Slayt 1 - İstanbul Kültür Üniversitesi

T.C.
İSTANBUL KÜLTÜR ÜNİVERSİTESİ
İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
BETONARME YAPILARIN GELENEKSEL
YÖNTEMLERLE DEPREME KARŞI
GÜÇLENDİRİLMESİ
Dr.Erdal Coşkun
İnşaat Yüksek Mühendisi
1
Giriş
•
Yurdumuz dünyanın en etkin deprem kuşaklarından birinin üzerinde
bulunmaktadır. Geçmişte yurdumuzda birçok yıkıcı depremler
olduğu gibi, gelecekte de sık sık oluşacak depremlerle büyük can ve
mal kaybına uğrayacağımız akıldan çıkarılmamalıdır.
•
Deprem Bölgeleri Haritası'na göre, yurdumuzun %92'sinin deprem
bölgeleri içerisinde olduğu, nüfusumuzun %95'inin deprem tehlikesi
altında yaşadığı ve ayrıca büyük sanayi merkezlerinin %98'i ve
barajlarımızın
%93'ünün
deprem
bölgesinde
bulunduğu
bilinmektedir.
•
Son 58 yıl içerisinde depremlerden, 58.202 vatandaşımız hayatını
kaybetmiş, 122.096 kişi yaralanmış ve yaklaşık olarak 411.465 bina
yıkılmış veya ağır hasar görmüştür. Sonuç olarak denilebilir ki,
depremlerden her yıl ortalama 1.003 vatandaşımız ölmekte ve 7.094
bina yıkılmaktadır.
2
Terminoloji, Amaç
Onarım (Repair), hasar görmüş bir yapıyı ya da yapı elemanını
öngörülen bir güvenlik düzeyine getirmek için yapılan işlemlerdir.
Güçlendirme (Strengthening), hasar görmemiş bir yapıyı ya da yapı
elemanını geçerli bir güvenlik düzeyine çıkarmak için yapılan işlemlerdir.
Konuyla ilgili İngilizce yayınlarda sıkça geçen ve giderek teknik
literatürümüze de giren “Retrofit” kelimesi yapıların depreme karşı
güçlendirilmesi anlamına gelen genel bir kelimedir. Örneğin, kolonların ya
da kirişlerin mantolanması birer “Retrofit” işlemidir.
Onarımdaki amaç önceki durumu geri getirmektir, bu kullanım
bakımından olabileceği gibi yapının yük taşıma kapasitesini, rijitliğini,
sünekliğini ve dayanıklılığını artırmak şeklinde olabilir.
Güçlendirmedeki amaç ise, yapının dayanım ve benzeri karakteristiklerini
önceki düzeyinin üstüne çıkartmaktır.
3
Onarım ve Güçlendirme Süreçleri
Yapının mevcut halinin belirlenmesi (çatlaklar, deformasyonlar,hasarlar),Sistemin durumu
Onarım ve/veya güçlendirmenin gereklerinin belirlenmesi
Onarım ve/veya güçlendirme programının hazırlanması
Onarım ve güçlendirmeden sonra yapıda temin edilmesi istenen hedeflerin belirlenmesi
Önerilen onarım ve /veya güçlendirme sistemlerinin uygunluğunun belirlenmesi
İnşaatın kalitesinin denetlenmesi
4
Betonarme Yapılarda Gözlenen Kusurlar,Hasar Nedenleri
Uygun olmayan taşıyıcı sistem düzenlemeleri
Donatı detaylarının yetersiz veya zayıf olması
İnşaat hataları, yeterli denetimin olmayışı
5
Deprem Riski Altındaki Yapılar
Planda ve düşeyde simetrik olmayan sistemler
Kat alanları ve kat yükseklikleri yapı yüksekliği boyunca değişkenlik gösteren sistemler
Diyaframda büyük boşluklar içeren ya da zayıf diyafram bağları olan sistemler
Sistemdeki süreksizlikler nedeniyle yükleri en kısa yoldan zemine aktaramayan yapılar
Bitişik düzende olan yapılar
Büyük ağırlıkların, kütlelerin bulunduğu yapılar
Yapıda yumuşak kat, kısa kolon bulunması
Donatıda korozyon, yetersiz donatı yüzdesi,düşük beton kalitesi, kötü işçilik
Olumsuz zemin koşulları, yetersiz temel bağlantıları
6
Hasarlar
7
Donatı Detaylarının Zayıf veya Yetersiz Olması
Kiriş kolon birleşimlerinde gerektiği gibi etriye
sıklaştırılması yapılmamıştır.
Etriye uçlarının kenetlenmesi genellikle kabuk
betonu içinde kalmaktadır.
Düşey donatının bindirme boyları yönetmeliğin
öngördüğünden kısa tutulmaktadır.
Etriyelerin deprem kuvvetine karşı üç önemli etkisi vardır:
9
Kesme kuvvetine karşı kolonun dayanımını artırmak.
9
Sargı donatısı olarak betonun sünekliğini artırmak.
9
Boyuna donatının bindirmeli eklerinde aderansı
artırmak.
8
Zayıf Kolon-Güçlü Kiriş Problemi
Zayıf kolon-güçlü kiriş halinde kolonlar mekanizma durumuna
geçerek, yapı göçme moduna girebilmektedir. Kolonların
güçlü, kirişlerin zayıf olması halinde ise plastik mafsallaşma
kiriş uçlarında meydana gelmekte, büyük deformasyonlarda
dahi sistem stabilitesini koruyarak sünek bir davranış
gösterebilmektedir
9
Kolonlarda Hasar Nedenleri
Deprem esnasında kolonlara gelen kesme kuvvetini karşılayacak yeterli
etriye yoksa kolonda ani ve gevrek kırılma meydana gelebilir. Kolonlarda
yaygın, genişlemiş kesme çatlakları ağır hasarın varlığına işarettir. Doğru
yerleştirilmiş donatı, çatlağın genişlemesini önleyerek kılcal düzeyde
kalmasını
sağlar.
Donatı,
olabildiğince
asal
çekme
gerilmeleri
doğrultusunda yerleştirilmelidir.
Kolonun depremde iyi bir davranış göstermesi için uçlarının sarılmasının
yanısıra, kesit boyutlarının da büyük seçilmesi gerekir. Onarım ve
güçlendirmedeki bir amaç da kolon kesitlerinin artırılmasıdır.
10
Bina köşelerinde 1.5 m lik konsol ötelemesi ve etkileri
11
İnşaat Hataları, Yeterli Denetim Olmayışı
Son yıllarda meydana gelen depremlerin gösterdikleri Türkiye’de etkin denetimin
yapılmadığını açıkça ortaya koymaktadır. Öncelikle projede öngörülen beton
kalitesinin oldukça altında beton üretildiğinden, dayanım küçük çıkmakta, betonda
aderans (bond) özelliği büyük ölçüde kaybolmaktadır. Depremlerden sonra hasarlı
binaların incelenmesi sonucu kullanılan beton kalitesinin BS5-BS15 civarında
olduğu
saptanmıştır.
Yukarıda
detaylı
olarak
bahs
edildiği
gibi
donatı
yerleştirilmesinde bilinçsizce yapılan hatalar yıkıcı hasarlara neden olmaktadır.
12
Kötü detaylandırma, kötü malzeme ve işçilik
13
Perdelerde Hasar Nedenleri
Perdeler kırılma konumuna kesme veya eğilme nedeniyle ulaşabilir.
Eğilme kırılmasına eğilme çatlağı boyunca donatının akması ile ulaşılır.
Kesmenin davranışa hakim olduğu durumlarda asal çekme gerilmelerine
dik yönde oluşan eğik çatlaklar kırılmaya neden olmaktadır.
Bu aşamadan sonra perdeler devreden çıkar ve yapı rijitliğini büyük
ölçüde kaybederek ağır hasar görebilir. Kolonlarda anlatıldığı gibi eksik
ve hatalı donatı düzenlemesi, yetersiz kesit boyutları perdelerde de
hasar nedeni olarak söylenebilir.
Kesme ve Basınç Hasarı
Birlikte
14
Güçlendirmedeki amaç:
• Yapının performansını yürürlükteki Deprem
Yönetmeliğinin belirlediği düzeye çıkarmak.
• Yapının performansını depremde toptan
göçmeyi önleyecek düzeye çıkarmak
(iyileştirmek).
15
Yapıların Güçlendirilmesinde Esas Alınacak Sınıflandırma
Yüksek olmayan betonarme ve yığma bina
(7 ve betonarme ya da daha az katlı)
Az katlı
(Betonarme 1-3,
yığma 1-3)
Çok katlı
(Betonarme 4-7,
yığma 4-7)
Konut
Basitleştirilmiş
Güçlendirme
Basitleştirilmiş ya da
kapsamlı
güçlendirme
Önemli Yapı
Kapsamlı Güçlendirme
Yüksek
betonarme bina
(8 ve daha çok
katlı)
Çelik Yapı
Kapsamlı
Güçlendirme
Kapsamlı
Güçlendirme
16
Basitleştirilmiş güçlendirme
•
Taşıyıcı Duvarların artırılması
•
Bölme duvarlarının klasik yöntemlerle taşıyıcı hale dönüştürülmesi
•
Öndöküm betonarme panellerle taşıyıcı sistem oluşturulması
•
Bodrumda çevre perdesi yapılması
•
Kat azaltılması
•
Ağır balkonların ve parapetlerin kaldırılması
•
Binada mevcut düzensizliklerin kaldırılması
•
Bölme duvarların lif takviyeli kompozitlerle taşıyıcı hale dönüştürülmesi
17
Kapsamlı Güçlendirme
‰ Yapı taşıyıcı sisteminin dayanımını ve rijitliğini artırmak
• Betonarme perde eklemek (kolonlarla birleşen perdeler, dıştan eklenen
perdeler.
• Diyagonalli çelik çerçeveler eklemek
‰ Sistemin sünekliliğini artırmak
• Kolonlarda kuşatma yapılması (Çelik levhalarla mantolama, LTK
kullanılması)
• Kolon güçlendirilmesi (Kolonların betonarme veya çelik olarak
mantolanması)
• Yerel rijitlik azaltılması (Kısa kolonların etrafının açılması, duvar azaltılması
gibi)
‰ Deprem etkilerini azaltmak (Talebin azaltılması, Talep <Kapasite)
• Sismik izolasyon yapılması (Periyot ve sönüm artırılmaktadır)
• Enerji sönümleyici sistemlerin konulması (Deprem etkileri
sönümlenmekte ve yapının deplasmanı azaltılmaktadır)
• Kat adedinin azaltılması
18
Karşılaştırma
Basitleştirilmiş Güçlendirme
Kapsamlı Güçlendirme
19
Perdelerle Güçlendirme
Sisteme eklenecek taşıyıcı sistem elemanlarının tip, sayı ve boyutlarının seçimi mevcut taşıyıcı
sistemin özelliklerine ve yapının fonksiyonel düzen, durum ve planına bağlıdır.
Sistem iyileştirilmesinde perdelerle güçlendirme halen en yaygın ve geleneksel uygulama şeklidir.
Perde ilave edilmesinde dikkat edilmesi gereken en önemli husus, yeni durumun yapıda burulma
etkileri yaratmamasıdır. Yapının kütle ve rijitlik merkezi mümkün olduğunca yakın kalmalıdır.
Güçlendirme perdeleri her iki doğrultuda en az ikişer tane olmalıdır. Yapının kat adedinin ve plandaki
alanının az olması halinde toplam perde sayısı üçe de indirilebilir.
Perdenin iki kolon arasında kalması tercih edilmelidir. Bazı hallerde bir taraftan bir kolona birleşmesi
düşünülebilir. Bu durumda diğer tarafta perde ucu düzenlenmelidir. İki uçtan da kolona bitişik olmayan
döşemeyi delip geçen perde ile döşeme arasında çok büyük gerilme yığılmaları meydana
geleceğinden bu tür perdeler yapılmamalıdır.
Perdelerin temellerinin oluşturulması da çok önemlidir. Komşu kolonları da kapsayacak şekilde sürekli
veya plak temel düzenlemesi yapmak gerekir. Bu şekilde kolonların normal kuvvetlerinden
faydalanarak perdeye komşu tekil temeller birleştirilerek büyük bir perde temeli yapılması gerekir.
20
Perde Donatı Detayları
Dışardan Perde Uygulaması
Kirişlere Birleştirme
Eksenel Perde
21
Çelik Çaprazlarla Güçlendirme
Yapılan deneysel çalışmalar bu tür güçlendirme tekniği kullanılarak yapının rijitliğinin
4-5 katı kadar artırılabileceğini göstermiştir.
22
Çelik Çaprazlara Güçlendirmede Uygulama Örneği
Çelik çaprazlı sistemlerde kuvvetlerin kattan kata iletilmesi gerekmektedir,
Bunun için çelik elemanların katlar arası sürekliliğinin sağlanması gerekmektedir.
Çelik elemanların rijitliği betonarmeye göre düşük olduğundan, beklenen işlevin sağlanması
büyük kesitli çelik elemanların kullanılması ile mümkündür.
23
Çelik Çapraz Uygulamaları
24
Çelik Çapraz Uygulamaları
25
Kolonların Güçlendirilmesi
Deneysel
ve teorik çalışmalar
çerceve türü az katlı betonarme
binaların kolonlarında en uygun
güçlendirme yönteminin rijitlik ve
dayanımın
birlikte
artırılması
olduğunu göstermiştir.
Kolonların
güçlendirilmesinde
farklı seçenekler vardır. Bu
seçenekler ve izlenecek stratejiler
kolonun dayanımını, sünekliğini
ya da rijitliğini artırmaya yönelik
olmalıdır.
26
Mantolama Örnekleri
Betonarme Mantolama
Çelik Ceketleme
27
Çelik Ceketleme Uygulamaları
Dayanım artırır. Çelik elemanların
sistemle birlikte çalışabilmesi için mevcut
betona iyi yapışması ve ankrajlanması
gerekir.
28
Kirişlerin Güçlendirilmesi
Betonarme Mantolama
LTK Uygulaması
Dayanımı yeterli olmayan kirişler güçlendirilebilir. Burada en önemli husus komşu
kolonlara göre daha güçlü kiriş türünden bir birleşim bölgesi oluşturulmamasıdır
(zayıf kolon-güçlü kiriş oluşturulmamalıdır). Kirişlerde mantolama bir ya da iki yüze
uygulanır.
Kirişlerde mesnet kesitinin güçlendirilmesi, döşeme kalınlığının artırılıp üst donatı
eklenmesiyle veya alttan kolonu geçen bir donatı eklenmesiyle olabilir.
Kirişler alttan çelik şeritler ya da lif takviyeli polimerlerle de güçlendirilebilirler.
29
Lif Takviyeli Kompozitler (LTK)
Lif takviyeli kompozitler (LTK) son yıllarda yapıların
onarım ve güçlendirmesinde yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır.
Modülü
Özgül Ağırlığı (kg/m3)
Lifler
Dayanım (MPa)
Elastisite
(GPa)
Cam Lifleri
1700-2100
50
2500
Karbon Lifleri
1700-2500
150-190
1900
Aramid Lifleri
1700-2100
65-120
1400
30
Lif Takviyeli Kompozitlerle (LTK) Güçlendirme
Köprü Uygulaması
Yığma Duvarın Güçlendirilmesi (Deney Düzeneği)
Kolon Uygulaması
Yapıların dolgu duvarlarının LTK’lerle güçlendirilmesi ve perde gibi çalışabilen elemanlar
haline getirilmesi yani sisteme yönelik iyileştirmelerin yapılabilmesi çalışmaları henüz yenidir.
Bu konuda deneysel çalışmalar sürdürülmektedir. LTK, binaların boşaltılmadan güçlendirilmesini
sağlayabilecek bir yöntem olması itibariyle giderek önem kazanmaktadır.
Duvar güçlendirmesini hedefleyen LTK tasarımı süneklik artırmadan ziyade dayanım artırma
amacıyla yapılmalıdır. Daha çok beton kalitesinin iyi olduğu anacak enine ve boyuna donatının
yetersiz olduğu durumlarda kullanılabilir.
31
Kapasite Tasarımı
Mevcut betonarme yapıların analizi
için lineer ve lineer olmayan analiz
yöntemleri vardır. Kapasite tasarımı
için lineer olmayan statik yük artımı
yöntemi (Pushover) kullanılması
önerilir. Bilgisayar yazılımlarının
gelişmesi ile bu tür çözümlemeler
özellikle zamanlama açısından
sorun
olmaktan
çıkmıştır.
Unutulmamalıdır ki;
Mühendisin
davranış
bilgisi,
sağduyusu, deneyimi bilgisayar
yazılımlarının önündedir.
Eleman kapasitlerinin tasarımında kesme ve basınç kapasiteleri eğilme kapasitlerinin
üstünde tutulmalıdır. Çünkü anılan türde kırılmalar gevrek, eğilme kırılması ise sünektir.
Perde çerçeve sistemlerde önce kirişlerin, sonra perde elemanların akması istenir.
Kolonlar perde aktığında elastik kalıp, düşey yükleri taşımaya devam ederler.
32
SONUÇ VE ÖNERİLER
Bir yapıda güçlendirmeye karar verilebilmesi için, önce binanın zeminin incelenmesinden işe
başlanmalı ve zemin koşullarının uygun olduğunu gördükten sonra, yapının ayrıntılı olarak
incelenmesine geçilmelidir. Zemin koşulları uygun değilse Geoteknik uzmanı mühendis ile işbirliği
yapılarak, zeminin iyileştirme yolları aranmalıdır.
Güçlendirme için taşıyıcı sistem elemanlarında veya sistemin tümünde yetersizlikler bulunduğunun ve
uygulanacak iyileştirme teknikleri ile yapıya yeterli taşıma gücü sağlanmasının mümkün olduğunun
saptanması gerekmektedir. Taşıyıcı sistem bütünüyle güçlendirilirken bazı elemanlarda kapasite
eksikliği görülebilir ve bunların ayrıca güçlendirilmesi yoluna gidilmelidir. Sonuçta eleman kesit etkileri
kapasiteye uygun hale getirilmelidirler.
Mühendis, analiz için kullanacağı yazılımın neyi nasıl yaptığının ve yazılımdaki kabullerin bilincinde
olmalıdır.
Güçlendirme konusunun hayli karmaşık ve farklı alternatifleri olan bir süreç olduğu akıldan
çıkarılmamalıdır.
Türkiye’de henüz bir “Güçlendirme Yönetmeliği” yoktur, güçlendirme ile ilgili bir yönetmeliğin
hazırlanması aciliyet kazanmıştır.
Yapının güçlendirmesinde maliyet önemli bir kriterdir. Bu kriter gerektiği gibi sağlanamıyorsa yapının
yıkılıp (demolition) yeniden yapılması da değerlendirilmesi gereken seçenekler arasında yer
almaktadır.
33
KAYNAKLAR
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik, Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, Ankara, 1998.
Kumbasar, N., Celep, Z., “Deprem Mühendisliğine Giriş.” 2000.
Demir, H., “Depremden hasar görmüş betonarme yapıların onarım ve güçlendirilmesi.” İTÜ İnşaat Fakültesi, Istanbul, 1992.
Bayülke, N., “Depremde hasar gören yapıların onarım ve güçlendirilmesi.” İnşaat Mühendisleri Odası, İzmir Şubesi, 1999.
FEMA-273. NEHRP “Guidelines for the seismic rehabilitation of buildings (Preliminary).” Federal Emergency Management Agency,
Washington, 1989.
ATC-40. “Seismic evaluation and retrofit of concrete buildings” Applied Technology Council, California 1987.
ATC-14. “Evaluating the seismic resistance of existing buildings.” Applied Technology Council, California, 1987.
Özer, E., “İstanbul’daki betonarme yapıların deprem güvenliklerinin belirlenmesi, onarım ve güçlendirilmesi, Istanbul ve Deprem
Sempozyumu, IMO, Istanbul Şubesi, Istanbul, 2000.
Ersoy,U., “Yapıların onarım ve güçlendirilmesinde ODTÜ yaklaşımı deneysel araştırmalar ve uygulama.” Prof. Dr. Kemal Özden’i anma
semineri, Yapıların onarım ve güçlendirilmesi alanında gelişmeler, Istanbul, 2002.
Celep,Z., “Mevcut betonarme binaların deprem güvenliğinin belirlenmesi ve güçlendirilmesi genel kurallar.” Prof. Dr. Kemal Özden’i anma
semineri, Yapıların onarım ve güçlendirilmesi alanında gelişmeler, Istanbul, 2002.
Saatçioğlu,M., “Yapıların depreme karşı güçlendirilmesinde yeni yöntemler.” Prof. Dr. Kemal Özden’i anma semineri, Yapıların onarım ve
güçlendirilmesi alanında gelişmeler, Istanbul, 2002.
Nunez, I., L., “Compound Growth or Compound Seismic Risk of Destruction? Some vulnerability lessons from the Izmit, Turkey,
Earthquake of 17 August 1999.” Second Euro Conference on Global Change and Catastrophe Risk Management: Earthquake Risks in
Europe IIASA, Laxenburg, Austria, July 6-9, 2000.
Ghobarah, A., El-Attar, M., Aly, N.,M., “ Evaluation of retrofit strategies for reinforced concrete columns: a case study.” Engineering
Structures 22, pp. 490-501, 2000.
National Building Code of Canada. NBCC. Ottawa, (Ontario, Canada): National Research Council of Canada, 1995.
Rizkallah, S., Tarek, H., and Hassan, N., “Design recommendations for the use of FRP for reinforcement and strengthening of concrete
structures.” Progressive Structural Engineering Materials 5, pp. 16-28, 2003.
Nanni, A., “Flexural behavior and design of reinforced concrete using FRP rods.” Journal of Structural Engineering 1993: 119(11): 3344–
3359.
Istanbul için deprem master planı (BU,İTU,ODTÜ,YTÜ)
Depremde güvenli binalar semineri, İstanbul,2003.
34