Betonarme Binalarda Çerçeve Süreksizliğinin Yapı Performansı Üzerindeki Etkileri

Transkript

1 Betonarme Binalarda Çerçeve Süreksizliğinin Yapı Performansı Üzerindeki Etkileri Mehmet İNEL, Mehmet BUCAKLI ve Hayri B. ÖZMEN Pamukkale Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü, Kınıklı, Denizli Özet Türkiye de son 20 yılda büyük can ve mal kaybına yola açan depremlerde ağır hasar alan ya da göçen bina miktarı ülkemiz yapılarının, özellikle de orta katlı betonarme binaların yetersiz sismik performansını gündeme getirmiştir. Yetersiz sismik performans nedenleri arasında malzeme kalitesi, detaylandırma kusurları ve yapı sisteminde yapılan tasarım ve inşaat hataları gibi nedenler bulunmaktadır. Çerçeve sürekliliğinin sağlanmaması elemanlar arası yük aktarımında olumsuzluklara neden olması sebebiyle önemli kusurlar arasındadır. Farklı düzeyde çerçeve süreksizliğine sahip 1975 ve 1998 deprem yönetmeliklerine göre tasarlanmış binalar dikkate alınarak çerçeve süreksizliğinin yapı performansı üzerindeki etkileri incelemiştir. Kapalı çıkma uygulamalarında gözlenen kiriş kaldırılması durumu tipik bir uygulama olması sebebiyle bu çalışmada kapalı çıkma miktarına bağlı olarak dış çerçeve sürekliliği dikkate alınmıştır. Çerçeve sürekliliğini sağlayan kiriş kaldırılmadan sadece kapalı çıkma nedeniyle bina performansı üzerinde kısıtlı bir etki gözlenirken, kiriş kaldırılması durumunda özellikle bina dayanımında ciddi düşüşler gözlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Çerçeve süreksizliği, mevcut yapılar, sismik performans değerlendirmesi. Abstract Moderate to large earthquakes in Turkey that resulted in significant loss of life and property over the past two decades emphasized inadequate seismic performance of multistory reinforced concrete buildings, typically three to seven stories in height. Poor material quality, inadequate detailing and design and construction mistakes are typical reasons for poor seismic performance of existing buildings. Due to poor load transfer, frame discontinuity is a severe problem. This study investigates the seismic performance of buildings designed according to 1975 and 1998 Turkish Earthquake Codes having different level of frame discontinuity. Since buildings with heavy overhangs are typical practice, perimeter frame discontinuity is considered in the current study. While heavy overhangs with frame continuity have limited effects on the seismic performance of buildings, the lateral strength is greatly affected for the buildings without perimeter beams at the overhang area.

2 Keywords: Existing buildings, frame irregularity, seismic performance evaluation. 1. Giriş Türkiye son 20 yılda büyük can ve mal kaybına yola açan birçok orta ve büyük deprem yaşamıştır. Ağır can kaybı ve büyük oranlara ulaşan ağır hasarlı ya da göçen bina miktarı ülkemiz yapılarının, özellikle de orta katlı betonarme binaların yetersiz sismik performansını gündeme getirmiştir. Yetersiz sismik performans nedenleri arasında malzeme kalitesi, detaylandırma kusurları ve yapı sisteminde yapılan tasarım ve inşaat hataları bulunmaktadır. Çerçeve sürekliliğinin sağlanmaması elemanlar arası yük aktarımında olumsuzluklara neden olması sebebiyle önemli kusurlar arasındadır. 2. Çalışmanın Amacı ve Kapsamı Çerçeve süreksizliği ülkemizde oldukça yaygın sayılabilecek bir durumdur. Bunun başlıca nedeni kullanıcıların binayı mimari açıdan rahat kullanım ve daha geniş alanlara sahip olma istekleridir. Özellikle zemin katlardan sonra yasal olarak da adeta özendirilen kapalı çıkmalarda yaygın olarak görülen kiriş süreksizlikleri çerçeve süreksizliğinin en klasik ve yaygın örneklerindendir. Kapalı çıkma yapılan bölgede odanın ortasından kiriş geçmesi istenmediğinden çoğunlukla kolonlar kirişler tarafından birleştirilmez ve çerçevede süreksizlik oluşur. Kapalı çıkmaların yapının sismik davranışı açısından olumsuz bir durum oluşturduğu deprem sonrası yapılan gözlemler arasındadır [1, 2]. Çalışmanın amacı; orta katlı yapı stoğunda özellikle kapalı çıkmalar sebebiyle oluşan çerçeve süreksizliğinin yapı performansı üzerindeki etkilerinin incelenmesidir. Bunun için 4 ve 7 katlı kapalı çıkmaya sahip olmayan betonarme referans binalar 1998 ve 1975 Afet Yönetmelikleri ne göre ayrı ayrı modellenmiştir [3, 4]. Daha sonra bu binaların farklı miktarda kapalı çıkmaya sahip durumları, çıkma bölgesinde kolonların kirişlerle bağlı olduğu ve olmadığı durumlar dikkate alınarak değiştirilmiştir. Böylelikle referans yapılarda kapalı çıkma olmasının ve çıkma bölgesinde çerçeve süreksizliğinin yapı davranışı üzerindeki etkileri

3 değerlendirilmiştir. Kapalı çıkma özelliklerinin belirlenmesinde yapı stoğu ile ilgili envanter çalışması sonucu belirlenen değerleri göz önüne alınmıştır (Tablo 1) [5]. Tablo 1. Envantere ait kapalı çıkma verileri: Kapalı çıkma alanı/normal kat alanı, % Yönetmelik Kat Sayısı Ortalama Std. Sap. CoV Çalışma kapsamında 4- ve 7-katlı binalar için iki farklı kapalı çıkma miktarı kullanılmış olup, bu kapalı çıkmalarda çerçeve sürekliğini etkileyen kirişlerin kaldırılıp kaldırılmaması dikkate alınmıştır (Şekil 1). Kapalı çıkma-1 olarak verilen durum yapı stoğu ile ilgili envanter çalışması sonucu belirlenen ortalama kapalı çıkma oranını, kapalı çıkma-2 olarak verilen durum ise ortalama değere standart sapmanın yarısı eklenerek elde edilen çıkma oranını yansıtmaktadır. Kiriş Kiriş 4-katlı bina kapalı çıkma-1 4-katlı bina kapalı çıkma-2 7-katlı bina kapalı çıkma-1 7-katlı bina kapalı çıkma-2

4 Şekil ve 7-katlı kapalı çıkmalı bina kalıp planları Çerçeve süreksizliğini değerlendirmek için Şekil 1 de taralı olarak gösterilen kirişlerin mevcut ve kaldırılmış modellerinin sonuçları kapalı çıkma olmayan bina sonuçları ile kıyaslanmıştır. Dört adet referans ve 16 adet kapalı çıkmaya sahip toplam yirmi bina modeli kullanılarak kapalı çıkmanın yapı davranışı üzerindeki etikleri incelenmiştir. 3. Modelleme Bina modellerinin sismik davranış ve performansının belirlenmesi amacıyla doğrusal olamayan modelleri 2007 Deprem Yönetmeliği göz önüne alınarak hazırlanmıştır [6]. Elastik ötesi davranış eleman uçlarında tanımlanan plastik mafsallar yoluyla modellenmiştir. Mafsalların tanımlanması için her elemanın kritik kesitlerinin moment eğrilik ilişkileri Mander sargılı beton modeli ile hesaplanmıştır [7]. Bu moment-eğrilik ilişkileri, nihai deformasyon kriterleri ve plastik mafsal boyu (L p = h/2) kullanılarak her bir elemanın plastik dönme kapasitesi ve mafsal özellikleri belirlenmiştir [6]. Her bir model sargı bölgelerinde yönetmeliğe uygun donatı düzeni, 1975 yönetmeliği yapılarında BS16 ve 1998 yönetmeliği yapılarında BS25 beton sınıfı dikkate alınarak hazırlanmıştır. Analizlerde SAP2000 programı kullanılmıştır. Moment mafsallarına ek olarak, kolon ve kirişlerde kesme mafsalları da tanımlanmıştır. Moment mafsallarından farklı olarak, kesme mafsallarında herhangi bir süneklik hesaplanmamış, elemanların kesme kapasitelerine ulaşır ulaşmaz göçme konumuna ulaştığı varsayılmıştır. Kesme kapasiteleri TS500 e (2000) göre hesaplanmıştır [8]. Eğilme etkisindeki betonarme elemanların akma öncesi doğrusal davranışları için, DY-2007 de verilen çatlamış kesite ait eğilme rijitlikleri kullanılmıştır; kirişlerde 0.40EI g, kolonlarda N/(A c f ck ) 0.10 olması durumunda 0.40 EI g ve N/(A c f ck ) 0.40 olması durumunda 0.80 EI g dir. Kolonlar için ara eksenel yük değerlerinde interpolasyon yapılmıştır. İtme analizinde modal yük deseni kullanılmıştır. Taban kesme kuvveti, toplanmış kat kütleleri ve modal analizden elde edilen modal kat deplasmanlarının çarpımıyla bulanan değer oranında x- ve y-

5 yönlerinde katlara dağıtılmıştır [6]. Yükler kat hizalarında ağırlık merkezlerinden uygulanmıştır. Analizlerde P-Delta etkileri dikkate alınmıştır.

6 4. Bulgular Çerçeve süreksizliğinin bina performansı üzerindeki etkilerinin belirlenmesi için yapılan çalışmada binaların doğrusal olmayan davranışın dikkate alınmasıyla elde edilen kapasite eğrileri üzerinden değerlendirilmiştir. Modellemede kullanılan 1975 ve 1998 yönetmeliklerine göre tasarlanmış kapalı çıkmalı 4- ve 7- katlı binalara ait kapasite eğrileri Şekil 2 ve 3 te verilmiştir. Analiz sonucunda elde edilen kapasite eğrileri anlaşılır olması bakımından düşey eksendeki yatay dayanım değeri (taban kesme kuvveti) bina sismik ağırlığı ile, yatay eksendeki deplasman değeri de bina yüksekliği ile normalize edilmiştir katlı 1975 Yönetmeliği modelleri 0.14 Yatay dayanım / Bina sismik ağırlığı 0.07 Referans Model Kapalı Çıkma 1/K.li Kapalı Çıkma 1/K.siz Kapalı Çıkma 2/K.li Kapalı Çıkma 2/K.siz katlı 1998 Yönetmeliği modelleri 0.18 Referans Model Kapalı Çıkma 1/K.li 0.09 Kapalı Çıkma 1/K.siz Kapalı Çıkma 2/K.li Kapalı Çıkma 2/K.siz Deplasman kapasitesi / Bina yüksekliği (cm/m) Şekil 2. 4-katlı binaların kapasite eğrileri

7 Şekillerde kapalı çıkması olmayan sürekli çerçeveli referans bina, iki değişik miktarda kapalı çıkmalı sürekli çerçeveli binalar ve iki değişik miktarda kapalı çıkmaya sahip çerçeve süreksizliği bulunan binalara ait kapasite eğrileri görülmektedir. Çerçeve sürekliliği K.li ile belirtilen kirişli anlamına gelen etiketle, kapalı çıkma ile birlikte çerçeve sürekliliğini sağlayan kirişin kaldırıldığı modeller ise K.siz ile belirtilen ve kirişsiz anlamına gelen etiket ile gösterilmiştir. Bina akma dayanımı (akma anında yapıda oluşan taban kesme kuvveti) ve deplasman kapasiteleri ile bunların kapalı çıkmaya sahip olmayan referans modele oranları Tablo 2 de verilmiştir katlı 1975 Yönetmeliği modelleri 0.14 Yatay dayanım / Bina sismik ağırlığı Referans Model Kapalı Çıkma 1/K.li Kapalı Çıkma 1/K.siz Kapalı Çıkma 2/K.li Kapalı Çıkma 2/K.siz katlı 1998 Yönetmeliği modelleri 0.18 Referans 0.09 Kapalı Çıkma 1/Kli Kapalı Çıkma 1/Ksiz Kapalı Çıkma 2/Kli Kapalı Çıkma 2/Ksiz Deplasman kapasitesi / Bina yüksekliği Şekil 3. 7-katlı binaların kapasite eğrileri

8 Tablo 2. Modellere ait akma dayanımı ve deplasman kapasiteleri değerleri ile bu değerlerin referans bina ile karşılaştırılması. Bina Akma Dayanımı/ Deplasman Kap./ Akma Dayanımı Deplasman Kap./ Bina Sis. Ağırlığı Bina Yüksekliği (%) /Referans Referans Referans K4-75KC1-K.li K4-75KC1-K.siz K4-75KC2-K.li K4-75KC2-K.siz Referans K4-98KC1-K.li K4-98KC1-K.siz K4-98KC2-K.li K4-98KC2-K.siz Referans K7-75KC1-K.li K7-75KC1-K.siz K7-75KC2-K.li K7-75KC2-K.siz Referans K7-98KC1-K.li K7-98KC1-K.siz K7-98KC2-K.li K7-98KC2-K.siz Sonuçların Değerlendirilmesi Kapalı çıkmaya sahip binalarda çıkma kısmından kaynaklanan ağırlık artışı nedeniyle yatay dayanım/bina ağırlığı değeri azalmaktadır. Kolonların denge altı davranışa sahip olması nedeniyle eksenel yük artışı kolon dayanımını arttırsa da bu artış miktarı bina ağırlık artışı yanında genellikle düşük kalmaktadır. Sadece 1998 yönetmeliği 4 katlı Kapalı Çıkma-1 ve Kapalı Çıkma-2 modellerinde bu dayanım artışının ağırlık artışı ile aynı oranda etkiye sahip olması nedeniyle her iki model de aynı dayanım/ağırlık oranına sahiptir.

9 4 katlı envanter çalışması sonucunda bulunan ortalama değerde kapalı çıkmaya sahip binalarda (KC1) dayanım/ağırlık oranı yaklaşık % 8, ortalama artı standart sapma kapalı çıkmaya sahip (KC2) binalarda ise yaklaşık % 10 oranında azalmaktadır. 7 katlı KC1 modellerinde dayanım/ağırlık oranı yaklaşık % 5, KC2 modellerinde ise yaklaşık % 7 oranında azalmaktadır. Kat sayısı arttıkça daha büyük kesite sahip kolon ve kirişler sebebiyle kapalı çıkmanın bina dayanım/ağırlık oranına etkisi azalmaktadır. Fakat asıl dayanım azalışı kapalı çıkma bölgesindeki kirişlerin çıkma ucunda inşa edilmesiyle bu bölgedeki kolonların kirişlerle bağlanmamasından kaynaklanan çerçeve süreksizliği nedeniyle oluşmaktadır. Bilindiği gibi denge şartı gereği düğümlerde toplam kolon momenti toplam kiriş momentine eşit olmalıdır. Kirişlerin kaldırılmasıyla kolon uçlarındaki momentlerde aynı oranda azaldığından kolon yatay yük kapasitesi önemli ölçüde düşmektedir. Kirişlerle bağlanmayan kolonların bina yatay dayanım kapasitesine katkısı oldukça sınırlı kalmaktadır. Bu durum Tablo 2 de açıkça görülmektedir. 4 katlı KC1 modellerinde sadece kapalı çıkma nedeniyle oluşan dayanım kaybı % 8 iken, kirişlerin kaldırılmasıyla bu oran ortalama % 25,5 değerine çıkmaktadır. KC2 modellerinde ise bu değer yaklaşık % 10 dan % 24 ile 36 aralığına yükselmektedir. 7 katlı KC1 modellerinde sadece kapalı çıkma nedeniyle oluşan dayanım kaybı % 5 iken, kirişlerin kaldırılmasıyla bu oran ortalama % 17 değerine çıkmaktadır. KC2 modellerinde ise bu değer yaklaşık % 7 den % 25 e çıkmaktadır. Binaların deplasman kapasiteleri incelendiğinde sadece kapalı çıkma eklenmesinin 4 katlı binalarda süneklilik üzerindeki etkisi son derece sınırlıdır. Kapalı çıkma nedeniyle oluşan eksenel yük artışı yapıda en düşük yük seviyesine sahip olması nedeniyle genelde daha sünek davranan dış kolonlarda olmaktadır. Göçme mekanizması büyük oranda iç kolonlar tarafından belirlendiğinden kapalı çıkmanın bina sünekliği üzerinde belirgin etkisi yoktur. Kapalı çıkmalarda kirişlerin kaldırılmasıyla kolonlar üzerindeki yatay yük etkisi ve bina da oluşan taban kesme kuvveti azalmaktadır. Böylelikle daha düşük yük etkileri

10 altında yapıda daha sünek davranış görülebilmektedir. Bununla birlikte bazı durumlarda yük aktarım mekanizmasında oluşan olumsuzluklar nedeniyle deplasman kapasitesinde kısıtlı miktarda düşüş de gözlenmiştir (Tablo 2). Sonuç olarak; kapalı çıkma davranışı açısından 1975 ve 1998 yönetmeliklerine göre tasarlanan binalarda benzer eğilimler tespit edilmiştir. Genel olarak sadece kapalı çıkmanın bina performansı üzerindeki etkisi kısıtlı iken, çerçeve süreksizliğine neden olan kirişlerin kaldırılması durumunda özellikle yapı dayanımında önemli miktarda düşüş olduğu sonucuna varılmıştır. 6. Teşekkür Bu çalışma 107M569 nolu TÜBİTAK ve 2008FBE005 nolu Pamukkale Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projesi olarak desteklenmiştir.

11 7. Kaynaklar [1] Dogangun A. Performance of reinforced concrete buildings during the May 1, 2003 Bingol Earthquake in Turkey, Engineering Structures, Vol. 26, pp , [2] Santiago P, Ramirez J, Sarria A. Observations on the behaviour of low-rise reinforced concrete buildings, January 25 Colombia earthquake. At /lessons/colombia.pdf, [3] Afet Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik, Bayındırlık ve İskân Bakanlığı, Ankara, [4] Afet Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik, Bayındırlık ve İskân Bakanlığı, Ankara, [5] Mehmet İnel, Hayri B. Özmen, Şevket M. Şenel Ve A. Haydar Kayhan, Mevcut Betonarme Binaların Yapısal Özelliklerinin Belirlenmesi, Uluslararası Sakarya Deprem Sempozyumu, Sakarya, [6] DBYYHY-2007, Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik, Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, Ankara, [7] Mander JB, Priestley MJN, Park R, Theoretical Stress-Strain Model for Confined Concrete, Journal of Structural Engineering, ASCE,, Vol. 114, No. 8, pp , [8] TS500 Betonarme Yapıların Tasarım ve Yapım Kuralları, Turk Standartları Enstitüsü, Ankara, 2000.