YATAY YÜK DAVRANIŞI ZAYIF BETONARME ÇERÇEVELERİN ÇELİK ÇAPRAZLI PERDELER İLE GÜÇLENDİRİLMESİ Kerem PEKER İnş.Yük.Müh Erdemli Proje ve Müşavirlik Ltd.Şti. İstanbul / Türkiye Nesrin YARDIMCI Prof. Dr. İstanbul Teknik Üniversitesi İstanbul / Türkiye ÖZET Yapıların yatay yük etkisindeki davranışında ana parametreler yapının yatay dayanımı ve yatay rijitliğidir. Ülkemizde sıklıkla karşılaşılan, sadece düşey yükler için boyutlandırılmış, ya da düşük yatay yük etkisi öngörülerek tasarlanmış betonarme çerçeveli yapı sistemlerinin güçlendirilmesinde hedef yapının davranışını tanımlayan bu iki parametrenin iyileştirilmesidir. Bu araştırma, zayıf betonarme çerçevelerin yatay yük etkisindeki davranışının çelik çaprazlı sistemler yardımı ile iyileştirilmesi amaçlı yapılacak tasarımlara ışık tutabilmek amacı ile yapılmış bir gurup parametrik çözümün derlenmesi ile oluşturuluştur. Farklı geometrik karakteristiklerin ve çapraz eleman narinliklerinin, sistem davranışı üzerine etkilerinin incelendiği çalışmada ana amaç ekonomik bir metot ile mevcut sistemin yatay yük kapasitesinin arttırılması ve yatay rijitliğinin iyileştirilmesidir.
AMAÇ Düşük yatay rijitlikli ve zayıf yatay yük dayanımlı betonarme çerçevelerin rehabilitasyonu için kullanılabilecek, ucuz ve hızlı metotlardan biri, yapıya çelik çaprazlı perde sistemleri eklenmesidir. Sistem rijitliğini ve dayanımını arttırmak amacı ile yapılacak böyle bir rehabilitasyon tasarımında, yapı davranışında etken parametrelerin belirlenmesi, etkileşimli olarak incelenmesi, bu çalışmanın ana amacını oluşturur. PARAMETRİK ÇALIŞMA Öncelikle konu ile ilgili literatür taraması yapılmış ve önceki araştırıcıların davranışını incelediği parametreler tespit edilerek parametrik çalışmamızın veri tabanı oluşturulmuştur. Bu amaçla Şekil-1 de verilen tipik güçlendirme çerçevesi için B(çerçeve teorik açıklığı), H(çerçeve teorik yüksekliği), L(çelik çapraz teorik boyu) ve i(çelik çapraz atalet yarıçapı) değerlerinin, sistem rijitliği ve dayanımını ne ölçüde etkidikleri araştırılmıştır. P Δ L H B Şekil-1 Tipik güçlendirme çerçevesi
Tablo-1 de bu incelemelerin yapılabilmesi için planlanan parametrik çalışmada kullanılan sayısal model elemanlarının, geometrik ve karakteristik detayları verilmiştir. Aynı yüksekliğe sahip, altı farklı açıklıktaki betonarme çerçevenin her biri, dört farklı narinlik derecesinde merkezi çaprazlı perdeler ile güçlendirilmiştir. Tablo-1 Parametrik çalışmada kullanılan farklı sistemlerin tanımları H B L (mm) (mm) (mm) i 1 i 2 i 3 i 4 (mm) (mm) (mm) (mm) L/i=4 L/i=8 L/i=12 L/i=16 3 75 392 77,3 38,65 25,77 19,33 15 3354 83,85 41,93 27,95 2,96 225 375 93,75 46,88 31,25 23,44 3 4243 16,8 53,4 35,36 26,52 45 548 135,2 67,6 45,7 33,8 6 678 167,7 83,85 55,9 41,93 Çapraz elemanlar seçilirken farklı narinlik etkisi dikkate alınması ile birlikte çapraz elemanın alanının değişmesi engellenmiş ve böylece dayanımların karşılaştırılabilmesi mümkün olmuştur. ANALİZ METODOLOJİSİ Örnek model yapının, rijitlik ve dayanım özelliklerinin değişen parametreler ile takibinin yapılabilmesi için analiz metodu olarak lineer olamayan statik ittirme analizi metodu seçilmiştir. Çelik çapraz elemanları için basınç ve çekme davranışlarını yansıtacak plastik mafsal davranış modeli FEMA-356 raporunun ilgili tablolarından alınmıştır. Bu şekilde plastik deformasyon sırasında tüketilen enerjilerin de modellenmesi sağlanmış ve sistem sünekliği ve akma sonrası davranışı için yorum yapılabilmesi sağlanmıştır. Olası birçok çelik çubuk tipi arasından her iki doğrultuda atalet yarıçapı eşit olması sebebi ile boru kesitler tercih edilmiştir.
Düzlem dışı sistem davranışı etkileri ihmal edilmiş ve adım-adım artan yatay yük altında tepe deplasmanı takip edilmiştir. Bu durumda, Şekil-1, Şekil-7 arasında gösterilen değişken P yatay yükü etkisinde oluşan Δ yatay tepe deplasmanı değerleri grafiksel olarak hazırlanmış ve aşağıda sunulmuştur. 4 B=75mm 2 2 4 6 8 1 12 Şekil-2 B=75mm H=3mm P-Δ Eğrileri B=15mm 4 2 2 4 6 8 1 12 Şekil-3 B=15mm H=3mm P-Δ Eğrileri
B=225mm 8 6 4 2 2 4 6 8 1 12 Şekil-4 B=225mm H=3mm P-Δ Eğrileri B=3mm 1 8 6 4 2 2 4 6 8 1 12 Şekil-6 B=3mm H=3mm P-Δ Eğrileri
B=45mm 14 12 1 8 6 4 2 2 4 6 8 1 12 Şekil-6 B=45mm H=3mm P-Δ Eğrileri B=6mm 24 22 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 2 4 6 8 1 12 Şekil-7 B=6mm H=3mm P-Δ Eğrileri
SONUÇLAR VE TAVSİYELER Çalışmamız sonuçları değerlendirildiğinde aşağıdaki gözlemler sıralanabilir. Seçilen sistemler ortak bir davranış ile, yatay yük altında deformasyon yapmaya başladığında elastik bir rijitlik ile basınç çubuğunun akma ve burkulma yüküne kadar kararlı bir davranış göstermektedir. Basınç çubuğunun burkulmasını takiben %4-%5 civarında bir dayanım boşalması oluşurken, çekme çubuğunun akması ve pekleşmesi ile bunun yaklaşık %1 luk bir kısmı geri kazanılır. Sistem kararlılığı çekme çubuğu, kopma deformasyonuna ulaştığında ortadan kalkar. P-Δ eğrisinin şekli ve içerdiği süreksizlikler açısından sistemler birbirine benzer olmasına karşın, sistem davranışı tamamen öngörülen basınç ve çekme çubuğu plastik mafsal davranış modeline bağlıdır. Literatürde konu üstünde yapılan taramalarda, çalışmamızda kullandığımız FEMA-356 eleman davranış modellerinin deneysel çalışmaların sonuçları ile oldukça iyi bir uyum gösterdikleri tespit edilmiştir. Sistem rijitliğinin artışı B/H değerinin artışına paralel bir şekilde gelişmektedir. Güçlendirme tasarımında yapı rijitliğini arttırmak için daha büyük B/H açıklığına sahip açıklıkların kullanılması tavsiye edilebilir. L/i narinliğinin azalan değerleri, aynı kesit alanı ve B/H değerine sahip sistemlerde dayanımı arttırmakta etken olarak kullanılabilir. Bu sebeple dairesel ve kutu kesitlerin çapraz elemanı olarak kullanılması, aynı alana sahip çubuk kesitleri arasında en büyük i(atalet yarıçapı) sahibi olmaları sebebi ile tasarımın ekonomisini arttıracaktır. Çalışmamız sırasında sistem davranışına etkisi fark edilen, ancak bu çalışma kapsamında detaylı olarak incelenmeyen diğer hususlar şunlardır. Çelik çapraz sisteminin içerisine yerleştirildiği betonarme sistemin oluşan kuvvet çiftini karşılayacak dayanım ve dönme kapasitesine sahip olması tasarımı yapılan güçlendirmenin etkinliği açısından çok önemlidir. Zayıf betonarme çerçeveler, yetersiz bindirme boyları sebebi ile ne yazık ki özellikle de çekme çubuğu olarak
güvenilir taşıyıcı sistemler değildir. Uygulamada, benzer durumlarda çekme çubuğu özelliklerinin iyileştirilmesi yoluna gidilebilir. Önemli etkisi tespit edilen bir diğer konu çelik çapraz sisteminin betonarme çerçeveye yük aktarışının sağlanması için gerekli tasarımın yapılmasındaki zorluklardır. Bu konudaki zorluk, lokal olarak yatay yükler altında zorlanmakta olan birleşim bölgesine, çelik çapraz bağlantılarından dolayı etki eden ek dış kuvvetlerdir. Bu tip yerel etkilerden kurtulmak amacı ile çaprazların, çerçeve içerisine giydirilecek bir ek çelik çerçeve yardımı ile yük dağılımını sağlaması hem bileşik çalışmayı gerçekleştirerek çerçeve davranışını iyileştirir hem de bağlantı problemlerinin aşılmasını kolaylaştırır. Japonya da bu sorunun çözümü için genel olarak uygulanan bir örnek detayda, giydirme çelik çerçevenin içerisine kaynakla bağlanan dişler ve yine betonarme çerçeveye ankre edilen dişlerin arasına yaklaşık 15mm-2mm kalınlığında basınç dayanımı spiral donatı yerleştirilerek arttırılmış beton doldurulmaktadır. Spiral donatı yerleştirmek oldukça güç bir işçiliktir. Japonya da çelik diyagonalli güçlendirme çerçeveleri hemen tüm düşük dayanımlı geniş açıklıklı betonarme çerçeveli eski okul yapılarının güçlendirilmesinde kullanılmaktadır. Betonarme çerçevelerin, betonarme kolon-kiriş birleşim bölgelerine çelik çaprazlar dayandırılarak güçlendirilmesinde kesme kuvvetleri, güçlendirilen mevcut betonarme kolon-kiriş taşıyıcı sistemin kat kirişi üst ve alt yüzü düzeylerinde etkiyecektir. Yanal ötelenmeleri büyük ölçüde kısıtlanan yapıda kolon-kiriş birleşim bölgelerine etkiyecek momentler çok küçülecek, buna karşılık rijit davranması sonucu bu kesitlerde oluşacak kesme kuvvetleri kolon-kiriş taşıyıcı sistemi esnek olan ilk betonarme tasarımında bulunanların çok üstünde olacak; mevcut betonarme kesitlerin kesme kuvveti kapasitesini aşabilecektir. Özellikle çok katlı binaların çelik çaprazlar kullanılarak güçlendirilmesinde en üst kattan temele doğru inildikçe birleşim bölgelerinde kesme kuvvetleri çok büyük olacağından gerektiğinde çaprazlar çelik düğüm noktası elemanlarıyla (levhalarla) birleştirilerek sürekli çelik kafes sistem oluşturmalıdır. Oluşturulan kafes sistemin temele aktaracağı daha büyük yatay yüklere göre kafes sistem ile temel bağlantılarının ve temelin güçlendirilmesi gerekir.
Çelik çaprazlı perdeler ile güçlendirme metodu, atölyede imalatın temiz, sağlıklı ve güvenilir olması, yerinde yapı içinde yapılacak imalat ve montajın minimize edilmesi, yapı ağırlığı arttırılmadan yapıya büyük bir rijitlik ve dayanım katılabilmesi ve çapraz sistemi dışında kalan alanların boşluk olarak kullanılabilmesi sebepleri ile tercih edilebilecek metotların başında gelmektedir. Ancak sistem ve bağlantı tasarımının dayandırılacağı sayısal ve deneysel çalışmaların yaygın olmaması uygulama örneklerinin sınırlı kalmasına sebep olmuştur. Konu ile ilgili detaylı sayısal ve deneysel çalışmalar yapılması ve özellikle bağlantı ve bileşik çalışma üzerinde durulması, çelik çaprazlı perdeler ile güçlendirme tasarımında, uygulamacı mühendislerin önünü açacaktır. KAYNAKLAR 1. Shahin, T., Sadek, A.W. Seismic upgrading of gravity designed concrete frames using steel bracing, 11th European Conference on Earthquake Engineering, 1998, Rotterdam 2. Bai, J.W., Seismic retrofit for reinforced concrete building structures, Final Report for Consequence-Based Engineering Institute, 23, Texas 3. ASCE (2), Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings, (FEMA 356), prepared by American Society of Civil Engineers for the Federal Emergency Management Agency, Washington, D.C. 4. Badoux, M. and Jirsa, J.O. (199), Steel Bracing of RC Frame for Seismic Retrofitting,, Journal of Structural Engineering, Vol. 116, No. 1, pp. 55-74. 5. Bush, T.D., Jones, E.A., and Jirsa, J.O. (1991), Behavior of RC Frame Strengthened Using Structural Steel Bracing, Journal of Structural Engineering, Vol. 117, No. 4, pp. 1115-1126. 6. Elnashai, A.S. and Salama, A.I. (1992), Selective Repair and Retrofitting Techniques for RC Structures in Seismic Regions, Research Report ESEE/92-2, Engineering Seismology and Earthquake Engineering Section, Imperial College, London.
7. Goel, S.C., Masri, A.C. (1996), Seismic Strengthening of an RC Slab-Column Frames with Ductile Steel Bracing, 11th World Conference on Earthquake Engineering, Paper No. 56. 8. Pincheira, J.A. and Jirsa, J.O. (1995), Seismic Response of RC Frames Retrofitted with Steel Braces or Walls, Journal of Structural Engineering, Vol. 121, No. 8, pp. 1225-1235. 9. Thermou, G. and Elnashai, A.S. (22), Performance Parameters and Criteria for Assessment and Rehabilitation, Seismic Performance Evaluation and Retrofit of Structures (SPEAR), European Earthquake Engineering Research Network Report, Imperial College, UK.