BETONARME ÇERÇEVELERDE DOLGU DUVAR ETKİSİNİN İNCELENMESİ ÜZERİNE DENEYSEL ÇALIŞMA

Transkript

1 ÖZET: BETONARME ÇERÇEVELERDE DOLGU DUVAR ETKİSİNİN İNCELENMESİ ÜZERİNE DENEYSEL ÇALIŞMA İsmail Ozan Demirel 1, Ahmet Yakut 2, Barış Binici 2, Erdem Canbay 2 1 Araştırma Görevlisi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, ODTÜ 2 Profesör, İnşaat Mühendisliği Bölümü, ODTÜ odemirel@metu.edu.tr Bu çalışmada 2007 Türkiye Deprem Yönetmeliği ne göre tasarlanan yarım ölçekli betonarme çerçevelerde dolgu duvarın deprem davranışına olan etkilerinin incelendiği deneysel çalışmalar özetlenmiştir. 3 adet tek açıklıklı, tek katlı, yarım ölçekli betonarme çerçeve ODTÜ Yapı Mekaniği Laboratuvarı nda test edilmiştir. Boş çerçeve (BÇ), dolgu duvarlı sıvasız çerçeve (DÇ) ve dolgu duvarın karşılıklı olarak hasır çelik telle tutturulduğu sıvalı çerçeve (HÇ) incelenmiştir. Malzeme özelliklerinin belirlenmesi için donatı, beton, harç, tuğla deneyleri ile birlikte prizma numuneleri deplasman bazlı basma, eğik basma ve kayma dayanımı deneylerine tabi tutulmuştur. Her bir çerçeve önce kiriş üzerine döşeme yükünü temsilen yerleştirilen çelik blok ağırlıklar ve kolon kapasitesinin %17.5 ine denk gelecek şekilde düşey yükleri temsil eden hidrolik pistonlarla yüklenmiştir. Sonrasında %4.0 kat ötelenme seviyesine kadar artarak devam eden çevrimsel deplasman kaydı çerçeveye uygulanmıştır. Çerçeve ve dolgu duvar davranışı önceden belirlenmiş bölgelere yerleştirilen toplam 50 ye yakın gerinim pulu, yük hücresi ve deplasman ölçer ile takip edilmiştir. Dolgu duvarın çerçeve taban kesme kuvvetini %43 oranında arttırdığı fakat kapasitenin hızlı bir şekilde tükenerek ilerleyen ötelenme değerlerinde davranışın boş çerçeveye yakınsadığı gözlenmiştir. Dolgu duvar karşılıklı olarak hasır çelik telle tutturulup sıvandığında ise taban kesme kuvveti %219 oranında artmış ve yüksek ötelenme değerlerinde dahi dolgu duvarın davranışa katkısı azalarak da olsa devam etmiştir. ANAHTAR KELİMELER: Deneysel çalışma, dolgu duvar, hasır çelik tel, betonarme çerçeve, çevrimsel yükleme 1. GİRİŞ Dolgu duvarlı çerçevelerin deprem davranışı birçok araştırmacı tarafından uzun zamandır analitik ve deneysel olarak incelense de, dolgu duvarı bina modellerine dâhil edecek pratik ve güvenilir bir yöntem geliştirilememiştir. Güncel deprem yönetmeliklerine göre yapılan bina tasarımlarında dolgu duvarlar genellikle ihmal edilmektedir. Dolgu duvarların deprem yükleri altında bina kapasitesini ve rijitliğini artıran rezerve elemanlar olarak düşünerek bina modellerinde ihmal edilmesi her zaman güvenli sonuçlar doğurmayacaktır. Kocaeli ve Van depremleri az ve orta hasarlı binalarda dolgu duvarların hasara yatkın olduklarını, çok hasarlı binalarda ise yapının stabilitesinin korunmasında görev aldıklarını göstermiştir. Ayrıca taşıyıcı sistem hasarının kısıtlı olduğu orta ve küçük ölçekli depremlerde dolgu duvar hasarının bina sakinleri üzerindeki psikolojik ve ekonomik etkileri de gözden kaçırılmamalıdır (Sucuoğlu, 2013). Sonuç olarak dolgu duvarlı çerçeve davranışının daha iyi anlaşılması, güvenilir ve uygulanabilir analitik dolgu duvar modelleri geliştirilmesi, duvarlar için performans seviyelerinin belirlenmesi ve uygulamada duvar performansını artıran yöntemler bulunması gerekmektedir. Bu çalışmanın amacı çevrimsel yük etkisi altındaki betonarme çerçevelerde dolgu duvarın deprem davranışına olan etkilerinin deneysel olarak incelenmesidir. Bu amaçla boş çerçeve (BÇ) ve dolgu duvarlı çerçeve (DÇ) deneyleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, dolgu duvara harç derzlerine açılan deliklerden bağ teli ile karşılıklı olarak

2 tutturulan hasır çelik tellerle, uygulaması kolay ve ekonomik bir yöntem geliştirilerek daha iyi bir davranış elde edilmiştir. 2. MALZEME VE PRİZMA DENEYLERİ Çerçeve deneylerine ek olarak donatı çeliği, beton, harç ve tuğla numuneleri üzerinde kapsamlı malzeme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca dolgu duvar prizmaları üzerinde basınç, çapraz basınç ve kayma deneyleri de yapılarak malzemelerin ve duvar parçalarının mekanik özellikleri belirlenmiştir Malzeme Deneyleri Beton, harç ve tuğlanın mekanik özellikleri MTS test makinası kullanılarak ilgili ASTM standartlarına göre belirlenmiştir; ASTM C39, ASTM C469, ASTM C348, ASTM C349 (Tablo 1). Betonarme çerçevelerde 28 günlük nominal basınç dayanımı 25 MPa olan süper akışkan hazır beton kullanılmış, betonu dökülürken alınan silindirik beton numuneleri çerçeve deneyinin yapıldığı gün basınç ve yarma deneylerine tabi tutulmuştur. Malzeme Basınç Dayanımı Tablo 1. Malzeme özellikleri Akma Dayanımı Çekme Dayanımı Elastisite Modülü Beton * 26,100 Harç ** 2136 Düz Donatı ,000 Nervürlü Donatı ,000 Tuğla 3.7 *Yarmada çekme dayanımı **Eğilmede çekme dayanımı İki tip donatı çeliği kullanılmıştır. Boyuna donatılar 8mm çapında, nominal akma dayanımı 420MPa olan nervürlü donatıdır. Etriyeler 6mm çapında, soğuk çekilerek çapı inceltilmiş düz donatıdır. Her iki donatı çeliğinin mekanik özellikleri gerinim pulu ve extensometre yapıştırılıp çekilerek belirlenmiştir (Şekil 1). Şekil 1. Donatı çeliği çekme deneyi

3 Harcın hacimsel kum/çimento/kireç karışım oranı 6/1/1 dir. Su miktarı akma tablası deneyinde akma çapı 105 olacak şekilde ayarlanmıştır (ASTM C1437). Eğilmede çekme ve basma deneyleri (ASTM C348-C349) için 40mm x 40mm x 160mm boyutlarında prizma numuneleri, elastisite modülünün belirlenmesi için ise 100mm çapında silindirik harç numuneleri hazırlanmıştır. Dolgu duvar malzemesi olarak boyutları 185mm x 100mm x 95mm olan, %60 boşluk oranına sahip yatay delikli tuğlalar kullanılmıştır. Her bir tuğlanın ağırlığı yaklaşık 1120gr dır. Duvarın şaşırtmalı örülebilmesi için gerektiğinde tuğlalar elmas uçlu testere ile kesilmiştir. Betonarme çerçeve dayanım kazanıp üzerine döşeme yüklerini temsil eden ağırlıklar koyulduktan sonra kirişin ölü yükler altında seğim yapmasına izin verilmiş daha sonra dolgu duvar örülmüştür. Yatay delikli tuğlalar, aslına uygun olarak delikler zemine paralel olacak şekilde şaşırtmalı olarak yerleştirilmiştir Prizma Deneyleri Dolgu duvarın ve hasır çelik telle tutturulan sıvalı dolgu duvarın mekanik özelliklerinin belirlenmesi için prizma numuneleri hazırlanmıştır. Prizma deneylerinde deplasman kontrollü yükleme kapasitesine sahip vidalı pistonlu test düzeneği kullanılmıştır. Basma, eğik basma ve kayma deneyleri ASTM C1314, ASTM E519 ve EN standartlarına göre gerçekleştirilmiştir (Şekil 2a). Her deney için en az üç adet dolgu duvarlı, üç adet hasır çelik telle tutturulmuş sıvalı duvar prizması test edilmiştir. Kayma deneyinde yanal basınç uygulayabilmek için özgün bir deney düzeneği tasarlanarak deney boyunca yanal basınç 2 adet S tipi yük hücresiyle, yataklanma derzlerindeki kayma deplasmanları ise 2 adet deplasman ölçer ile takip edilmiştir (Şekil 2b). Gerektiğinde yanal basıncın ayarlandığı civatalar sıkılarak deney boyunca yanal basıncın sabit kalması sağlanmıştır. 0.00MPa 0.15MPa ve 0.20MPa yanal basınç değerlerinde gerçekleştirilen başarılı 7 test sonunda kesme gerilmesi-eksenel gerilme grafiği çizilip kohezyon 0.161MPa, içsel sürtünme açısı 60 derece olarak hesaplanmıştır. a) b) Şekil 2. Vidalı pistonlu prizma test düzeneği a) çapraz basma deneyi b) kayma deneyi Prizma deneylerinde numunelerin iki yüzüne yerleştirilen deplasman ölçerlerle kayıt alınmış, daha sonra bu kayıtların ortalaması alınarak eğilmeden kaynaklanan olası deplasmanlar minimuma indirgenmiştir. Elastisite ve kayma modülü gerilim-gerinim eğrilerinin üzerinde, prizma kapasitesinin %5 ve %50 sine denk gelen noktalardan geçen doğrunun eğimi kullanılarak hesaplanmıştır.

4 Kayma Gerilmesi (M Pa) Kayma Gerilmesi (M Pa) Eksenel Gerilme Eksenel Ge,rilme (M Pa) 3. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı DÇ ve HÇ numunelerine ait birer adet prizmanın çapraz basma ve eksenel basma deney sonuçları, deney sonrası çizilen gerilim-gerinim grafikleriyle birlikte Şekil 3 de gösterilmektedir. Çapraz Basma Eksenel Basma Kayma Gerinimi Kayma Gerinimi Eksenel Gerinim Şekil 3. Prizma göçme durumları ve gerilim-gerinim eğrileri Eksenel Gerinim Yapılan tüm deneylerin ortalaması alınarak hesaplanan dayanım ve elastisite değerleri ise Tablo 2 de paylaşılmıştır. Hasır çelik üzerine sıva uygulamasının kesme kapasitesini yaklaşık iki katına çıkardığı ve kayma modülünü artırdığı görülmektedir. Tablo 2. Prizma deneyi sonuçları σ Numune u E τ u G Tuğla Prizma Hasır Çelik Takviyeli Prizma DENEY ÇERÇEVESİ Mevcut deprem yönetmeliğine (TDY, 2007) göre yüksek süneklik seviyesini sağlayacak şekilde tasarlanmış, iki yönde de üç açıklıklı, beş katlı tipik bir binanın giriş katının orta çerçevesi çıkarılarak tek açıklıklı, tek katlı deney çerçevesi elde edilmiştir (Şekil 4). Kolonlardaki basınç oranı, boyuna ve enine donatı oranları sabit tutularak referans binadaki çerçeve %50 ölçeğinde küçültülmüştür. Kolon donatı oranı %1 olarak hesaplanmış, kiriş üstlerinde etkili genişliği boyunca döşeme de donatılarıyla birlikte çerçeveye dahil edilmiştir.

5 Hasır çelik tel uygulamasında tipik güçlendirme yöntemlerinin aksine hasır çelik tel betonarme çerçeveye tutturulmamış, duvarın iki yüzünden karşılıklı olarak bağ teli ile birbirine bağlanmıştır. Bu sistemin amacı dolgu duvarı ileri ötelenme seviyelerinde tek parça olarak tutarak duvarın yatay yüklere ve yanal deplasmana karşı direncini korumasını sağlamaktır. Bu amaçla zayıf bir hasır çelik tel tercih edilmiştir. Şekil 4. Deney çerçevesi boyutları ve donatı detayı HÇ imalatı için 25mm göz aralığına sahip, 2mm çapında hasır çelik teller kullanılmıştır. Duvarın her iki yüzünü kaplayan hasır çelik teller harç seviyelerinde matkapla açılan deliklerden geçen bağ telleriyle birbirlerine bağlanmıştır. Daha sonra duvarın her iki yüzüne 10 mm kalınlığında duvar harcıyla aynı karışım oranlarında hazırlanan sıva çekilmiştir (Şekil 5). Şekil 5. Dolgu duvara karşılıklı hasır çelik tel uygulaması

6 4. ÇERÇEVE DENEY DÜZENEĞİ ODTÜ Yapı Mekaniği Laboratuvarı nda yatay ve düşey yüklerin birlikte uygulanabileceği bir deney düzeneği kurulmuştur (Şekil 6). Döşeme yükleri kiriş üzerine konulan ağırlık blokları, kolon üzerine gelen ölü yükler ise düşey yönde yerleştirilen iki adet hidrolik piston ile idealize edilmiştir. Yatay yükler servo kontrollü bir başka hidrolik piston yardımı ile uygulanmaktadır. Deney çerçevesi düşey doğrultuda kolon kapasitelerinin %17.5 ine kadar yüklendikten sonra artımsal yatay deplasman çevrimleri %4 ötelenme seviyesine kadar uygulanmıştır. Yükleme protokolü olarak %0.35, %0.5, %1.0, %1.5, %2.0, %2.5, %3.0, %3.5, %4.0 ötelenme seviyelerinde ikişer adet çevrim yapılmıştır. Betonarme çerçeve ve dolgu duvar üzerindeki şekil değiştirmeler; kolon ve kiriş uç bölgelerine yapıştırılmış 12 adet gerinim pulu ve kritik bölgelere yerleştirilen 30 adet deplasman ölçer ile takip edilmiştir 5. DENEY SONUÇLARI Şekil 6. Deney düzeneği Her bir çerçeve için belirli ötelenme seviyelerindeki hasar seviyeleri, göçme durumları ve yük-deplasman ilişkileri incelenmiştir. Boş çerçeve (BÇ) beklenildiği gibi kolon ve kiriş uç bölgelerinde oluşan eğilme mafsalları sonucunda sünek bir davranış sergilemiştir. %4 ötelenme seviyesine gelindiğinde kolon alt uçlarında donatı akması, betonda çatlaklar ve ezilmeler, donatıda burkulma açık bir şekilde gözlenmiştir. Dolgu duvarlı çerçeve (DÇ) göçme durumuna dolgu duvarda kaymadan dolayı göçme, dolgu duvarın kiriş ile temas ettiği bölgelerde kirişin eğilmesinden oluşan baskı ile tuğlaların dökülmesi ve kolon-kiriş uçlarında eğilme mafsallarıyla ulaşmıştır. Hasır çelik tel tutturulmuş sıvalı çerçeve (HÇ) göçme durumuna dolgu duvar-çerçeve ara yüzünde ayrışmalar ve basınç çubuğu uçlarında ezilmeler ile ulaşsa da duvar bütünlüğü korunmuş, duvar hasarı kısıtlı seviyede kalmıştır. Dolgu duvarda uç ezilmeleri gözlense de hasır çelik uygulaması tuğla ayrışmasını engellemiştir (Şekil 7). Bu uygulamanın duvarın düzlem dışı dayanımını da arttıracağı açıktır.

7 Yanal Yük (kn) 3. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı BÇ DÇ HÇ Şekil 7. %0.5, %2 ve %4 ötelenme seviyelerinde BÇ, DÇ ve HÇ hasar durumları Her bir çerçeve için histeretik davranış eğrileri Şekil 8 da gösterilmiştir HÇ DÇ BÇ -5%-4%-3%-2%-1% 0% 1% 2% 3% 4% 5% Ötelenme Şekil 8. Histeretik eğriler

8 Yanal Yük (kn) 3. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı Histeretik eğrilerin pozitif yönde ilk çevrimlerinin tepe noktaları birleştirilerek zarf eğrileri çıkarılmıştır (Şekil 9). Dolgu duvarın taban kesme kuvvetini ve çerçeve rijitliğini artırdığı açık biçimde görülmektedir. Yatay yük kapasitesine ulaştıktan sonra DÇ ve HÇ ilerleyen ötelenme seviyelerinde BÇ davranışına yakınsamaya başlamıştır SONUÇ HÇ DÇ BÇ 0 0% 1% 2% 3% 4% Ötelenme Şekil 9. Zarf eğrileri Dolgu duvarın çerçeve taban kesme kuvvetini %43 oranında artırdığı fakat ilerleyen ötelenme seviyelerinde hızlı bir şekilde sönümlenerek boş çerçeve davranışına yakınsadığı görülmektedir. Karşılıklı hasır çelik tel üstüne sıva uygulanan çerçeve ise taban kesme kuvvetini %220, çerçeve yanal rijitliğini %850 oranlarında artırmış (Tablo 3). Bu uygulama ayrıca duvarın tek parça kalmasını sağlayarak dayanıma ve rijitliğe katkısını ileri ötelenme seviyelerine taşımıştır. Bu uygulamanın deprem sırasında oluşan yüksek ötelenme seviyelerinde dolgu duvarların bina davranışına olan katkısını stabiliteyi ve kapasiteyi artırarak geliştireceğini düşünüyoruz. Sistemin deprem bölgelerinde dolgu duvarlı binalarda kullanılabileceğine inanıyoruz. Çerçeve Tablo 3. Çerçeve deneyi sonuçları Ki* (kn/mm) Vmax (kn) V max V max,bf dmax TEŞEKKÜR BÇ % DÇ % HÇ % Bu araştırma Avrupa Komisyonu nun INSYSME Betonarme binalarda depreme dayanıklı yığma duvarlar için yaratıcı sistemler araştırma projesi, bağış FP7-SME GA606229, kapsamında finanse edilmiştir. ODTÜ Yapı Mekaniği Laboratuvarı personeli Hasan Metin, Osman Keskin, Murat Demirel, Barış Esen ve Salim Azak ın değerli emekleri yazarlar tarafından saygıyla karşılanmaktadır.

9 KAYNAKLAR Sucuoglu, H. (2013). Implications of masonry infill and partition damage in performance perception in residential buildings after a moderate earthquake. Earthquake Spectra: May 2013, Vol. 29, No. 2, pp ASTM C39 / C39M (2015). Standard test method for compressive strength of cylindrical concrete specimens. ASTM International, West Conshohocken, PA. ASTM C469 / C469M (2014). Standard test method for static modulus of elasticity and poison s ratio of concrete in compression. ASTM International, West Conshohocken, PA. ASTM C348 (2014). Standard test method for flexural strength of hydraulic-cement mortars. ASTM International, West Conshohocken, PA. ASTM C349 (2014). Standard test method for compressive strength of hydraulic-cement mortars (using portions of prisms broken in flexure). ASTM International, West Conshohocken, PA. ASTM C1437 (2013). Standard test method for flow of hydraulic cement mortar. ASTM International, West Conshohocken, PA. ASTM C1314 (2012). Standard test method for compressive strength of masonry prisms. ASTM International, West Conshohocken, PA. ASTM E519/E519M (2010). Standard test method for diagonal tension (shear) in masonry assemblages. ASTM International, West Conshohocken, PA. European Norms EN 1052 (2003). Methods for test of masonry: part 3 determination of initial shear strength. Türkiye Deprem Yönetmeliği (2007). Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik. Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, Ankara, Türkiye.