T.C. İSTANBUL KÜLTÜR ÜNİVERSİTESİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ BETONARME YAPILARIN GELENEKSEL YÖNTEMLERLE DEPREME KARŞI GÜÇLENDİRİLMESİ Dr.Erdal Coşkun İnşaat Yüksek Mühendisi 1
Giriş Yurdumuz dünyanın en etkin deprem kuşaklarından birinin üzerinde bulunmaktadır. Geçmişte yurdumuzda birçok yıkıcı depremler olduğu gibi, gelecekte de sık sık oluşacak depremlerle büyük can ve mal kaybına uğrayacağımız akıldan çıkarılmamalıdır. Deprem Bölgeleri Haritası'na göre, yurdumuzun %92'sinin deprem bölgeleri içerisinde olduğu, nüfusumuzun %95'inin deprem tehlikesi altında yaşadığı ve ayrıca büyük sanayi merkezlerinin %98'i ve barajlarımızın %93'ünün deprem bölgesinde bulunduğu bilinmektedir. Son 58 yıl içerisinde depremlerden, 58.202 vatandaşımız hayatını kaybetmiş, 122.096 kişi yaralanmış ve yaklaşık olarak 411.465 bina yıkılmış veya ağır hasar görmüştür. Sonuç olarak denilebilir ki, depremlerden her yıl ortalama 1.003 vatandaşımız ölmekte ve 7.094 bina yıkılmaktadır. 2
Terminoloji, Amaç Onarım (Repair), hasar görmüş bir yapıyı ya da yapı elemanını öngörülen bir güvenlik düzeyine getirmek için yapılan işlemlerdir. Güçlendirme (Strengthening), hasar görmemiş bir yapıyı ya da yapı elemanını geçerli bir güvenlik düzeyine çıkarmak için yapılan işlemlerdir. Konuyla ilgili İngilizce yayınlarda sıkça geçen ve giderek teknik literatürümüze de giren Retrofit kelimesi yapıların depreme karşı güçlendirilmesi anlamına gelen genel bir kelimedir. Örneğin, kolonların ya da kirişlerin mantolanması birer Retrofit işlemidir. Onarımdaki amaç önceki durumu geri getirmektir, bu kullanım bakımından olabileceği gibi yapının yük taşıma kapasitesini, rijitliğini, sünekliğini ve dayanıklılığını artırmak şeklinde olabilir. Güçlendirmedeki amaç ise, yapının dayanım ve benzeri karakteristiklerini önceki düzeyinin üstüne çıkartmaktır. 3
Onarım ve Güçlendirme Süreçleri Yapının mevcut halinin belirlenmesi (çatlaklar, deformasyonlar,hasarlar),sistemin durumu Onarım ve/veya güçlendirmenin gereklerinin belirlenmesi Onarım ve/veya güçlendirme programının hazırlanması Onarım ve güçlendirmeden sonra yapıda temin edilmesi istenen hedeflerin belirlenmesi Önerilen onarım ve /veya güçlendirme sistemlerinin uygunluğunun belirlenmesi İnşaatın kalitesinin denetlenmesi 4
Betonarme Yapılarda Gözlenen Kusurlar,Hasar Nedenleri Uygun olmayan taşıyıcı sistem düzenlemeleri Donatı detaylarının yetersiz veya zayıf olması İnşaat hataları, yeterli denetimin olmayışı 5
Deprem Riski Altındaki Yapılar Planda ve düşeyde simetrik olmayan sistemler Kat alanları ve kat yükseklikleri yapı yüksekliği boyunca değişkenlik gösteren sistemler Diyaframda büyük boşluklar içeren ya da zayıf diyafram bağları olan sistemler Sistemdeki süreksizlikler nedeniyle yükleri en kısa yoldan zemine aktaramayan yapılar Bitişik düzende olan yapılar Büyük ağırlıkların, kütlelerin bulunduğu yapılar Yapıda yumuşak kat, kısa kolon bulunması Donatıda korozyon, yetersiz donatı yüzdesi,düşük beton kalitesi, kötü işçilik Olumsuz zemin koşulları, yetersiz temel bağlantıları 6
Hasarlar 7
Donatı Detaylarının Zayıf veya Yetersiz Olması Kiriş kolon birleşimlerinde gerektiği gibi etriye sıklaştırılması yapılmamıştır. Etriye uçlarının kenetlenmesi genellikle kabuk betonu içinde kalmaktadır. Düşey donatının bindirme boyları yönetmeliğin öngördüğünden kısa tutulmaktadır. Etriyelerin deprem kuvvetine karşı üç önemli etkisi vardır: Kesme kuvvetine karşı kolonun dayanımını artırmak. Sargı donatısı olarak betonun sünekliğini artırmak. Boyuna donatının bindirmeli eklerinde aderansı artırmak. 8
Zayıf Kolon-Güçlü Kiriş Problemi Zayıf kolon-güçlü kiriş halinde kolonlar mekanizma durumuna geçerek, yapı göçme moduna girebilmektedir. Kolonların güçlü, kirişlerin zayıf olması halinde ise plastik mafsallaşma kiriş uçlarında meydana gelmekte, büyük deformasyonlarda dahi sistem stabilitesini koruyarak sünek bir davranış gösterebilmektedir 9
Kolonlarda Hasar Nedenleri Deprem esnasında kolonlara gelen kesme kuvvetini karşılayacak yeterli etriye yoksa kolonda ani ve gevrek kırılma meydana gelebilir. Kolonlarda yaygın, genişlemiş kesme çatlakları ağır hasarın varlığına işarettir. Doğru yerleştirilmiş donatı, çatlağın genişlemesini önleyerek kılcal düzeyde kalmasını sağlar. Donatı, olabildiğince asal çekme gerilmeleri doğrultusunda yerleştirilmelidir. Kolonun depremde iyi bir davranış göstermesi için uçlarının sarılmasının yanısıra, kesit boyutlarının da büyük seçilmesi gerekir. Onarım ve güçlendirmedeki bir amaç da kolon kesitlerinin artırılmasıdır. 10
Bina köşelerinde 1.5 m lik konsol ötelemesi ve etkileri 11
İnşaat Hataları, Yeterli Denetim Olmayışı Son yıllarda meydana gelen depremlerin gösterdikleri Türkiye de etkin denetimin yapılmadığını açıkça ortaya koymaktadır. Öncelikle projede öngörülen beton kalitesinin oldukça altında beton üretildiğinden, dayanım küçük çıkmakta, betonda aderans (bond) özelliği büyük ölçüde kaybolmaktadır. Depremlerden sonra hasarlı binaların incelenmesi sonucu kullanılan beton kalitesinin BS5-BS15 civarında olduğu saptanmıştır. Yukarıda detaylı olarak bahs edildiği gibi donatı yerleştirilmesinde bilinçsizce yapılan hatalar yıkıcı hasarlara neden olmaktadır. 12
Kötü detaylandırma, kötü malzeme ve işçilik 13
Perdelerde Hasar Nedenleri Perdeler kırılma konumuna kesme veya eğilme nedeniyle ulaşabilir. Eğilme kırılmasına eğilme çatlağı boyunca donatının akması ile ulaşılır. Kesmenin davranışa hakim olduğu durumlarda asal çekme gerilmelerine dik yönde oluşan eğik çatlaklar kırılmaya neden olmaktadır. Bu aşamadan sonra perdeler devreden çıkar ve yapı rijitliğini büyük ölçüde kaybederek ağır hasar görebilir. Kolonlarda anlatıldığı gibi eksik ve hatalı donatı düzenlemesi, yetersiz kesit boyutları perdelerde de hasar nedeni olarak söylenebilir. Kesme ve Basınç Hasarı Birlikte 14
Güçlendirmedeki amaç: Yapının performansını yürürlükteki Deprem Yönetmeliğinin belirlediği düzeye çıkarmak. Yapının performansını depremde toptan göçmeyi önleyecek düzeye çıkarmak (iyileştirmek). 15
Yapıların Güçlendirilmesinde Esas Alınacak Sınıflandırma Yüksek olmayan betonarme ve yığma bina (7 ve betonarme ya da daha az katlı) Az katlı (Betonarme 1-3, yığma 1-3) Çok katlı (Betonarme 4-7, yığma 4-7) Yüksek betonarme bina (8 ve daha çok katlı) Çelik Yapı Konut Basitleştirilmiş Güçlendirme Basitleştirilmiş ya da kapsamlı güçlendirme Kapsamlı Güçlendirme Kapsamlı Güçlendirme Önemli Yapı Kapsamlı Güçlendirme 16
Basitleştirilmiş güçlendirme Taşıyıcı Duvarların artırılması Bölme duvarlarının klasik yöntemlerle taşıyıcı hale dönüştürülmesi Öndöküm betonarme panellerle taşıyıcı sistem oluşturulması Bodrumda çevre perdesi yapılması Kat azaltılması Ağır balkonların ve parapetlerin kaldırılması Binada mevcut düzensizliklerin kaldırılması Bölme duvarların lif takviyeli kompozitlerle taşıyıcı hale dönüştürülmesi 17
Kapsamlı Güçlendirme Yapı taşıyıcı sisteminin dayanımını ve rijitliğini artırmak Betonarme perde eklemek (kolonlarla birleşen perdeler, dıştan eklenen perdeler. Diyagonalli çelik çerçeveler eklemek Sistemin sünekliliğini artırmak Kolonlarda kuşatma yapılması (Çelik levhalarla mantolama, LTK kullanılması) Kolon güçlendirilmesi (Kolonların betonarme veya çelik olarak mantolanması) Yerel rijitlik azaltılması (Kısa kolonların etrafının açılması, duvar azaltılması gibi) Deprem etkilerini azaltmak (Talebin azaltılması, Talep <Kapasite) Sismik izolasyon yapılması (Periyot ve sönüm artırılmaktadır) Enerji sönümleyici sistemlerin konulması (Deprem etkileri sönümlenmekte ve yapının deplasmanı azaltılmaktadır) Kat adedinin azaltılması 18
Karşılaştırma Basitleştirilmiş Güçlendirme Kapsamlı Güçlendirme 19
Perdelerle Güçlendirme Sisteme eklenecek taşıyıcı sistem elemanlarının tip, sayı ve boyutlarının seçimi mevcut taşıyıcı sistemin özelliklerine ve yapının fonksiyonel düzen, durum ve planına bağlıdır. Sistem iyileştirilmesinde perdelerle güçlendirme halen en yaygın ve geleneksel uygulama şeklidir. Perde ilave edilmesinde dikkat edilmesi gereken en önemli husus, yeni durumun yapıda burulma etkileri yaratmamasıdır. Yapının kütle ve rijitlik merkezi mümkün olduğunca yakın kalmalıdır. Güçlendirme perdeleri her iki doğrultuda en az ikişer tane olmalıdır. Yapının kat adedinin ve plandaki alanının az olması halinde toplam perde sayısı üçe de indirilebilir. Perdenin iki kolon arasında kalması tercih edilmelidir. Bazı hallerde bir taraftan bir kolona birleşmesi düşünülebilir. Bu durumda diğer tarafta perde ucu düzenlenmelidir. İki uçtan da kolona bitişik olmayan döşemeyi delip geçen perde ile döşeme arasında çok büyük gerilme yığılmaları meydana geleceğinden bu tür perdeler yapılmamalıdır. Perdelerin temellerinin oluşturulması da çok önemlidir. Komşu kolonları da kapsayacak şekilde sürekli veya plak temel düzenlemesi yapmak gerekir. Bu şekilde kolonların normal kuvvetlerinden faydalanarak perdeye komşu tekil temeller birleştirilerek büyük bir perde temeli yapılması gerekir. 20
Perde Donatı Detayları Dışardan Perde Uygulaması Kirişlere Birleştirme Eksenel Perde 21
Çelik Çaprazlarla Güçlendirme Yapılan deneysel çalışmalar bu tür güçlendirme tekniği kullanılarak yapının rijitliğinin 4-5 katı kadar artırılabileceğini göstermiştir. 22
Çelik Çaprazlara Güçlendirmede Uygulama Örneği Çelik çaprazlı sistemlerde kuvvetlerin kattan kata iletilmesi gerekmektedir, Bunun için çelik elemanların katlar arası sürekliliğinin sağlanması gerekmektedir. Çelik elemanların rijitliği betonarmeye göre düşük olduğundan, beklenen işlevin sağlanması büyük kesitli çelik elemanların kullanılması ile mümkündür. 23
Çelik Çapraz Uygulamaları 24
Çelik Çapraz Uygulamaları 25
Kolonların Güçlendirilmesi Deneysel ve teorik çalışmalar çerceve türü az katlı betonarme binaların kolonlarında en uygun güçlendirme yönteminin rijitlik ve dayanımın birlikte artırılması olduğunu göstermiştir. Kolonların güçlendirilmesinde farklı seçenekler vardır. Bu seçenekler ve izlenecek stratejiler kolonun dayanımını, sünekliğini ya da rijitliğini artırmaya yönelik olmalıdır. 26
Mantolama Örnekleri Betonarme Mantolama Çelik Ceketleme 27
Çelik Ceketleme Uygulamaları Dayanım artırır. Çelik elemanların sistemle birlikte çalışabilmesi için mevcut betona iyi yapışması ve ankrajlanması gerekir. 28
Kirişlerin Güçlendirilmesi Betonarme Mantolama LTK Uygulaması Dayanımı yeterli olmayan kirişler güçlendirilebilir. Burada en önemli husus komşu kolonlara göre daha güçlü kiriş türünden bir birleşim bölgesi oluşturulmamasıdır (zayıf kolon-güçlü kiriş oluşturulmamalıdır). Kirişlerde mantolama bir ya da iki yüze uygulanır. Kirişlerde mesnet kesitinin güçlendirilmesi, döşeme kalınlığının artırılıp üst donatı eklenmesiyle veya alttan kolonu geçen bir donatı eklenmesiyle olabilir. Kirişler alttan çelik şeritler ya da lif takviyeli polimerlerle de güçlendirilebilirler. 29
Lif Takviyeli Kompozitler (LTK) Lif takviyeli kompozitler (LTK) son yıllarda yapıların onarım ve güçlendirmesinde yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Lifler Dayanım (MPa) Elastisite Modülü (GPa) Cam Lifleri 1700-2100 50 2500 Karbon Lifleri 1700-2500 150-190 1900 Aramid Lifleri 1700-2100 65-120 1400 Özgül Ağırlığı (kg/m 3 ) 30
Lif Takviyeli Kompozitlerle (LTK) Güçlendirme Köprü Uygulaması Yığma Duvarın Güçlendirilmesi (Deney Düzeneği) Kolon Uygulaması Yapıların dolgu duvarlarının LTK lerle güçlendirilmesi ve perde gibi çalışabilen elemanlar haline getirilmesi yani sisteme yönelik iyileştirmelerin yapılabilmesi çalışmaları henüz yenidir. Bu konuda deneysel çalışmalar sürdürülmektedir. LTK, binaların boşaltılmadan güçlendirilmesini sağlayabilecek bir yöntem olması itibariyle giderek önem kazanmaktadır. Duvar güçlendirmesini hedefleyen LTK tasarımı süneklik artırmadan ziyade dayanım artırma amacıyla yapılmalıdır. Daha çok beton kalitesinin iyi olduğu anacak enine ve boyuna donatının yetersiz olduğu durumlarda kullanılabilir. 31
Kapasite Tasarımı Mevcut betonarme yapıların analizi için lineer ve lineer olmayan analiz yöntemleri vardır. Kapasite tasarımı için lineer olmayan statik yük artımı yöntemi (Pushover) kullanılması önerilir. Bilgisayar yazılımlarının gelişmesi ile bu tür çözümlemeler özellikle zamanlama açısından sorun olmaktan çıkmıştır. Unutulmamalıdır ki; Mühendisin davranış bilgisi, sağduyusu, deneyimi bilgisayar yazılımlarının önündedir. Eleman kapasitlerinin tasarımında kesme ve basınç kapasiteleri eğilme kapasitlerinin üstünde tutulmalıdır. Çünkü anılan türde kırılmalar gevrek, eğilme kırılması ise sünektir. Perde çerçeve sistemlerde önce kirişlerin, sonra perde elemanların akması istenir. Kolonlar perde aktığında elastik kalıp, düşey yükleri taşımaya devam ederler. 32
SONUÇ VE ÖNERİLER Bir yapıda güçlendirmeye karar verilebilmesi için, önce binanın zeminin incelenmesinden işe başlanmalı ve zemin koşullarının uygun olduğunu gördükten sonra, yapının ayrıntılı olarak incelenmesine geçilmelidir. Zemin koşulları uygun değilse Geoteknik uzmanı mühendis ile işbirliği yapılarak, zeminin iyileştirme yolları aranmalıdır. Güçlendirme için taşıyıcı sistem elemanlarında veya sistemin tümünde yetersizlikler bulunduğunun ve uygulanacak iyileştirme teknikleri ile yapıya yeterli taşıma gücü sağlanmasının mümkün olduğunun saptanması gerekmektedir. Taşıyıcı sistem bütünüyle güçlendirilirken bazı elemanlarda kapasite eksikliği görülebilir ve bunların ayrıca güçlendirilmesi yoluna gidilmelidir. Sonuçta eleman kesit etkileri kapasiteye uygun hale getirilmelidirler. Mühendis, analiz için kullanacağı yazılımın neyi nasıl yaptığının ve yazılımdaki kabullerin bilincinde olmalıdır. Güçlendirme konusunun hayli karmaşık ve farklı alternatifleri olan bir süreç olduğu akıldan çıkarılmamalıdır. Türkiye de henüz bir Güçlendirme Yönetmeliği yoktur, güçlendirme ile ilgili bir yönetmeliğin hazırlanması aciliyet kazanmıştır. Yapının güçlendirmesinde maliyet önemli bir kriterdir. Bu kriter gerektiği gibi sağlanamıyorsa yapının yıkılıp (demolition) yeniden yapılması da değerlendirilmesi gereken seçenekler arasında yer almaktadır. 33
KAYNAKLAR Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik, Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, Ankara, 1998. Kumbasar, N., Celep, Z., Deprem Mühendisliğine Giriş. 2000. Demir, H., Depremden hasar görmüş betonarme yapıların onarım ve güçlendirilmesi. İTÜ İnşaat Fakültesi, Istanbul, 1992. Bayülke, N., Depremde hasar gören yapıların onarım ve güçlendirilmesi. İnşaat Mühendisleri Odası, İzmir Şubesi, 1999. FEMA-273. NEHRP Guidelines for the seismic rehabilitation of buildings (Preliminary). Federal Emergency Management Agency, Washington, 1989. ATC-40. Seismic evaluation and retrofit of concrete buildings Applied Technology Council, California 1987. ATC-14. Evaluating the seismic resistance of existing buildings. Applied Technology Council, California, 1987. Özer, E., İstanbul daki betonarme yapıların deprem güvenliklerinin belirlenmesi, onarım ve güçlendirilmesi, Istanbul ve Deprem Sempozyumu, IMO, Istanbul Şubesi, Istanbul, 2000. Ersoy,U., Yapıların onarım ve güçlendirilmesinde ODTÜ yaklaşımı deneysel araştırmalar ve uygulama. Prof. Dr. Kemal Özden i anma semineri, Yapıların onarım ve güçlendirilmesi alanında gelişmeler, Istanbul, 2002. Celep,Z., Mevcut betonarme binaların deprem güvenliğinin belirlenmesi ve güçlendirilmesi genel kurallar. Prof. Dr. Kemal Özden i anma semineri, Yapıların onarım ve güçlendirilmesi alanında gelişmeler, Istanbul, 2002. Saatçioğlu,M., Yapıların depreme karşı güçlendirilmesinde yeni yöntemler. Prof. Dr. Kemal Özden i anma semineri, Yapıların onarım ve güçlendirilmesi alanında gelişmeler, Istanbul, 2002. Nunez, I., L., Compound Growth or Compound Seismic Risk of Destruction? Some vulnerability lessons from the Izmit, Turkey, Earthquake of 17 August 1999. Second Euro Conference on Global Change and Catastrophe Risk Management: Earthquake Risks in Europe IIASA, Laxenburg, Austria, July 6-9, 2000. Ghobarah, A., El-Attar, M., Aly, N.,M., Evaluation of retrofit strategies for reinforced concrete columns: a case study. Engineering Structures 22, pp. 490-501, 2000. National Building Code of Canada. NBCC. Ottawa, (Ontario, Canada): National Research Council of Canada, 1995. Rizkallah, S., Tarek, H., and Hassan, N., Design recommendations for the use of FRP for reinforcement and strengthening of concrete structures. Progressive Structural Engineering Materials 5, pp. 16-28, 2003. Nanni, A., Flexural behavior and design of reinforced concrete using FRP rods. Journal of Structural Engineering 1993: 119(11): 3344 3359. Istanbul için deprem master planı (BU,İTU,ODTÜ,YTÜ) Depremde güvenli binalar semineri, İstanbul,2003. 34