BETONARME BİR YAPININ ÇEVREL TİTREŞİM KAYITLARI İLE SADECE TAŞYICI SİSTEMLİ VE İNŞAATI TAMAMLANMIŞ DURUMDA DİNAMİK PARAMETRELERİNİN BELİRLENMESİ

Transkript

1 BETONARME BİR YAPININ ÇEVREL TİTREŞİM KAYITLARI İLE SADECE TAŞYICI SİSTEMLİ VE İNŞAATI TAMAMLANMIŞ DURUMDA DİNAMİK PARAMETRELERİNİN BELİRLENMESİ ÖZET: Selçuk KAÇIN 1, Emrah SOYSAL 2 1 Yrd. Doç. Dr. İnşaat Müh. Bölümü, İskenderun Teknik Üniversitesi, İskenderun-Hatay 2 İnşaat Mühendisi, Çevre ve Şehircilik Bakanlığı Osmaniye İl Müdürlüğü, Osmaniye selcuk.kacin@iste.edu.tr Yapı Sağlığı izleme sistemlerinin yaygınlaşması ile her geçen gün daha fazla sayıda yapıdan titreşim kayıtları alınarak dinamik özellikleri hasarsız ve gerçekçi olarak tespit edilebilmektedir. Bu çalışmada Hatay-İskenderun ilçesinde yapılmakta olan on katlı betonarme bir binanın sadece taşyıcı sistemli (kolon-kiriş) ve inşaatı tamamlanmış durumda dinamik parametrelerinin bulunması amaçlanmaktadır. Dolgu duvarların yapının yük taşıma kapasitelerine olumlu yönde yaptığı bilinmektedir. Ancak dolgu duvarlar hesaplarda çok fazla dikkate alınmamaktadır. Bu çalışmada yapının sadece taşıyıcı sisteminin (kolon-kiriş) olması durumunda ve inşaatı tamamlanmış durumda dinamik parametrelerinin deneysel olarak belirlenerek karşılaştırılacaktır. Bu amaçla çevrel titreşim etkisinde yapıdan elde edilen tepki kayıtları kullanılmaktadır. Çevrel titreşim tepki kayıtlarının alınması amacıyla hız ölçer sensörler kullanılmaktadır. Elde edilen kayıtların uygun analizleri ile yapının dinamik davranışını belirleyen en önemli parametre olan periyot değerleri elde edilmiştir. Binanın taşıyıcı kısmı ile elde edilen deney sonuçları ile yapı tamamlandığında elde edilen deney sonuçları karşılaştırılmıştır. ANAHTAR KELİMELER: Çevrel Titreşim, Yapı Dinamiği, Yapı Sağlığı İzleme Sistemleri, Yapı Analizi DETERMINATION OF DYNAMIC PARAMETERES OF REINFORCED CONCRETE BUILDING ONLY WITH COLUMN-BEAM AND CONSTRUCTION COMLETED SITUATIONS WITH AMBIENT VIBRATION RECORDS ABSTRACT: With a widespread use of structural health monitoring systems, more structure vibration recordings are being taken day by day. The dynamic characterisrics of buildings are determinated as undamaged and realistic with these records. In this study, it will be tried to determine the dynamic proporties of 10-storey reinforced concrete building only with column-beam and cosntruction completed situations. The building is constructied in İskenderun-Hatay. It is known that, infill walls are contributed to positively effect of structures load bending capacity. However, this effect is not taken into project account. In this study two sperated cases will be examined. One of them is the structure is made only of columns and beams. The other one is the comleted structure. In both situation, the structure dynamic proporties will be found with the ambient vibration records. Velocimeter sensors are used for ambient vibration records. The most important dynamic parameter, the period values are calculated by the appropriate analysis of the ambient vibration records. Both situation period values will be compared. KEYWORDS: Ambient Vibration, Structural Dynamic, Structural Healt Monitoring, Structural Analysis

2 1. GİRİŞ Son yıllarda özellikle elektronik, sensör ve veri depolama teknolojilerindeki hızlı gelişim sayesinde pek çok yapıya izleme sistemleri kurulması imkanı doğmuştur. Yapı sağlığı izleme sistemleri diye adlandırılan bu sistemler sayesinde özellikle yüksek riskli deprem bölgelerinde yer alan yapılardan çeşitli dinamik yükler altında alınan tepki kayıtları incelenerek yapıların dinamik parametreleri gerçekçi olarak belirlenebilmektedir (Şafak 2007). Yapılara yerleştirilen izleme sistemleri farklı dinamik etkiler altında kayıt alabilmektedir. Ortamda mevcut olan çevrel titreşimler etkisi altında yapıdaki tepki titreşimleri kayıt altına alınabildiği gibi (Michel ve ark 2008, Ivanovic ve ark. 2000) bazen yapıya dinamik bir harmonik yük uygulanarak (zorlanmış titreşim) da yapıda oluşan tepki değerleri ölçülebilir (Sortis ve ark 2005, Bradford ve ark 2004). Yapının olduğu bölgede meydana gelen küçük depremler sırasında yapının tepki kayıtlarının alınması da mümkündür (Çelebi ve ark 1993, McVerry 1980). Son yıllarda oldukça fazla sayıda yapıdan titreşim kayıtları alınmaktadır. Yapılardan elde edilen bu titreşim kayıtlarının uygun şekilde analiz edilmesi ile yapının periyot, sönüm oranı ve modal şekli gibi dinamik parametrelerinin hesaplanması mümkün olmaktadır (Şafak 2011). Dolgu duvarların yapının taşıyıcı sistemine olan katkısı uzun yıllardır mühendisler tarafından araştırılan bir konudur. Dolgu duvarların eşdeğer sanal basınç çubukları ile modellenmesi (Stafford 1967) günümüzde bile halen kullanılan geçerli bir yöntemdir. Duvarların modellenmesinde pencere ve kapı boşluklarının bulunması da model kurulumunu zorlaştırmaktadır. Ülkemizdeki deprem yönetmeliğinde dolgu duvarların etkisi yapıda sadece ölü yük oluşturacak şekilde değerlendirilmiştir. Ancak yapılan deneysel çalışmalar dolgu duvarların yapıların yatay yük taşıma kapasitelerine öenmli derecede katkı sağladığını göstermektedir (Güney ve Boduroğlu 2006). Duvarlı ve duvarsız yapıların karşılaştırılması amacıyla genelde laboratuar ortamında çerçeveler üzerinde deneysel çalışmalar yapıldığı görülmektedir. (Bikçe ve ark 2011) de ise 6 katlı betonarme bir yapının duvarlı ve duvarsız durumda dinamik parametrelerinin hesaplanması amacıyla zorlanmış titreşim kayıtları kullanılmıştır. Yapıda duvarların olması durumunda birinci doğal titreşim periyodunun %35 e varan oranlarda azaldığı belirtilmiştir. Bu çalışmada Hayat İli İskenderun İlçesinde 10 katlı bir binanın sadece karkas (kolon-kiriş) inşaatı tamamlandığı durum ile inşaatın tamamen bittiği durumda dinamik parametrelerinin belirlenmesi amacıyla, çevrel titreşim etkisinde yapıda oluşan tepkiler kayıt cihazları yardımıyla alınmıştır. Bu amaçla beş adet hızölçer kayıt cihazı kullanılmıştır. Tüm cihazlar ana kayıt cihazına ve bilgisayara bağlanarak senkronize olarak çalışmaları sağlanmıştır. Cihazlardan aldığımız veriler program yardımıyla analiz edilmiştir. Analiz sonucu binanın periyotları bulunmuştur. 2.İNCELENEN YAPININ ÖZELLİKLERİ Çalışmada Hatay İli İskenderun İlçesinde 10 katlı ve konut olarak inşa edilen bir yapı incelenmektedir. Bina betonarme perde, kolon ve plak döşeme olarak tasarlanmış olup yan yana 3 blok olarak inşa edilmektedir.(şekil 1). Yapıda asmolen tipi döşeme kullanılmakta olup otopark amaçlı yarım bodrum kat yer almaktadır. Genellikle betonarme yapılar üretilirken temelden sonra sistemin taşıyıcı sistemi (kolon, kiriş ve döşeme) imal edilir. Özellikle yüksek katlı yapılarda üst katlarda taşıyıcı sistem için kalıp çakılıp beton dökülürken alt katlarda duvarlar örülür. Özellikle yüksek katlı yapılarda yapının tamamen taşıyıcı sisteminin bitirilip sonra duvarların örülmesi çok fazla karşılaşılan bir uygulama değildir. İncelenen yapıda 10 katlı binanın tüm taşıyıcı elemanları (kolon, kiriş, döşemeleri) yapıldıktan sonra duvarların örülmesine geçilmiştir. Bu çalışmada yapıdan sadece taşıyıcı sistemleri var iken titreşim kayıtlarının alınması ve daha sonra yapının tamamlanarak kullanıma açılmasından sonra titreşim kayıtlarının alınarak karşılaştırılması amaçlanmıştır. Böylece yapının sadece taşıyıcı sistemi olması durumunda elde edilen dinamik parametreler ile tüm yardımcı elemanları (duvar, sıva, pencere, zemin kaplamaları vb.) tamamlandıktan sonra elde edilen dinamik parametrelerin karşılaştırılması amaçlanmıştır.

3 Şekil 2. Binanın sadece taşıyıcı sistemli ve inşaatı tamamlanmış durumdaki görünüşü 3. TİTREŞİM KAYITLARININ ALINMASI Bina üzerine yerleştirilen hızölçer sensörler ve kayıt cihazı yardımıyla çevrel titreşim etkisinde bina tepki değerleri kayıt altına alınmıştır. Binada zemin kat, üçüncü kat, yedince kat ve son kata iki adet olmak üzere 5 adet hızölçer sensör, yönleri aynı olacak şekilde yerleştirilmiştir. Sensörlerin bina üzerinde yerleşim noktaları Şekil 3. de gösterilmiştir. Şekil 3. Hızölçer sensörler ile titreşim kayıtlarının alınması Çevrel titreşim etkisinde yapının tepki kayıtlarını ölçebilmek için İskenderun Teknik Üniversitesi İnşaat Mühendisliği bölümünde mevcut olan üç eksen doğrultusunda da kayıt yapma özelliğine sahip hızölçer algılayıcılar kullanılmıştır. Algılayıcılar SYSCOM (İsviçre) firmasınca üretilen MR2002 modelidir. Algılayıcılar saniyede en fazla 200 değeri kayıt altına alabilmektedir. Algılayıcılar (Hz) aralığında çalışabilmektedir.

4 Algılayıcıların gürültü eşik değeri 10 μv/ Hz dir. Bina tipi yapılar için kullanılacak kayıt cihazlarının yerlerinin tespit edilmesi konusunda bazı kriterler mevcuttur. Sensörlerin yerlerin ve sayısı için; ilk grup sensörler binanın çatı katına, ikinci grup sensörler zemin veya bodrum katına, üçüncü grup sensörler rijitliğin ve kütlenin değiştiği noktalara, daha sonraki sensör grupları binanın serbest titreşim modlarının maksimum olacağını tahmin ettiğimiz noktalar konulmalıdır (Mc Verry 1980). Bu yapıda da elimizdeki kayıt cihazları bu kriterlere uygun olarak yerleştirilmeye çalışılmıştır. Şekil 4. Sensörlerin yerleşimi Şekil 5. Kontrol Ünitesi Tüm sensörler bir kontrol ünitesi yardımıyla senkronize bir şekilde çalıştırılmaktadır. Aynı anda kayda başlayıp aynı anda sonlandırmak ve istendiğinde sensörler üzerinde işlemler yapmak amacıyla bu kontrol ünitesi kullanılmaktadır. Binadan yaklaşık 50 dakika boyunca tepki kayıtları alınmıştır. Bu kayıtlar birer dakikalık dosyalar halinde saklanmaktadır. Kayıt işlemleri tamamlandıktan sonra yapının periyot değerlerinin bulunması amacıyla analizler yapmak için tüm kayıtlar bilgisayar programı yardımıyla birleştirilmektedir. Şekil 6. da binanın duvarlı durumundan elde edilen örnek bir kayıt dosyasının x ve y ekseni doğrultusundaki değerleri görülmektedir.

5 0,10 Sensörden okunan hız değerleri (mm/sn) 0,08 0,06 0,04 0,02 0, ,02-0,04-0,06-0,08-0,10 sn Şekil 6.a. Örnek bir kaydın x bileşeni Sensörden okunan hız değerleri (mm/sn) 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0, ,02-0,04-0,06-0,08-0,10 sn Şekil 6.b. Örnek bir kaydın y bileşeni 4. TİTREŞİM KAYITLARI İLE YAPININ DİNAMİK ÖZELLİKLERİNİN BELİRLENMESİ Yapılardan alınan titreşim dataları zaman alanında tanımlanmıştır. Yapının herhangi bir noktasda ivme veya hız değerlerinin zamanla değişimini gösteren kayıtlar gibi. Fourier dönüşümü aynı verilerin frekans alanında tanımlanmasını sağlar. Yani zaman alanında alınan kaydın frekans alanındaki eşdeğerini bulmak için Fourier dönüşümü yapılır. Fourier dönüşümü yapılarak herhangi bir sinyali değişik frekanslardaki sinus eğrilerinin toplamı olarak yazabiliriz. Yapının modal frekans dolayısı ile periyot değerlerini bulmak için alınan kayıtların Fourier dönüşümlerindeki genlik değerlerini hesaplamak yeterlidir (Şafak 2007).On katlı sadece taşıyıcı sistemi yapılan yapıdan elde edilen titreşim kayıtlarının Fourier dönüşümleri alındığında yapının modal titreşim frekansları hesaplanabilmektedir. Şekil 7. de yapının duvarsız durumda çevrel titreşim etkisinde alınan üst katlardaki bir algılayıcının x yönündeki kayıtlarının Fourier dönüşüm grafiğini, Şekil 8. de ise y yönünde elde edilen kayıtların Fourier dönüşümleri görülmektedir.

6 0,008 0,007 0,006 Fourier Amplitude 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0, Frekans (Hz) Şekil 7. En üst kattaki bir algılayıcının x yönündeki kayıtlarının Fourier dönüşüm grafiği (Duvarsız) 0,008 0,007 0,006 0,005 Fourier Amplitude 0,004 0,003 0,002 0,001 0, Frekans (Hz) Şekil 8. En üst kattaki bir algılayıcının y yönündeki kayıtlarının Fourier dönüşüm grafiği (Duvar sız) 0,0040 0,0030 Fourier Amplitude 0,0020 0,0010 0, Frekans (Hz) Şekil 9. En üst kattaki bir algılayıcının x yönündeki kayıtlarının Fourier dönüşüm grafiği (Duvarlı)

7 0,0040 0,0030 Fourier Amplitude 0,0020 0,0010 0, Frekans (Hz) Şekil 10. En üst kattaki bir algılayıcının y yönündeki kayıtlarının Fourier dönüşüm grafiği (Duvarlı) Şekil 9 ve Şekil 10 da inşaat tamamlanıp yapı kullanıma açıldıktan sonra yani duvarlı durumda alınan titreşim kayıtlarının Fourier dönüşüm grafikleri görülmektedir. Bu grafiklerdeki pik değerler bize yapının frekans değerlerini vermektedir. Bu grafikler kullanılarak yapının duvarsız durumda sadece taşıyıcı sistemli (kolon-kiriş-döşeme) durumda x ve y yönündeki modal titreşim frekans ve periyot değerleri Tablo 1. de sunulmaktadır. Tablo 1. Titreşim kayıtlarından elde edilen periyot değerleri (Duvarlı ve Duvarsız durum) Periyot (sn) Sadece Taşıyıcı Sistem Olması Durumu İnşaat Tamamlanmış Kullanım Durumu Fark 1. Mod 0.79 (x ) 0.59 (x) % Mod 0.68 (y) 0.44 (y) % Mod 0.64 (burulma) 0.43 (burulma) % SONUÇLAR Bu çalışmada birinci derece deprem bölgesinde yer alan 10 katlı betonarme bir binanın periyot değerinin sadece kolon kiriş yani karkas taşıyıcı durumunda ve inşaatı tamamalanmış durumda bulunmasına çalışılmıştır. Yapının sadece kolon kirişleri olması durumunda çevrel titreşim etkisindeki tepkileri ile inşaatı tamamlanmış durumdaki tepki kayıtları kullanılarak periyot değerleri karşılaştırılmıştır. Yapının sadece taşıyıcı sisteminin olması durumunda hesaplanan periyot değeri ile inşaatı tamamlanmış durumdaki periyot değerleri arasında 1. periyotta % 33.9; 2. periyotta %54.5 ve 3. periyotta %48.4 farklılık olduğu gözlemlenmiştir. İnşaatın tamamlandığı durumda yapıya eklenen duvar, seramik, kaplama, cam çerçeve vb. elemanlar sebebiyle yapının ağırlının artacağı için periyodunun azalması beklenmekteydi, deney sonuçlarında da görüleceği gibi yapının periyot değerleri belirgin bir şekilde azalmaktadır.

8 KAYNAKLAR Stafford S.B. (1967). Methods for predicting the lateral stiffness and strength of multi-storey infilled frames. Building Science 2, Güney, D.ve Boduroğlu, M.H. (2006). Deprem etkisi altındaki simetrik ve asimetrik yapıların lineer olmayan tepkilerine dolgu duvarlarının katkısı. İtü Mühendislik Dergisi 5:3, Bikçe, M., Geneş, M. C., Kaçın, S. ve Zubaroğlu, A. (2011). Betonarme bir yapıda duvarsız ve duvarlı hallerin dinamik testleri, 1. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı, ODTÜ-Ankara. Şafak E. (2007),Yapı Titreşimlerinin İzlenmesi: Nedir, Neden Yapılır ve Ne Elde Edilir, Altıncı Ulusal Deprem Mühendisliği Konfereansı,, İstanbul (Türkiye), p Michel C., Gueguen P. and Bard P. Y., (2008), Dynamic parameters of structures extracted from ambient vibration measurements: an aid for the seismic vulnerability assessment of existing buildings in moderate seismic hazard regions, Soil Dynam. Earthq. Eng., vol 28, pp Ivanovic S. S., Trifunac M. D., Novikova E. I., Gladkov A. A. And Todorovska M. I., (2000), Ambient Vibration tests of a seven story reinforced concrete building in Van Nuys, California, damaged by the 1994 Northridge earthquake, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, vol 19, pp Sortis A. De, Antonacci E. And Vestroni F., (2005) Dynamic identification of a masonary building using forced vibration tests, Engineering Structures, vol 27, pp Bradford S. C., Clinton J. F., Favela J. And Heaton T. H., Results of Milikan Library Forced Vibration Testing, California Institute of Technology Earthquake Engineering Research Laboratory, Report No: EERL , Pasadena, California. Çelebi M., Phan L. T. And Marshall R. D., (1993), Dynamic characteristics of five tall buildings during strong and low-amplitude motions, The Structural Design of Tall end Special Buildings, Vol 2-(1), pp McVerry G. H., (1980), Structural identification in the frequency domain from earthquake records, Earthquake Enginnering and Structural Dynamics, Vol 8, Issue 2, pp Şafak E., Binalardan Alınan Titreşim Kayıtlarının Analizi İçin Basit Yöntemler. 7. Ulusal Mühendisliği Konferansı, 30 Mayıs-3 Haziran 2011, İstanbul, Türkiye. Deprem