Analytical and experimental comparison of mechanical properties of unconfined concrete with TBDY 2018 and other models

Year 2023, , 501 - 513, 15.04.2023

Hürmet Küçükgöncü

https://doi.org/10.28948/ngumuh.1171778

Abstract

It is necessary to understand the stress-strain behavior of the materials composing the reinforced concrete in order to understand the behavior of reinforced concrete members. Many mathematical models are developed to predict the stress-strain behavior of unconfined concrete. The Turkish Building Earthquake Code 2018 (TEC 2018) also includes stress-strain relations for unconfined concrete. However, it is so important to determine the differences of these mathematical models from experimental specimens with similar properties in terms of strength, ductility and consumed energy under load. Thus, the accuracy of the analytical approaches of unconfined concrete models can be determined. Comprehending the behavior of the models provides great convenience, especially when investigating the section behavior of reinforced concrete structural members or when designing the section under load. For this reason, in this study, the specimens produced in accordance with the concrete grades and strengths in the TS 500 regulation were subjected to the compression test, and then stress-strain graphs were obtained by using the mathematical models frequently used in the literature and the relations in TEC 2018 for the unconfined concrete behavior. By using these graphs, mechanical properties such as ductility and energy consumption were compared with TEC 2018 and other mathematical models and the values obtained from experimental data and their differences were revealed. Accordingly, the strengths and weaknesses of the considered concrete models were determined and it was concluded that the strength of the concrete grade was also effective on the performance of the models.

Keywords

Unconfined concrete, Stress-strain relationship, Strength, Ductility, Consumed energy

Sargısız betonun mekanik özelliklerinin TBDY 2018 ve diğer modellerle analitik ve deneysel karşılaştırılması

Abstract

Betonarme elemanların davranışlarının anlaşılabilmesi için betonarmeyi oluşturan malzemelerin gerilme-şekil değiştirme davranışlarının bilinmesi gerekmektedir. Sargısız beton malzemesinin gerilme-şekil değiştirme davranışının tahmin edilebilmesi için pek çok matematiksel model geliştirilmiştir. Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018 (TBDY 2018) de de sargısız betonların gerilme-şekil değiştirme bağıntılarına yer verilmektedir. Ancak bu matematiksel modellerin dayanım, süneklik ve yük altında enerji tüketebilme kapasitesi açısından benzer özelliklerdeki deneysel numunelerden farkının tespit edilmesi oldukça önemlidir. Böylece sargısız beton modellerin, analitik yaklaşımlarının doğruluğu belirlenebilmektedir. Betonarme yapısal elemanların özellikle kesit davranışı araştırılırken ya da yük altında kesit tasarımları yapılırken söz konusu modellerin sergilediği davranışı bilmek büyük kolaylıklar sağlamaktadır. Bu nedenle, bu çalışmada TS 500 yönetmeliğinde yer alan beton sınıfları ve dayanımlarına uygun olarak üretilen numuneler basınç testine tabi tutulmuş, sonrasında ise bu dayanım sınıflarına ait sargısız beton davranışı için literatürde sık kullanılan matematiksel modeller ve TBDY 2018 de yer alan bağıntılar kullanılarak gerilme-şekil değiştirme grafikleri elde edilmiştir. Bu grafiklerden yararlanılarak süneklik ve enerji tüketebilme kapasitesi gibi mekanik özellikleri, TBDY 2018 ve diğer matematiksel modellerle, deneysel verilerden elde edilen değerler karşılaştırılarak farklılıkları ortaya konulmuştur. Buna göre göz önüne alınan beton modellerinin güçlü ve zayıf yönleri belirlenmiş ve kullanılan beton sınıfına ait dayanımın da modellerin performansı üzerinde etkili olduğu sonucuna varılmıştır.

Keywords

Sargısız beton, Gerilme-şekil değiştirme ilişkisi, Dayanım, Süneklik, Tüketilen enerji

References

• K. J. Bathe, and S. Ramaswamy, On three-dimensional nonlinear analysis of concrete structures. Nuclear Engineering and Design, 52 (3), 385-409, 1979. https://doi.org/10.1016/0029-5493(79)90029-3.
• I. Carol, and J. Murcia, nonlinear time-dependent analysis of planar frames using an ‘exact’ formulation-I. theory. Computers & Structures, 33(1), 79-87, 1989. https://doi.org/10.1016/0045-7949(89)90131-4.
• U. Ersoy, Betonarme: Temel İlkeler, TS-500-2000 ve Türk Deprem Yönetmeliğine (1998) Göre Hesap, Evrim Yayınevi, İstanbul, 2007.
• U.Ersoy ve G. Özcebe, Sarılmış betonarme kesitlerde moment-eğrilik ilişkisi analitik bir irdeleme. İMO Teknik Dergi, 9 (4),1799-1827, 1998. https://dergipark.org.tr/tr/pub/tekderg/issue/12805/155419.
• E. Hognestad, A study of combined bending and axial load in reinforced concrete members. University of Illinois Engineering Exp. Station, Urbana-Champaign, United States, Bulletin, 49 (22), 1951.
• W. W. L. Chan, The Ultimate strength and deformation of plastic hinges in reinforced concrete frameworks. Magazine of Concrete research, 7(21), 121-132, 1955. https://doi.org/10.1680/macr.1955.7.21.121.
• M. Sargin, Stress-strain relationships for concrete and the analysis of structural concrete sections. Solid Mechanics Division, University of Waterloo, 4, 1971.
• D. Kent and R. Park, Flexural members with confined concrete. Journal of Structural Division. Proceedings of the American Society of Civil Engineers, 97(7), 1969-1990, July 1971. https://doi.org/10.1061/ JSDEAG.0002957.
• S. Popovics, A numerical approach to the complete stress-strain curves of concrete. Cement and Concrete Research, 3 (5), 583-59, 1973. https://doi.org/10.1016/0008-8846(73)90096-3.
• S. A. Sheikh and S. M. Uzumeri, Analytical model for concrete confinement in tied columns. Journal of Structural Engineering, 108 (12), 2703-2722, 1982. https://doi.org/10.1061/JSDEAG.0006100.
• J. B. Mander, M. J. N. Priestley and R. Park, Theoretical stress-strain model for confined concrete. Journal of Structural Engineering, 114 (8), 1804-1826, 1988a. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9445(1988)114:8(1804)
• J. B. Mander, M. J. N. Priestley and R. Park, Observed stress-strain behavior of confined concrete. Journal of Structural Engineering, 114 (8), 1827-1849, 1988b. https://doi.org/10.1061/(ASCE)07339445(1988)114:8(1827).
• M. Saatcioglu and S. R. Razvi, Strength and ductility of confıned concrete. Journal of Structural Engineering, 118(6), 1590-1607,1992. https://doi.org/10.1061/ (ASCE)07339445(1992)118:6(1590).
• K. M. El-Dash and S. H. Ahmad, a model for stress-strain relationship of spirally confined normal and high-strength concrete columns. Magazine of Concrete Research, 47(171), 177-184, 1995. https://doi.org/ 10.1007/BF02473125.
• M. M. Attard and S. Setunge, Stress-strain relationship of confined and unconfined concrete. Materials Journal, 93(5), 432-442, 1996.
• B. Assa, M. Nishiyama and F. Watanabe, New approach for modeling confined concrete. I: Circular columns. Journal of Structural Engineering, 127(7), 743-750, 2001. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9445(2001)127:7(751).
• A. İlki ve N. Kumbasar, Sargılı beton için mevcut modellerin deneysel verilerle karşılaştırılması. Teknik Dergi, 12(3), 2419-2433, 2001. https://dergipark.org.tr/ en/pub/tekderg/issue/12794/155379.
• A. İlki, T. Fukuta ve P. Özdemir, Sargılı beton davranışı ve üç doğrudan oluşan gerilme-şekil değiştirme modeli. Teknik Dergi, 14(1), 2853-2871, 2003.https://dergipark.org.tr/tr/pub/tekderg/issue/12788/155358.
• H. Özmen, M. İnel ve H. Bilgin, Sargılı beton davranışının betonarme eleman ve sistem davranışına etkisi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 22 (2), 2007. https://dergipark.org.tr/ en/pub/gazimmfd/issue/6672/88386.
• S. Foroughi, R. Jamal ve B. Yüksel, TBDY 2018 ve Mander modeline göre sargılı betonun gerilme-şekil değiştirmesinin araştırılması. El-Cezeri, 8(1), 363-375, 2021. https://doi.org/10.31202/ecjse.788121.
• S. B. Yüksel and S. Foroughi, Betonarme kolonların sargısız ve sargılı beton dayanımının analitik olarak araştırılması. Konya Mühendislik Bilimleri Dergisi, 7(3), 612-631, 2019. https://doi.org/10.36306/ konjes.613880.
• B. Uzbaş, Beton için geliştirilen gerilme-şekil değiştirme modellerinin karşılaştırılması. Politeknik Dergisi, 17(3), 115-126, 2014. https://dergipark.org.tr/ en/pub/politeknik/issue/33071/368015.
• TBDY, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği. T.C. Bayındırlık ve İskân Bakanlığı, Ankara, 2018.
• TS500, Betonarme Yapıların Tasarım ve Yapım Kuralları. Türk Standartları Enstitüsü, TSE, Ankara, 2000.
• TS EN 206-1, Beton, Özellik, Performans, İmalat, Uygunluk. Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 2002.
• TS EN 12390-1 Beton-Sertleşmiş Beton Deneyleri- Bölüm 1: Deney Numunesi ve Kalıplarının Şekil, Boyut ve Diğer Özellikleri, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 2002.
• TS EN 12390-2 Beton-Sertleşmiş Beton Deneyleri- Bölüm 2: Dayanım Deneylerinde Kullanılacak Deney Numunelerinin Hazırlanması ve Küre Tabi Tutulması. Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 2002.
• T. Demir, B. Demirel ve A. Demirbilek, Farklı su bağlayıcı ve kimyasal katkı oranlarına sahip yüksek dayanımlı betonların işlenebilirlik ve dayanım özellikleri. Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 34 (1), 161-170, 2022. https://doi.org/ 10.35234/fumbd.990036.
• T.Y. Erdoğan, Beton. ODTÜ Yayıncılık, Ankara, 2010.
• İ. B. Topçu ve A. Uğurlu, Betonda elastisite kuramı ve baraj betonları için statik e-modülünün kompozit modellerle tahmini, Teknik Dergi, 18 (86), 4055-4067, 2007.https://dergipark.org.tr/en/pub/tekderg/issue/12772/155292.
• M. Pekgöz, Görüntü işleme yöntemiyle betonda gerilme-şekil değiştirme davranışının değerlendirmesi. Yüksek Lisans Tezi, Adıyaman Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye, 2020.
• P.K. Mehta, Concrete. Prentice-Hall, USA, 2006.
• O.F. Slate, and L.B. Meyers, Deformation of plain concrete. 5. International Symposium on the Chemistry of Cement, Tokyo, 1968.
• O.N. Oktar, Bağlayıcı hamurun yapısının betonun kısa süreli inelastik davranışındaki işlevi. Doktora Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye,1977.
• S. Mindess, and J.F. Young, Concrete. Prentice-Hall, New Jersey, 1986.
• S.D. Santiago, and H.K. Hilsdorf, Fracture mechanisms of concrete under compressive loads, Cement Concrete Research, 3 (4), 363-388, 1973.
• H.H. Bache, and P.N. Christensen, Observations on strength and fracture in lightweight and ordinary concrete. Proceedings of and International Conference on the Structure of Concrete and Its Behaviour under Load, London, 1965.
• A.M. Neville, Properties of Concrete. Pitman Books Limited, London, 1981.
• M. P. Kaya, Mevcut betonarme binaların deprem performanslarının belirlenmesinde doğrusal ve doğrusal olmayan yöntemlerin karşılaştırılması üzerine sayısal bir inceleme. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye, 2006.
• H. Özmen, M. İnel ve H. Bilgin, Sargılı beton davranışının betonarme eleman ve sistem davranışına etkisi, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 22 (2), 2013. https://dergipark.org.tr/ en/pub/gazimmfd/issue/6672/88386
• A. C. Aydın ve B. Bayrak, Betonarme perde duvarların farklı yapı malzemeleri açısından değerlendirilmesi, Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 10 (1), 217-240, 2021. https://doi.org/10.28948/ngumuh.751562
• H. E. H. Roy and M.A. Sozen, Ductility of concrete. Special Publication, 12, 213-235, 1965.
• A. Nzapfakumunsi, T tipi plan düzensizliği olan betonarme yapıların doğrusal olmayan yöntemle performansının değerlendirmesi. Doktora Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye, 2018.
• O. Merter ve T. Uçar, Betonarme kesitlerin doğrusal elastik ötesi davranışında tüketilen enerjiye boyuna donatı oranının, enine donatı aralığının ve eksenel yükün etkisi. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 4 (1), 21-39, 2015. https://doi.org/10.28948/ngumuh.239360.