Farklı Yöntemler Kullanılarak Güçlendirilmiş Betonarme Binaların Performansa Dayalı Tasarıma göre Deprem Performanslarının Belirlenmesi

Transkript

1 Farklı Yöntemler Kullanılarak Güçlendirilmiş Betonarme Binaların Performansa Dayalı Tasarıma göre Deprem Performanslarının Belirlenmesi Esra Mete Güneyisi (a), Gülay Altay (b) (a) Ar. Gör.; Boğaziçi Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Bebek, İstanbul; Tel: /1273; Faks: ; (b) Prof. Dr.; Boğaziçi Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Bebek, İstanbul; Tel: /1424; Faks: ; 1. Giriş Betonarme binalar, 1992 Erzinan, 1995 Dinar, 1998 Adana-Ceyhan, 1999 İzmit, 1999 Bolu-Düze, 2002 Afyon-Sultandağı ve son olarak 2003 Bingöl depreminde de çoğunlukla görüldüğü gibi sünekliği sağlayan detayların eksikliğinden kaynaklanan nedenlerden dolayı büyük hasarlar almış ve an kaybına neden olmuştur. Afet Bölgelerinde Yapılaak Yapılar Hakkındaki Yönetmelik (ABYYHY), 1998 yılında revize edilerek yüklerin artmasının yanı sıra, betonarme binaların sünekliğini sağlayaak şartlar yerine getirilmesine karşın, 1998 den öne yapılan binalar olabileek büyük bir depreme karşı güvensiz durumdadır [1]. Bundan dolayı, mevut hasar görmemiş binalar depreme maruz kalmadan öne deprem performanslarının belirlenmesi ve gerekiyorsa güçlendirme yapılarak performanslarının yeterli düzeye getirilmesi gerekmektedir. Mevut betonarme binaların deprem performanslarının artırılması genel olarak, sisteme perde veya çelik çaprazlar eklenerek binanın rijitliğinin ve dayanımın artırılması ya da belirli yapısal elemanların mantolanması (beton manto veya çelik sargı gibi) veya fiber takviyeli polimer (FRP) ile güçlendirilmesiyle sağlanmaktadır [2]. Mevut yönetmelikler an güvenliği (dayanım ve süneklilik) ve hasar kontrolü (öteleme sınırı) performans düzeyini hedef almaktadır. Bu yönetmeliklerde tasarım kriteri binaya uygulanan yatay kuvvetler altında bina elemanlarında oluşan iç kuvvetleri esas almaktadır. Buna karşın, Performansa Dayalı Tasarım belirlenen düzeydeki deprem altında belirlenen düzeydeki dayanımın sağlanmasını, yapılaak binanın kullanım amaına göre ya da güçlendirileek binanın güçlendirme yönteminin ve miktarının belirlenmesi aşamasında tasarımın beklenen performans düzeyinde olmasını sağlayan genel bir metotdur [3,4]. Bu çalışmada, İstanbul daki betonarme binaların tipik yapısal özelliklerini yansıtan beş katlı betonarme bir binanın üç değişik metotla güçlendirilmesi planlanmış, mevut ve 1

2 güçlendirilmiş binaların Performansa Dayalı Tasarım Yöntemine göre performans düzeyleri belirlenmiştir. Mevut binanın güçlendirilmesinde ülkemizde yaygın olarak kullanılan ve uygulanması kolay olan güçlendirme teknikleri terih edilmiştir. İlk güçlendirme tipi olarak (Durum-I) binaya bütün katlarda devam eden x yönünde iki, y yönünde dört adet perde eklenmiştir. İkini güçlendirme tipinde (Durum-II) ise birini güçlendirme durumundaki perdelerle aynı yerlere fakat sadee ilk iki kata perde eklenerek güçlendirilme yapılmıştır. Üçünü olarak (Durum-III) mevut bina, binanın köşelerine yükseklik boyuna çelik çaprazlar eklenerek güçlendirilmesi sağlanmıştır. Güçlendirilme tasarımında ABYYHY-98 [1] den yararlanılmıştır. Mevut ve güçlendirilmiş binaların lineer olmayan statik analizi yapılmış, ATC-40 [4] da belirtilen kapasite spektrumu metoduna göre binaların performans noktaları ve performans düzeyleri belirlenmiştir. 2. Çalışma Yöntemi Mevut ve güçlendirilmiş binalar SAP 2000 Lineer Olmayan Yapısal Analiz Programı ile modellenmiştir [5]. Mevut bina 13,5 m yüksekliğinde, 318 m 2 kat alanına sahip, dört normal kat ve bir bodrum kattan oluşmaktadır. Mevut binada kullanılan beton sınıfı C16 ve çelik sınıfı S220 olarak alınmıştır. Bina birini deprem bölgesinde ve ABYYHY-98 e göre Z3 zemin sınıfında yer almaktadır. Binaya etki eden düşey yükler TS 498 [6] e göre belirlenmiştir. ABYYHY-98 de yer alan eş değer deprem yükü metoduna göre binaya etki eden yatay yük dağılımı belirlenmiştir. Mevut ve güçlendirilmiş binaların lineer olmayan statik analizleri gerçekleştirilmiş; böylee bina tepe deplasmanı belirli bir noktaya ulaşınaya kadar artırılmıştır. Lineer olmayan statik analizin yapılabilmesi için yapısal elemanların plastik mafsal özellikleri ve mafsal oluşum yerleri belirlenmiştir. Kolon ve kirişlerde plastik mafsal yerlerinin, eleman kesit derinliğinin yarısı kadar mesafede elemanın her iki uunda oluştuğu kabul edilmiştir. FEMA 356 [3] ya göre plastik mafsal özelliklerini oluşturan, plastik mafsalın moment dönme davranışı ve hemen-kullanılabilirlik (Immediate Oupany, IO), an güvenliği (Life Safety, LS) ve yıkım önlenmesi (Collapse Prevention, CP) performans düzeyleri için sınır plastik rotasyon değerleri belirlenmiştir. Plastik mafsalın özellikleri yapısal elemanların özelliklerine ve mafsal oluşum mekanizmasına bağlı olarak değişmektedir. Mevut ve güçlendirilmiş binalar SAP 2000 de analiz yapıldıktan sonra, kolonlar için tasarım eksenel kuvveti ve kesme kuvveti, kirişler için de tasarım kesme kuvveti analiz sonuçlarından elde edilmiştir. Kolonlar için P A f g ve V b d w f, kirişler içinde ρ ρ' ρ bal ve V b d w f parametreleri belirlenmiştir. 2

3 Burada ρ kiriş çekme donatısı oranını, ρ' kiriş basınç donatısı oranını, ρ bal dengeli donatı oranını, Ag kolon kesit alanını, f beton karakteristik basınç dayanımını, b w ve d ise elemanın enkesit boyutlarını göstermektedir. Bina kolon ve kirişlerine belirlenen özellikteki plastik mafsallar yerleştirildikten sonra, lineer olmayan statik analizin yükleme durumları belirlenmiştir. İlk olarak binaya düşey yükler etki ettirildikten sonra yatay yükler belirli aralıklarla artırılarak binanın yüklenmesi sağlanmıştır. Zemin etüdüne göre, bina zemin tipi ATC-40 da belirtilen yoğun toprak ve yumuşak kaya (S ) sınıfına girmektedir. ATC-40 a göre belirlenen elastik ivme spektrumu, C A ve C V katsayılarına bağlıdır ve bu katsayılarda zemin sınıfına bağlı olarak 0,40 ve 0,56 olarak belirlenmiştir. Binaların lineer olmayan statik analizi x ve y yönünde gerçekleştirildikten sonra, kapasite eğrisi (taban kesme kuvvetinin, tepe deplasmanıyla değişim grafiği) elde edilmiştir. Bu kapasite eğrisi, spektral ivme ve spektral deplasman değişim eğrisine dönüştürülerek elastik spektrumla kesişim noktası belirlenerek performans noktası bulunmuştur. 3. Sonuçlar Kapasite spektrumu metoduna göre yapılan analiz sonuunda, mevut bina için performans noktası bulunamazken, güçlendirilmiş binalar için bulunan performans noktalarında, farklı performans düzeyleri elde edilmiştir. Tüm katlarda sisteme perde eklenerek güçlendirilen (Durum-I) binada hemen kullanılabilirlik (IO) performans düzeyi elde edilirken, sadee ilk iki kata perde eklenerek (Durum-II) ve bina köşelerine yükseklik boyuna çelik çaprazlar eklenerek (Durum III) güçlendirilen binalarda an güvenliği (LS) performans düzeyi elde edilmiştir. Mevut bina ve güçlendirilen binalar için elde edilen performans noktaları ve düzeyleri Tablo 1 de özetlenmektedir. Güçlendirme ile binanın rijitliğinin arttığı ve birini doğal titreşim periyodlarının (T 1 ) azaldığı görülmüştür. Şekil 1 ve 2 de binalar için x ve y yönündeki lineer olmayan statik analiz sonuunda elde edilen kapasite eğrileri görülmektedir. Sonuç olarak, her iki deprem yönünde de bütün güçlendirilmiş binaların mevut binaya kıyasla daha yüksek rijitliğe ve dayanıma sahip olduğu görülmüştür. Ayrıa, mevut betonarme binanın uygun bir şekilde güçlendirilmesinde binanın mimari özellikleri, yapım maliyeti ve süresi dikkate alınmalıdır. Bu üç güçlendirme tipi için yapılan maliyet analizi sonuunda en yüksek maliyet Durum-I ile yapılan güçlendirmede görülürken; en ekonomik güçlendirme Durum-III ile elde edildiği tespit edilmiştir. Güçlendirilmiş binanın an güvenliği (LS) performans düzeyinde olması isteniyorsa, Durum-I deki güçlendirmeye kıyasla daha az maliyeti olan Durum-III ve Durum-II deki gibi güçlendirme sağlanabilir. Eğer 3

4 güçlendirilmiş binanın hemen kullanılabilirlik (IO) performans düzeyinde olması isteniyorsa Durum-I deki gibi güçlendirilmesi gerekmektedir. Tablo 1. Mevut ve güçlendirilmiş binalar için performans noktaları ve birini doğal titreşim periyodları [7] Bina Durumu Birini Doğal Titreşim Periyodu T 1 Performans Noktası (V, kn-d, m) (se) x-yönü y-yönü Mevut Bina 0,82 bulunamadı bulunamadı Perdelerle Güçlendirilmiş Bina (Durum-I) 0, ,3 hemen kullanılabilirlik ,0 hemen kullanılabilirlik Perdelerle İlk İki Katta Güçlendirilmiş Bina (Durum-II) 0, ,9 an güvenliği ,3 an güvenliği Çelik Çaprazlarla Güçlendirilmiş Bina (Durum-III) 0, ,4 an güvenliği ,2 an güvenliği Taban Kesme Kuvveti (kn) Tepe Deplasmanı (m) Mevut Bina Durum-I Durum-II Durum-III Şekil 1.Mevut ve güçlendirilmiş binaların x yönünde kapasite eğrilerinin karşılaştırılması [7] 4

5 Taban Kesme Kuvveti (kn) Tepe Deplasmanı (m) Mevut Bina Durum-I Durum-II Durum-III Şekil 2.Mevut ve güçlendirilmiş binaların y yönünde kapasite eğrilerinin karşılaştırılması [7] 4. Kaynaklar 1. ABYYHY-98, Afet Bölgelerinde Yapılaak Yapılar Hakkında Yönetmelik, İMO İzmir Şubesi, İzmir, United Nations Industrial Development Organization, UNDP/UNIDO PROJECT RER/79/015, Repair and Strengthening of Reinfored Conrete, Stone and Brik-Masonry Buildings, Vol. 5, United Nations Development Programme, Vienna, FEMA 356, Federal Emergeny Management Ageny, Prestandart and Commentary for the Seismi Rehabilitation of the Building, FEMA, Washington, ATC-40, Applied Tehnology Counil, Seismi Evaluation and Retrofit of Conrete Buildings, Vol. 1, ATC, Redwood City, California, Strutural Analysis Programme, SAP 2000 Integrated Finite Element Analysis and Design of Strutures, Analysis Referene, Vol. 1, Berkeley, California, TS 498, Yapı Elemanlarının Boyutlandırılmasında Alınaak Yüklerin Hesap Değerleri, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, Mete, E., Seismi Evaluation of the Retrofitted R/C Buildings Based on Nonlinear Stati and Dynami Analyses, M.S. Thesis, Boğaziçi University,