DOLGU DUVARLARIN YAPI DEPREM PERFORMANSINA ETKISININ MEVCUT BIR YAPI ÜZERINDE ARAŞTIRILMASI

Transkript

1 ÖZET: DOLGU DUVARLARIN YAPI DEPREM PERFORMANSINA ETKISININ MEVCUT BIR YAPI ÜZERINDE ARAŞTIRILMASI Osman Fatih BAYRAK 1 ve Murat BİKÇE 2 1 Lisans Öğrencisi, İnşaat Müh. Bölümü, İskenderun Teknik Üniversitesi, Hatay 2 Doç. Dr., İnşaat Müh. Bölümü, İskenderun Teknik Üniversitesi, Hatay osmanfatihbayrak@gmail.com Dolgu duvarlar, betonarme çerçeve arası boşlukların, yaygın bir şekilde taşıyıcı özelliği olmadığı kabul edilen dolgu malzemeleriyle örülüp, cephelerinin sıvanmasıyla imal edilmektedir. Düşey ve özellikle yatay yükler altındaki dolgu duvarların, yapının davranışını, rijitliğini, periyot ve sönüm gibi dinamik özelliklerini etkilediği çeşitli deneysel ve teorik çalışmalarda vurgulanmaktadır. Ancak dolgu duvarların, genellikle yapıya ağırlık dışında bir tesirinin olmayacağı varsayılarak tasarlanmaktadır. Bu çalışmada, dolgu duvarın yapıya etkisi, İskenderun kent merkezinde seçilen mevcut bir yapı üzerinde araştırılmıştır. Yapının dolgu duvarlı ve duvarsız modelleri Sap2000 programında modellenmiş ve statik itme (pushover) analizleri uygulanarak performansları karşılaştırılmıştır. Dolgu duvarlar çekme tesirleri olmayan eşdeğer basınç çubukları olarak modellenmiştir. Yapılan analizler sonucunda, dolgu duvarlı modelde, yapının taban kesme kuvvetini arttırdığı ve duvarsız hale göre performans noktasını yükselttiği görülmüştür. ANAHTAR KELİMELER : Dolgu duvar etkisi, Pushover analizi, Performans noktası, Taban kesme kuvveti İNVESTIGATE OF INFLUENCE OF İNFİLL WALLS ON STRUCTURAL EARTHQUAKE PERFORMANCE ON AN EXİSTİNG STRUCTURE 1 Undergraduate Student, Civil Eng. Department, İskenderun Technical University, Hatay 2 Assoc. Prof., Civil Eng. Department, İskenderun Technical University, Hatay osmanfatihbayrak@gmail.com Osman Fatih BAYRAK 1 ve Murat BİKÇE 2 ABSTRACT: Filler walls are manufactured by coating the facades with the filling material that is considered to be a common feature of the gaps between the reinforced concrete frames. It is emphasized in various experimental and theoretical studies that the infill walls under vertical and especially horizontal loads influence the behavior of the structure, its stiffness, its dynamic properties such as period and damping. Ancak dolgu duvarların, genellikle yapıya ağırlık dışında bir tesirinin olmayacağı varsayılarak tasarlanmaktadır. In this study, the structural effect of the filler wall was investigated on an existing structure selected in the city center of Iskenderun. Structures without infill walls and without walls were modeled in Sap2000 program and static pushover analyzes were applied and their performances were compared. Infill walls are modeled as equivalent pressure bars without tensile forces. As a result of the analyzes made, it was seen that in the infill wall model, the structure increased the base shear force and increased the performance point compared to the wall unaided. KEYWORDS: Infill wall effect, Pushover analysis, Performance point, Base shear force

2 )R (1) 4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı 1. GİRİŞ Betonarme çerçeveli yapıların dolgu duvar imalatında genellikle taşıyıcı özellikleri ihmal edilen tuğla, briket vb malzemeler kullanılmaktadır. Ceplerinin sıva ile kaplanmasıyla tamamlanan dolgu duvarların sınırlıda olsa yatay yük taşıma güçlerinin olduğu, yapının yatay yük taşıma kapasitesini, rijitliğini, periyodunu, sönüm oranı gibi dinamik özelliklerini etkilediği çeşitli deneysel ve teorik çalışmalarda vurgulanmaktadır (Baran, 2012, Beklen ve Çagatay, 2009, Bayülke, 2003, Korkmaz ve Uçar, 2006, Kaplan, 2008). Deprem etkisine maruz kalan yapılar üzerindeki incelemelerde de bu durum teyit edilmektedir. Oysa ki, dolgu duvarın yapının dinamik özelliklerine ve rijitliğine etkisinin tasarımda ihmal edilmesi ve sadece ölü yük olarak dikkate alınması yaygın olarak uygulanmaktadır. Bu katkının dikkate alınmama nedenlerinden biri, dolgu duvarı oluşturan malzeme özellikleri için beton dayanımları gibi standart bir değerden söz edilemiyor olmasıdır (Bayülke, 2003). Tablo.1 de (Beklen, 2009), görüldüğü gibi yapılan çok sayıdaki çalışmada, çerçeveyi oluşturan aynı değerdeki betonun elastisite modülü (Ec) için, dolgu duvar elastiside modülü (Ed) değişken değerler almaktadır. Tablo 1. Çeşitli çalışmalarda elde edilen dolgu duvar elastisite modülleri Çalışmayı Yapan ve Yılı Ed Ec Çalışmayı Yapan ve Yılı Ed Ec Çalışmayı Yapan ve Yılı Ed Ec Aydoğdu, Öktem, Budak, Erkaya, Erçetin, Çağlayan, Yalçın, Karslıoğlu, Tarakçı, Tüzün, Dündar, Dönmez, Çağatay, Özdoğu, DBYBHY Diğer bir neden ise; dolgu duvarın aslına uygun şekilde modele yansıtılarak tasarımda dikkate alınmasındaki güçlüktür. Zira dolgu duvarlardaki rijitlik; içindeki tuğla, briket vb. malzeme özelliklerine, kullanılan harca, duvarın örülmesine, sıva kalınlığına ve hatta ustadan ustaya farklılık arz etmesi nedenleriyle değişiklik göstermektedir. Ayrıca, dolgu duvarın standart bir dayanımı olmadığından denetimi güçleşmekte, homojen ve izotrop bir malzeme olmamaları nedeniyle de gerçeğe uygun olarak modelle yansıtılması zorlaşmaktadır. Dolayısıyla dolgu duvarlar, belli bir yaklaşım tercih edilerek modellenmektedir. Dolgu duvarların yapının dinamik parametrelere olan etkisi, seçilen yaklaşımın doğruluğu ile orantılıdır. Dolgu duvarların, kabuk eleman şeklinde veya oturduğu çerçevenin dayanımlarını arttırma yoluyla dikkate alındığı yaklaşımlara gidilebildiği gibi, en yaygın olarak kabul gören yaklaşım; eşdeğer basınç çubuğu olarak modele yansıtılmasıdır(beklen ve Çağatay, 2009). Eşdeğer basınç çubuğunun elastisite modülü ve kalınlığı fiktif olarak dolgu duvarı temsil etmektedir. Boşluklu eşdeğer basınç çubuğunun kalınlığı (rinf), aşağıdaki ifadeler yardımıyla elde edilmektedir (Öztürkoğlu ve ark., 2015). 4 ʎ = ( Eme tinf Sin (2θ) 4 Efe Icol hinf rinf = Linf + hinf (2) a = ʎgrafik 0,175 (ʎ hcol) 0,4 rinf (3) Burada; Eme, dolgu duvarın elastisite modülünü, Efe, çerçevenin elastisite modülünü, rinf, boşluksuz dolgu duvarın ve eşdeğer basınç çubuğunun kalınlığını, θ, eşdeğer basınç çubuğunun yatay ile yaptığı açıyı, Icol, kolonların atalet momentlerini, hinf, dolgu duvarın yüksekliğini, Linf, dolgu duvarın uzunluğunu,, hcol, kirişin orta eksenleri arasında kalan kolon yüksekliğini, ʎgrafik, duvarda boşluk yoksa değeri 1 olan rijitlik azaltma faktörünü ifade etmektedir (Şekil 1a,b). Öte yandan modellemedeki başka bir güçlük ise; dolgu duvarlarda kapı

3 ve pencere gibi mimari gerekçelerle bırakılan boşlukların dayanımı ne ölçüde düşüreceğinin belirlenmesidir. Asteris (2003), konu ile ilgili yaptığı çalışmada, dolgu duvar rijitliğinde yapılacak azaltmayı, doldu duvarda bırakılan boşluğun açıklıktaki oranına bağlı olarak bir katsayıyla hesaba dahil edecek şekilde, Rijitlik Azaltma Faktörü (λ grafik) olarak önermiştir (Şekil 2). Şekil 1. Eksenel basınç oluşacak noktalar, dolgu duvar kalınlığı Şekil 2. Açıklık oranı ile rijitlik azaltma faktörü arasındaki ilişki Yukarıda sıralanan rijitlik ve dayanımın belirlenmesi ve modele yansıtılmasındaki güçlükler ne olursa olsun, dolgu duvarın yapıya etkisi yadsınamayacak bir gerçektir. Dolgu duvarlar, taşıma güçleri daha düşük olsa da genellikle yapıda ki perde duvara benzer bir davranış sergilemektedirler. Bundan dolayı, sınırlıda olsa yatay yönde tepe yerdeğiştirmelerini azaltmakta ve kesme kuvvetlerini alarak yapıya katkı sağlamaktadır. Ancak, dolgu duvarın yapının üzerinde perde duvara benzer davranışıyla olumlu katkı sağlamasının yanı sıra, planda asimetrik yerleşime bağlı olarak yapıda burulma düzensizliği oluşumuna (A1), giriş katında olmayıp sonraki katlarda yapılarak zayıf kat düzensizliği oluşumuna (B1), kolonlarda kısa kolon oluşumuna sebep olması gibi olumsuz etkilerin oluşabileceği de göz ardı edilmemelidir (Doğan ve Bakırcı Er, 2011, Çağatay, 2007 ). Bundan dolayı, betonarme yapıda dolgu duvarın yapının davranışına olumlu katkı yapacak özelliklerini tanımak ve bundan olabildiğince yararlanmak ya da en azından olumsuz etkilerini belirleyerek korunabilmek için dolgu duvarların yapıda oluşturacağı etkiyi aktarabilecek şekilde tasarımda dikkate alınması önerilmektedir (Bayülke, 2003). Çok sayıda ülke standardında bu etkinin dikkate alınması gerektiği görülmektedir (Kaplan, 2005). Dolgu duvarların oluşturabileceği olumsuz etkinin önüne geçebilmek için, 2016 Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (2016 TBDY) taslağında Türk Deprem Yönetmeliklerinde şimdiye kadar yer almayan, dolgu duvar ile çerçeve arasındaki bağlantının derzli olarak tasarımına izin verildiği anlaşılmaktadır. Dolgu duvar çerçeve bağlantısının derzli olarak tasarlandığı yapılarda, yapısal olmayan dolgu duvarların hasar almaması yönünde bir düzenleme getirilmekte (TBDY, 2016) ve dolgu duvarın yapıya etkisi ortadan kaldırılarak derzsiz olan yapılara göre iki kat daha fazla ötelemeye müsaade edilmektedir (Erdem ve Bikçe, 2017). Dolgulu çerçevenin yatay yük taşımaya katkısı, dolgu duvarsız çerçeveye göre en fazla %40 kadar olmaktadır [Vintzeleou-1989]. Ancak, dolgu duvar dayanımlarının hesaba dahil edilmemesi gibi gerçekçi bir şekilde modelle

4 katılmaması da yapılan analizlerin gerçek dışı sonuçlara götüreceği yapılan deneysel çalışmalardan anlaşılmaktadır (Baran, 2012). Yapılan çalışmalarda araştırmacıların oluşturduğu model üzerinde bu etki incelenmiştir. Bu çalışmada, dolgu duvarın etkisi seçilen gerçek uygulanmış bir yapı üzerinde, dolgu duvarların sadece ağırlık olarak ve eşdeğer basınç çubuğu olarak tanımlandığı duvarlı ve duvarsız model olarak tasarlanarak statik itme (pushover) analizleri yapılmış ve taban kesme kuvvetleri ve performans noktaları karşılaştırılmıştır. 2. İNCELENEN YAPI 2.1. Özellikleri İskenderun merkezinde uygulanmış, Bodrum + Zemin + 4 Normal kat + Çatı katından oluşan yapı bu çalışmada seçilmiştir (Şekil 3a,b). Yapının arka cephesi bitişik nizamdır ve bu aksın bodrum katı perde diğer katları dolgu duvar olarak tasarlanmıştır. Zemin katta bulunan dükkanın ön ve sağ yan cepheleri camekandır. Asmolen döşeme olarak tasarlanan yapının (Şekil 4a,b) beton ve donatı sınıfları sırasıyla C30 S420a olarak projelendirilmiştir. Yapıya ait sismik bilgiler Tablo 2 de sunulmuştur. Şekil 2. Sağ ön cephe, sol ön cephe Şekil 4. Mevcut yapı normal kat planı, Sap2000 modeli Tablo 2.Sismik bilgiler Yükleme Yön Eksantrsite ZCode Sismik Zone Zemin Sınıfı A0 I R EXQ X 0,05 0,36 Zone 1 Z2 0,4 1 8 EYQ Y 0,05 0,36 Zone 1 Z2 0, Modellenme ve Analiz Seçilen yapının duvarları, sadece ölü yük olarak dikkate alındığı ve eşdeğer basınç çubuğu olarak tasarlandığı iki ayrı model Sap2000 (Sap2000, 1999) yapı analiz programında aslına uygun olarak oluşturulmuştur (Şekil 4 a,b).

5 Tasarımda dolgu duvar elastisite modülü 2007 DBYBHY Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik te (DBYBHY) te de yer alan şekliyle 1000Mpa alınmıştır (Tablo 1). Duvar boşlukları için Asteris de (2003) önerilen boşluklara bağlı azaltma faktörü uygulanmıştır (Şekil 2). Düşey yüklere göre yapılan analiz sonucu kiriş ve kolonların rijitlikleri 2007 DBYBHY e göre rijitlikler düşürülmüştür. Eşdeğer basınç çubukları sadece eksenel basınç olarak, kirişler eğilme, kolonlar eğilme ve eksenel basınç oluşacak şekilde mafsallar tanımlanmıştır (Şekil 5a,b). Dolgu duvar modeli olan eşdeğer basınç çubuğuda dahil olmak üzere kiriş ve kolonlara FEMA 356 ya göre mafsallar tanımlanmıştır (FEMA, 2000). Yatay deprem yükleri altında çerçeve içindeki duvarlarda oluşacak eksenel çekme kuvvetleri aslına uygun olarak hesaplarda elimine edilmiş, sadece basınç kuvvetlerinin alması sağlanmıştır. Analiz özelliklerinde Sap2000 de yer alan malzeme etkileşimleri kullanılarak statik itme (pushover) için nonlineer analiz gerçekleştirilmiştir. Şekil 4. Modellemeler duvarsız, duvarlı 3. BULGULAR Şekil 5.Mafsal atanan modelin üç boyutlu görüntüsü duvarlı modelde duvarsız model Yapılan statik itme analizleri sonucunda duvarlı ve duvarsız modellerin yapacağı yer değiştirmelere göre elemanlarda oluşan maksimum plastik mafsallar ve performans kayıpları elde edilmiştir (Şekil 6). Yapıların taban kesme kuvveti ve tepe yerdeğiştirmelerine dair grafik Şekil 7 de, spektral deplasmanlarına dair grafik şekil 8a,b de sunulmuştur. Spektral ivme ve spektral deplasman grafiklerine göre elde edilen performans noktalarına dair veriler Tablo 3 de gösterilmiştir.

6 Şekil 6. Meydana gelen mafsallar duvarsız model, duvarlı model Taban Kesme Kuvveti (kn) Dolgu Duvarlı Model Dolgu Duvarsız Model Tepe Yer Değiştirmesi (cm) Şekil 7. Dolgu duvarlı ve duvarsız modellerin taban kesme kuvveti-tepe yer değiştirmesi grafikleri Şekil 8. Spektral ivme-spektral deplasman grafikleri duvarsız model, duvarlı model

7 4. SONUÇLAR Tablo 3. Yapıya gelen taban kesme kuvvetleri ve performans noktaları Duvarsız Model Duvarlı Model Step Deplasman (cm) Taban Kesme Kuvveti (kn) Sd (cm) Sa Step Deplasman (cm) Taban Kesme Kuvveti (kn) Sd (cm) Sa 0 0, , , ,308 4,2822 0, , ,505 0,0049 0, , ,313 5,9165 0, , ,556 5,8647 0, , ,408 6,6435 0, , ,111 6,7724 0, , ,383 11,7259 0, , ,689 22,8969 0, , ,9 17,0563 0, , ,957 23,6996 0, , ,349 23,9851 0, , ,85 28,1619 0, , ,812 30,0356 0, , ,95 30,3 0, , ,007 35,6881 0, , ,902 49,6807 0, , ,086 40,6681 0, , ,313 71,0902 1, , ,172 45,3701 0, , ,661 76,3059 1, Performans Noktası : Sa: 0,333 Sd: 7,738 Performans Noktası : Sa: 0,35 Sd: 7,971 İskenderun merkezinde bulunan yapı üzerinde Sap2000 programı ile yapılan analizler sonucunda ve Şekil 7 de görüldüğü gibi dolgu duvarların, taban kesme kuvvetine %40 lara varan etkisinin olduğu belirlenmektedir. Dolgu duvarların, yapı performansını arttırdığı yapılan nonlineer statik itme analizleri sonucunda görülmektedir (Şekil 8). Duvar modelli yapıda mafsal oluşması, yapıya gelen yatay deprem enerjisinin sönümlenmesinde dolgu duvarların etkili olduğunu açıkça göstermektedir. Buna göre, uygulanmış gerçek yapılarda da yapı performansını etkilediği belirlenmektedir. Ticari programlar ile yapılan hesaplarda duvarların rijitliği ve dayanımı gözardı edilmesi yerine analizlerde dikkate alınması ve yapının depremde davranışı ile ilgili değerlendirilmesi, deprem açısından oldukça önemli bölgede yer alan ülkemiz için son derece önemlidir. Bu konuda mimarla mühendisin işbirliği içinde çalışması, ticari amaçla yapılan dükkanlar için ekonomi ve güvenliğin optimum düzeyde tutularak tasarıma gidilmesi önemlidir. Zira, duvarın ağırlık olarak dikkate alındığı ticari program tasarımlarında, modellenen yapı ile mevcut yapının gelen deprem kuvveti altında aynı şekilde davranmayabileceği bilinmelidir. KAYNAKLAR Baran, M. (2012). Dolgu duvarların betonarme çerçeveli yapıların davranışı üzerindeki etkilerinin incelenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 27:2, Beklen, C. ve Çagatay, İ.H. (2009). Çerçevelerde dolgu duvar modellerinin incelenmesi. Çukurova Üniversitesi Mimarlık Mühendislik Fakültesi Dergisi 24:1-2, Kaplan, S.A. (2008), Dolgu duvarların betonarme taşıyıcı sistem performansına etkisi. Türkiye Mühendislik Haberleri 452, Bayülke, N. (2003), Betonarme yapının dolgu duvarı. Türkiye Mühendislik Haberleri 426, Erdem M.M. ve Bikçe M. (2017), Maksimum azaltılmış göreli kat ötelemelerinin güncel (2007 DBYBHY) ve yeni yönetmelik taslağına (2016 TBDY) göre mukayesesi. Çukurova Üniversitesi Mimarlık Mühendislik Fakültesi Dergisi 32:2. Çağatay İ.H. (2007), Binalarda kısa kolona etki eden paremetrelerin incelenmesi. Altıncı Ulusal Deprem Muhendisliği Konferansı Doğan O. ve Bakırcı Er Ş. (2011), Hareketli yük ve dolgu duvar dağılımının burulma düzensizliğine etkisi. International Journal of Engineering Research and Development 3:2, 2-5. Asteris P.G. (2003). Lateral stiffness of brick masonry infılled plane frames. Journal of Structural Engineering 129:8,

8 Öztürkoğlu, O., Uçar, T. ve Yeşilce, Y (2015). Betonarme yapılarda dolguduvar-çerçeve etkileşiminin incelenmesi. Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi 17:3, Sap2000 (1999)., Structural Analysis Programs, Computers & Structures, Inc. University Avenue, Berkeley, California, USA. Karslıoğlu, Ö. (2005). Çok Katlı Binalarda Bulunan Tuğla Dolgu Duvarların Yapı Davranışına Etkileri. Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Kahramanmaraş. Çağlayan, E. (2006). Betonarme Çerçevelerin Yatay Yüklere Göre Analizinde Dolgu Duvar Etkisinin İncelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Entitüsü, Celal Bayar Üniversitesi, Manisa. Tarakçı, U. (2006). Mevcut Yapıların İncelenmesi Ve Dolgu Duvar Takviyesi İle Güçlendirilmesi. Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Entitüsü, Pamukkale Üniversitesi, Denizli. Öktem, O. (2003). Betonarme Çerçeve Sistemlerinin Lineer Olmayan Hesabı ve Dolgu Duvarların Modellenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Entitüsü, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul. Özdoğu, O. Z. (2006). Deprem Etkisi Altındaki Binaların Davranışına Dolgu Duvarların Etkisi. Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Entitüsü,Sakarya Üniversitesi, Sakarya. Tüzün, C. (1999). Dolgu Duvarlı Betonarme Çerçeve Sistemlerin Dinamik Analizi. Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul. Erkaya T. A. (1999). Betonarme Çerçeve Yapılarda Dolgu Duvarların Deprem Davranışına Etkisi. Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Entitüsü, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul. Erçetin, İ. (2004). Düzensiz Betonarme Yapılarda Dolgu Duvar Etkisinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Entitüsü, Celal Bayar Üniversitesi, Manisa. Dönmez, S. ve Hasgür Z. (2006). Deprem Etkisinde Betonarme Binalarda Hasarın Oluşmasında Dolgu Duvarların Modellenmesi Ve Taşıyıcı Sisteme Katkısı, Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul. Budak, A. (1997). Dolgu Duvarlı Çerçevelerin Sonlu Elemanlar Yöntemi İle Malzeme Bakımından Doğrusal Olmayan Hesabı. Doktora Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon. Yalçın, E. (1999), Dolgu Duvarların ve Konumlarının Çok Katlı Betonarme Yapıların Deprem Kuvvetleri Altındaki Davranışına Etkileri, Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul. Dündar, E. (2007). Çok Katlı Betonarme Yapılarda Bölme Duvarlarının Deprem Davranışına Etkisi. Yüksek Lisan Tezi, Çukurova Üniversitesi, Adana. Aydoğdu, İ. (1995), Dolgu Duvarlı Çerçevelerin Davranışı, Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, YTÜ, İstanbul. TBDY, (2016). Türkiye Bina Ve Deprem Yönetmeliği, Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, Ankara. DBYBHY, (2007). Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik, Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, Ankara. FEMA-178, (1989). A Handbook for Seismic Evaluation of Existing Buiidings (Preliminary). Earthquake Hazards Reduction Series 47.

9