tuğla dolgu duvarlı çerçevelerin hasır donatı ile güçlendirilmesi

TUĞLA DOLGU DUVARLI ÇERÇEVELERİN HASIR DONATI İLE GÜÇLENDİRİLMESİ
Bora ACUN 1 , Haluk SUCUOĞLU1
[email protected] , [email protected]
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 Donatı, 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 (1m3 Beton İçin)
Çimento
0-3 kum
Ağırlıkça
268
429
(kg)
(%)
11.91
19.06
3-7 kum
857
7-15 Çakıl
455
Su
241
Toplam
2250
38.10
20.22
10.71
100
A
D
6Ø8
B
4Ø8
B
SECTION B-B
SECTION A-A
Ø4/100
A
Ø4/100
Ø4/100
10Ø16
C
SECTION C-C
Ø8/150
D
C
SECTION D-D
All dimensions are in mm
Şekil 1. Deney Elemanları ve Donatı 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
MRIF#1
MRIF#2
Referans*
Çerçeve Beton Dayanımı
(MPa)
Dolgu duvar
Sıva/Harç
derzleri
Dayanımı
Hasır donatı
(MPa)
sıvası
Kolon
Boyuna
Donatı
Enine
Donatı
Çelik
Hasır
Donatı
16.5
16.3
16.9
18.7
6.5
5.5
5.6
5.7
-
5.5
8.9
9.0
4φ8 (düz)
Kiriş
6φ8 (düz)
Akma
dayanımı
(MPa)
Çekme
dayanımı
(MPa)
Çap
Akma
dayanımı
(MPa)
Çekme
Dayanımı
(MPa)
Çap
Akma dayanımı
(MPa)
Çekme
Dayanımı
(MPa)
Donatı oranı
(ρ %)
MRIF#3
330
445
φ4 / 100 (düz)
220
355
φ1.05
-
16*16 mm göz aralıklı
340
420
-
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. Donatısı 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
Donatısı
Donatı
Sıvası
Sıva
Tuğla
Duvar
Hasır
Donatı
Kesit Detayı
Şekil 2. Güçlendirilmiş Eleman Genel Görünümü ve Hasır Donatı Uygulanan Duvar Kesiti Detayı
Dağıtma
Kirişi
Yük
Hücresi
Kriko
LVDT
Komparatör
Mafsallar
Dağıtma Kirişi
Kuvvetli Duvar
Kriko
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
175
175
MRIF#1
125
125
75
75
25
-0.025
-0.015
-0.005
-25
0.005
0.015
0.025
Yatay Yük (kN)
Yatay Yük (kN)
Referans
25
-0.025
-0.015
-0.005
-125
-175
0.015
0.025
-175
175
175
MRIF#3
125
125
75
75
25
-0.015
-0.005
-25
0.005
0.015
0.025
Yatay Yük (kN)
Yatay Yük (kN)
0.025
Tepe deplasmanı/Toplam yükseklik
MRIF#2
25
-0.025
-75
(c)
0.015
-125
(b)
Tepe deplasmanı/Toplam yükseklik
-0.025
0.005
-75
-75
(a)
-25
-125
-175
-0.015
-0.005
-25
0.005
-75
(d)
-125
-175
Tepe deplasmanı/Toplam yükseklik
Tepe deplasmanı/Toplam yükseklik
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
Yatay Yük (kN)
50
0
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
-50
-100
0.01
0.015
0.02
MRIF # 3
MRIF # 2
MRIF # 1
REFERANS
BOŞ ÇERÇEVE
-150
-200
Tepe deplasmanı/Toplam yükseklik
Şekil 5. Deney Sonuçlarına Bağlı Olarak Elde Edilen Zarf Eğrileri
Tablo 3. Deney Sonuçları
Eleman No
RİJİTLİK
KAPASİTE
Rijitlik Rijitlik artımı Rijitlik artımı Yatay yük Kapasite artımı Kapasite artımı
(kN/mm) (Eleman /
(Eleman / Boş kapasitesi
(Eleman /
(Eleman / Boş
Refer.)
(kN)
çerç.)
Refer.)
çerç.)
Boş
~5.7
12.25
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
~251.1
~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, 11th 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, 11th 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 3rd Seminar on Repair and Retrofit of Structures, US/Japan Cooperative Earthquake
Research Program, Dept. of Civil Engineering, University of Michigan, pp.328-349
971