DEPREME MRUZ YIĞM DUVRIN KIRILMSI VE DEPREM YÖNETMELİĞİNİN İRDELENMESİ (Deneysel Çalışma) Recep KNIT, Mürsel ERDL, Nihat Sinan IŞIK, Ömer CN Mustafa Kemal YENER, Gökalp SERİMER, ve Latif Onur UĞUR Gazi Ünv. Teknik Eğitim Fak. Yapı Eğitimi Böl. nkara Ergin TIMTY ODTÜ İnş.Müh.Böl. nkara ÖZET Yığma yapıların sismik davranışı özetlenmiştir. Deprem kaynaklı maksimum yer hareketi yığma yapıyı sismik enerjiyle yükler. Bu enerji yapıda yanal deplasmana yol açar. Bu dinamik ötelemenin sonucu olarak zemin kattan çatı katına kadar ivmeler oluşur. Zemin ivmesi çatı katına ulaşıncaya kadar büyür. Bu şekilde, çatı katında oluşan maksimum büyümüş ivme, yığma duvarı hem düzlem içi hem de düzlem dışı yükler. Göçme mekanizmasını duvarların düzlem dışı dayanımının kontrol ettiği varsayılmıştır. Düzlem dışı tersinir yüklerle yüklenen yığma duvarların deneysel sonuçları sunulmuş ve açıklanmıştır. Tersinir yükün yönüne bağlı olarak duvarın davranışı değişmektedir. Erken göçmenin duvarın çevre mesnetlerini çekme gerilmesine maruz bırakan yükleme altında oluştuğu gözlenmiştir. Duvardaki ilk çatlaklar kırılma yükünün % 61 inde oluşmuştur. Çekme çatlakları oluştuktan sonra duvarın rijitliği yaklaşık % 51 oranında azalmıştır. Duvarın göçmesi, köşe mesnetlerin tepeden düşey olarak ayrışmasıyla oluşmuştur. Duvarın kendisi de çift yönlü betonarme döşemede akma çizgileri gibi çatlaklar oluşturmuştur. Maksimum göçme yüküne (F u = 65 kn) erişildikten sonra yük F = 55 kn a, yani maksimum yükün % 84.6 sına düşmüştür. Duvarın histeretik davranışı kesme kırılması nı andırmaktadır ve kabul edilebilir süneklik oluşmamıştır. Bu durumda, Y-97 de verilen R = 2.5 katsayısının geçerliliği sorgulanmalıdır. caba R = 2.5, yalnız düzlem içi yüklenen bir duvar için mi verilmiştir? nahtar Kelimeler: Yığma yapı, Düzlem dışı yük, Deprem ivmeleri
BSTRCT The seismic behaviour of masonry buildings is summarized. The maximum ground motion due to earthquake loads the masonry building with seismic energy. This energy causes sway displacement in the building. s a result of this dynamic sway, accelerations occur from ground level to the roof level. The ground acceleration is magnified as it travels to the roof level. Thus, maximum magnified acceleration occurs at the roof level, which loads the masonry wall in plane as well as out of plane. It is postulated that the out of plane strength of the walls controls the failure. The experimental results of a masonry wall loaded out of plane reversing loads are presented and interpreted. Dependent on the direction of the reversing load the behaviour of the wall changes. Earlier failure comes under the loading which puts the peripheral supports of the wall under tension. The first cracking in the wall occurs at 61 % of the ultimate load. fter tension cracking occurs, the stiffness of the wall is reduced by about 51 %. Failure of the wall occurs by splitting of the corner supports, vertically from top. The wall itself develops cracks, similar to yield lines of a two-way reinforced concrete frames. fter the maximum failure load is reached at F u = 65 kn, the load drops down to F = 55 kn, which means a drop to 84.6 %. The hysteresis behaviour of the wall resembles a shear failure and no satisfactory ductility has been realized. In light of the observed behaviour, the validity of R = 2.5 as given in the Turkish Earthquake Code is to be questioned. Is it possible that R = 2.5 is specified for in-plane loading but not for out-of-plane loading? Keywords: Masonry Structure, Out of plane loading, Seismic accelerations 1. GİRİŞ Depremler, betonarme ve çelik yapılar kadar yığma binaları da etkilerler. Yığma binalar da, en az betonarme ve çelik yapılar kadar deprem tehdidi altındadır demek yanlış olmayacaktır. Deprem güvenli yapılar yapabilmek için araştırma çabaları, çok büyük ölçüde betonarme ve çelik yapılar üzerinde yoğunlaşmıştır. Batıdaki ülkeler için bu anlamlıdır, çünkü söz konusu ülkelerde olağan yapı tipi betonarme ve çeliktir. Oysa, Türkiye de olduğu kadar Orta Doğu ve Doğu da yer alan ülkelerde, tuğla, kerpiç ve taş yığma duvarlar geleneksel yapı tipini oluşturmaktadır. Depremler, betonarme ve çelik yapılar kadar, yığma binaların da çökmesine ve can kaybına sebep olmaktadır. Buradan hareketle, yığma binaların deprem davranışını anlamak ve bu tip yapıları deprem güvenli duruma getirmek son derece önem kazanmaktadır. Olağan mühendislik faaliyetleri de betonarme ve çelik yapılar üzerinde yapılmaktadır. Betonarme ve çelik yapıların deprem davranışını bilen mühendis, yığma binaların deprem davranışı üzerinde yorum yapamamakta ve şaşırmaktadır.
2. DEPREM ve YIĞM BİNLR Depreme maruz yığma bir binanın dinamik davranışı Şekil (1) de gösterilmiştir. B y 3. 2. z x 1. E 0(g) ivmesi m S(T). 0(g) m m (g) 0 y(t) 0(g) y e = etkili kütle merkezi Şekil (1) : Yığma Binanın Dinamik Davranışı Depreme maruz yığma bina 1. modunun gerektirdiği yönde ötelenir, y(t). Bu ötelenmenin ikinci zaman türevi olarak, temelden çatıya bir ivme dağılımı ortaya çıkar. fet yönetmelikleri bu ivme dağılışının doğrusal olduğunu kabul ederler. ncak, temel kotunda ivmenin sıfır değil 0 (g) olduğu gerçeği de göz önünde bulundurulmalıdır. Yığma yapının doğal periyoduna bağlı olarak, yapıda deprem kuvvetleri oluşur. Kat düzeylerinde yoğunlaştırılan kütlelere ve bunlara tekabül eden ivmelere bağlı olarak, bu deprem kuvvetlerinin dağılımı ters üçgen görünümündedir. Şekil (2) de gösterildiği gibi, duvarı düzleminde f 1, f 2 ve f 3 kat deprem kuvvetleri oluşur. duvarı için kesme kuvveti diyagramı da Şekil (2) de gösterilmiştir. duvarı, en alt katta (1. kat altında) maksimum deprem etkilerine maruzdur, Şekil (3). duvarı düzlem içi yüklenmiştir.
3 f 3 2 f 2 1 f 1 V V t = f 1 + f 2 + f 3 V t = f 1 + f 2 + f 3 Şekil (2) : Duvarı Üzerinde Oluşan Deprem Kuvvetleri ve Kesme Kuvvet Diyagramı 1 N, M V t X kesme çatlakları Ezilme ve Çatlama Ezilme ve Çatlama Şekil (3) : Düzlem İçi Deprem Zorlamaları ve Etkileri 3-boyutlu yığma binada, Şekil (1), B duvarında da deprem etkileri oluşacaktır. caba bu etki nasıl olacaktır? Yapının doğal periyoduna bağlı olarak, depreme maruz yığma yapı ve buna bağlı olarak 1., 2. ve 3. kat döşemeleri x-yönünde ivmelere maruz kalacaklardır, Şekil (4). Maksimum yer ivmesinin 1. derece deprem bölgesine tekabül eden 0.4(g) değerinde olduğu düşünülsün. X-yönündeki deprem altında, 1. moduna bağlı olarak x-yönünde ötelenen yığma yapıda, 2. ve 3. kat döşemelerinin ivmeleri Şekil (4) te gösterilmiştir. 2. ve 3. katlar arasında yer alan B duvarı da düzlemine dik olarak, ivmelere, titreşimlere ve ötelenmelere maruz kalacaktır, Şekil (5).
a(3) a(2) a(3) 0.4g(2.5) a(2) y e = etkili kütle merkezi 3. 2. 1. B Duvarları (B Duvarına Dik) 0.4(g) İvme Profili DEPREM z y x Şekil (4) : B Duvarının Mesnetlendiği 2. ve 3. Kat Döşemelerine Tekabül Eden İvmeler y z a(3) x B f E = B duvarı düzlemine etkiyen sismik kuvvetler Düzlem dışı kuvvetler a(2) Şekil (5) : X - Yönünde Deprem Hareketi ltında B Duvarında Düzlem Dışı Sismik Kuvvetlerin Oluşumu B duvarının a(2) ve a(3) ivmelerinin ortalaması ile zorlandığı düşünülebilir. a(ort) = [a(2) + a(1)] / 2 (1)
2. ve 3. kat döşemelerinin doğal periyodu T f, B duvarının düzlem dışı doğal periyodu ise T w olsun. a(ort) ivmesine maruz kalan B duvarı T w /T f oranına bağlı olarak a(ort) ivmesini büyütecektir, Şekil (6). 3. Kat S(T) B duvarında oluşan max düzlem dışı ivme a(ort) B Duvarı 1.0 T w /T f 2. Kat a(ort) Şekil (6) : B Duvarında Oluşan Düzlem Dışı İvme Tabandan alınan ivmenin, yapının doğal periyoduna bağlı olarak büyümesi, Tepki Spektrumu kavramını oluşturan gerçektir. Türk Deprem Yönetmeliği nde (Y-97) bu büyüme S(T) = 2.5 olarak kabul edilmiştir. Şimdi cevaplanması gereken soru şudur: a(ort) ivmesine maruz B duvarında, döşemenin doğal periyodu T f ile B duvarının düzlem dışı doğal periyodu T w arasındaki oran T w /T f, ne büyüklükte bir enerji alışverişine yol açmaktadır? Döşemenin sonsuz rijit olmadığı kabul edilmiştir. Yığma binalarda kullanılan ince döşemenin sonsuz rijit davranmayacağı yaygın kabul görmektedir Bu, cevap verilmesi çok kolay bir soru değildir. Cevabın çok karmaşık ve non-lineer analizleri gerektirdiği açıktır. Bazı analiz ve deneylerden sonra, Paulay (1990), bu büyümenin ortalama 2.0 olarak alınabileceğini önermektedir. Bu durumda 0.4(g) maksimum yer ivmesine maruz bir yığma yapıda, 2. ve 3. kat arasında yer alan B duvarında, maksimum düzlem dışı ivme aşağıda gösterildiği gibi oluşur. 0 (g) = 0.4 Maksimum yer ivmesi : Y-97 : 6.4.1 S(T) = 2.5 Maksimum spektrum katsayısı : Y-97 : 10.2
a(3) = 0.4(g)(2.5) = 1.0(g) a(2) = 2/3 a(3) = 0.67g a(ort) = [a(3) + a(2)] / 2 = 0.835(g) a(b) = 2 0.835(g) = 1.67(g) B duvarının düzlem dışı ivmesi Görüleceği gibi B duvarı 1.67(g) lik düzlem dışı bir ivmeye maruz kalmaktadır. Bu gerçekten çok büyük bir ivme düzeyidir. Bu durumda, çok önemli bir soru daha sorulmalıdır. Y-97 yığma yapılar için (Y- 97:10.2) Yapı Davranış Katsayısı nın R a (T 1 ) = 2.5 olarak alınmasını istemektedir. Doğal olarak bu, belli düzeyde bir süneklik in oluştuğunu varsaymaktadır. caba, düzlem dışı yüklenen B duvarında R a (T 1 ) = 2.5 kullanılabilir mi? Bu soruya cevap verebilmek için, düzlem dışı yüklenen bir duvarın deneyi programlanmıştır. Bu deney programından cevaplanması beklenen bazı sorular aşağıda verilmektedir. 1. Düzlem dışı yüklenen duvarda oluşan kırılma mekanizması nasıldır? 2. Tersinir yük altında düzlem dışı yüklenen duvar, bina içine mi yoksa bina dışına yüklenmede mi daha kritik olacaktır? 3. Çatlak oluşumu nasıl olacaktır? 4. Düzlem dışı sehim nasıl olacaktır? 5. Enerji tüketimi nasıl olacaktır? Histeresis eğrisinin şekli nasıl olacaktır? 6. Duvarın sünekliği nasıl olacaktır? Y-97 nin öngördüğü R a (T 1 ) = 2.5 ne kadar gerçekçidir? 3. DENEYSEL ÇLIŞM Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Yapı eğitimi Bölümü, Deprem raştırma Laboratuvarı nda yapılan deneyde bir yığma duvarın düzlem dışı kırılması araştırılmıştır. Deneysel modelin geometrik özellikleri Şekil (7) de verilmiştir. Deney duvar düzlem dışı ve tersinir yük altında kırılma oluşuncaya kadar denenmiştir. Şekil (8) de düzlem dışı yüklenen duvarın kırılma deseni gösterilmiştir. Tersinir yük altında kırılma, köşe mesnetlerini çekmeye maruz bırakan yükleme etkisi altında oluşmuştur. 3.1 Malzeme ve Geometrik Özellikler Deney duvarının yapımında TS-771-1 e uygun 190x190x50 mm boyutlarına sahip kil bazlı dolu Harman tuğlası kullanılmıştır. Kullanılan tuğlanın TS-772-1:2000 standardına gore yapılmış dayanımları aşağıda verilmiştir. Tuğlanın basınç dayanımı Tuğlanın eğilme dayanımı : 23.17 MPa : 2.61 MPa Deney duvarı 1 tuğla kalınlığında olup, her iki yüzüne 200 mm kaba sıva ve 10 mm ince sıva uygulanmıştır.
Şekil (7) : Deney Duvarının Geometrik Özellikleri
Şekil (8) : Düzlem Dışı Yüklenen Duvarın Kırılma Deseni 4. GÖZLEMLER ve YORUMLR Düzlem dışı yüklenen yığma duvarın histeresis eğrisi Şekil (9) da gösterilmiştir. 1. Tuğla duvar, düzlem dışı yüklemelerin doğrultusuna bağlı olarak, değişik davranış göstermektedir. 2. Mesnetlerde basınç oluşturan yükleme durumunda, düzlem dışı yüklenen duvarın dayanımı yüksek olmuştur. 3. Mesnetlerde çekme oluşturan yükleme durumunda, düzlem dışı yüklenen duvarda kırılma oluşmuştur. 4. İlk çatlama (40 kn) yük altında oluşmuştur. Kırılma ise, (65 kn) yük altında oluşmuştur. Çatlama oluşumu, kırılma yükünün 40 / 65 = 0.61 (%61) büyüklüğünde gözlenmiştir. 5. İlk çatlak oluştuktan sonra, duvarın rijitliği (~%50) azalmıştır. ncak, kırılma oluşmamıştır! 6. Duvarın kırılması, mesnetlerin çekmeye çalıştığı yükleme durumunda, mesnet çizgisine paralel düşey doğrultuda çatlakların oluşmasıyla başlamış ancak döşemenin kırılma deseni oluşturmasıyla sonuçlanmıştır.
- Şekil (9) Düzlem dışı yüklenen duvarın yük-deplasman çevirim eğrisi Şekil (9) da gösterilmiştir. 5. DENEY GÖZLEMLERİ Şekil (9) : Düzlem Dışı Yüklenen Duvarın Yük-Deplasman Çevirim Eğrileri 7. Kırılma yüküne ulaşıldıktan sonra 20(F u = 65 kn), yük F = 55 kn a düşmüştür. Yük düşüşü = 55 / 65 = 0.846. 8. Duvar, F = 55 kn yükü, iki yük çevrimi daha taşımaya devam etmiştir. ncak, 0 taşınan yükün büyüklüğü devamlı olarak 3 mm ve süratle ~10 mm düşmüştür. (mm) 40 9. Düzlem dışı yüklenen duvarın histeresis davranışı bir kesme kırılması na benzemektedir. Kırılma gevrek oluşmuş -20 ve sismik enerji tüketimi çok az olmuştur. Maksimum F/4 yük F u = 65 kn a ulaşıldıktan sonra, yük süratle azalmış ve kırılma deseni tamamlanmıştır. -40 10. Düzlem dışı yüklenen duvarda Y-97 nin öngördüğü R = 2.5 Davranış zaltma Katsayısı nı F/4 haklı çıkaracak bir süneklik oluşmamıştır. caba, Y-97 düzlem içi yüklenen yığma duvarlar için mi R -60= 2.5 katsayısını öngörmüştür? 11. Deney duvarının geometrik boyutları değiştirilerek ve kapı / pencere boşlukları oluşturularak, düzlem dışı yükleme deneylerine devam edilecektir. -80 12. Düzlem dışı yüklenen yığma duvarların sismik davranışı anlaşıldıktan sonra, mevcut yığma binaların depreme karşı güçlendirme arayışlarına geçilecektir. Teşekkür İlk çatlama = 40 kn Yük - Deplasman Grafiği -40-30 -20-10 0 10 20 30 80 60 40 F (kn) Fu = 65 kn Bu çalışma DPT nin maddi destek verdiği Yaygınlaştırılmış Ulusal ve Uluslararası Projeler BP-08-11-DPT2004 K 12 07 60 kodlu proje kapsamında yapılmıştır. Projede, Gazi Üniversitesi (nkara), Süleyman Demirel Üniversitesi (Isparta), Pamukkale Üniversitesi (Denizli), Erciyes Üniversitesi (Kayseri), Selçuk Üniversitesi (Konya) ve Orta Doğu Teknik Üniversitesi (nkara) ortaklık içinde çalışmaktadır. F/4 F/4 KYNKÇ [1] T. Paulay and M.S.N. Priestley, 1992, Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings, John Wiley & Sons, Inc. [2] W. Sahlin, 1971, Structural Masonry, Prentice Hall, Englewood Cliffs, N.J. [3] R.R. Schneider and W.L. Dickey, 1980, Reinforced Masonry Design, Prentice Hall, Englewood Cliffs, N.J. [4] fet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik, 1997, Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, fet İşleri Genel Müdürlüğü, nkara. [5].W. Hendry, 1990, Structural Masonry, Macmillan Education, Ltd., Hong Kong. [6] B.P. Sinha, M.D. Loftus and R. Temple, 1979, Lateral Strength of Model Brickwork Panels, Proc. Instn. Civil Engrs., 67(1979) 191-8. [7] TS-771-1, Harman Tuğlası, Türk Standartları Enstitüsü, 1979.[8] TS-772-1, Kagir Birimlerinin Basınç Dayanımının Tayini Metodu, Türk Standartları Enstitüsü, 2002.