BETONARME BİNALARIN PERDELERİNİN DEPREM ETKİSİNDE DAVRANIŞLARININ İNCELENMESİ

Transkript

1 BETONARME BİNALARIN PERDELERİNİN DEPREM ETKİSİNDE DAVRANIŞLARININ İNCELENMESİ Cemal EYYUBOV (*), Neşe ŞENSOY (**) ve Yaşar UĞUR (*) (*) Ercyes Ünverstes, Mühendslk Fakültes, İnşaat Müh. Bölümü, Kayser (**) Ercyes Ünverstes, Fen Blmler Ensttüsü, İnşaat Müh. Ana Blm Dalı, Kayser ÖZET Bu bldrde yıkıcı depremler süresnce betonarme bna perdelernn davranışının nceleme sonuçları, perdelerde yatay ve düşey yükler etksnden doğan gerlme dağılımı özellklernn SAP 2000 blgsayar programı kullanılarak ncelemes ve depreme dayanıklı perde konstrüktf düzenlemelernn hazırlanması sunulmuştur. Anahtar kelmeler: Perde duvar, dayanım, rjtlk. BEHAVIOUR ANALYSIS OF SHEAR WALLS IN EARTHQUAKE RESISTANT HIGH RISE REINFORCED CONCRETE BUILDINGS ABSTRACT In ths research, responses of shear walls n mult-storey buldngs subjected to severe earthquakes are studed and the results obtaned are generalzed. The behavour of shear walls of varous geometrc propertes under horzontal and vertcal loads s examned by usng SAP 2000 program. The arrangement of shear walls s also studed n a way that the arrangement would produce hgher strength and rgdty. Keywords: Shear wall, strength, rgdty. 1.GİRİŞ Büyük kentlerde nşaat çn ayrılan yerlern daha etkl kullanablmes yüksek bna nşaatının yaygınlaşması le gerçekleştrleblr. Bna yükseklğnn artırılması yatay deplasmanın büyük ölçüde artmasına neden olmaktadır. Gerek rüzgâr etksnden, gerekse

2 deprem etksnden bnanın yatay deplasmanın artması bnanın kullanım şartlarına uygun olarak davranışını zorlaştırmaktadır. Ayrıca bnanın yatay deplasmanının artması depreme dayanıklılığını da negatf olarak etklemektedr [1 ve 2]. Depreme dayanıklı yüksek yapıların tasarımında yapının rüzgâr ve deprem etksnden doğan yatay deplasmanının sınırlandırılmasını sağlayan konstrüktf önlemlern alınması gerekr. Yapının brnc mod serbest ttreşm peryodu (T1>0,5s) olduğunda yapı, yüksek yapı olarak kabul edleblr [3 ve 4]. Taşıyıcı sstem perde duvarlı olarak seçerek yüksek yapıların kullanma şartları ve depreme dayanıklılığı sağlanablr. Depreme dayanıklı yüksek yapılardak perdelernn deprem ve rüzgâr etks altındak davranışlarının ncelenmes ve etken kuvvetler alıp yapı temelne aktarablen perde konstrüktf düzennn hazırlanması ve uygulaması güncel br konudur. Bu çalışmada; perdelern bna planında optmal yerleştrlmes, yatay ve düşey yükler etks altındak perdelern davranışlarının ncelenme sonuçları ve perdelern rjtlğn ve dayanımını öneml ölçüde yükselteblen perde konstrüktf düzenler le lgl hususlar yer ele alınmıştır. 2. PERDELERİN YIKICI DEPREMLER SÜRESİNCE DAVRANIŞLARININ İNCELENMESİ Yıkıcı depremlern bna ve mühendslk yapılarına etksnn mühendslk araştırmaları perde duvarlı yüksek betonarme bnaların deprem süresnce daha az hasar gördüğünü ortaya koymuştur [1, 5, 6 ve 7]. Ancak Buhara (1976), Erzncan (1992), Adana (1998), Marmara (1999), Düzce (1999) gb depremlern mühendslk araştırmaları perde duvarlı betonarme bnaların perdelernde en kestnn tamamını kapsayan çatlak ve kopmaların oluşabldğn göstermştr (Şekl 1 ve 2) [1 ve 8].

3 Perdelerde en çok rastlanan hasar türü (x) şeklndek çatlakların oluştuğu hasar türüdür. Eğk çekme gerlmelernden oluşan bu hasar türü dkkat edlmes gereken br durumdur. Bu hasara rağmen perdenn eğlme moment taşımaya devam edeblmes çn perde uç bölgelernn y düzenlenmes gerekr. Perdenn kademel nşa edlmes durumunda, farklı zamanda dökülen k betonun ara kestnde yeterl bağın oluşmamasından dolayı derz ara kestnde kayma hasarı oluşur [4 ve 8]. Perde duvarlarda hasarlar yapının kat adedne göre değşmektedr. Az katlı bnaların perde duvarlarında kesme çatlakları oluşur. Kesme çatlakları düşey ve yatay le 45o ye yakın br açı yapar. Düşey yük değerlernn artması le daha dk açılı çatlaklara da rastlanablr. Yüksek yapıların alt katlarının perde duvarlarında se eğlme çatlaklarına yaygın olarak rastlanır. Ayrıca yüksek bnaların kenar duvar cephes boyunca alt katlarındak perdelernde perdenn normal kuvvet le aşırı yüklenmes neden le alt ucunda betonun ezlmes ve boyuna donatıların burkulup beton çersnden çıkması gb hasarlara da rastlanmaktadır [1, 4, 6 ve 9]. 3. PERDELERİN BİNA PLANINDA YERLEŞTİRİLMESİ Yüksek bnaların planında perdelern her k asal eksen doğrultusunca rjtlk merkezlernn kütle merkez le çakışacak şeklde yerleştrlmes gerekr. Bu se çoğu zaman bnanın mmar plan tasarımını zorlaştırır. Buna göre perde duvarlarda kapı ve pencere boşluklarının göz önüne alınması gerekl olur. Perdelern ssmk ve rüzgâr yüklernn kabul edp temellere aktarablmesn temn etmek çn perdelerdek kapı ve pencere boşluklarının kenarlarının ek konstrüktf tedbrler le güçlendrlmes gerekr. Bu se perdelern tasarımı ve yapımını zorlaştırablr. Bu çalışmada perde duvar elemanlarının bna planında bna ç dzaynını etklemeyecek şeklde yerleştrlme düzen ele verlmştr. Örnek br bna planında perdelern yerleştrlmes Şekl 3 de verlmştr. Bna planında Şekl 3 de gösterldğ gb perdelern yerleştrlmesnde bnanın rjtlk merkez kütle merkez le daha y br şeklde çakışablr ve bna ç dzaynı perdelern bna planında yerleştrlmesne bağlı olmadan yapılablr. Ayrıca bell br kullanım süresnden sonra ülkenn ve nsanların ekonomk, kültür ve sosyal gelşmesne bağlı olarak bna ç mmar dzaynının yenden düzenlenmes gerekl olduğunda bna taşıyıcı sstemn tahrp etmeden bna ç dzaynı yenden yapılablr. Bna ç dzaynında asansör ve merdven boşluklarının bna planının geometrk merkeznde yerleştrlmes koşulu esas alındığında Şekl 3b de, dğer durumlarda se Şekl 3a da verlen şema uygulanablr. Bu şemaların her ksnde perdelern plan kestler Λ, ve + şeklnde yapılmalıdır. Bu yaklaşım aynı perde en kest alanının bnanın her k asal eksen boyunca rjtlğnn yükselteblmesne katkısının sağlamak çn uygulanablr [5 ve 8]. 4. DEPREME DAYANIKLI YAPI TASARIMINDA UYGULANABİLİR PERDE KONSTRÜKTİF DÜZENİNİN HAZIRLANMASI Yatay ve düşey yükler etksnde SAP 2000 blgsayar programı uygulanmak suretyle yapılan perde duvarların gerlme analzne bağlı olarak, perde duvarların k kenarı boyunca basınç ve çekme normal gerlmeler, ç kısmında se kayma gerlmeler hâkm olmaktadır. Ayrıca aynı araştırma sonucuna göre perde duvarlar üzernde tekl yükler

4 uygulandığında yerde yükün etken noktasından 0,50 m uzaklığında yerel gerlmelern etkl olduğu görülmektedr (Şekl 4) [10]. Şekl 3a da gösterlen kat planında perdelern,,, T, + şeklnde yerleştrlmes perde duvarların rjtlğn büyük ölçüde arttırır ve böylece deprem yüklernn perdelerce alınıp temellere aktarılablmesn kolaylaşablr. Merdven boşluğunun planda kütle merkezne yerleştrlmes durumunda se, merdven boşluğunun yangından korunmak çn çevrelemek zorunda olduğumuz duvarların betonarmeden yapılablr. Böylece bnanın kütle merkeznde br çekrdek taşıyıcı elemanı gerçekleştrleblr. Böyle br tasarım şematk olarak Şekl 3b de verlmştr.

5 (a) (b) Şekl 4. Düşey ve yatay yükün br arada etks. (a) En 3,00 m, (b) En 4,00 m olan Perdeler.

6 Perde duvarların konstrüktf düzennn Afet Bölgelernde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelkte verlen uç kısımlarının yerleştrlmes yaklaşımı le karmaşık hale geldğ blnmektedr [3]. Buna bağlı olarak bu şeklde gösterlen perdelern konstrüktf düzen aşağıdak gb vereblr. Bu konstrüktf düzenlerde perde uç kısımlarının genşletlmes yerne bu kısımlarda profl elemanlarının kullanılması terch edleblr. Burada profl elemanlar normal gerlmey alacak, betonarme perde kısmı se kayma gerlmesn aktaracak şeklde tasarlanmıştır. Buna bağlı olarak düzenlenen, T, + en kest şeklne sahp perde duvarların konstrüktf düzenler Şekl 5 de verlmştr. Şekl 6 da se perde duvarlı bnanın dnamk davranış model verlmştr.

7 Ayrıca az katlı bnalarda perde üst ve alt uç kısımlarında bölgesel basınç gerlmesnn daha fazla olmasından dolayı perdede bu kısımların güçlendrlmes ek sargı donatıları le de yapılablr. Çok katlı betonarme perdel br bnanın dnamk karakterstkler; 2π T = 2 αi m(1 + λα ) EJ 2 (1) ' ' χ (x) = snα x B(cosα x x x chα ) DShα H H H H (3) bağıntıları le hesaplanacaktır [11]. EJK α λ= ; α = FGH ' λα (2) Burada; (α) frekans katsayısı olup; brnc mod ttreşm çn α1= 1,88 ve knc mod ttreşm çn α2 = 4,69 olarak alınablr. B ve D se Şekl 7 de verlen dyagramdan alınacak katsayılardır. Şekl 3a ve 3b de verlen şemaya göre planı düzenlenen 12 katlı ve perde duvarlı br bnada (m=110 kn.s2/m) ve kat yükseklğ (2,9 m) dr. Yukarıda verlen (1) bağıntısı ve Afet Bölgelernde Yapılacak Yapılar Hakkındak Yönetmelğe göre hesaplanan serbest ttreşm peryodu değerler aşağıda verlmştr. Perde geometrk karakterstkler se Çzelge 1 de verlmştr. Şekl 7. Taşıyıcı Sstemn B ve D Mod Katsayıları Dyagramı.

8

9 Şekl 3 de planı verlen 12 katlı örnek bnanın Afet Bölgelernde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelğe göre hesaplanan brnc mod ttreşm peryodu perdelern bna planındak yerleşme özellklerne bağlı olmaksızın (T1=0,52 s) olmuştur. Aynı bnanın yukarıda verlen (1) bağıntısı le hesaplanan peryodu, planı Şekl 3a dak gb olduğunda brnc mod ttreşmde (T1 = 1,43 s), knc mod ttreşmde (T2 = 0,23 s) olmuştur. Planı Şekl 3b dek gb olduğunda se brnc mod ttreşmde (T1=1,2 s), knc mod ttreşmde se (T2 = 0,2 s) olmuştur. Ayrıca deneysel araştırmalar göstermştr k, aynı konstrüktf özellklere sahp bnaların ölçülen brnc mod serbest ttreşmnn peryodu (T1= 0,9 le 1,1 s) sınırındadır [12]. Yne Çzelge 1 de Şekl 3a ve 3b de önerlen planlardak perde en kest düzenlernn rjtlklernn hesap sonuçları verlmştr. Perde rjtlğ; 1 C = δ (4) (5) 3 1, 2h h δ = + A G 3EJ p bağıntısı le hesaplanmıştır [11]. Burada (δ); -nc konsol perdenn ucuna yatay brm yük uygulandığında yük etks doğrultusundak brm yer değştrmedr. (Ap); -nc perdenn en kest alanı; (E) ve (G); perdelern elastse ve kayma modüller; (J); -nc perdenn en kest atalet momentdr. Şekl 3a da önerlen planda perdelern alanlarının tümü bnanın her k yönünde de hesaba katılmaktadır. Önerlen bu planda toplam perde alanı 21,48 m2 dr. Bu bnanın (x) yönündek toplam rjtlğ kn/m ve (y) yönündek toplam rjtlğ se kn/m dr. Şekl 3b de önerlen planda se perdelern alanlarının tümü bnanın her k yönünde de hesaba katılmaktadır. Önerlen bu planda toplam perde alanı 21,75 m2 dr. Şekl 3b de verlen bnanın (x) yönündek toplam rjtlğ kn/m ve (y) yönündek toplam rjtlğ se kn/m dr. 5. SONUÇLAR Araştırmanın sonuçları şöylece özetleneblr: 1.) Yıkıcı depremlern yüksek betonarme bnalardak etksnn mühendslk araştırması, deprem etksnde perdelerde dyagonal ve artı şeklnde eleman en kestnn tamamını kapsayan çatlak ve kopmalara yaygın olarak rastlandığını ortaya koymuştur. Büyük çoğunlukla perdelern boyuna donatıların kopma aşamasında beton çersnden burkularak elemanın beton kest dışına çıkması şeklnde br hasar karakterne rastlanmıştır. Kesme karakter yaygın olarak rastlanan dyagonal ve artı şeklndek çatlakların yanı sıra, perdelern üst ve alt döşemeye temas ettğ kısımlarında da ezlme karakterl hasarlara da rastlanmıştır.

10 2.) Depreme dayanıklı betonarme bnaların taşıyıcı sstemlernn tasarım örneklernn mühendslk araştırması, aşağıdak k yanlış uygulamanın yapıldığını ortaya koymuştur: Bna planında betonarme perdelern en kestnn büyük rjtlkl eksenlernn bnanın ancak br doğrultusunda yer alması, dğer doğrultuda se küçük rjtlğe sahp yönü üzere yer alması rastlanan br tasarım hatasıdır. Erzncan depremnde böyle tasarım hatalı betonarme bnaların perde duvarlarında cdd hasarlar oluştuğu gözlenmştr. Betonarme yüksek bnaların plan dzaynında perdeler bna ç plan dzaynına bağlı olarak, çoğu zaman bna planında ölü alanlar olarak (merdven ve asansör boşlukları gb) ntelendrlen yerler çevreleyen duvarlar üzere yerleştrlmes yne yaygın olarak rastlanan br tasarım hatasıdır. 3.) Örnek br bnaya at planda perdelern optmal olarak yerleştrlme şemaları, Şekl 3a ve 3b de sunulmuştur. Bu plan düzenlemesnde perdelern rjtlk merkeznn bnanın kütle merkezne en yakın olarak yerleştrleblmesne özen gösterlmştr. Burada k uygulanablr plan düzenlemes verlmştr. Brncsnde (Şekl 3a) perde en kestler bna planında ünform olarak dağıtılmaya çalışılmıştır. Bu durumda bnanın mmar planı gerektğnde esnek olarak stenlen yönde değştrleblr. Merdven ya da asansör boşlukları gb bna ç ölü alanlar bna çersnde bağımsız olarak stenlen boş alanlara ya da bna dışına çıkarılablr. Perdeler pencere ve kapı boşluklarının yerleştrlmesne engel olmaz. İkncsnde se (Şekl 3b) merdven ya da asansör boşluğu bna planının kütle merkezne yerleştrlmesne çalışılmıştır. 4.) Yükseklğ 2,90 m, kalınlığı 0,25 m olan ve en 0,75 m, 1,00 m, 1,25 m, 1,75 m, 2,50 m, 3,00 m ve 4,00 m olan örneklern; yatay ve düşey yüklern brlkte ve ayrı ayrı etksnde; SAP 2000 programı kullanılarak yapılan gerlme ve şekl değştrme analz aşağıdak şu sonuçları vermştr. Örneklern üst ucunda, yatay yük etksnden br düşey kenarında çekme dğer kenarında se basınç gerlmes oluşmaktadır. Yükün uygulanma noktasında se bölgesel basınç gerlmes daha etkl olmaktadır. Yükün uygulanma noktasında oluşan basınç gerlmes 0,50m yarıçapında br yarım darelk alanını kapsamaktadır. Bu alanda çekme gerlmes beklendğ durumlarda basınç gerlmes etkl olmuştur. Yükün uygulanma yernde basınç gerlmesnn etkdğ alan örneğn geometrk ölçülerne bağlı olmamaktadır. Düşey yük etksnde her hang br noktada düşey yönde basınç, yatay yönde se çekme gerlmes etkl olmaktadır. 5.) Perdelern dayanımını artırmak çn oluşturulan perde uç bölgeler, bnanın mmar ç planını bozablr ve ara duvarların yerleştrlmesn zorlaştırablr. Uç bölgeler perde donatısının düzenlemesn ve perdenn bna yükseklğ boyunca sürekllğnn düzenlenmesn karma br duruma getrr ve yapım teknğnde ek malyet gerektren ek şlern yapılmasına neden olablr. Yüksek yapıların perde duvarlarının konstrüktf düzenlernn sadeleştrlmes güncel br öneme sahptr. Bu doğrultuda hazırlanan perde örneklerne at konstrüktf düzenler Şekl 5 de verlmştr. 6.) Esas ttreşm modunun peryodu (T1 > 0,4 s) olan yüksek bnaların perdelernn geometrk ölçüler, beton sınıfının seçlmes ve donatılarının yerleştrlmes Afet Bölgelernde Yapılacak Yapılar Hakkındak Yönetmelk esas alınarak yapılmalıdır. Perde duvarın geometrk düzen se Şekl 5 de verlen, +, L gb şekllerde yapılmalıdır.

11 Perde uç bölgeler yerne se perde uç kısımlarında I ve [ profllernden oluşan ek rjt donatıları yapılablr. Bu ek profller bna temelnden çatısına kadar bna yükseklğnce sürekl olarak yapılmalıdır. Perdelerde oluşan eğlme moment ve beton kest le aktarılması koşulu esas alınarak perde konstrüktf düzenlemes yapılmalıdır. Perde üzerne krş veya tekl yük oluşturacak br yapı eleman oturtulursa oturtulduğu yer ek hasır donatısı le k sıralı olarak donatmak gerekr. KAYNAKLAR [1] Eyyubov, C., Bnaların Depreme Dayanıklığı, Bakü, Azerbaycan Devlet Yayınev, Bakü, [2] Fntel, M., Quake Lesson From Manaqua Rvse, Concrete Buldng Desng, Cvl Engneerng, 43, 8, [3] Afet Bölgelernde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelk, Bayındırlık ve İskân Bakanlığı, Ankara, [4] Eyyubov, C. ve Başkaları, Kreç Taşıyla Yapılmış Taşıyıcı Duvarların Düşey ve Yatay Yüklern Etks Altındak Davranışlarının Araştırılması, Beşnc Uluslararası İnşaat Mühendslğnde Gelşmeler Kongres, İstanbul, 2002 [5] Eyyubov, C., Karkas Bna Perde Duvarları, le Karkas Elemanlarının Brlkte Çalışmasının Deneysel Araştırması, [6] Öztürk, T., Bnalarda Yatay Yükler Taşıyan Betonarme Perdelern Ön Boyutlarının Tayn, İnşaat Mühendslğnde Gelşmeler, III. Teknk Kongre, Orta Doğu Teknk Ünverstes, Ankara, Eylül,1997. [7] Polyakov, S.V., Bobrov, F.V. ve dğerler, Depreme Dayanıklı Bnaların Tasarımı, Moskov Korçnsk, İ.L., Pavlık, V.S., Bna ve Mühendslk Yapılarına Etken Ssmk Yüklern Hesaplanmasına Önerler, Moskov, [8] Celep, Z., Kumbasar, N., Deprem Mühendslğne Grş ve Depreme Dayanıklı Yapı Tasarımı, İTÜ İnşaat Fakültes, İstanbul, [9] Bayülke, N., Depremde Hasar Gören Yapıların Onarım ve Güçlendrlmes, İnşaat Mühendsler Odası İzmr Şubes, [10] Şensoy, N., Depreme Dayanıklı Yüksek Betonarme Bnaların Perde Duvarlarının Şekl Değştrme ve Gerlme Analz, Yüksek Lsans Tez, Ercyes Ünverstes, Kayser, [11] Korçnsk, İ.L., Pavlık, V.S., Bna ve Mühendslk Yapılarına Etken Ssmk Yüklern Hesaplanmasına Önerler, Moskov, [12] Yılmaz, C., Eyyubov, C. ve dğerler, Yapı Güvenlğnn Ssmk Verlere Bağlı Olarak Araştırılması, 5. İnşaat Mühendslğnde Gelşmeler Uluslararası Kongres, İstanbul, 2002.