Geri Dön

Seismic performance of full-scale rc columns under high axial loading

Yüksek eksenel yük altındaki tam ölçekli betonarme kolonların sismik davranışı

  1. Tez No: 1011603
  2. Yazar: SAFİYE GÜNDOĞAN
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖMER TUĞRUL TURAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Betonarme kolon, Sismik performans, Reinforced concrete column, Seismic performance
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Türkiye, jeolojik konumu nedeniyle aktif fay hatları üzerinde yer alan ve tarihsel süreç boyunca çok sayıda yıkıcı depreme maruz kalmış bir ülkedir. Cumhuriyet döneminde meydana gelen büyük depremler, özellikle 27 Aralık 1939 Erzincan Depremi, 17 Ağustos 1999 Marmara ve 12 Kasım 1999 Düzce depremleri ile son olarak 6 Şubat 2023 tarihinde gerçekleşen Kahramanmaraş depremleri, mevcut yapı stokunun deprem güvenliği açısından ciddi ve yaygın zafiyetler taşıdığını açık bir şekilde ortaya koymuştur. Kahramanmaraş merkezli ve büyüklükleri 7.7 ve 7.6 olan bu ardışık depremler, Türkiye'nin güneyinde yer alan 11 ilde geniş bir coğrafyada yıkıcı etkilere neden olmuş, çok sayıda yapının ağır hasar görmesi veya tamamen göçmesiyle sonuçlanmış ve tarihimizin en büyük can ve mal kayıplarından birine yol açmıştır. Bu afetler, özellikle yeterli mühendislik hizmeti almadan, çağdaş deprem yönetmeliklerinin gerekleri dikkate alınmaksızın inşa edilmiş betonarme yapıların deprem etkileri altında son derece kırılgan bir davranış sergilediğini bir kez daha acı bir şekilde göstermiştir. Yaşanan bu büyük depremler, mevcut betonarme yapı stokunun gerçek deprem koşulları altında beklenen performansını sorgulatmış ve özellikle taşıyıcı sistem elemanlarının güvenliğinin ayrıntılı biçimde yeniden değerlendirilmesi gerektiğini açıkça ortaya koymuştur. Türkiye'deki mevcut betonarme yapı stokunun önemli bir bölümü, modern deprem yönetmeliklerinin yürürlüğe girmesinden önce, yeterli mühendislik denetimi ve güncel tasarım ilkeleri dikkate alınmadan inşa edilmiştir. Bu yapılar çoğunlukla düşük beton basınç dayanımına sahip olup, enine donatı oranının yetersiz olması, etriye aralıklarının fazla geniş seçilmesi, etriyelerde kanca detaylarının eksik veya hatalı uygulanması ve düz yüzeyli (nervürsüz) donatı kullanımının yaygın olması gibi ciddi yapısal kusurlar içermektedir. Ayrıca, kolon-kiriş birleşim bölgelerinde yetersiz detaylandırma, yetersiz bindirme boyları ve düzensiz donatı yerleşimleri gibi uygulama hataları da bu yapıların deprem performansını olumsuz yönde etkilemektedir. Literatürde ve mühendislik uygulamalarında bu tür yapılar, taşıyıcı sistem güvenliği açısından kabul edilebilir performans kriterlerini karşılamamaları nedeniyle standart-altı betonarme yapılar olarak tanımlanmaktadır. Geçmiş depremlerden elde edilen saha gözlemleri ve hasar incelemeleri, bu yapıların deprem etkileri altında genellikle sünek davranış sergileyemediğini, aksine gevrek ve ani göçme mekanizmaları geliştirdiğini açıkça göstermektedir. Özellikle düşey taşıyıcı elemanlar olan kolonlarda meydana gelen beton ezilmesi, enine donatı yetersizliği kaynaklı donatı burkulması ve eksenel taşıma kapasitesinin ani kaybı gibi hasar türleri, yapıların kısmi veya tam göçmesine doğrudan neden olmakta ve can kayıplarının başlıca kaynağını oluşturmaktadır. Bu durum, mevcut standart-altı betonarme yapı stokunda kolon davranışının deprem güvenliği açısından kritik bir rol oynadığını ve ayrıntılı olarak incelenmesi gerektiğini ortaya koymaktadır. Deprem etkisi olmaksızın, yalnızca servis yükleri altında meydana gelen bina göçmeleri de mevcut betonarme yapı stokunun taşıyıcı sistem güvenliği açısından ne derece yetersiz olduğunu açıkça ortaya koymaktadır. İstanbul'da Zeytinburnu'nda 2017 yılında, Kartal'da 2019 yılında ve Küçükçekmece'de 2024 yılında meydana gelen bina göçmeleri ile Konya'da yaşanan Zümrüt Apartmanı faciası, betonarme yapıların yalnızca kendi ağırlıkları ve kullanım yükleri altında dahi yetersiz performans gösterebildiğini acı bir şekilde gözler önüne sermiştir. Bu tür olaylar, deprem yükleri gibi ani ve dinamik etkiler söz konusu olmaksızın bile, taşıyıcı sistemlerin zamanla güvenliğini kaybedebileceğini göstermesi açısından son derece çarpıcıdır. Yapılan teknik incelemeler ve bilirkişi raporları, bu tür göçmelerin temel nedenleri arasında yetersiz kolon kesitleri, düşük beton basınç dayanımı, hatalı donatı yerleşimi, eksik veya yetersiz enine donatı düzeni ve kolonlarda oluşan yüksek eksenel gerilmelerin belirleyici rol oynadığını ortaya koymaktadır. Özellikle uzun süre boyunca yüksek düşey yükler altında kalan kolonlarda, betonun zamanla maruz kaldığı sünme etkileri sonucunda taşıma kapasitesinin azalması, ani ve gevrek göçme mekanizmalarının gelişmesine zemin hazırlamaktadır. Dolayısıyla mevcut betonarme kolonların yalnızca deprem etkileri altında değil, aynı zamanda uzunsüreli düşey yükler altında da gerçekçi ve bütüncül bir yaklaşımla değerlendirilmesi büyük önem taşımaktadır ve bu tür zamana bağlı etkilerin performans değerlendirme ve güçlendirme çalışmalarında mutlaka dikkate alınması gerekmektedir. Betonarme kolonların deprem davranışını etkileyen en önemli parametrelerden biri eksenel yük seviyesidir. Kolon üzerinde etkili olan eksenel yük arttıkça, elemanın taşıma mekanizması ve hasar gelişimi önemli ölçüde değişmekte, sünek ve enerji yutma kapasitesi yüksek eğilme kontrollü davranıştan, basınç kontrollü ve ani göçme ile sonuçlanan gevrek davranışlara doğru belirgin bir geçiş gözlenmektedir. Bu nedenle modern deprem yönetmeliklerinde, kolonların sünek davranış gösterebilmesini sağlamak amacıyla izin verilen eksenel yük oranlarına üst sınırlar getirilmiş ve yüksek eksenel yük seviyeleri özellikle sınırlandırılmıştır. Ancak mevcut betonarme yapı stokunda, özellikle düşük beton basınç dayanımına sahip ve eski yönetmeliklere göre inşa edilmiş kolonlarda, projede öngörülen eksenel yük oranlarının pratikte çok daha yüksek eksenel gerilmelere karşılık geldiği sıklıkla gözlemlenmektedir. Beton dayanımının projede öngörülen değerlerin altında gerçekleşmesi, zaman içerisinde meydana gelen kesit kayıpları ve malzeme bozulmaları, sonradan yapılan ilave katlar veya kullanım değişiklikleri nedeniyle artan düşey yükler ve yapım aşamasındaki kusurlar, kolonların beklenenden çok daha yüksek eksenel gerilmelere maruz kalmasına neden olmaktadır. Bu durum, kolonların deprem sırasında sünek davranış sergileme kapasitesini ciddi ölçüde azaltmakta ve basınç kontrollü, ani ve öngörülmesi zor göçme mekanizmalarının oluşma riskini önemli ölçüde artırmaktadır. Literatürde betonarme kolonların deprem davranışına ilişkin çok sayıda deneysel ve analitik çalışma bulunmasına rağmen, bu çalışmaların büyük çoğunluğu modern yönetmeliklere uygun olarak tasarlanmış, yeterli enine donatıya sahip, normal veya yüksek beton dayanımlı ve genellikle düşük ile orta seviyede eksenel yük oranları altında test edilen kolonları kapsamaktadır. Bu tür deneysel çalışmalar, güncel tasarım felsefesine uygun yeni yapıların davranışını anlamak açısından önemli olmakla birlikte, Türkiye'deki mevcut yapı stokunu temsil eden standart-altı betonarme kolonların gerçek davranışını yansıtmaktan uzaktır. Mevcut yapı stokunda yaygın olarak karşılaşılan kolonlar, düşük beton basınç dayanımına, yetersiz enine donatı oranına ve çoğu zaman yüksek eksenel yük oranlarına sahip olup, bu özellikleriyle literatürde sıkça çalışılan deney numunelerinden belirgin biçimde ayrılmaktadır. Buna ek olarak, literatürde raporlanan deneylerin neredeyse tamamı, kolon numunelerinin imalatından kısa bir süre sonra gerçekleştirilmiş ve kolonların servis ömrü boyunca maruz kaldığı uzunsüreli düşey yüklerin yol açtığı zamana bağlı etkiler büyük ölçüde ihmal edilmiştir. Oysa gerçek yapılarda kolonlar, yıllar boyunca sabit veya değişken düşey yükler altında çalışmakta ve bu süreçte betonun sünmesi gibi zamana bağlı deformasyonlar nedeniyle beton ve donatı arasında önemli gerilme yeniden dağılımları meydana gelmektedir. Bu etkilerin, kolonların deprem sırasındaki hasar gelişimini, dayanımını ve süneklik kapasitesini doğrudan etkileyebileceği bilinmesine rağmen, deneysel çalışmalarda yeterince ele alınmadığı görülmektedir. Sonuç olarak, mevcut deneysel veri tabanı hem yüksek eksenel yük oranlarını hem de uzunsüreli düşey yüklerin etkilerini birlikte içermediğinden, standart-altı betonarme kolonların gerçekçi deprem performansını temsil etmede yetersiz kalmaktadır. Bu tez çalışmasının temel amacı, standart-altı betonarme kolonların yüksek eksenel yük oranları ve uzunsüreli sürekli eksenel yükleme altındaki deprem performansını deneysel olarak incelemek ve literatürde mevcut olan önemli deneysel veri boşluğunu doldurmaktır. Çalışmada, özellikle mevcut betonarme yapı stokunda yaygın olarak karşılaşılan düşük beton basınç dayanımı, yetersiz enine donatı ve yüksek eksenel gerilme seviyelerinin kolon davranışı üzerindeki etkilerinin gerçekçi bir şekilde ortaya konulması hedeflenmiştir. Bu bağlamda, standart-altı kolonların yalnızca deprem anındaki davranışları değil, aynı zamanda uzun yıllar boyunca maruz kaldıkları düşey yüklerin neden olduğu zamana bağlı etkilerin, deprem performansını nasıl etkilediği kapsamlı bir biçimde ele alınmıştır. Bu amaç doğrultusunda, Türkiye'deki mevcut betonarme yapı stokunu temsil edecek şekilde tasarlanmış tam ölçekli betonarme kolon numuneleri üzerinde kapsamlı bir deneysel program yürütülmüştür. Deney numuneleri, düşük beton dayanımı, düz yüzeyli donatı kullanımı ve yetersiz enine donatı detayları gibi standart-altı yapıların karakteristik özelliklerini yansıtacak biçimde üretilmiştir. Böylece elde edilen deneysel bulguların, mevcut yapı stokunun gerçek davranışını temsil edebilmesi amaçlanmıştır. Tez kapsamında gerçekleştirilen deneysel çalışma iki ana fazdan oluşmakta olup, her bir faz belirli bir araştırma sorusuna odaklanacak şekilde kurgulanmıştır. Birinci fazda (Faz-1), farklı eksenel yük oranlarının standart-altı betonarme kolonların deprem davranışı üzerindeki etkisi sistematik olarak araştırılmıştır. Bu kapsamda, kare kesitli ve tam ölçekli betonarme kolon numuneleri, kolonun nominal eksenel yük kapasitesinin sırasıyla %30, %40, %50, %60, %70 ve %80'ine karşılık gelen sabit eksenel yükler altında yön değiştiren tekrarlı yatay yüklemeye tabi tutulmuştur. Seçilen bu geniş eksenel yük aralığı ile, mevcut betonarme yapı stokunda karşılaşılan düşükten çok yüksek seviyelere kadar eksenel gerilme durumlarının kolon davranışı üzerindeki etkilerinin karşılaştırmalı olarak incelenmesi amaçlanmıştır. Faz-1 kapsamında test edilen tüm numuneler, Türkiye'deki mevcut yapı stokunu temsil edecek şekilde, ortalama basınç dayanımı yaklaşık 10 MPa olan düşük dayanımlı beton kullanılarak üretilmiştir. Numunelerde düz yüzeyli boyuna donatı ve yetersiz enine donatı düzeni tercih edilmiş, etriye aralıkları ise eski yönetmeliklere ve yetersiz uygulamalara özgü olacak şekilde geniş tutulmuştur. Bu özellikler, standart-altı kolonlarda yaygın olarak görülen yetersiz sargı etkisini ve boyuna donatı burkulmasına karşı zayıf davranışı gerçekçi biçimde yansıtmayı amaçlamaktadır. Böylece Faz-1 deneyleri, yüksek eksenel yük oranlarının düşük dayanımlı ve yetersiz detaylandırılmış kolonların hasar gelişimi, taşıma kapasitesi, süneklik ve göçme mekanizmaları üzerindeki belirleyici rolünü ortaya koyacak şekilde kurgulanmıştır. Faz-1 deneyleri sonucunda elde edilen bulgular, eksenel yük oranının standart-altı betonarme kolonların deprem davranışını belirleyici biçimde değiştirdiğini açıkça ortaya koymuştur. Görece düşük eksenel yük oranına sahip numunelerde (%30 ve %40), eğilme kontrollü bir davranış hakim olmuş olup bu numuneler daha kararlı histeretik döngüler, daha yavaş rijitlik kaybı ve görece yüksek şekil değiştirme kapasitesi sergilemiştir. Bu kolonlarda hasar gelişimi kademeli ilerlemiş, kabuk beton ezilmesi ve boyuna donatı burkulması daha ileri deplasman seviyelerinde ortaya çıkmıştır. Eksenel yük oranının artmasıyla birlikte kolon davranışında belirgin bir geçiş gözlenmiştir. Daha yüksek eksenel yük oranlarında (%50 ve üzeri) beton örtü ezilmesi erken deplasman seviyelerinde başlamış, bunu kısa süre içerisinde boyuna donatı burkulması ve kesitin yatay taşıma kapasitesinde ani kayıplar izlemiştir. Bu kolonlarda davranış giderek basınç kontrollü bir karakter kazanmış ve göçme mekanizması sünek eğilme davranışından uzaklaşarak gevrek ve ani göçme modlarına yönelmiştir. Yüksek eksenel yük oranlarında kolonların yatay taşıma kapasiteleri belirli bir seviyeye kadar korunabilmesine rağmen bu durum yanıltıcı bir performans algısı yaratmış, şekil değiştirme kapasitesi ve enerji yutma yeteneği ciddi ölçüde azalmıştır. Özellikle %50 ve üzerindeki eksenel yük oranlarında, kolonların yatay taşıma kapasitelerinde belirgin bir azalma görülmeden önce ani eksenel stabilite kaybına son derece yakın bir davranış sergilediği tespit edilmiştir. Bu bulgu, yüksek eksenel yüke maruz standart-altı kolonlarda göçmenin klasik anlamda dayanım kaybından ziyade eksenel kararsızlık mekanizmalarıyla tetiklendiğini göstermektedir. Dolayısıyla yalnızca maksimum yatay taşıma kapasitesine veya belirli bir dayanım düşüm oranına dayanan performans göstergeleri, bu tür kolonların gerçek göçme riskini ve ani yıkılma potansiyelini yeterli doğrulukta yansıtmamaktadır. İkinci fazda (Faz-2) standart-altı betonarme kolonların deprem performansı üzerinde uzunsüreli sürekli eksenel yüklemenin etkisi incelenmiştir. Bu fazın temel amacı, gerçek yapılarda kolonların servis ömürleri boyunca maruz kaldığı sürekli düşey yüklerin neden olduğu zamana bağlı davranışların, kolonların deprem öncesi iç gerilme durumu ve buna bağlı olarak deprem sırasındaki davranışı üzerindeki rolünü ortaya koymaktır. Betonarme kolonlar servis ömürleri boyunca yüksek eksenel gerilmeler altında çalışmakta ve bu süreçte beton sünmesi nedeniyle kesit içerisinde zamanla belirgin gerilme yeniden dağılımları meydana gelmektedir. Sürekli basınç gerilmesi altında gelişen sünme deformasyonları sonucunda betonun taşıdığı gerilmenin bir kısmı boyuna donatıya aktarılmaktadır. Bu süreçte kesitin iç kuvvet dengesi deprem yükleri uygulanmadan önce değişmektedir. Bu mekanizmayı deneysel olarak incelemek amacıyla, Faz-1 ile aynı özelliklere sahip tam ölçekli kolon numuneleri, kolon eksenel yük kapasitesinin yaklaşık %70'ine karşılık gelen sabit bir düşey yük altında sırasıyla 6, 12, 18 ve 24 ay süreyle bekletilmiştir. Bu süre boyunca düşey deformasyonlar düzenli olarak ölçülmüş ve zamana bağlı şekil değiştirmeler izlenmiştir. Ölçümler, beton sünmesine bağlı olarak artan eksenel deformasyonların meydana geldiğini ve buna eşlik eden gerilme yeniden dağılımının gerçekleştiğini göstermiştir. Bu durum, deprem öncesinde kolon kesitinin iç gerilme durumunun değiştiğini açıkça ortaya koymaktadır. Uzunsüreli yükleme sürecinin ardından tüm numuneler Faz-1'de uygulanan aynı tersinir tekrarlı yatay yükleme protokolü altında test edilmiştir. Böylece deprem davranışındaki değişimlerin yalnızca eksenel yük seviyesinden değil, uzunsüreli yükleme geçmişinden kaynaklanan başlangıç iç gerilme durumundan kaynaklanıp kaynaklanmadığı değerlendirilmiştir. Deney sonuçları, uzunsüreli sürekli eksenel yüklemenin kolonların zamana bağlı davranışı üzerinde belirgin etkiler yarattığını göstermiştir. Sürekli yükleme süresi boyunca görünür bir hasar oluşmamış olmasına rağmen beton sünmesine bağlı olarak artan düşey deformasyonlar kaydedilmiş, beton ve donatı arasındaki gerilme paylaşımının zaman içinde yeniden dağıldığı belirlenmiştir. Uzunsüreli yükleme sonrasında gerçekleştirilen yatay yükleme deneylerinde, sürekli eksenel yüke maruz kalan numunelerin, sürekli eksenel yüke maruz kalmayan numuneye kıyasla daha geç hasar geliştirdiği, ilk çatlak oluşumu, beton örtü ezilmesi ve boyuna donatı burkulması gibi kritik hasar aşamalarının daha yüksek drift seviyelerinde meydana geldiği gözlenmiştir. Ayrıca bu numunelerin, sürekli eksenel yüke maruz kalmayan numuneye kıyasla daha yüksek yatay yük kapasitelerine ulaştığı belirlenmiştir. Bu bulgular, beton sünmesi ve gerilme yeniden dağılımının kısa vadede bazı performans göstergelerini iyileştirebildiğini göstermektedir. Bununla birlikte uzunsüreli eksenel yükleme kolonların nihai göçme mekanizmasını değiştirmemiştir. Tüm numuneler yüksek eksenel yük seviyesinin etkisiyle basınç kontrollü ve gevrek göçme modlarıyla hasar görmüştür. Daha da önemlisi, uzunsüreli yükleme, kolonun yatay yük kapasitesine ulaşma ile ani eksenel göçme arasındaki deformasyon aralığını belirgin biçimde azaltmış ve güvenlik marjını daraltmıştır. Özellikle yatay yük kapasitesine ulaşıldıktan sonra kolonların eksenel stabilite kaybına çok sınırlı bir deformasyon artışıyla ulaştığı gözlenmiştir. Bu sonuçlar, zamana bağlı etkilerin bazı dayanım ve rijitlik göstergelerinde iyileşme oluşturmasına rağmen, gerçekte kolonun göçmeye olan mesafesini azalttığını ve özellikle yüksek eksenel yük oranları altında çalışan standart-altı betonarme kolonların deprem güvenliği açısından kritik bir rol oynadığını göstermektedir. Bu tez kapsamında elde edilen deneysel bulgular, standart-altı betonarme kolonların deprem performansının belirlenmesinde eksenel yük oranının ve uzunsüreli düşey yükleme geçmişinin belirleyici rol oynadığını açıkça ortaya koymaktadır. Yüksek eksenel yük oranları, kolonların sünek davranış geliştirme kapasitesini ciddi biçimde sınırlandırmakta, beton ezilmesi ve boyuna donatı burkulmasını hızlandırarak ani ve gevrek göçme mekanizmalarına yol açmaktadır. Bu durum, özellikle düşük beton dayanımına ve yetersiz enine donatıya sahip mevcut yapı kolonları için deprem sırasında önemli bir göçme riski oluşturmaktadır. Uzunsüreli sürekli eksenel yükleme ise kolon davranışını zamana bağlı etkiler nedeniyle daha karmaşık hale getirmektedir. Beton sünmesi sonucu kesit içinde meydana gelen gerilme yeniden dağılımı, kısa vadede bazı performans göstergelerinde sınırlı iyileşmelere neden olabilmekte, ancak deneysel sonuçlar, bu iyileşmelerin nihai göçme davranışı açısından yanıltıcı olabileceğini göstermektedir. Elde edilen bulgular, mevcut betonarme yapıların deprem performansının değerlendirilmesinde yalnızca maksimum yatay taşıma kapasitesine veya klasik süneklik katsayılarına dayalı yaklaşımların yeterli olmadığını ortaya koymaktadır. Özellikle yüksek eksenel yük oranlarına ve uzun süreli düşey yükleme geçmişine sahip standart-altı kolonlarda göçme mekanizması, dayanım kaybından ziyade eksenel kararsızlık tarafından kontrol edilebilmektedir. Bu nedenle ani eksenel stabilite kaybı riski performans değerlendirmelerinde açıkça dikkate alınmalıdır. Sonuç olarak bu tez, yüksek eksenel yük oranı ve zamana bağlı etkilerin birlikte incelendiği tam ölçekli deneysel veriler sunarak literatürdeki önemli bir boşluğu doldurmakta ve Türkiye'deki mevcut betonarme yapı stokunun daha gerçekçi biçimde değerlendirilmesine katkı sağlamaktadır. Elde edilen bulgular, özellikle mevcut yapıların performans analizi ve güçlendirme karar süreçlerinde eksenel yük oranının ve yükleme geçmişinin açıkça dikkate alınması gerektiğini göstermektedir.

Özet (Çeviri)

The seismic safety of existing reinforced concrete (RC) buildings remains a critical concern in earthquake-prone regions, particularly in countries with a large inventory of structures constructed prior to the enforcement of modern seismic design codes. A significant portion of this building stock consists of substandard reinforced concrete structures characterized by low concrete compressive strength, inadequate transverse reinforcement, insufficient confinement, and poor construction practices. These deficiencies are especially critical in vertical load-bearing members such as columns, whose failure may trigger partial or total collapse of a structure. Recent earthquakes, including the catastrophic Kahramanmaraş earthquakes of 6 February 2023, have once again highlighted the vulnerability of such buildings and underscored the urgent need for a more realistic understanding of their seismic behavior. One of the most influential parameters governing the seismic performance of reinforced concrete (RC) columns is the level of axial load. Substandard RC columns subjected to high sustained service axial loads are particularly vulnerable to collapse during seismic events and, in some cases, even under gravity loading alone as observed in several structural failures in Türkiye. In many existing buildings, columns are subjected to axial loads that are significantly higher than those typically considered in experimental studies and analytical models. This condition often arises from discrepancies between assumed and actual material properties, non-compliance with design specifications, aging-related deterioration, and time-dependent effects. Despite its critical importance, the combined influence of high axial load ratios and long-term sustained axial loading on the seismic performance of substandard RC columns has not been sufficiently addressed in the existing experimental literature. Most available test data focus on columns with relatively low axial load ratios, modern reinforcement detailing, and normal-strength concrete, which do not adequately represent the characteristics of vulnerable existing buildings. The primary objective of this thesis is to experimentally investigate the seismic behavior of substandard reinforced concrete (RC) columns subjected to high axial load ratios and long-term sustained axial loading. To achieve this objective, a comprehensive experimental program was carried out using full-scale cantilever column specimens designed to realistically represent the typical deficiencies observed in existing RC buildings. All specimens were constructed using low-strength concrete with an average compressive strength of approximately 10 MPa, plain longitudinal and transverse reinforcement, and widely spaced stirrups with inadequate detailing. These characteristics are consistent with common substandard construction practices observed in the existing building stock. The experimental program was divided into two phases. In Phase-1, six full-scale reinforced concrete column specimens were tested under constant axial load ratios ranging from 0.30 to 0.80 while being subjected to reversed cyclic lateral loading. This phase aimed to systematically quantify the influence of increasing axial load ratio on damage progression, failure mechanisms, lateral strength degradation, stiffness degradation, deformation capacity, ductility, and energy dissipation characteristics. The experimental results demonstrated that increasing axial load ratio fundamentally changed the seismic response of the columns. Specimens subjected to lower axial load ratios exhibited flexure-dominated behavior, characterized by relatively stable hysteretic responses and higher deformation capacity. In contrast, columns tested under higher axial load ratios experienced compression-controlled failure modes marked by premature concrete crushing, longitudinal reinforcement buckling, accelerated stiffness degradation, and abrupt axial instability. Although lateral strength often remained close to its peak value until the onset of failure, both deformation capacity and energy dissipation capacity were substantially reduced as the axial load ratio increased. These observations highlight the limitations of conventional strength-based performance indicators in reliably capturing the proximity to sudden axial failure in substandard reinforced concrete columns. Phase-2 focused on investigating the effects of long-term sustained axial loading on the seismic performance of substandard reinforced concrete columns. In this phase, full-scale column specimens were subjected to a constant axial load corresponding to 70% of their nominal axial load capacity for durations of 6, 12, 18, and 24 months prior to cyclic lateral testing. During the sustained loading period, axial deformations were continuously monitored to capture time-dependent behavior associated with concrete creep and stress redistribution between the concrete and reinforcement. Following the sustained loading phase, all specimens were tested under reversed cyclic lateral loading using the same loading protocol applied in Phase-1. A reference specimen, tested under the same axial load ratio but without prior sustained loading, was included to provide a direct basis for comparison. The Phase-2 results demonstrated that long-term sustained axial loading significantly influenced both the time-dependent and cyclic response of substandard reinforced concrete columns. During the sustained loading period, no visible damage was observed within the expected plastic hinge region, while time-dependent axial strain developed progressively and eventually stabilized. Under subsequent cyclic loading, specimens subjected to sustained axial loading exhibited delayed damage initiation, higher peak lateral load capacity, and improved hysteretic stability compared to the reference specimen. These improvements were attributed to stress redistribution between the concrete and reinforcement induced by long-term creep effects. Despite these favorable trends, all Phase-2 specimens ultimately failed in brittle compression-controlled modes due to the high axial load level. Notably, sustained axial loading was found to reduce the margin between peak lateral response and sudden axial failure, highlighting the critical influence of time-dependent effects on axial instability. These findings emphasize that neglecting sustained loading effects in seismic performance assessments may lead to unconservative evaluations of existing reinforced concrete columns subjected to high axial stresses. Overall, the findings of this thesis highlight the dominant influence of axial load effects on the seismic performance of substandard reinforced concrete columns. Both high axial load ratios and long-term sustained axial loading were shown to significantly influence damage mechanisms, degradation behavior, deformation capacity, and energy dissipation characteristics. The experimental evidence demonstrates that neglecting these effects may lead to unconservative performance assessments and an underestimation of collapse risk in existing reinforced concrete buildings. The results of this study provide valuable insight for improving seismic assessment methodologies and emphasize the necessity of explicitly accounting for axial load ratio and sustained loading history in the evaluation and retrofit design of substandard reinforced concrete columns.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    648701

    Assessment of seismic performance of RC members after fire exposure through large-scale testing

    Betonarme yapı elemanlarının yangın sonrası deprem performanslarının geniş ölçekli deneylerle belirlenmesi

    UĞUR DEMİR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPER İLKİ

    PROF. DR. MARK F. GREEN

  2. Tez No

    682716

    Yüksek eksenel yük ve kesme oranlarına maruz standart altı kolonların hibrit ince mantolama yöntemi ile güçlendirilmesi

    Seismic strengthening with novel hybrid thin jacketing methods of sub-standard rc columns exposed to high axi̇al load and shear rati̇os

    FURKAN NARLITEPE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Kamu Yönetimiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Afet Yönetimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPER İLKİ

  3. Tez No

    730787

    Farklı eksenel yüklere maruz standart altı betonarme kolonlarda boyuna donatı bindirmeli ek detayının deprem performansına etkisi

    The effect of lap-splice configuration on earthquake performance of sub-standard rc columns under different axial loads

    ALİHAN BALTACI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPER İLKİ

  4. Tez No

    753493

    Mevcut betonarme binaların burkulması önlenmiş çaprazlar (BÖÇ) ile davranış kontrollü güçlendirilmesi

    Response control retrofit of existing RC buildings using buckling restrained braces (BRB)

    AHMET BAL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OĞUZ CEM ÇELİK

  5. Tez No

    947274

    Experimental study of substandard RC frames enhanced with tube-in-tube buckling-restrained braces

    Burkulmasi önlenmiş tüp içinde tüp çaprazlar ile iyileştirilmiş standart alti betonarme çerçevelerin deneysel çalişmasi

    EMİNE EVRİM OYGUÇ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ABDUL HAYIR

  6. Tez No

    986373

    Farklı beton dayanımlarına sahip betonarme kolonların çelik lifli beton panellerle güçlendirilmesi

    Strengthening of reinforced concrete columns with steel fiber concrete panels having different concrete strengths

    OMER MOHANAD MAHDI AL-ABOOSI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    İnşaat MühendisliğiGazi Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPER BÜYÜKKARAGÖZ

Geri Dön