Prefabrik Çerçeve Kolonlarının Temel Birleşimlerinde Soketli Temellere Alternatif Bir Sistem-Kolon Pabuçları ÖZET Prefabrik çerçeve kolonlarının temel birleşimlerinin çelik konstrüksiyon kolon pabuçları ve ankraj bulonları ile oluşturulması ülkemizde yaygın olarak kullanılmakta olan soketli temel uygulamasına alternatif bir sistemdir. Kolon-temel birleşimlerinin bu şekilde soket yapılmaksızın mekanik olarak uygulanması ile bir yandan montaj süresinden, diğer yandan da kazı, geri dolgu, izolasyon gibi alt yapı imalatları ile beton, beton-çeliği ve kalıp gibi kalemlerden ekonomi sağlanabilmektedir. Bu makalede, sözkonusu birleşim sistemini oluşturan elemanların özellikleri, elemanlar üzerinde sismik davranışın değerlendirilmesi amacıyla gerçekleştirilmiş olan deneysel çalışmaların özeti ve kolon pabuçlarının tasarımına yönelik hesap esasları yer almaktadır. 1. Giriş Prefabrike betonarme kolonların temellere bağlantısında uygulanmakta olan geleneksel yöntem, bilindiği gibi, prefabrike kolonların yuvalı (soket) temellere sokulması şeklindedir. Yerinde dökme veya prefabrike olarak imal edilebilen tekil yuvalı temellerde temel taban plağının üstünde kalan yuva kenar yüksekliği, kolon taban kesitine etkiyen eğilme momenti/basınç normal kuvveti oranına bağlı olarak kolon kenar uzunluklarının 1,5~2 katından daha büyük olmak zorundadır. Ayrıca, gerek yuva cidar kalınlığının gerekse kolon yüzü ile yuva kenarı iç yüzü arasında sonradan doldurulacak olan boşluk kalınlığının minimum değerleri için bile, yuva yüksekliğince kolon enkesit boyutlarının genelde 2 katı mertebesinde bir genişlemeyi gerektirmektedir. Kolonun yuva içinde kalan yüzünde ve yuva iç yüzlerinde, imalatı biraz zorlaştırsa da, kenetler oluşturulması halinde yuva yüksekliği bir miktar azaltılabilir. Özellikle radye temellerde, yuva boşluğunun radye plak kalınlığı içinde kalacak şekilde bırakılması halinde ise, bu durumun radye plağının en çok zorlandığı bölgelerde enkesit zayıflamasına neden olacağı açıktır. Çelik Kolon Pabuçları uygulaması, yuvalı temel sistemine alternatif bir çözüm getirmektedir. Prefabrike kolonun imalatı sırasında, kolon tabanında köşelere veya çevreye yerleştirilecek olan, en az 4 adet çelik kolon pabucu kalıp içine konulduktan sonra beton dökülmektedir. Temel imalatı sırasında temele yerleştirilen ankraj bulonları kolon pabuçlarının taban plağındaki deliklerden geçecek şekilde prefabrike kolonlar temele yerleştirilerek somunların sıkılmasıyla, prefabrike betonarme kolon-temel bağlantısı, çelik kolonların temellere mesnetlenmesine benzer şekilde gerçekleştirilmektedir, Şekil 1. Kolon pabuçları, kolon-temel birleşimlerine benzer şekilde, kolon-kolon birleşimlerinde de kullanılabilmekte ve bu şekilde çok katlı yüksek yapıların prefabrik olarak inşası, eleman (kolon) boyutlarına sınır getirmeksizin mümkün olabilmekte, ayrıca istenirse yapı yüksekliği boyunca kolon kesiti Cem ÖZER 1994 yılında İstanbul Teknik Üniversitesi İnşaat Mühendisliği bölümünden mezun oldu. 1996 yılında State University of New York at Buffalo da Deprem Mühendisliği yüksek lisans programını tamamladı. 1996-2000 yılları arasında New York eyaletinde köprü projelerinde tasarım mühendisi olarak çalışan Özer, 2000-2004 yılları arasında Skidmore, Owings & Merrill (SOM) San Francisco ofisinde çok katlı yapıların depreme dayanıklı tasarımı ve projelendirilmesinde görev yaptı. 2002 yılında California eyaleti Profesyonel Mühendislik (P.E.) lisansını aldı. 2004 yılında Türkiye ye dönerek STATICA Mühendislik, Mimarlık Müşavirlik Ltd. Şirketini kuran Özer, şirketin kuruluşundan bu yana yurt içi ve yurt dışında çeşitli mühendislik uygulama projelerine imza atmıştır. Bunun yanısıra 2009 yılında, betonarme yapıların birleşim elemanlarında Avrupa nın lider firmalarından biri olan Peikko Group ailesinin genç üyesi PEIKKO- Türkiye nin kuruluşunu gerçekleştiren Özer, şirketin Genel Müdürlüğü görevini de üstlenmiştir. küçültülerek ilave bir ekonomi sağlanabilmektedir. Bir kolon pabucunun taşıyabileceği kuvvet, esas olarak ankraj bulonunun hesap çekme dayanımına bağlı olarak belirlenmekte olup, kolon pabucu elemanları bu kuvvetin ankraj bulonundan NİSAN 2010 SAYI : 94 15
Şekil 1. Kolon pabuçları ve ankraj bulonlarının uygulanması Şekil 2. Kolon pabucu tasarım yazılımı ile elde edilen kolon kesiti (C1) ve birleşim kesitine (J1) ait M-N kapasite eğrilerinin elverişsiz iç kuvvetler ile karşılaştırılması 16 NİSAN 2010 SAYI : 94
Tablo 1. Tipik kolon pabuçlarına ait ölçüler [mm], ağırlıklar [kg] ve kapasiteler [kn] 16 20 24 30 39 toleranslar B 85 95 105 120 150 +3, -0 C 75 80 85 90 110 +2, -0 E 50 50 50 50 60 + 1 H 740 835 1040 1310 1775 + 10 t 15 20 30 45 50 Ø 27 30 35 40 55 +2, -0 X 30 30 30 30 37 ağırlık 2.1 3.5 6.1 12.3 23.3 kapasite 61,7 96,3 138,7 220,4 383,7 betonarme kolona aktarılması sırasında meydana gelecek zorlanmalara göre boyutlandırılarak tahkik edilmektedir. Kolon boyutları ile seçilen ankraj pabucu sayısı, tipi ve numarasına bağlı olarak, kolon-temel birleşim kesitinin taşıyabileceği iç kuvvetlere ait M-N kapasite eğrisi (karşılıklı etki diyagramı) belirlenmekte ve yapının dış etkilere göre hesabı sonucunda kolon alt kesitinde oluşan kesit tesirlerinin bu kapasite eğrisinin içinde kalması sağlanmaktadır. 2. Kolon Pabuçlu ve Ankraj Bulonlu Kolon-Temel Birleşimlerinin Sismik Davranışının Deneysel Olarak Değerlendirilmesi Şekil 3. Kolon pabucu elemanının sonlu elemanlar modeli (solda); M24 kolon pabucu elemanter deney düzeneği (sağda) Klasik yuvalı (soket) kolon-temel bağlantı detayına bir alternatif oluşturan kolon pabuçlu ve ankraj bulonlu kolon-temel birleşimlerinin ve bu birleşimlerin uygulandığı kolonların sismik davranışının izlenmesi amacıyla, İtalya daki Pavia Üniversitesi Yapı Mekaniği Laboratuarında bir seri deneysel çalışma gerçekleştirilmiştir, Şekil 3-6. Deneyler iki aşamada; önce tekil elemanlar üzerinde ardından kolon-temel birleşim sistemleri üzerinde gerçekleştirilmiştir. Bu deneysel incelemelerde, i- kolon pabucundaki kaynaklı birleşimlerin gerçek davranışının değerlendirilmesi ve kaynak gerilmelerinin lineer-elastik bölgede kaldığının kontrolü, ii- deney örneklerinin yerdeğiştirme sünekliklerinin ve sönüm oranlarının belirlenmesi, iii- kolon pabucu uygulanan kolonların rijitliklerinin diğer geleneksel kolontemel birleşimleri ile karşılaştırılması amaçlanmaktadır. Bu hususlara ilişkin olarak, deney veri- NİSAN 2010 SAYI : 94 17
Şekil 4. Kolon-temel sistemine ait geometrik ölçüler ve donatı detayları lerinin değerlendirilmesi ile elde edilen başlıca sonuçlar aşağıda sıralanmıştır. i- Deney örneklerinin taşıma kapasiteleri, ankraj bulonların çekme kapasiteleri tarafından kontrol edilmektedir. Diğer bir deyişle, ankraj bulonlarının plastik şekildeğiştirmeleri sırasında birleşimin diğer elemanlarındaki zorlanmalar ve kaynak gerilmeleri lineer-elastik bölgede kalmaktadır. ii- Kolon pabucu kullanarak kolontemel bağlantı detayı oluşturulan deney örneklerinin yerdeğiştirme sünekliği M>5 değerini almakta ve dayanım azalması terkedilebilir düzeyde kalmaktadır. Yatay yer- Şekil 5. Test düzeneği (solda) ve hedef %4.8 rolatif ötelenmeye karşı gelen deneysel maksimum deplasman (sağda) 18 NİSAN 2010 SAYI : 94
Şekil 6. N = 400 kn düşey yük etkisi altındaki test düzeneğine ait Taban Kesme kuvveti - Tepe yatay yerdeğiştirmesi eğrisi değiştirme oranının δ / h = % 1.2 değeri için çevrimsel sönüm oranı %6.5 değerine eşit olmakta ve artan çevrim sayısına bağlı olarak sönüm oranı da artmaktadır. iii- Deney örnekleri üzerinde gözlenen ve akma sınırına karşı gelen yatay yerdeğiştirme oranı % 1-1.3 arasında değişmekte ve bu tür sistemler için öngörülen % 2 sınırının altında kalmaktadır. 3. Kolon Pabuçları ve Ankraj Bulonlarının 2007 Türk Deprem Yönetmeliği ve İlgili Türk Standartları Çerçevesinde Kullanılması Çelik kolon pabuçları ve ankraj bulonlarının ülkemizde yürürlükte olan TS500 Betonarme Yapılar Standardı, TS9967 Prefabrike Betonarme Binaların Tasarım Standardı, TS648 Çelik Yapılar Standardı, 2007 Türk Deprem Yönetmeliği ve gerekli olan durumlarda ilgili Uluslararası yönetmelikler çerçevesinde kullanılmasına ilişkin bazı hususlar aşağıda maddeler halinde sıralanmıştır. a) 2007 Türk Deprem Yönetmeliği Madde 3.12.2.2 uyarınca, kolontemel bağlantı detayında kullanılan kolon pabucu elemanları ve ankraj bulonları, düşey yükler ve 1.5 katsayısı ile arttırılan deprem etkileri altında boyutlandırılmaktadır. Diğer bir deyişle, bağlantı elemanlarının tasarımı G : sabit yüklerden oluşan iç kuvvetler Q : hareketli yüklerden oluşan iç kuvvetler E : deprem etkilerinden meydana gelen iç kuvvetler olmak üzere G + Q + 1.5 E ve 0.9G + 1.5 E yüklemeleri için yapılmaktadır. b) Kolon pabuçlarının ve ankraj bulonlarının yük taşıma kapasitelerinın hesabı gerekli malzeme güvenlik katsayılarını içerdiğinden, birleşim hesaplarında ayrıca malzeme güvenlik katsayısı uygulanmasına gerek olmamaktadır. Diğer taraftan, birleşim hesaplarının taşıma gücü prensibine göre yapılması nedeniyle, Deprem Yönetmeliği nin 3.12.2.2 maddesinde belirtilen emniyet gerilmesi artırımı da söz konusu değildir. c) Kolon kesme kuvvetlerinin temele aktarılmasında, kesme sürtünmesi prensibine göre, n x N Rd x μ V koşulu sağlatılmaktadır. Burada n : ankraj bulonu sayısını N Rd : bir ankraj bulonunun tasarım çekme dayanımını μ V : kolon pabucu ile temel yüzeyi arasındaki sürtünme katsayısını (μ = 0.35) : düşey yükler ve 1.5 katsayısı ile arttırılan deprem etkilerinden oluşan kolon kesme kuvvetini göstermektedir. d) Kolon pabuçlarının prefabrike betonarme kolon ile integrasyonunun ve karşılıklı etkileşiminin sağlanması ve ankraj bulonları ile kenetlenme donatısı arasındaki dışmerkezlik ve benzeri nedenlerle oluşan enine çekme kuvvetlerinin karşılanması amacıyla öngörülen örnek konstrüktif donatı düzeni tipik bir kolon pabucu için Şekil 1 de verilmiştir. 4. Kolon Pabuçları ile Türkiye de Bir Uygulama Kolon papuçlarının Türkiye de kullanıldığı örnek bir uygulamada planda yaklaşık olarak 75 x 35 metre boyutlarındaki bir alanda, iki adet bodrum kat ve iki adet zemin üstü kattan oluşan binanın taşıyıcı sistemi prefabrike betonarme çerçevelerden oluşmaktadır. Top- NİSAN 2010 SAYI : 94 19
Şekil 9. İzmir-Balçova Media Markt projesinde montajı tamamlanmış taşıyıcı sistemin görüntüsü Şekil 7. 70 cm x 70 cm tipik kolonda 12 adet M30 Kolon pabuçlarının yerleşimi lam 67 adet 70cmx70cm boyutunda ve yaklaşık 16 metre yüksekliğindeki prefabrik betonarme kolonların radye temele montajı her bir kolona yerleştirilen 12 adet M30 kolon pabucu ile gerçekleştirilmiştir. Projede çelik kolon pabuçları kullanılarak şu avantajlar elde edilmiştir. Kazı miktarı, geri dolgu, izolasyon gibi alt-yapı imalatlarında ekonomi sağlanmıştır. Soket uygulanmadığı için bu imalatlar ile ilgili (beton, beton çeliği, kalıp, v.s.) kalemlerde ekonomi sağlanmıştır. Montaj süresi önemli ölçüde kısaltılarak hem montaj işlemlerine ait kalemlerde (vinç, iskele, montaj ekibi mesaisi) ekonomi sağlanmış, hem de iş programı açısından önemli bir avantaj elde edilmiştir. Şekil 8. İzmir-Balçova Media Markt projesinde kolon montajı Soket temel yerine mekanik bir birleşim uygulanarak, yapısal olarak yüksek kalitede bir birleşim elde edilmiştir. KAYNAKÇA 1. Peikko Column Shoes;, PPKM, PEC Manual, Peikko Group OY, Lahti, Finland, September 2007. 2. Evaluation of the Seismic Response of Column-Foundation Connections through Steel Column Shoes and Anchor Bolts, European Centre for Training and Research in Earthquake Engineering, EUCENTER, Pavia, Italy, February 2009. 3. Peikko Kolon Pabuçları ve Ankraj Bulonları Hakkında Teknik Rapor, İ.T.Ü. İnşaat Fakültesi Yapı Anabilim Dalı, İstanbul, Mayıs 2009. 4. Türk Deprem Yönetmeliği, TDY-2007 Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik, Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, Ankara, Mart 2007. 5. European Organisation for Technical Approvals (EOTA), ETAG 001 Guideline for European technical approval of metal anchors for use in concrete, Annex C: Design methods for anchorages, 2001. 20 NİSAN 2010 SAYI : 94