YAPILARIN ÜST RİJİT KAT OLUŞTURULARAK GÜÇLENDİRİLMESİ

Transkript

1 YAPILARIN ÜST RİJİT KAT OLUŞTURULARAK GÜÇLENDİRİLMESİ Hasan KAPLAN 1, Yavuz Selim TAMA 1, Salih YILMAZ 1 hkaplan@pamukkale.edu.tr, ystama@pamukkale.edu.tr, syilmaz@pamukkale.edu.tr, ÖZ: Çok katlı ların tasarımında sıkça uygulanan bir çözüm rijitlik katı oluşturularak deplasmanının azaltılmasıdır. Bu tasarım yöntemi; deplasmanın azaltılmasının yanında düşey taşıyıcı elemanlarda eğilme momentine yol açan yatay yüklerin, bu elemanlarda oluşacak kuvvet çiftleriyle karşılanmasını sağlar. Böylece düşey taşıyıcı elemanların boyutlarının büyümesine yol açan eğilme etkileri, daha kolay karşılanabilen eksenel kuvvetlere dönüştürülür. Bu çalışmada, güçlendirme perdelerinin veya da mevcut bulunan ancak yetersiz olan perde elemanlarının üst katta birbirine bağlanması ile nın deprem güvenliğinin artırılabileceği gösterilmiştir. Anahtar Kelimeler: Güçlendirme, Rijit Üst Kat, Bağ Kirişli Perde, Kapasite, Performans Giriş Depreme dayanıklı tasarımında ya da mevcut ların deprem bakımından güçlendirilmesinde betonarme perde duvarlar efektif bir şekilde kullanılmaktadır. Özellikle çok katlı larda yatay deplasmanların kontrolü için rijitlik katı oluşturulabilmektedir. Rijitlik katı uygulamasının pratikte kullanılan bir başka şekli ise perde duvarların yüksek kirişlerle birbirine bağlanarak rijitliğin artırılmasıdır. Bu tasarım yöntemi deplasmanın azaltılmasının yanında düşey taşıyıcı elemanlarda eğilme momentine yol açan yatay yüklerin bu elemanlarda oluşacak kuvvet çiftleriyle karşılanmasını sağlar (Kaplan vd. 1995, Tama vd. 2003). Böylece düşey taşıyıcı elemanların boyutlarının büyümesine yol açan eğilme etkileri, daha kolay karşılanabilen eksenel kuvvetlere dönüştürülür. Doğrusal olmayan itme analizi ve kapasite spektrumu yöntemi son yıllarda mühendisliğinde popülarite kazanmış etkin araçlardır. Yapıların esasen dinamik etkiler olan deprem gibi yatay yüklere karşı gösterebilecekleri kapasitelerini belirlemeye yarayan statik itme analizi pek çok analiz programında yerini almıştır. Bu analizle elde edilen kapasite eğrisi ise, kapasite spektrumu yöntemi kullanılarak deprem talep eğrisiyle karşılaştırılıp, nın öngörülen deprem etkisi altında göstereceği performans tahmin edilebilir. Statik itme analizi ve kapasite spektrumu yöntemi hakkında detaylı bilgi ATC-40 (1996) da bulunabilir. Bu çalışmada, mevcut ya ilave edilen güçlendirme perdelerinin yüksek bağ kirişleriyle bağlanmasıyla veya da mevcut bulunan ancak yatay yükler altında yetersiz olan perde elemanların çatı üstünde veya son kat seviyesinde rijit bağ kirişleriyle birbirine bağlanması ile nın deprem güvenliğinin artırılabileceği gösterilmiştir. Bunun için güçlendirilmesi gereken 5 katlı bir nın ve 3 farklı güçlendirme alternatifinin SAP2000 (CSI) programıyla statik itme analizleri lmış, kapasite spektrumu yöntemi ile performansları hesaplanmıştır. Yapıların kapasiteleri, performansları ve hasar görme şekilleri karşılaştırılmıştır. Yüksek Bağ Kirişinin Perde Davranışına Etkisi Mevcut ların güçlendirilmesinde en çok uygulanan yöntemlerden birisi olan betonarme perde duvar ilavesinde; yatay deplasmanların azaltılması ve depremde nın taşıyacağı kesme kuvvetlerinin büyük kısmını ya ilave edilen bu perde duvarların taşıması hedeflenir. Uygulanan bu güçlendirme yönteminde perde duvarlarda büyük eğilme momentleri oluşmakta, alt katlarda ya etkiyen deprem kuvvetinin daha büyük bir kısmını ilave perdeler karşılamaktadır. Bu perdelerin mesnetlerinde büyük miktarda eğilme etkileri oluşmaktadır. Şekil 1 de görüldüğü gibi 2 perdeden oluşan bir taşıyıcı sistemde bu perdeler birbirlerine moment aktarabilen elemanlarla bağlanmamışsa kesme etkisinin tümü, perdenin tek eğrilikli şekilde eğilmesi sonucu perde altındaki eğilme momentini büyütmektedir. Şekil 2 de ise üst katta bu perdelerin sonsuz rijitlikte elemanla bağlanması sonucu ortaya çıkan deformasyon şekli ve moment diyagramları görülmektedir. Bu iki perdenin sonsuz rijit bir elemanla bağlanması durumunda sistemin rijitliği 1 Pamukkale Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Denizli,

2 iki katına çıkmakta ve tepe deplasmanı yarıya düşmektedir. Perdelerin taşıyacağı kesme kuvveti toplamı değişmese de perde ucundan perde ortasına gelen moment-sıfır noktası perdenin alt ucunda oluşacak momenti yarıya düşürmektedir. Sistemde karşılanması gereken devrilme momentinin kalan yarısı ise perdelerde oluşacak kuvvet çiftleriyle karşılanmaktadır. Zaten enkesiti büyük olan perdeler için eksenel yük düzeyinin artması tasarımı eğilme momentleri kadar etkilemeyecektir. Ancak, üstten bağ kirişlerle bağlı perdelerin anlatıldığı gibi kuvvet çiftleri oluşturarak yatay yük taşıma kapasitelerini arttırmak ve sistem deplasmanını azaltabilmek için üst kattaki bağ kirişinin yeterli rijitlikte olması gerekmektedir. Şekil 3 de bağ kiriş yüksekliğinin artmasıyla davranışta meydana gelen değişim görülmektedir. P Şekil 1. Bağımsız çalışan perdelerin eğilmesi- moment diyagramları PL 2 PL 2 P PL PL 4 4 Şekil 2. Rjit elemanla bağlanmış perdelerin eğilmesi - moment diyagramı (kiriş verilmemiştir) Tek eğrilikli perde Çift eğrilikli perde Şekil 3. Üst kat bağ kirişi yüksekliğinin artmasıyla deplasmanda azalma ve davranış değişimi. (Tama, 1996) Üst Kat Bağ Kirişinin Güçlendirmede Kullanılması Üst kat bağ kirişi uygulaması Şekil 4 de kalıp planı görülen örnek bir betonarme üzerinde uygulanmış ve bağ kirişsiz perde uygulamasıyla karşılaştırılmıştır. Örnek her iki doğrultuda 4 metre açıklıklara sahip çerçevelerden oluşan düzenli bir dır. 5 kattan oluşan da tüm kolonlar 40/40 cm ebadında kirişler ise 25/50 cm boyutlarındadır. Yapıda tüm kat yükseklikleri 3 metredir. Örnek, üç farklı şekilde güçlendirilmiştir: 547

3 6 adet betonarme perde ilavesiyle, 4 adet betonarme perde ilavesiyle, 4 adet üst katta kat yüksekliğince devam eden kirişle bağlanmış betonarme perde ilavesiyle. a) b) c) d) Şekil 4. Analiz Edilen Binaların Kalıp Planları; a)güçlendirilmemiş, b) 4 Perde ile Güçlendirilmiş, c) 6 Perde ile Güçlendirilmiş, d) Üst Katta Bağlanmış 4 Perde ile Güçlendirilmiş Perde yerleşimleri sistemin simetrisini bozmayacak şekilde düzenlenmiş ve burulma etkilerinin önüne geçilmeye çalışılmıştır. Ayrıca, sadece bir asal deprem doğrultusu için analiz lacağından perdeler bu yön için yerleştirilmiş, diğer asal deprem doğrultusunda deplasmanları engellemek için gerekli olan perde yerleşimine burada yer verilmemiştir. Taşıyıcı sistem şemaları Şekil 5 de verilmiştir. 548

4 Güçlendirilmemiş sistem Perdeli Sistem Perde + bağ kirişli sistem Şekil 5. Taşıyıcı sistem şeması Her güçlendirme seçeneği için perde detaylandırmaları aynı şekilde lmıştır. Böylece değişken perde kapasitesinin sistem kapasitesini etkilemesi engellenmeye çalışılmış ve her seçeneğin kapasite ve performansları karşılaştırılabilmiştir. Bu karşılaştırma için binaların doğrusal olmayan kapasiteleri hesaplanmıştır. Kapasite eğrilerinin SAP2000 de (CSI) lan doğrusal olmayan itme analizi ile bulunmasından sonra ların Türk Deprem Yönetmeliğinin (BİB, 1997) Z3 sınıfı zemin için öngördüğü elastik talep spektrumu kullanılarak kapasite spektrumu yöntemi ile performans noktaları 4 için hesaplanmıştır. Şekil 6 da mevcut ya ve 3 güçlendirme seçeneğine ait kapasite eğrileri görülebilmektedir. Yapı kapasitesinin perde duvar ilavesiyle her durumda artacağı bellidir. Ancak, eğrilerde görülen en önemli nokta, 4 perdenin bağ kirişlerle üst kat seviyesinden birbirine bağlandığı durumda elde edilen kapasitenin, 6 perdeli duruma yaklaşmakla birlikte, sadece 4 perde ilave edilen seçeneğe göre daha iyi sonuç vermesidir Taban kesme kuvveti (t) Perde ile güçlendirilmiş 4 Perde+bağ kiriş ile güçlendirilmiş 4 Perde ile güçlendirilmiş Güçlendirilmemiş Deplasman (cm) Şekil 6. Dört ya ait kapasite eğrileri Grafikte dikkat çeken bir başka nokta ise, 18.6 cm deplasman seviyesinde bağ kirişli perde ile güçlendirilen nın kapasitesinde meydana gelen ani düşüştür. Bu düşüş, bağ kirişin yük taşıma kapasitesinin %80 ini kaybetmesiyle meydana gelmiştir. Bu noktadan sonra bağ kirişli ve bağ kirişsiz 4 perdeli sistemlerin davranışları birbirine benzerdir. Bu bağ kiriş tasarımında sünekliğin önemini ortaya koymaktadır. Yapılacak güçlendirme uygulamalarında bu bağ kiriş mümkün olduğunca sünek tasarlanmalı, yük taşıma kapasitesini mümkün olduğunca kaybetmemesine çalışılmalıdır. Çerçeve elemanlarındaki mafsallaşma gelişimi sadece (6 adet) perde ile güçlendirilen ve üst kat bağ kirişli perde ile 549

5 güçlendirilen lar için sırayla Şekil 7 ve 8 de gösterilmiştir. Her iki şekilde, lardaki 4 ve 6 cm çatı deplasmanına karşılık gelen mafsal dağılımı gösterilmiştir. Sadece perde elemanlar kullanılarak lan güçlendirmede, çerçeve-perde etkileşimi neticesinde öncelikle üst katlardaki kolon ve kirişler akma noktasına ulaşmakta ve mafsallaşmaya başlamakta daha sonra mafsallar alt katlara doğru gelişmektedir. Bu sistemde, üst katlarda eksenel yük düzeyi düşük olan kolonlar, düşük moment kapasiteleri sebebiyle kirişlerden önce mafsallaşmaktadır. Oysa, üst katta yüksek rijitliğe sahip bağ kirişlerle bağlanan perdelerle güçlendirilmiş da mafsallaşma, öncelikle ara katlarda başlamaktadır. Dikkat çeken bir başka husus ise, mafsallaşmanın başladığı elemanların sadece perdeli sistemde olduğu gibi kolonlar değil kirişler olmasıdır. Alt katlara doğru artan kolon eksenel yük düzeyi, kolonların akma momentini artırmakta, üst katlardaki, kuvvetli kiriş zayıf kolon durumu tersine dönmektedir. Çerçevenin daha çok zorlandığı bölgenin kolonların eğilme kapasitelerinin düşük olduğu üst katlardan, daha yüksek eğilme kapasitesine sahip oldukları ara katlara çekilmesi, davranışı rahatlatan bir başka unsurdur. Kapasitedeki artış, Şekil 9 de örnek bina kolonları için hesaplanan etkileşim diyagramı üzerinde görülmektedir. Şekil 7. Çerçeve elemanlarında mafsallaşma sırası (sadece altı adet- perde uygulanan da) çatı deplasmanı: a)4 cm, b) 6 cm Şekil 8. Çerçeve Elemanlarında mafsallaşma sırası (üst kat bağ kirişli perde uygulanan da) çatı deplasmanı: a)4 cm, b) 6 cm Analizi lan 4 binanın performans noktaları Türk Deprem Yönetmeliğinin Z3 zemin sınıfı için verdiği elastik talep spektrumu kullanılarak hesaplanmıştır. Hesaplanan performans noktaları ve bu deplasman seviyelerinde oluşan mafsal sayıları Çizelge 1 de verilmiştir. Perde sayısının 6 olduğu ve bağ kirişle bağlanmış perde kullanılan sistemlerin performansları da kapasiteleri gibi birbirine yakındır. Ancak, mafsallaşan eleman sayısının bağ kirişli sistemde daha az olduğu gözlenmiştir. 550

6 Eksenel Yük (t) Alt katlara doğru artan eksenel yük ve moment kapasitesi Moment (t.m) Şekil 9. Artan yük düzeyi ile kolon eğilme kapasitesinin artması Çizelge 1. Performans noktaları ve mafsallardaki hasar dağılımı Güçlendirme 4 perde + Bina 4 perde 6 perde yok bağ kiriş d p (cm) V p (ton) Hemen Kullanım Can Güvenliği Göçmenin Önlenmesi Kapasitesi Düşmüş Kapasitesi Tükenmiş Sonuçlar ve Öneriler Bu çalışmada, betonarme larda, perde duvarların üst katta rijit bağ kirişi kullanılarak bir birine bağlanmasıyla yatay yük taşıma kapasitesinin artırıldığı ortaya konmuştur. Bu yöntem kullanılarak ların güçlendirilmesinde ekonomi ve uygulama kolaylığı sağlanması mümkündür. Mevcut durumunda perde duvarlara sahip ancak yeterli güvenlik düzeyinde olmayan larda, kullanımı aksatmadan çatı döşemesi üzerinden rijit eleman (bağ kirişi) uygulaması labilir. Bu uygulama binaya yeni perde eklemekten çok daha az maliyetli ve kolay olacaktır. Yapılacak güçlendirme uygulamalarında önerilen sistem kullanılarak gerekli perde duvar sayısı azaltılmakta, daha ekonomik bir güçlendirme labilmektedir. Bunun yanında, mevcut kullanılan ya çok sayıda perde konulmasından dolayı yaşanan bazı mimari sorunlar ortadan kalkmaktadır. Bağ kirişli perde sistemiyle güçlendirmede önemli bir nokta da bağ kirişin sünekliğidir. Bağ kirişin yük taşıma kapasitesini kaybetmesiyle sistem perdeli sisteme dönüşeceğinden, bağ kirişlerinin süneklik düzeyinin yüksek olması son derece önemlidir. Güçlendirme uygulamalarında, güçlendirme perdesi tabanında oluşan büyük eğilme momentleri nedeniyle mevcut sürekli temel kesitleri aşırı zorlanmaktadır. Temellerde oluşan bu zorlanmaları gidermek için, kullanılacak perde sayısı azaltılmadan üst kattan perdeleri rijit bağ kirişleriyle bağladıktan sonra, daha düşük perde eğilme momenti dayanımı ile bina kapasitesini aynı seviyede tutmak mümkündür. Perdenin kapasitesinin azalması kesit tesirleri ve temel altında oluşan zemin gerilmeleri bakımından temelleri rahatlatır. 551

7 Yapılarda perde duvar ilavesiyle ortaya çıkan yeni taşıyıcı sistemde, çerçeve-perde etkileşiminde, mevcut çerçeve sistem üst katlarda daha çok zorlanmaktadır. Önerilen güçlendirme sisteminde ise, mevcut çerçevenin zorlanan kısmı orta katlarda kalmaktadır. Özellikle 6-7 katlı binalarda eksenel kuvvet eğilme momenti etki abaklarında, sabit kesit ve donatıya sahip elemanların eğilme kapasiteleri alt katlara doğru eksenel yükün artmasıyla birlikte daha büyük değerlere ulaşmaktadır. Önerilen sistemde de çerçevenin zorlanan kısımlarının, eksenel yükün üst katlara göre fazla olduğu, ara katlar olması önemli bir avantajdır. Güçlendirme uygulamalarında üst katta perdelerin yüksek rijitliğe sahip kirişlerle bağlanmasıyla güçlendirme perdelerinin etkinliğinin artırılması mümkündür. Uygulamada da herhangi bir zorluğa sebep olmayacak olan yöntem, maliyet/performans açısından incelendiğinde de oldukça tatmin edici sonuçlar vermektedir. Bu konu ile ilgili uygulama ve davranışa yönelik deneysel çalışmalar, Pamukkale Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümünde devam etmektedir. KAYNAKLAR 1. ATC-40, 1996, Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings, Applied Technology Council, Redwood City, California. 2. BİB, Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, 1998, Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik, Ankara. 3. Moehle, J. P., 1992, Displacement Based Design of RC Structures Subjected to Earthquakes, Earthquake Spectra, 8(3), pp Tama, Y.S.,. Bağ Kirişi Perde Sistemlerde Üst Kat Bağ Kirişi Yüksekliğinin Sistem Davranışına Etkisinin Deneysel Olarak İncelenmesi, Eylül 1996, PAÜ Fen Bil. Enst. Denizli. 5. Kaplan, H., Tama, Y.S., Bağ Kirişi-Perde Sistemlerde Üst Kat Bağ Kirişi Yüksekliğinin Sistem Davranışına Etkileri, PAÜ Mühendislik Bilimleri Dergisi 1(1) 25-32, Tama, Y.S.,Kaplan, H., Betonarme Boşluklu Perdelerde Üst Kat Bağ Kirişi Yüksekliğinin Sistem Davranışına Etkisinin Deneysel Araştırılması, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 6(3), CSI, Computers and Structures, SAP2000, 552