An Experimental Study on Concrete Contribution to Shear Capacity of RC Beams and Columns under Cyclic Loading

Abstract

In this study, concrete contribution to shear strength is experimentally investigated for RC beams and columns with flexural failure. For beam samples with reversing or non-reversing plastic hinge mechanism, the main variables are concrete compressive strength, transverse reinforcement spacing, type of plastic behavior and shear span / effective depth ratio. For column samples under constant axial load level and reversing cyclic loads, the considered variables are axial load level and shear span / effective depth ratio. Concrete contribution to shear strength, which varies with displacement demand, is compared with analytical results of different approaches involving the assumptions of Turkish Seismic Design Code. With the limited number of test samples, it is obtained that Turkish Seismic Design Code assumptions may provide conservative results for beam samples whereas remain unconservative for column samples.

Keywords

• Shear strength
• concrete contribution to shear strength
• shear strength-ductility interaction
• reversing plastic hinge
• non-reversing plastic hinge

Betonarme Kiriş ve Kolonların Tersinir Çevrimsel Yükler Altındaki Kesme Dayanımına Betonun Katkısı Üzerine Deneysel Bir inceleme

Abstract

Bu çalışmada betonun kesme dayanımına katkısı deneysel olarak incelenmiştir. İncelemeler, eğilme kırılmasıyla taşıma gücüne ulaşan toplam 12 adet kolon ve kiriş numunesiyle gerçekleştirilmiştir. Yön değiştiren ya da yön değiştirmeyen plastik mafsal davranışının söz konusu olduğu kiriş deney numuneleri için temel değişkenler; basınç dayanımı, enine donatı aralığı, plastik mafsal çalışma biçimi ve kesme açıklığının faydalı yüksekliğe oranıdır. Sabit eksenel yük ve yön değiştiren çevrimsel yerdeğiştirme altında zorlanan betonarme kolon numunelerinde ise temel değişkenler; eksenel yük düzeyi ve kesme açıklığının faydalı yüksekliğe oranıdır. Deney numunelerinde yerdeğiştirme talebine göre değişken olarak ortaya çıkan beton kesme katkısı, başta Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği olmak üzere çeşitli tahmin modellerinin sonuçlarıyla karşılaştırılmalı olarak irdelenmiştir. Sınırlı sayıda karşılaştırma sonuçlarına göre, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği kabulleriyle belirlenen beton katkısının kiriş numunelerinde ihtiyatlı, kolon numuneleri için ise kapasitenin üzerinde sonuçlar verdiği saptanmıştır.

Keywords

• Kesme dayanımı
• betonun kesme dayanımına katkısı
• kesme dayanımı-süneklik etkileşimi
• yön değiştiren plastik mafsal
• yön değiştirmeyen plastik mafsal

References

1. Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği, Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı, Ankara, 2018.
2. Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik, Bayındırlık ve İskân Bakanlığı, Ankara, Mart 2007.
3. Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik, Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, Ankara, Ağustos 1997.
4. Aydemir C. and Zorbozan M., Uncertainty Analysis of Flexural Overstrength Ratio for RC Columns, ASCE Journal of Structural Engineering, V.138(8), 1042-1053, 2012.
5. Aydemir C. ve Zorbozan M., Betonarme Kolonların Olası Eğilme Momenti Kapasitelerinin Belirlenmesi İçin Bir Yöntem, İMO Teknik Dergi, 23(112), 5903-5930, 2012.
6. Building code requirements for structural concrete and commentary, ACI 318-14, ACI (American Concrete Institute), Farmington Hills, MI., 2014.
7. Betonarme Yapıların Hesap ve Yapım Kuralları, TS-500, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 2000.
8. Design of Concrete Structures-Part 1-1: General Rules and Rules for Buildings, Eurocode-2, European Committee for Standardization, Brussels, 2004.

9. Design of Concrete Structures, CSA A23.3-04, Canadian Standards Association, Mississauga, ON, 2004.
10. ASCE-ACI Committee 426, The Shear Strength of Reinforced Concrete Members, Journal of the Structural Division, ASCE, V. 99, No. ST6, June 1973, pp. 1091-1187.
11. Seismic Design Guidelines for Highway Bridges, Applied Technical Council, Report No. ATC-6, Berkeley, CA, 1981.
12. Federal Emergency Management Agency, Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings, FEMA 356, Washington, D.C., 2000.
13. Moehle, J., Lynn, A., Elwood, K. and Sezen, H.0, Gravity load collapse of building frames during earthquakes, PEER Report: 2nd U.S.-Japan Workshop on Performance-Based Design Methodology for Reinforced Concrete Building Structures, PEER, Richmond, Calif., 2001
14. Sezen, H. and Moehle, J.P., Shear strength model for lightly reinforced concrete columns, J Struct Eng, 130(11): 1692-1703, 2004.
15. Wong Y.L, Pauley T. and Priestley M.J.N, Response of circular reinforced concrete column to multi-ductile seismic attack. ACI Structural Journal 90(2) 180-191, 1993.
16. Aschheim, M., and Moehle, J. P. Shear strength and deformability of RC bridge columns subjected to inelastic displacements, UCB/EERC 92/04, University of California, Berkeley, 1992.
17. Priestley M.J.N., Verma R., and Xiao Y. Seismic shear strength of reinforced concrete columns, J Struct Eng, 120(8): 2310–2329, 1994.
18. Pérez B.M. and Pantazopoulou S.J. Mechanics of concrete participation in cyclic shear resistance of RC, J Struct Eng, 124(6): 633–641, 1998.
19. Lee, J.-Y. and Watanabe F., Shear deterioration of reinforced concrete beams subjected to reversed cyclic loading, ACI Struct J, 100(4): 480-489, 2003.
20. Elwood K.J. and Moehle J.P, Axial capacity model for shear- damaged columns, ACI Struct J, 102(4): 578-587, 2005.
21. Arslan, G., Shear strength of reinforced concrete frame members under cyclic loads Ph.D. thesis, Yıldız Technical University, 2005.
22. Kowalsky M.J., Priestley M.J.N., Improved analytical model for shear strength of circular reinforced concrete columns in seismic regions, ACI Struct J, 97(3):388–96, 2000.
23. Muttoni, A., “Shear and Punching Strength of Slabs without Shear Reinforcement,” Beton-und Stahlbetonbau, V. 98, 2003, pp. 74-84.
24. Aydemir C., Aydemir M.E., Betonarme Kirişlerin Hasar Sınırlarının Deneysel Gözlemlerle İrdelenmesi, IMO Teknik Dergi, 28(4), 8023-49, 2017.
25. Aydemi̇r C., Eser Aydemi̇r M., ve Yıldırım P., Belirgin Düşey Yük Etkisindeki Betonarme Kirişlerin Çevrimsel Yükler Altındaki Davranışı Üzerine Deneysel Bir İnceleme, IMO Teknik Dergi, 31(1), 9683-9709, 2020.
26. Aydemir C., Eser Aydemir M., Experimental Research on Reversing and Nonreversing Plastic-Hinge Behavior for RC Beams, J Struct Eng, 146(7), 2020.
27. Aydemir C., Döşeme Donatılarının İç Aks Kirişlerinin Negatif Moment Kapasitesi Üzerine Etkisi, IMO Teknik Dergi, 24(1), 6279-6306, 2013.
28. Cansız S., Aydemir C., and Arslan G., Comparison of displacement capacity of reinforced concrete columns with seismic codes, Advances in Concrete Construction, 8(4), 295-304, 2020.
29. Gião R., Lúcio V., and Chastre C., Assessing the behaviour of RC beams subject to significant gravity loads under cyclic loads, Engineering Structures, Vol. 59, 512-21, 2014.