Uluslararası Katılımlı 7. Çelik Yapılar Sempozyumu 139 Çelik Çerçeveli Yapılar Özelinde Dolgu Duvar Etkisinin İncelenmesi O. Fatih BAYRAK 1, Seda YEDEK 1, M. Musab ERDEM 1, Murat BİKCE 1 İnşaat Müh. Bölümü, İskenderun Teknik Üniversitesi, Hatay info@osmanbayrak.org, seda_yedek@hotmail.com m_erdem44@hotmail.com, muratbikce@yahoo.com Öz Betonarme yapılarda tuğla, briket ve gazbeton gibi malzemelerden oluşan bölme duvarlar yaygın olarak kullanılmaktadır. Çelik çerçevelerden oluşan yapı sistemlerinde de dolgu duvarların ekonomik olması nedeniyle yaygın şekilde tercih edildiği görülmektedir. Oysa ki sünek davranan çelik yapılarda gevrek davranışa sahip dolgu duvarların kullanılması, beraberinde problemleride getirmektedir. Dolgu duvarlar, statik ve dinamik analizlerde genellikle ağırlık olarak ele alındığından, yapısal davranışa olan etkisi genellikle tasarımcıların gözünden kaçmaktadır. Zira yatay deprem kuvvetler altında esnek hareket etme eğiliminde olan çelik yapılar, rijit davranan dolgu duvarların, karakteristik olarak yapının dinamiğine etkisine göre, davranış sergilemektedir. Bu çalışmada, gevrek dolgu malzemelerden oluşmuş çelik yapılar incelenerek; bölme duvarlar üzerinde zaman içinde yatay deprem kuvveti, oturma vs. nedenlerle, yapısal olmayan elemanlarda meydana gelen çatlaklara dikkat çekilmektedir. Ayrıca, dolgu duvar modellenmesi hakkında bilgiler verilmiştir. İki malzeme arasındaki rijitlik farkından dolayı oluşan bu davranışın etkilerinin belirlenmesine dönük modelleme çalışmaları devam etmektedir. Anahtar Kelimeler: Çelik yapılar, Dolgu duvar, Yapısal olmayan eleman çatlakları, Dolgu duvar modellenmesi Giriş Betonarme sistemlerde dolgu duvarlar yaygın olarak kullanılmaktadır. Çerçevesi betonarme dışında ki çelikten teşkil edilmiş olan yapılarda da, ısı yalıtımı, oda oluşturma ve mimari gerekçelerden dolayı dolgu duvarla bölünmenin yaygın tercih edildiği gözlenmektedir. Genellikle beton agregası, bims, pişmiş toprak, pomza, çimento, kireç ve alçı taşı gibi hammaddelerden oluşan tuğla, briket ve gazbeton gibi dolgu duvarlar yapısal olmayan malzemeler olarak dikkate alınmaktadır. Güncel analizlerinde dolgu duvarların yapıya kattığı rijitlik, süneklik ve dayanım gibi paremetreler göz ardı edilmekte ve sadece zati yük olarak alınmaktadır. Oysa ki, dolgu duvarlar, aslında yapı davranışını her bakımdan önemli oranda etkileyen elemanlardır. Yapılan bazı nümerik ve analitik çalışmalar dolgu duvarın yapı sistemleri üzerindeki etkisinin ihmal edilemeyecek düzeyde olduğu görülmektedir (Kaplan, 2008, İrtem, Türker ve Hasgül, 2005). Dolgu duvarların yapıya gelen yatay yüklere karşı dayanım ve rijitlik sağladığı, göreli kat ötelenmelerini azaltarak taşıyıcı sisteme olumlu etkisinin olduğu bilinen bir gerçektir (Beklen ve Çağatay, 2009). Ancak, dolgu duvarların
140 Uluslararası Katılımlı 7. Çelik Yapılar Sempozyumu yapının bir tarafında üretilmesi, katlar arası geçişlerde değişime uğraması veya bant pencere uygulamalarının; yapının ağırlık merkezini değiştirerek burulmaya, yumuşak kat oluşumuna ve kısa kolon oluşumuna neden olabileceği unutulmamalıdır. Örneğin Şekil 1a-c de görülen yapının iki cephesinin camekan olması ağırlık merkezini etkileyerek sistemde burulma oluşturabilmektedir (Doğan ve Bakırcı Er, 2011). Zemin kat mimarisinde görüleceği üzere düşey taşıyıcı elemanların bir tarafta yoğunlaşması ve dolgu duvarlarında kütle merkezini o yönde değiştirmesine ve kütle merkezinden uzaklaşmasına neden olmaktadır (Şekil 2a,b). Bu durum, depreme dayanıklı yapı tasarımı konusunda faydalı ve yenilikçi çalışmalar yapılmasını elzem kılmaktadır. (a) (b) (c) Şekil 1. (a) Sağ ön cephe, (b) Sol ön cephe, (c) Arka cephe (a) (b) Şekil 2. (a) Zemin kat mimari, (b) yapıda oluşacak burulma Son yıllarda yapılan çalışmalar dolgu duvarların yapının deprem etkisi altındaki davranışını olumsuz yönde değiştirebildiğini de göstermektedir. Zemin katların genellikle iş yeri olarak kullanılmasından dolayı dolgu duvarın bu katlarda asimetrik uygulanması ya da hiç uygulanmaması oldukça yaygındır. Dolgu duvar malzemelerinin gevrek yapısından dolayı duvar köşelerinde oluşan basınç gerilmelerinin konsantrasyonu bu bölgelerde ezilmelere, lokal mukavemet kayıplarına neden olmaktadır (Şekil 3). Üst katlarda dolgu duvarların çerçevelere sağladığı rijitlik nedeniyle üst katlara göre zemin kat zayıf kalmakta ve bu kattaki dayanım yetersizliğine bağlı olarak yapı göçme konumuna gelebilmektedir (Şekil 4a,b) (Tabeshpour vd., 2012 Murty ve Jain, 2000). Diğer bir yandan mimari ihtiyaçla bırakılan bant
Uluslararası Katılımlı 7. Çelik Yapılar Sempozyumu 141 pencereler kısa kolon etkisi yaratmakta, yatay yük altında dolgu duvarlar kolon serbestlik yüksekliğini azalttıkları için kısa kolona gelen kesme kuvveti artmaktadır (Çağatay, 2007) (Şekil 4 c,d). Dolgu duvarın dezavantajlarının önüne geçmek üzere, 2016 Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (2016 TBDY) taslağında, gevrek malzemeden yapılmış dolgu duvarları ile çerçeve elemanlarının aralarında esnek derzli bağlantı elemanları seçeneği getirilmiştir. Şekil 3. Dolgu duvarda oluşan hasar mekanizmaları (Mehrabi vd. 1996[43] (a) (b) (c) (d) Şekil 4. (a) Zemin katında dolgu duvarsız yapı, (b) Yatay yük altında zemin katı duvarsız yapı davranışı (c) Bant pencere, (d) Yatay yük altında kısa kolon oluşumu Dolgu Duvar-Çelik Yapı Sistemi Etkileşimi Çeliğin sünek davranışı ve enerji yutabilme kapasitesi, yapıda hızlı üretimi, çevreci ve hafif oluşunun betonarmeye göre daha avantajlı olması özellikle deprem bölgelerinde yapı sistemi seçiminde çeliğe yönelme ihtiyacı oluşturmaktadır. Çelik yapıların diğer taşıyıcı sistemlere göre çok üstün mekanik özelliklere sahip olması, hızlı, güvenli, ekonomik ve belirli standartlara sahip olması, imalatı ve montajı hava koşullarına bağlı olmaması, tekrar kullanılabilen bir malzemeden oluşması nedenleriyle hızla yaygınlaşan yapı sistemidir. Kalıp ve iskele gerektirmemeleri, daha az ağırlıkta olmaları, her türlü hava koşullarında yapılabilmesi ve yapım sürelerinin kısalığı nedenleriyle de ekonomik sistemlerdir. Betonarme çerçeveli sistemlerde olduğu gibi çelik çerçeveli sistemlerde de yapı içinde bölme ihtiyacını karşılamak üzere çeşitli bölme sistemlerinden (Şekil 5a-f) tuğla, briket ve gaz betondan oluşan dolgu duvarların (Şekil 5d-f) yaygınlaştığı görülmektedir. (a) (b) (c)
142 Uluslararası Katılımlı 7. Çelik Yapılar Sempozyumu (d) (e) (f) Şekil 5. (a) Hafif çelik yapı ile bölme, (b) Dikmeler ve enlemler ile bölme (c) İzolasyonlu bölme, (d) Briket ile örülmüş çelik çerçeve (d) Gaz beton kullanılan çelik çerçeve (d) Tuğla ile örülmüş çelik çerçeve Gevrek malzemelerden oluşmuş dolgu duvarların betonarme çerçeveli yapılara olumlu ve/veya olumsuz etkileri üzerine deneysel ve kuramsal konularda araştırmalar (Sevil, Baran ve Canbay, 2010) devam ederken, daha esnek çelik çerçevelerden oluşmuş yapılarda dolgu duvar kullanımı üzerine daha ciddi durulması gerekmektedir. Dolgu duvarların, çelik çerçeve sistemine olan etkisini araştırmak üzere yapılan deneysel çalışmalarda çerçeve içi dolgu duvarlar; yatay yükleme altındaki çelik çerçeve sisteminin yatay yük taşıma kapasitesini, yatay rijitliğini ve enerji tüketme kapasitesini önemli ölçüde artırdığı tespit edilmektedir (Kaltakcı vd., 2006, Ghaffarzadeh ve Ghalghachi, 2009). Betonarme yapılarda olduğu gibi çelik yapılarda da dolgu duvarlar yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Ancak, betonarmeye göre daha esnek olan çelik yapı çerçeveleri içinde gevrek davranış sergileyen dolgu duvarların yapı davranışını etkileyebileceği unutulmamalıdır. Öktem, (2003) yapığı çalışmada kullanımda olan bir çelik yapıda, çerçeve ile dolgu duvarın rijitlik farkından dolayı çatlaklar oluştuğunu belirtmiştir. Benzer şekilde bu çalışmada da inşası devam eden ve tamamlanmış yapılarda çelik çerçeve ile dolgu duvar arası çatlaklar dikkati çekmektedir (Şekil 6). Yapısal olarak dolgu duvara göre daha esnek ve sünek olan çelik, yapıya gelebilecek yatay ve işletme yükü altında deformasyon yapmak isterken bu durum dolgu duvarlar tarafından kısıtlanmaktadır. Ancak, plastik şekil değiştirme özellikleri betonarme yapılara oranla daha yüksek olması nedeniyle dolgu duvar-çelik çerçeve arası çatlakların oluşmasının önüne geçilemediği gözlenmektedir.
Uluslararası Katılımlı 7. Çelik Yapılar Sempozyumu 143 Şekil 6. İnşa halindeki çelik yapılar ve dolgu duvar- çelik çerçeve arası çatlaklar Dolgu Duvar Modelleme Şekilleri Dolgu duvarlar çerçevenin yanal rijitliğini önemli ölçüde arttırmakta, kolonlara destek olmakta ve enerji tüketimine katkı sağlamaktadır (Mehrabi vd., 1996, Murty ve Jain, 2000). Yapı tasarımında yatay yüklerin yalnızca kolon ve perdeler tarafından taşındığı kabul edilerek, dolgu duvarların depremde yatay yük taşıma kabiliyeti göz ardı edilmesiyle hesaplar yapılmaktadır. Ancak, çeşitli deneysel çalışmalarda da belirlendiği gibi deprem sırasında yapılardaki yanal deplasman talebine kolon ve perdelerle birlikte dolgu duvarlar da direnç göstermektedir. Nitekim deprem sonrasında dolgu duvarlarda oluşan çatlaklar ve ezilmeler bir miktar yanal yük taşıdıklarının açık göstergesidir. Dolgu duvarların hesaplananın dışındaki bu yanal yük taşıma kapasitesinin, tasarımcılar tarafından güvenli tarafta kalma şeklinde değerlendirilmesi ve olumlu bir rezerv olarak algılanması nedeniyle genellikle dikkate alınmamaktadır. Dolgu duvarların yapı sistemi çözümünde hesaba katılması durumunda yaygın olarak kullanılan modelleme şekilleri aşağıda sıralanmaktadır. Sonlu Elemanlar (Mikro) Modeli Bu yaklaşımda dolgu duvarlar iki veya üç boyutlu düzlemsel kabul edilen sonlu elemanlar ile modellenir. Bu model ile çok sayıda hiperstatik sistem ortaya çıkmakta ve bilgisayar ortamında çözülmeye ihtiyaç duyulmaktadır. Kabuk eleman olarak tasarlanan dolgu duvarlar çerçeve sisteme bağlantı elemanları ile bağlanmaktadır ve bu bağlantı elemanları yatay yük altında sadece basınca çalışmaktadır (Şekil 7).
144 Uluslararası Katılımlı 7. Çelik Yapılar Sempozyumu Şekil 7. Sonlu elemanlar modeli Eşdeğer Basınç Çubuğu (Makro) Modeli Dolgu duvarın diğer bir modellenme şeklide düzlemsel olarak yayıldığı çerçevenin eşdeğer bir çubuk elemana dönüştürülmesi kabulüdür (Şekil 8a). Çerçeve sistemlere gelen yatay yük altında diyagonal olarak, kolon kiriş birleşim bölgelerinde basınç oluşturmakta ve çubuk boyunca iletilmektedir (Kaltakcı ve ark., 2005). (a) (b) Şekil 8. (a) Dolgu duvar basınç çubuğu genişliği, (b) sünek çerçeve gevrek dolgu duvar davranışı Burada: d;diyagonal uzunluk, t; dolgu duvar kalınlığı, W ef; efektif duvar genişliği, E m; dolgu duvar elastisite modülü, E s; çerçeve elastisite modülü, H; kat yüksekliği, LLLL ıııı ; duvar açıklığı, L; çerçeve açıklığı, θ; eşdeğer basınç çubuğunun yatay ile yaptığı açı, Ic; kolonların atalet momentini göstermektedir. dddd = HHHH 2 + LLLL 2 (1)
Uluslararası Katılımlı 7. Çelik Yapılar Sempozyumu 145 wwww = 0,175 (λλλλ HHHH) 0,4 HHHH 2 + LLLL 2 λλλλ = π 2 4 EEEEEEEE tttt ssssssssssss2θ 4 Es Ic h (2) (3) Hesaplamalar yapıldığında her yerinde aynı özellik göstermeyen dolgu duvarın çerçeve içi dayanımlarının da aynı olmayacağı unutulmamalıdır. Zira, duvar yüksekliği, duvar kalınlığı, basınç dayanımı, harç ve sıva kalınlığı gibi parametreler dolgu duvarların elastisite modülünü etkilemektedir. Sonuç ve Öneriler Günümüzde çerçeve sistemli yapılarda ısı yalıtımı, odalara bölme ve mimari nedenlerden dolayı çerçeve arası boşluklar dolgu duvarlar ile doldurulmaktadır. Dolgu duvarların yapıya olumlu yada olumsuz etkilerinin olduğu bilinen bir gerçektir. Rijitlik farkı olan dolgu duvarçelik birleşimlerinde gözlenen çatlaklar, çelik yapı sistemine uygun bölme duvar malzemelerinin yaygınlaşması gerekliliğini göstermektedir. Benzer çatlakların betonarme yapılardaki kadar olmaması, dolgu duvarın çelik yapının esnekliğini karşılayabilecek şekilde teşkil edilmesi gerekir. 2016 TBDY taslağında, gevrek malzemeden yapılmış dolgu duvarlar ile çerçeve elemanlarının aralarında esnek derzli bağlantı elemanları seçeneği getirilmiştir. Kaynaklar Anıl, Ö. ve Altın, S. (2007) An experimental study on reinforced concrete partially infilled, frames, Engineering Structures, Cilt:29, No:3, pp. 449-660 Doğan, O. ve Bakırcı Er, Ş. (2011) Hareketli yük ve dolgu duvar dağılımının burulma düzensizliğine etkisi, International Journal of Engineering Research and Development, Vol:3, pp. 2-5 Kaplan, S.A. (2008) Dolgu duvarların betonarme taşıyıcı sistem performansına etkisi, Türkiye Mühendislik Haberleri, Sayı:452, pp. 49-62 İrtem E., Türker K. ve Hasgül U. (2005) Dolgu duvarlarının betonarme bina davranışına etkisi, itüdergisi/d, mühendislik, Cilt:4, Sayı:4, pp. 3-13 Beklen, C. ve Çagatay, İ.H. (2009) Çerçevelerde dolgu duvar modellerinin incelenmesi, Çukurova Üniversitesi Mimarlık Mühendislik Fakültesi Dergisi, Cilt:24 Sayı:1-2, pp. 1019-1011 Sevil, T., Baran M. ve Canbay, E. (2010) Tuğla dolgu duvarların B/A çerçeveli yapıların davranışına etkilerinin incelenmesi; deneysel ve kuramsal çalışmalar, International Journal of Engineering Research and Development, Vol:2, No:2, pp. 35-42 Murty, C.V.R. ve Jain, S.K. (2000) Benefıcıal ınfluence of masonry ınfıll walls on seısmıc performance of rc frame buıldıngs, 12 WCEE 2000, Vol:1790, pp. 1-6
146 Uluslararası Katılımlı 7. Çelik Yapılar Sempozyumu Kaymak, F. Ve Tuna, E. (2012) Bant pencereli ve tam dolgu duvarlı çelik çerçevelerin yanal monotonik yükleme etkisi altında lineer elastik hesabı, Gazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt:27, Sayı:3, pp. 547-556 Ghaffarzadeh H., Ghalghachi R.N, Redundancy in Steel Frames with Masonry Infill Walls, World Academy of Science, Engineering and Technology, Vol:3, No:10, pp. 415-421 Çağatay, İ.H. (2007) Binalarda kısa kolona etki eden paremetrelerin incelenmesi, Altıncı Ulusal Deprem Muhendisliği Konferansı Mehrabi, A.B., Shing, P.B., Schuller, M.P ve Noland, J.L. Experimental Evaluation of Masonry-Infilled RC Frames, Journal of Structural Engineering,Vol:122, Issue:3 Tabeshpour M.R., Azad A. ve Golafshani A.A (2012) Seismic behavior and retrofit of infilled frames, Earthquake-Resistant Structures - Design, Assessment and Rehabilitation, Vol:11, pp. 280-306 Kaltakcı, M.Y., Köken, A., Kamanlı, M. Ve Arslan, M.H. (2005) Çok katlı ve çok açıklıklı dolgu duvarlı çelik çerçevelerin tersinir-tekrarlanır yatay yükler altındaki davranışlarının lineer olmayan hesabı, İnşaat Mühendisleri Odası Kaltakcı, M.Y., Köken, A., Kamanlı, Korkmaz H.H. ve M. (2006) Dolgu duvarlı çelik çerçevelerin tersinir-tekrarlanır yükleme altındaki davranışı üzerinde deneysel bir çalışma, S.Ü. Müh.-Mim. Fak. Derg., Cilt:21, Sayı:1-2, pp. 34-48 Beklen, C. (2009) Binalarda dolgu duvar etkisinin incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi Öktem, O. (2003) Betonarme çerçeve sistemlerin lineer olmayan hesabı ve dolgu duvarın modellenmesi, Yüksek Lisans Tezi TBDY. (2016) Türkiye Bina Ve Deprem Yönetmeliği, Bayındırlık ve İskan Bakanlığı DBYBHY (2007) Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik, Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, Ankara Autocad 2008 (2007) Autodesk, Inc. USA Türkiye Gazbeton Üreticileri Birliği, http://www.tgub.org.tr/