Dairesel Kesitli Plastik Malzeme Kullanarak Üretilen Betonarme Elemanların Yapısal Davranışlarının İrdelenmesi

Transkript

1 Dairesel Kesitli Plastik Malzeme Kullanarak Üretilen Betonarme Elemanların Yapısal Davranışlarının İrdelenmesi ÖZET Bu çalışmada, özellikle tünel kalıp binalarda beton sarfiyatını azaltmak, yapım maliyetini ve bina ağırlığını düşürmek, ısı ve ses yalıtım problemlerinden dolayı meydana gelen konfor eksikliklerini kapatmak amacıyla çapları 6 cm olan içi boş dairesel kesitli plastik malzemenin (plastik topların betonarme sistemlerde uygulanabilirliğine yönelik bir dizi araştırma yapılmıştır. Araştırma ile düşey ve yatay taşıyıcı elemanların (perde ve döşemeler plastik toplu ve topsuz deneyleri yapılmıştır. Çalışma kapsamında ilk olarak plastik top kullanımının, perdelerin yatay yük, döşeme elemanlarında ise düşey yük taşıma kapasitesine olan etkisi incelenmiştir. Ayrıca plastik malzemenin ısı ve ses yalıtımında meydana getireceği değişiklikte yapılan deneylerle irdelenmiştir. Çalışma sonucunda betonarme kesitlerde plastik top kullanımının, beton sarfiyatı ve yapı ağırlığını azaltmasının yanı sıra, döşemelerde düşey yük taşıma kapasitesini değiştirmediği, perdelerde yatay yük taşıma kapasitesinde ise bir miktar düşüşe neden olduğu görülmüştür. Ayrıca plastik top kullanımının ısı ve ses yalıtımında artmasında da önemli etkisinin olacağı görülmüştür. 1. Giriş Tarihi 1850 li yıllara dayanan beton ve betonarme, 1848 yılında Lambot un demir çubuk ve hasır donatı kullanarak imal ettiği Kano ve 1850 de Monier in beton saksılarının kırılganlığını azaltmak için kullandığı hasır donatılı betonarme imalattan günümüze kadar teknolojik gelişim ile beraber evrilerek 848 metrelik dev gökdelen inşa edilebilecek bir seviyeye ulaşmıştır. Günümüz yapı stoğunun önemli bir kısmını oluşturan betonarme türü binalarda taşıyıcı sistem, beton ve çelik donatıdan oluşan kompozit bir yapıdadır. Beton, doğal kaynaklardan üretilmiş agrega (kum ve çakıl karışımı, bağlayıcı madde (çimento ve sudan oluşan yapay bir taştır. Özellikle betonun ağırlıkça %75 lik bir kısmını oluşturan agregalararın doğal kaynaklardan çıkarılması, nüfus artışına bağlı artan beton talebi ve buna ters olarak azalan doğal kaynaklar düşünüldüğü zaman beton üretiminde yeni kaynakların bulunmasını gerekliliği açıktır. Bu ihtiyaçtan hareketle agrega yerine kullanılan geri dönüşüm esaslı plastik ve benzeri katı atıklar [1-3], inşaat atıklarından (molozlardan elde edilen geri dönüşüm agregaları [4-5] ve atık araba lastiği kullanımı [6] özellikle beton maliyetini azaltmak ve doğal kaynakların kullanımını sınırlamak amacıyla son yıllarda çoğu araştırmacı tarafından test edilmiştir. Plastik türü malzeme kullanarak yapılan beton imalatının yanında klasik betonarme kesitlerinde değişiklik yapan yeni buluşlar özellikle 2000 li yıllarda iki firma Bubbledeck ve Cobiax tarafından denenmiştir. Bu firmaların dünyada ilk kez uyguladıkları yeni ta- Yrd. Doç. Dr. M. Hakan ARSLAN İTÜ İnşaat Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümünden 1998, İTÜ FBE den ise 2000 yılında mezun oldu yılları arasında YESA Yapı Elemanları A.Ş. de proje mühendisi olarak çalıştı yıllarında KHO da askerliğini tamamlayarak Selçuk Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümünde araştırma görevlisi olarak akademik hayatına başladı ve 2007 yılında Selçuk Üniversitesi FBE de doktorasını tamamladı yılında Yardımcı Doçent olarak atandığı yapı anabilim dalındaki görevine devam etmekte, Betonarme, Yapı Malzemesi, Mevcut Betonarme Binaların Deprem Performanslarının Belirlenmesi konularında derslerini ve akademik çalışmalarını sürdürmektedir. Bu konularda çok sayıda makale ve bildirisi bulunmaktadır. sarımlarla cm çapında içi boş plastik toplar betonarme döşemeler içerisinde kullanılmaya başlanmıştır. Şekil 1 ve Şekil 2 de plastik topların betonarme döşemeler içersinde kullanımı gösterilmektedir. Yaklaşık on yıl önce icat edilen bu yöntem, şu anda Hollanda, Almanya, Belçika, Dani- TEMMUZ 2010 SAYI : 95 13

2 marka ve İtalya da uygulanmakta ve diğer ülkelere de hızla yayılmaktadır. Bu 2 buluş sayesinde yapı ağırlığında beton sarfiyatının azalmasından dolayı önemli miktarda azalma meydana gelmiştir. Bu uygulamanın deneysel çalışması Avrupa da ilgili ülkelerdeki araştırma merkezlerinde gerçekleştirilmiştir [7-8]. Firmaların üretim ve uysonucunda Türkiye de de bu imalatın yaygın olarak kullanılması beklenmektedir. Türkiye de çapları daha küçük olan toplarla üretilmiş olan böylesi bir uygulamanın en rahat olabileceği yapı türü ise tünel kalıp binalardır. Bu binalarda döşeme kalınlıkları yaklaşık 15 cm dir. Bu tür binalarda düşey taşıyıcı eleman olarak perde tercih edilmeknarme sistemlerde uygulanabilirliğine yönelik bir dizi araştırma yapılmıştır. Araştırma ile döşemelerin haricinde düşey elemanlarda da (perdelerde de plastik top deneyleri yapılmış ve literatürde bu konuda eksiklik kapatılmıştır. Çalışma kapsamında perde elemanlarında top kullanımının, perdelerin yatay yük taşıma kapasitelerine olan etkisi Şekil 1. Plastik boşluklu döşemelerin yerinde uygulanması 1 Şekil 2. Plastik boşluklu döşemelerin yerinde uygulanması (yarı prefabrik yöntem 2 gulama şekilleri birbirinden farklı olsa da genel olarak yarı prefabrike ve monolitik olmak üzere iki farklı imalat söz konusudur. Şekil 1 de ve Şekil 2 de farklı imalat tipleri gösterilmiştir. Söz konusu uygulama Türkiye de henüz betonarme imalatçısı ile tanışmamıştır. Burada en önemli sebep üretilmiş olan topların mevcut betonarme yapı imalat tipine uygun olmamasıdır. Bubbledeck ve Cobiax firmaları tarafından üretilen bu topların döşeme içinde uygulanabilmesi için döşeme kalınlıklarının cm arasında değişmesi gerekmektedir. Türkiye de ki betonarme yapı stoğu incelenirse döşeme kalınlık tercihlerinin genellikle 12 cm ile 20 cm arasında değiştiği görülmektedir. Dolayısıyla çapları daha küçük olan toplarla yapılacak deneyler tedir. Deprem performansı açısından diğer yapı türüne göre daha rijit olduğu bilinen [9] tünel kalıp binalara, son yıllarda mevcut betonarme binalarda deprem sonrası gözlenen hasarlarda dikkate alındığı zaman önemli miktarda talep olmaktadır. Bununla beraber yeterli 1 Şekil 1 de sunulan resimler Bubbledeck firmasını internet adresinden alınmıştır. 2 Şekil 2 de sunulan resim Cobiax firmasının internet adresinden alınmıştır. 3 önlem alınmadığı durumlarda ısı ve ses yalıtım problemi bu binalar için en büyük eksiklik olarak bilinmektedir [10-11]. Bu çalışmada, beton sarfiyatını azaltmak, yapım maliyetini ve bina ağırlığını düşürmek, ısı ve ses yalıtım eksikliklerini kapatmak amacıyla çapları 6 cm olan plastik topların tünel kalıp betove döşeme elemanlarında plastik top kullanımının düşey yük taşıma kapasitesine olan etkisi incelenmiştir. Ayrıca plastik toplu betonarme elemanların ısı ve ses yalıtımındaki performans değişikliği içinde ısı ve ses deneyleri de gerçekleştirilmiştir. 2. Deneyler Deneyler 4 grup halinde gerçekleştirilmiştir. Bu gruplar sırasıyla; performanlasının sınanması, pasiteleri kontrolleri, 2.1. Perde deneyleri 6 cm çapında içi boş plastik topların perdelerin yatay yük taşıma kapasite- 1 Şekil 1 de sunulan resimler Bubbledeck firmasını internet adresinden alınmıştır. 2 Şekil 2 de sunulan resim Cobiax firmasının internet adresinden alınmıştır. 14 TEMMUZ 2010 SAYI : 95

3 lerinde meydana getirdiği değişikliği, dolayısıyla perdelerin deprem performansını sınamak amacıyla yapılan perde deneyleri Selçuk Üniversitesi Yapı ve Deprem Labratuvarıda gerçekleştirilmiştir. Deney numuneleri, referans (topsuz ve toplu olmak üzere 1/2 geometrik ölçekli üretilmiş iki adet perde duvarından ibarettir. Donatı, boyut ve malzeme açısından özdeş olan numuneler TDY-2007 [12] normlarına göre üretilmişlerdir. Numune kesiti 15 cm x 105 cm olup yüksekliği 300 cm dir. Uç bölgelerde 6 8 gövde de ise 4 8 donatı kullanılmıştır. Donatıların akma dayanımları yaklaşık olarak 4500 kg/cm 2 olarak ölçülmüştür. Yatay donatı olarak 8/15 cm gövde donatısı kullanılmıştır. Uç bölgelerde kullanılan etriyeler ise kritik yükseklikte 8/7 cm, kritik perde yüksekliği dışında ise 8/10 cm dir. Deneylerde kullanılan betonun silindir basınç dayanımı her iki numunede de yaklaşık olarak 300 kg/cm 2 dir. Numunelere yatay yük numune üst noktasından çevrimsel olarak akma noktasına kadar yük kontrollü sonrasında ise deplasman kontrollü olarak yüklenmişlerdir. Düşey yük ise numune düşey aksından numunenin normal kuvvet taşıma kapasitesinin %10 nu mertebesinde uygulanmıştır. Numunelerin depremi benzeştiren yatay yük etkisi altında test edilmesi neticesinde deney sırasında numunelerde oluşan çatlaklar, meydana gelen deformansyonlar ve numune yatay yük taşıma kapasitesi çeşitli deney aletleri (dialgage, LVDT, Loadcell vs. ile kayıt altına alınmış ve sonuçlar grafik ortamında da yorumlanmıştır. Deneylerde her iki numunede de meydana gelen çatlak oluşum mekanizması özdeştir. Beklendiği üzere alt katta yoğunlaşmış (kritik perde yüksekliğinde, plastik mafsal oluşumu beklenen bölgede eğilme çatlakları gözlemlenmiştir. Şekil 3-6 de deney numuneleri üretim resimleri ve deney anındaki çalışmalar görülmektedir. Ayrıca numunelerin yük-deplasman grafikleri Şekil 7 de verilmiştir. Şekilden de görüldüğü üzere perdelerin akma yükleri değişmezken göçme yükü açısından iki numune arasında %10 mertebesinde fark bulunmaktadır. Yine akma deplasmanlarında fark gözlemlenmezken göçme anındaki deplasman değerleri arasında %9 fark bulunmaktadır. Bu durumun deplasman sünekliği (yaklaşık olarak deprem yükü azaltma katsayısı, R nin hesabında numuneler arasında bir miktar fark oluşturacağı aşikardır. Şekil 3-4. Toplu ve Topsuz Perde Numuneleri (S 2 -S 1 TEMMUZ 2010 SAYI : 95 15

4 Şekil 5-6. Toplu ve Topsuz Perde Numuneleri (S 2 -S 1 Şekil 7. Toplu ve Topsuz Perdelerin (S 2 -S 1 Yatay Yük - Yatay Tepe Deplasman İlişkisi 2.2. Döşeme deneyleri 6 cm çapında içi boş plastik topların döşemelerin düşey yük taşıma kapasitelerindemeydana getirdiği değişikliği, dolayısıyla döşemelerin düşey yük performansını sınamak amacıyla yapılan döşeme deneyleri Selçuk Üniversitesi Yapı ve Deprem Labratuvarıdagerçekleştirilmiştir. Deney numuneleri, referans (topsuz ve toplu (2 adet olmak üzere 1/1 geometrik ölçekli üretilmiş üç adet döşeme elemanından ibarettir. Donatı, boyut ve malzeme açısından özdeş olan numuneler TS [13] normlarına göre üretilmişlerdir. Numunelerin sürekli artan düşey yük etkisi altında test edilmesi neticesinde deney sırasında numunelerde oluşan çatlaklar, meydana gelen deformansyonlar ve numune düşey yük taşıma kapasitesi kayıt altına alınmış ve sonuçlar grafik ortamında da yorumlanmıştır. Deneylerde her bir numunede de meydana gelen çatlak oluşum mekanizması özdeştir. Beklendiği üzere çatlaklar ilk olarak açıklıkta oluşmuş ve tarafsız eksenin altında 16 TEMMUZ 2010 SAYI : 95

5 Şekil 8-9. Toplu ve Topsuz Döşeme Numuneleri (S 4 -S Isı deneyleri Döşeme yada perdelerde kullanılan plastik topların betonarme elemanların ısı yalıtımındaki etkisini görmek için Süleyman Demirel Üniversitesi Pomza Araştırma Merkezinde bir dizi deney gerçekleştirilmiştir. Deney numuneleri, referans (topsuz ve toplu olmak üzere üretilmiştir. Deney elemanları boyut ve malzeme açısından özdeştir. Numunelerin ısı etkisi altında davranışları ve ısı iletkenlik katsayıları karşılaştırmalı olarak yorumlanmıştır. Şekil de deney numuneleri üretim resimleri ve deney anındaki çalışmalar görülmektedir. Ayrıca elde edilen sonuçlar Tablo 1 de verilmiştir. Şekil Toplu vetopsuz Döşeme Numuneleri (S 4 -S 3 Şekil 12. Toplu ve Topsuz Döşemelerin (S 4 -S 3 Düşey Yük Orta Düşey Deplasman İlişkisi (döşemenin alt kısmından başlayarak basınç bölgesine uzanan eğilme çatlakları gözlemlenmiştir. Şekil 8-11 de deney numuneleri üretim resimleri ve deney anındaki çalışmalar görülmektedir. Şekil 12 de ise toplu ve topsuz numunelere ait yük-deplasman grafikleri verilmiştir. Toplu ve topsuz numunelerin yük taşıma kapasitelerinde herhangi bir değişiklik yoktur. Şekil Toplu ve Topsuz Deney Numuneleri (S 6 -S 5 TEMMUZ 2010 SAYI : 95 17

6 Tablo 1. Toplu ve Topsuz Numunelerin Isı İletkenlik Analiz Verileri Hesaplanan Veriler Birim Topsuz Numune (S 5 Toplu Numune(S6 Isı Geçişi W/m 2 K 9,822 1,817 Isı İletimi W/m 2 K 13,715 2,607 Isı Direnci m 2 k/w 0,073 0,384 Toplam Isı Direnci m 2 k/w 0,102 0,550 Soğuk Kenardaki Yüzey Direnci m 2 k/w 0,000 0,004 Sıcak Kenardaki Yüzey Direnci m 2 k/w 0,029 0,163 Soğuk Yüzey Katsayısı W/m 2 K 2630, ,698 Sıcak Yüzey Katsayısı W/m 2 K 35,061 6,149 Isı İletkenlik W/mK 2,043 0,649 Isı İletkenlik Değeri W/mK 1,974 0,626 (10 o C Ortalama Sıcaklık Farkında 2.4. Ses deneyleri Döşeme yada perdelerde kullanılan plastik topların betonarme elemanların ses emme kapasitesindeki etkisini görmek amacıyla yine Süleyman Demirel Üniversitesi Pomza Araştırma Merkezinde gerçekleştirilen deneylerde referans (topsuz ve toplu numunelerin ses emme kapasiteleri hesaplanmıştır. Tablo 2 de elde edilen değerler verilmiştir. 3. Sonuçlar Günümüzde betonarme türü yapılarda yapım emniyetinde önemli bir kayıp olmaksızın beton sarfiyatını azaltmak dolayısıyla yapım maliyetini ve bina ağırlığını düşürmek önemli bir hale gelmiştir. Bununla beraber özellikle konutlarda ısı ve ses yalıtımı sorunu ve yapının kullanım sürecinde neden olduğu enerji sarfiyatı bilinen bir gerçektir. Bu çalışmada özellikle tünel kalıp binalarda beton sarfiyatını azaltmak, ısı ve ses yalıtım konforunu artırmak ve dolayısıyla gerek başlangıç gerekse uzun süreli ekonomi sağlamak amacıyla plastik topların betonarme kesitler içerisinde kullanımı araştırılmıştır. Çalışma kapsamında yapılan deneylerden bulgulanan sonuçlara göre; a Plastik top kullanılarak imal edilmiş ve kesit normal kuvvet kapasitesinin %10 kadar normal kuvvetle yüklü perdelerde yatay yük taşıma kapasitesinde akma yükü için bir değişiklik olmazken göçme anında %9~10 yük ve deplasman kaybı olmaktadır. b Döşemelerin düşey yük taşıma kapasitesine plastik malzemenin herhangi bir negatif etkisi bulunmamaktadır. c Plastik top kullanımı ile ısı iletim katsayısın 3.15 kat azalmıştır. Bu değişimin yakıt sarfiyatında %30-%40 mertebesinde azalmaya sebep olması beklenmektedir. d Ses konforu değerlendirildiği zaman ise ses yalıtımında da %27 mertebesinde değişim meydana gelmektedir. Tablo 2. Toplu ve Topsuz Numunelerin Ses Yutuculuk Analiz Verileri(S 8 -S 7 Hesaplanan Veriler Birim Topsuz Numune(S 7 Toplu Numune(S 8 Deney Örneği Yüzey Yoğunluğu (kg/m Deney Örneği Hacim Kütle (kg/m Deney Örneği Ses Yutuculuk Değeri (db TEMMUZ 2010 SAYI : 95

7 eplastik top kullanımı beton sarfiyatını tüm bina düşünülecek olursa yaklaşık %12 oranında azaltmaktadır. Dolayısıyla bina ağırlığıda önemli miktarda azalarak yapıya deprem sırasında gelecek olan deprem kuvvetinde azalma olacaktır. fburada plastik top un maliyetinin beton maliyeti ile karşılaştırılması çok anlamlı olmayacaktır zira özellikle plastik atıkların geri kazanılması amacıyla plastik topların geri dönüşüm metodları ile üretilmesi ile hammadde maliyeti minimize edilecektir. 4. Teşekkür Bu çalışma Konya KOSGEB TEKMER ve Selçuk Üniversitesi BAP tarafından desteklenmiştir. Proje yürütücüsü çalışmada çok değerli katkılarından dolayı; Selçuk Üniversitesi Mühendislik- Mimarlık Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölüm Başkanı Prof. Dr. M. Yaşar Kaltakcı ya, öğretim elemanlarından Doç. Dr. Hasan Hüsnü Korkmaz ve Arş. Gör. Murat Öztürk e, Isparta Süleyman Demirel Üniversitesi Pomza Araştırma ve Uygulama Merkezi Müdürü Prof. Dr. Lütfullah Gündüz e, Konya Teknokent Yönetim Kurulu Başkanı Prof. Dr. Fatih Botsalı ya ve İnş. Yük. Müh. Soner Taştekin e teşekkür eder. KAYNAKÇA [1] Topçu IB., The Properties of Rubberized Concretes, Cement & Concrete Research, 25, (1995, [2] Topçu IB, Avcular N., Collision Behaviors of Rubberised Concretes, Cement & Concrete Research, 27, (1997, [3] Yeşilata B., Turgut P., Işıker Y., Atık Polimerik Malzeme Katkılı Betonun Yalıtım Özelliğinin Deneysel Olarak İncelenmesi, Isı Bilimi ve Teknik Dergisi, 26,(1 (2006, [4] Sagoe-Crentsil, K. & Brown, T., Guide for Specification of Recycled Concrete Aggregates (RCA for Concrete Prodiction-Final Report, CSIRO, Building, Construction and Engineering, Victoria, Australia (1998. [5] Köken A., Köroğlu MA., Yonar F., Atık Betonların Beton Agregası Olarak Kullanılabilirliği, Selçuk Üniversitesi Teknik Online Dergi, 7(1, (2008, [6] Yeşilata B., Turgut P., Bulut H., Demir F., Atık Otomobil Lastiklerinin Bina Yapı Elemanlarında Yalıtım İyileştirmesi Kullanabilirliğinin Araştırılması, TUBITAKMAG Projesi (105M021. [7] BubbleDeck Test Report from Ian Sharland Ltd Airborne and Impact Sound Insulation.November (2005. [8] Punching Shear Strength of BubbleDeck"-The Technical University of Denmark, (2002. [9] Balkaya C., Erol K., Tünel Kalıp ile İnşa Edilen Yapıların Deprem Yükleri Altında Davranışı, ECAS, (2002, [10] Çoşgun T., Yüksel FA., Çoşgun A., Tünel Kalıpla İnşa Edilen Binalarda Yaşanan Gürültü Problemleri Üzerine Bir Araştırma, Uygulamalı Yer Bilimleri Sayı 1, (2008, [11] Erbil Y., Akıncıtürk N., Tünel Kalıp Sistemiyle Üretilen Bir Toplu Konut Örneğinin Isısal Konfor Koşulları Açısından İrdelenmesi, Uludağ Ün. Müh. Mim. Fakültesi Dergisi, 11(2, (2006, [12] TS , Betonarme Yapıların Hesap ve Yapım Kuralları (2000, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara. [13] TDY-2007, Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik (2007, Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, Afet İşleri Genel Müdürlüğü, Ankara. TEMMUZ 2010 SAYI : 95 19