TUĞLA DOLGU DUVARLI ÇERÇEVELERİN HASIR DONATI İLE GÜÇLENDİRİLMESİ Bora ACUN 1, Haluk SUCUOĞLU 1 bacun@metu.edu.tr, sucuoglu@ce.metu.edu.tr Öz: Güçlendirme tekniklerinin, yapı performansına katkıları, sosyal olarak kabul edilebilir olmaları, ekonomik uygunlukları ve teknik olarak uygulanabilirlik kriterleri gözetilerek ilerleyen teknoloji ve malzeme bilgisi ışığında geliştirilmeleri ve yeni yöntemlerinin oluşturulması gerekmektedir. Bu amaçlarla, ODTÜ Yapı Mekaniği Laboratuvarında devam etmekte olan deney serilerine ek olarak 1/3 ölçekli, tek açıklıklı, iki katlı betonarme çerçeve elemanlarında tuğla dolgu duvar üzerine çelik hasır tel uygulaması ile güçlendirme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Kullanılan hasır donatı oranı ile yüzeye uygulanan sıva dayanımı parametreleri değiştirilerek yürütülen deneylerden elde edilen sonuçlarlara göre önerilen tekniğin performansa katkısı araştırılmıştır. Sıva dayanımı ve donatı oranı parametrelerinin artımına bağlı olarak test edilen elemanların rijitlik ve yatay yük taşıma kapasitelerinde belirgin iyileşmeler gözlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Betonarme Çerçeve, Çelik Hasır, Güçlendirme, Tuğla Dolgu Duvar Giriş Bir deprem ülkesi olan Türkiye de bugüne kadar inşa edilmiş ve mevcut olan yapı stoğunun önemli bir kısmının depreme karşı dayanımlarının yeterli olmadığı gerçeği çok yakın bir geçmişte yaşanan acı tecrübelerle gözler önüne serilmiştir. Bu durumda, üretilmiş olan bu kusurlu yapıların deprem riski altında incelenmeleri ve gerekli görülenler için güçlendirme teknikleri uygulanarak yapısal anlamda istenen performans kriterlerini sağlayacak düzeye getirilmeleri gerekliliği ortaya çıkmıştır. İşte tam bu noktada, uygulanacak güçlendirme tekniğinin ne olacağı, tekniğin yapı performansına katkısı, sosyal olarak kabul edilebilirliği, ekonomik uygunluğu ve uygulanabilirliği soruları akla gelmektedir. Bu soruların cevaplarının netleştirilmesi adına pek çok ülkede olduğu gibi ülkemizde de deneysel ve analitik araştırma çalışmaları yapılmış ve yapılmaktadır (Sugano, 1982; Frosch ve diğ.,1996; Alcocer ve diğ.,1996; Sonuvar, 2001). Bu araştırmalara bağlı olarak ilerleyen teknoloji ve malzeme bilgisi ışığında daha önce önerilen ve kullanılan güçlendirme yöntemlerinin geliştirilmesi ve yeni yöntemlerin oluşturulması yönünde önemli mesafeler kaydedilmiştir. Bu bildiride, kusurlu olarak üretildikleri varsayılan yapılara ait tuğla dolgu duvarlı betonarme çerçevelerin, duvar yüzeyine uygulanan hasır donatı ile güçlendirilmelerine yönelik deneysel çalışmanın detayları sunulmuş ve elde edilen deney sonuçlarına bağlı olarak önerilen tekniğin yapının deprem güvenliğine katkısı incelenmiştir. Deneysel Çalışma Bugüne kadar ODTÜ Yapı Mekaniği Laboratuvarlarında, yapıların deprem yükleri altında performanslarının iyileştirilmesini sağlayacak yöntemlerin geliştirilmesi amacıyla pek çok deneysel çalışma yürütülmüştür. Bu çalışmalardan bir tanesi olan önüretimli beton panellerle dolgu duvarlı yapı çerçevelerinin güçlendirilmesine yönelik deney programı halen devam etmektedir. Bu araştırmaya paralel olarak, yine bu deney serilerinde kullanılmakta olan 1/3 ölçekli, tek açıklıklı, iki katlı, tuğla dolgu duvarlı betonarme çerçeve elemanlarının benzerleri kullanılarak, dolgu duvar üzerine çelik hasır tel uygulaması ile güçlendirme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla hazırlanan üç çerçeve elemanı, önerilen yöntemin değişik detayları uygulanarak güçlendirilmiş ve tersinir tekrarlanır yatay yük altında test edilmiştir. Güçlendirilen elemanların davranışı, Duvarcı (2003) nın deney programında kullandığı birebir aynı özelliklere sahip tuğla dolgu duvarlı referans elemanıyla karşılaştırılarak sonuçlar irdelenmiştir. Deney Elemanları Test edilecek deney elemanları özel metal kalıplarda yatay düzlemde üretilmiştir. Temsil edilmek istenen betonarme yapı çerçevelerinin (zayıf çerçeve) özellikleri gözönünde bulundurularak hazırlanan donatılar, kalıp içerisine yerleştirildikten sonra Tablo 1 de gösterilen karışım kullanılarak üretilen düşük dayanımlı beton dökümü 1 ODTÜ Mühendislik Fak. İnşaat Müh. Böl.,Ankara 965
gerçekleştirilmiş ve elemanlar küre alınmıştır. Deney elemanlarının boyutları ve donatı detayları Şekil 1 de gösterilmiştir. Tablo 1. Beton Karışımı (1m 3 Beton İçin) Çimento 0-3 kum 3-7 kum 7-15 Çakıl Su Toplam Ağırlıkça 268 429 857 455 241 20 (kg) (%) 11.91 19.06 38.10 20.22 10.71 100 A D A B B 6Ø8 4Ø8 Ø4/100 SECTION A-A 10Ø16 SECTION B-B Ø4/100 Ø4/100 C SECTION C-C Ø8/150 C D All dimensions are in mm SECTION D-D Şekil 1. Deney Elemanları ve Detayları Üretilen deney elemanları yeterli dayanımı kazandıklarında ayağa kaldırılarak yine özel olarak üretilmiş tuğlalarla dolgu duvarları örülmüştür. Dolgu duvar örümü için tuğlalar bir yüzeye birebir hizalanmış (dış yüzey), böylelikle diğer yüzeyde daha sonra çelik hasır tel uygulanabilmesi için girinti oluşturulmuştur (iç yüzey). Duvar örümünün hemen ardından her iki yüzey de sıvanmıştır. Sıvanın yeterli dayanımı kazanması için gerekli süre beklendikten sonra temsil edilmek istenen gerçek yapı çerçevesi için şartların oluştuğu kabul edilerek güçlendirme işine başlanmıştır. Aynı özelliklere sahip üretilen üç dolgu duvarlı betonarme çerçeve elemanından ilki (MRIF#1) düşük dayanımlı sıva (5.5 MPa) ve tek sıra hasır donatı (duvar kesitindeki hasır donatı oranı ρ=%0.043) kullanılarak güçlendirilmiştir. Deney elemanlarından ikincisi (MRIF#2), duvar yüzeyine uygulanan sıva dayanımının etkisini incelemek amacıyla ilk elemandan daha güçlü sıva kullanılarak güçlendirilmiştir. Yüzeydeki hasır donatı oranı ilk elemanla aynı tutulmuştur. Üçüncü deney elemanında (MRIF#3) ise ikinci deney elemanında kullanılan sıva dayanımının aynısı kullanılmış, duvar yüzeyine çift sıra hasır donatı (ρ=%0.086) uygulanarak güçlendirme gerçekleştirilmiştir. Deney elemanlarının özellikleri ve kullanılan malzemeler ile ilgili bilgiler Tablo 2 de özetlenmiştir. 966
Tablo 2. Deney Elemanlarının ve Malzemelerin Özellikleri Elemanlar Referans * MRIF#1 MRIF#2 MRIF#3 Çerçeve Beton Dayanımı 16.5 16.3 16.9 18.7 Dolgu duvar Sıva/Harç 6.5 5.5 5.6 5.7 derzleri Dayanımı Hasır donatı - 5.5 8.9 9.0 sıvası Boyuna Enine Çelik Hasır Kolon 4φ8 (düz) Kiriş 6φ8 (düz) Akma dayanımı 330 Çekme dayanımı 445 Çap φ4 / 100 (düz) Akma dayanımı 220 Çekme Dayanımı 355 Çap φ1.05-16*16 mm göz aralıklı Akma dayanımı 340 Çekme Dayanımı 420 oranı (ρ %) - 0.043 0.043 0.086 * Referans deney eleman özellikleri Duvarcı (2003) den alınmıştır. Güçlendirme Yöntemi Hazırlanan tuğla dolgu duvarlı çerçeve elemanlarının her bir katında iç yüzeyden uygulanacak güçlendirme için öncelikle iç yüzeyde kolon ve kirişlerde 20 cm aralıkla, epoksi ankarajlı çubukların yerleştirileceği delikler açılmıştır. Bu işlemle birlikte dolgu duvar gövdesine hasır donatıyı sabitleyecek ve düzlem dışı hareketini engelleyecek tutucular çakılmıştır. Yerleri hazırlanan ankaraj çubukları ile birlikte hasır donatı yüzeye yerleştirilip çerçeveye ve duvar gövdesine epoksi harcı ile belirlenen noktalardan sabitlenmiştir. Ankaraj için 6mm çapında nervürlü donatılar kullanılmış ve bu donatılar 10φ-12φ derinliğe kadar gömülmüştür. sı ve ankarajı tamamlanan yüzeylere 2-2.5 cm kalınlığında, hasır donatıyı tamamen örtecek şekilde ikinci kat sıva yapılarak güçlendirme işlemi tamamlanmıştır. (Şekil 2) Güçlendirme işleminde, özel üretimli, 1.05 mm çaplı, 16*16 mm göz aralıklı çelik hasır donatı kullanılmıştır. Korozyona karşı galvanizli olarak üretilmiş olan bu malzemede belirli aralıklarla girintiler mevcuttur. Bu girintiler vasıtası ile donatı ve uygulandığı duvar yüzeyi arasında paspayına gerek kalmadan boşluk oluşturulmuş ve uygulanan sıvanın duvar ile donatı arasına girmesi sağlanmıştır. Deney Düzeni ve Düzeneği Güçlendirilen deney elemanları önce, deneylerde kullanılmak üzere laboratuvar zeminine ankare edilmiş bir güçlü temel üzerine sabitlenmiştir. Eleman üzerine yerleştirilen çelik bir dağıtma kirişi vasıtasıyla kolon üst noktalarından her bir kolona 60kN yük gelecek şekilde, kablo ve kriko sistemi kullanılarak eksenel yük uygulanmıştır. Deney süresince bu yük sabit tutulmuştur. Tersinir tekrarlanır yatay yük, güçlü duvara bir ucundan mafsalla bağlanan bir kriko vasıtasıyla uygulanmıştır. Krikonun diger ucuna, eksenel yük uygulama düzeneğine benzer şekilde çelik bir dağıtma kirişi bağlanmış ve bu kiriş sayesinde yatay yükün elemanın her iki kat seviyesinden oranlı olarak uygulanması sağlamıştır. 967
Deney düzeneğinin genel görünümü ile eksenel ve yatay yük uygulama düzeneklerinin detayları Şekil 3 de verilmiştir. Kiriş Ankaraj sı Sıvası Hasır Sıva Tuğla Duvar Kesit Detayı Şekil 2. Güçlendirilmiş Eleman Genel Görünümü ve Hasır Uygulanan Duvar Kesiti Detayı Dağıtma Kirişi Yük Hücresi Kriko LVDT Komparatör Mafsallar Dağıtma Kirişi Kriko Kuvvetli Duvar Rijit Zemin Şekil 3. Deney ve Veri Toplama Düzeneği Deney elemanlarında iç yüzeyde girinti oluşturabilmek amacıyla dış yüzeye birebir hizalanarak örülen dolgu duvarların tersinir tekrarlanır yatay yük uygulanması sırasında elemanlarda düzlem dışı harekete sebep olabileceği düşünülmüş ve bu hareketin önlenebilmesi için çerçeve elemanlarının çevresine güçlü temele mesnetli çelik kafes sistemi yapılmıştır. 968
Bu sisteme deney elemanlarının kirişleri hizasına gelecek şekilde bağlanan kayıcı mesnetler yardımıyla yatay yükün, elemanların sadece düzlem içinde hareketine izin verecek şekilde uygulanması sağlanmıştır. Uygulanan sıva dayanımı ve hasır donatı oranı olarak seçilen deney parametrelerinin değiştirilmesi ile üretilen güçlendirilmiş üç çerçeve elemanı tersinir tekrarlanır yatay yük altında test edilmiştir. Daha önce de belirtildiği gibi Duvarcı (2003) nın deneylerinde kullandığı birebir aynı özelliklere sahip tuğla dolgu duvarlı referans elemanı yürütülen bu deney programı için de referans deneyi olarak alınmıştır. Gerçekleştirilen deneylerin ilk kısmı yük kontrollü yürütülürken elemanlarda kapasiteye ulaşıldıktan sonra deneylere deplasman kontrollü devam edilmiştir. Deney elemanları üzerine yerleştirilen veri toplama aletlerinden gelen veriler eş zamanlı olarak bilgisayarda toplanmıştır. Herbir çevrimin sonunda deneylere kısa süre ara verilerek elemanlar üzerindeki çatlak ve hasarlar tespit edilmiştir. Deney Sonuçları Gerçekleştirilen deneyler sonucunda güçlendirilen üç eleman ile referans elemanının yük-ötelenme oranı eğrileri aynı ölçek kullanılarak Şekil 4 de gösterilmiştir 1 1 Referans 1 MRIF#1 1-0.0-0.015-0.005 0.005 0.015 0.0 - -0.0-0.015-0.005-0.005 0.015 0.0 (a) -1 (b) -1 1 1 MRIF#2 1 MRIF#3 1-0.0-0.015-0.005-0.005 0.015 0.0-0.0-0.015-0.005 0.005 0.015 0.0 - (c) -1 (d) -1 Şekil 4. Deney Elemanları Yük Ötelenme Oranı Eğrileri Şekil 4.a da yük-ötelenme oranı gösterilen referans elemanı beklenen çerçeve davranışı göstermiştir. İleri yük çevrimlerinde ilk kat dolgu duvarında kesme çatlakları oluşmuştur. Kolonlarda eğilme çatlakları ile kolon-kiriş birleşim bölgesinde kesme çatlakları gözlenmiştir. Dolgu duvar ile çerçeve arasında ayrışma gerçekleştikten sonra deney elemanı rijitliğini büyük oranda kaybetmiştir. Şekil 4.b de yük-ötelenme oranı grafiği verilen güçlendirilmiş ilk elemanda (MRIF#1) referans elemanına göre rijitliğin arttığı gözlenmiştir. Yatay yük kapasitesinde artım ise yaklaşık 1.3 kat olmuştur. Deney sonunda dolgu duvar üzerinde yapılan incelemede, lokal olarak bazı bölgelerde sıvanın hasır donatı ile duvar yüzeyi arasına iyi yerleşmediği görülmüştür. Her ne kadar güçlendirilen elemanda dayanım ve rijitlik artımı sağlansa da, bu durum, sıva uygulaması sırasında dikkatli bir işçiliğin gerektiğini göstermektedir. Sıva dayanımı arttırılarak güçlendirilen ikinci elemanda da (MRIF#2), ilk eleman gibi referans elemanına göre dayanım ve rijitlik artımı sağlanmıştır. Gözlenen bu artıma rağmen, ilerleyen yük çevrimlerinde, çerçeve elemanının zayıflığına bağlı olarak, elemanda ilk kat kolon üst noktasında kesme kırılması oluşmuştur. 969
Hem sıva dayanımı hem de duvar kesitindeki hasır donatı oranı arttırılarak güçlendirilen üçüncü deney elemanına ait yük-ötelenme oranı grafiği Şekil 4.d de gösterilmiştir. Bu eleman, deney parametrelerindeki artıma da bağlı olarak, test edilen elemanlar arasında en yüksek dayanım ve kapasite artımını göstermiştir. İlerleyen yük çevrimlerinde duvar gövdesinde diyagonal çatlaklar oluşmuş ve genişleyen çatlaklara bağlı olarak deney sonlarına doğru hasır donatıda kopmalar meydana gelmiştir. Kolon dibinde oluşan mafsalların yanısıra birinci kat kolon üst uçlarında kesme çatlakları gözlenmiştir. Test edilen elemanların tersinir tekrarlanır yatay yük altında davranışlarının karşılaştırılabilmesi için, elemanlara ait yük-ötelenme oranı eğrilerinden yararlanılarak zarf eğrileri çizilmiştir. (Şekil 5) Deneyler sonucunda elde edilen verilere bağlı olarak hesaplanan rijitlik ve yatay yük taşıma kapasitelerindeki artımlar ise Tablo 3 de özetlenmiştir. 200 150 100 50 0-0.02-0.015-0.01-0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02-50 -100 MRIF # 3 MRIF # 2 MRIF # 1 REFERANS BOŞ ÇERÇEVE -150-200 Şekil 5. Deney Sonuçlarına Bağlı Olarak Elde Edilen Zarf Eğrileri Tablo 3. Deney Sonuçları Eleman No Rijitlik (kn/mm) RİJİTLİK Rijitlik artımı (Eleman / Refer.) Rijitlik artımı (Eleman / Boş çerç.) Yatay yük kapasitesi (kn) KAPASİTE Kapasite artımı (Eleman / Refer.) Kapasite artımı (Eleman / Boş çerç.) Boş ~5.7 - - 12. - - Çerçeve * Referans ** ~46.1 - ~8.1 79.3-6.5 MRIF#1 ~57.0 ~1.2 ~10.0 100.0 1.3 8.2 MRIF#2 ~141.9 ~3.1 ~24.9 122.7 1.5 10.0 MRIF#3 ~1.1 ~5.4 ~44.1 160.8 2.0 13.1 * Boş çerçeve ile ilgili deney sonuçları Sonuvar (2001) den alınmıştır. ** Referans deneyi ile ilgili deney sonuçları Duvarcı (2003) den alınmıştır. Sonuçlar ve Öneriler Türkiye de, olası dinamik etkiler altında, halihazırda kullanılmakta olan pek çok önemli yapının düşük performans göstereceği tahmin edilmektedir. Bu tespit ışığında, yapıların deprem güvenliklerinin arttırılması için güçlendirilmeleri gerekliliği ortaya çıkmıştır. 970
Sunulan bu çalışmada, yaygın olarak kullanılmakta olan güçlendirme tekniklerine ek olarak kullanılabilecek tuğla dolgu duvarlı betonarme çerçevelerde hasır donatı uygulaması ile güçlendirilme yöntemi incelenmiştir. Kullanılan ölçekli deney elemanları ve gerçekleştirilen kısıtlı sayıda deneyden elde edilen veriler ışığında şu sonuçlara ulaşılmıştır; Güçlendirme işlemlerinin en zor kısmı olan uygulamadaki zorluk, yapının boşaltılması ya da kısmi yıkımlar gerekmediğinden, önerilen yöntemin uygulanabilirlik anlamında oldukça avantajlı olduğu düşünülmektedir. Tekniğin uygulanmasında detay işçiliği ve kalıp gerekmemektedir. Bunların yanısıra kullanılan malzemeler de düşünüldüğünde uygulamada oldukça ekonomik sonuçlar elde edilebileceği görülmektedir. Gerçekleştirilen deneyler sonucunda, güçlendirme yönteminin, ekonomiklik ve uygulanabilirlik kriterlerinin yanısıra elemanların yatay yük taşıma kapasitelerinde ve rijitliklerinde önemli artımlar sağladığı gözlenmiştir. Yazarlar, önerilen güçlendirme yönteminin yapının deprem güvenliğine katkısının daha iyi anlaşılabilmesi için, değişik ölçekte ve boyutlarda elemanların kullanıldığı, değişik ankaraj detaylarının uygulandığı, duvar güçlendirilmesine ek olarak ilk kat kolon diplerinin ve kolon-kiriş birleşim bölgelerinin de lokal olarak güçlendirildiği, değişik yönelimli ve oranlı hasır donatı uygulandığı durumların da deneysel olarak incelenmesi gerektiğine inanmaktadırlar. Bütün bunlarla beraber deneysel olarak gözlenen davranışın analitik olarak da tahmini için çalışmalarını sürdürmektedirler. Teşekkür Deneylerde kullanılan çelik hasır donatı BEKSA tarafından temin edilmiştir. KAYNAKLAR 1. ALCOCER, S.M., RUIZ,J., PINEDA, J.A. and ZEPEDA J.A., 1996. Retrofitting of confined masonry walls with welded wire mesh, 11 th World Conference on Earthquake Engineering, Paper No:1471 Acapulco, Mexico. 2. DUVARCI, M., 2003. Seismic Strengthening of Reinforced Concrete Frames with Precast Concrete Panels, Masters Thesis Department of Civil Engineering, Middle East Technical University, Ankara, Turkey. 3. FROSCH, R., LI, W., JIRSA, J., KREGER, M., 1996. Seismic Strengthening of Nonductile RC Specimens Using Precast Infill Panels, 11 th World Conference on Earthquake Engineering, Acapulco, Mexico. 4. SONUVAR, O., 2001. Hysteretic Response of Reinforced Concrete Specimens Repaired by Means of Reinforced Concrete Infills, PhD Thesis Department of Civil Engineering, Middle East Technical University, Ankara, Turkey. 5. SUGANO, S.,1982. An Overview of the State of the Art in Seismic Strengthening of Existing Reinforced Concrete Buildings in Japan, Proc. of the 3 rd Seminar on Repair and Retrofit of Structures, US/Japan Cooperative Earthquake Research Program, Dept. of Civil Engineering, University of Michigan, pp.328-349 971