey and other countries, is one of the most important problems among the major challenges of construction sector due to the huge reinforced concrete structure stock. Corrosion of reinforcing bars and consequently the resultant cracks in the concrete of structural members due to the humid environmental conditions are among the most common reasons of damages in RC structures, which require rehabilitation. Depending on the corrosion level, the bond between concrete and steel reinforcement can be affected negatively. In terms of seismic safety of the existing structures, the leading factors which cause major risks is corrosion of reinforcement (cross-section loss of rebars), strength loss, spalling of cover concrete, longitudinal cracks. An experimental and analytical study is planned for seismic rehabilitation of RC columns with corroded reinforcing bars by different practical, user-friendly and low cost methods. The specimens produced for these tests were planned to represent typical normal strength structural components. The tests have been carried out for column specimens that were constructed in accordance with new design code (normal strength and good quality concrete, deformed bars, sufficient transverse reinforcement and detailing) that have average concrete compressive strength of 25 MPa. Sıx specimens were constructed in an identical manner and were subjected to accelerated corrosion of reinforcing bars, which fıve of them were repaired in order to recover the negative effects of the reinforcement corrosion. These samples were tested under constant axial load and cyclic reversed bending effects. The behavior of the specimens has been examined analytically. These tests would provide experimental data base for seismic performance of corrosion damaged structural components retrofitted as well and would have a significant contribution in the structural engineering field. The results of this study will provide considerable support to the solution of the common problem in the world and lead in retrofitting corrosion damaged structures to the experts. For summarizing the test results, a number of behavior characteristics; such as displacement capacity, strength, moment-curvature relationship, ductility, strain distribution, and displacement components, which are among main indicators of seismic performance, are evaluated. The concentration of plastic deformations of main reinforcing bars at and around the maximum cross-section loss (maximum pit) causes limited distribution of plastic deformations leading to remarkably reduced displacement capacity for the columns with corroded reinforcement due to reduced plastic hinge lengths. Consequently ductility and energy dissipation capacity of the columns with corroded reinforcement are reduced remarkably. The proposed simple rehabilitation method recovered the strength of the specimens. However, more important than strength, ductility and energy dissipation capacities could not be recovered.Yüksek LisansM.Sc