Bölme Duvarlı Betonarme Yapıların Güçlendirilmesinde Lifli Polimer Kullanımı

03 Ekim 2019


Doç. Dr. Hasan Özkaynak

Öğretim Üyesi
Beykent Üniversitesi
Mühendislik-Mimarlık Fakültesi
İnşaat Mühendisliği Bölümü

 


1. Giriş

Betonarme yapıların çerçeve gözlerinde kullanılan tuğla elemanlar ile yapılan bölme duvarlar, yapı genelinde uygun dağılımı yapıldığı durumlarda yapıların deprem davranışına olumlu etkileri olduğu birçok deneysel ve teorik çalışmalar ile kanıtlanmıştır. Söz konusu bölme duvarların üzerine yüzeysel olarak uygulanan karbon esaslı lifli polimerler (CFRP) bu duvarların yapıya kazandırılmasında ve genel yapı davranışının iyileştirilmesinde son derece önemli rol oynamaktadır. Bu çalışmada yalın ve iki farklı lifli polimer uygulaması ile güçlendirme yöntemlerinin bölme duvarlı çerçevelerin davranışına etkisi karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Bu amaçla bir seri ölçeklendirilmiş bölme duvarlı çerçeveler üretilmiş ve deprem benzeri yükler etkisi altında test edilmiştir. Lifli polimerlerin bölme duvarlar üzerine diyagonal doğrultuda uygulandığı çapraz güçlendirilmiş deney numunelerde ve alternatif payandalı çaprazlarla güçlendirilmiş numunelerde ulaşılan en büyük yük seviyelerinin önemli oranda arttığı gözlenmiştir. Deneysel çalışmada lifli polimerler kullanılarak elde edilen güçlendirilmiş bölme duvarlı çerçevelerin güçlendirilmemiş duruma göre daha yüksek enerji tüketme özelliğine sahip olduğu sonucuna varılmıştır. Ülkemizde yaygın olarak kullanılan tipik bölme duvar uygulamaları Şekil 1’de görülmektedir.

Şekil 1. Mevcut tipik az katlı bölme duvarlı
çerçeveler

Lifli polimerlerin yapı güçlendirilmesinde kullanımı akademik çevrede sıklıkla çalışılan bilimsel konular arasında yer almasına rağmen, özellikle bölme duvarların yapıya kazandırılmasını hedefleyen CFRP uygulama yöntemleri gerçek hayatta sınırlı sayıda görülmektedir. Literatürde var olan mevcut çalışmalar CFRP ile güçlendirme yöntemlerinin bölme duvarlı çerçevelere dayanım, rijitlik ve enerji sönümleme özelliği açısından önemli avantajlar sağladığını belirtmektedir. Reinhorn ve Madan [1] yığma duvar elemanların her iki tarafına asimetrik olarak uygulanmış CFRP’lerin davranışa olan etkisini incelemişlerdir. CFRP’nin yığma duvar elemanların yatay yük taşıma kapasitesini ve enerji sönümleme kapasitesini artırdığını göstermiştir. Elgawady ve diğerleri [2] ½ ölçekli yığma duvar elemanların davranışını belirlemek için tersinir tekrarlı statik yükler altında deney yapmışlardır. Çalışmaların sonuçlarında duvar bünyesinde oluşan çatlakların birbirlerine göre sürtünme hareketi ve lifli polimerlerdeki deformasyonlardan dolayı enerji tüketiminin arttığı sonucuna varmışlardır. Santa-Maria ve diğerleri [3] farklı CFRP’nin alternatif şekillerde uygulandığı duvar elemanlar üzerinde deneyler yapmışlar ve CFRP’lerin çapraz olarak uygulandığı numunede genel davranışın kayma dayanımı ve rijitlik noktasında önemli oranda artış olduğu görülmüştür. Yuksel ve diğerleri [4] CFRP’ler ile güçlendirilmiş bölme duvarlı betonarme çerçeve davranışını deneysel olarak tersinir tekrarlı yükler etkisinde incelemiştir. Bölme duvarlı betonarme çerçevelerin yalın çerçevelerden daha yüksek dayanıma ve rijitliğe sahip olduklarını aynı zamanda FRP ile güçlendirmenin numunelerde köşe ezilmesini engellediği çatlak genişliklerini azalttığı sonucuna varmışlardır. Erdem ve diğerleri [5] CFRP’lerin çapraz olarak uygulanmasının bölme duvarlı betonarme çerçevelerin davranışına olan etkisini incelemiştir. Yaptıkları bu çalışma sonucunda, CFRP ile güçlendirilmiş numunelerde dayanım, rijitlik ve enerji tüketme kapasitelerinin önemli oranda arttığını bunun yanında sönüm özelliklerinde önemli artışlar olduğunu tespit etmişlerdir. Hashemi ve Mosalam [6] ¾ ölçekli bölme duvarlı betonarme çerçeveleri sarsma tablasında gerçek deprem yükleri etkisinde denemişlerdir. Bölme duvarlı betonarme çerçevelerin yalın çerçevelere göre 4 kat daha fazla rijitliğe sahip oldukları, doğal titreşim periyotlarında %50 oranında bir düşüş olduğu ve yalın çerçevelere bölme duvar eklenince sönüm oranlarında %4’lerden %13’lere kadar arttığı gözlenmiştir. Altın ve diğerleri [7] FRP ile güçlendirilmiş bölme duvarlı betonarme çerçeveleri tersinir tekrarlı yükler etkisinde denemişlerdir. Yaptıkları bu deneysel çalışmada FRP şerit genişliklerinin ve bu şeritlerde kullanılan ankrajların etkisini incelemişlerdir. Almusallam ve Al-Salloum [8] bölme duvarlı betonarme çerçevelerin GFRP ile güçlendirilmesi durumunu deneysel olarak incelemişlerdir. Numunelerin her iki yüzünde GFRP şeritleri yatay doğrultuda uygulamışlardır. Deney sonuçlarında GFRP şeritlerin yatay olarak uygulandığı durumda numunelerin diğerlere göre daha düktil bir davranış gösterdiklerini tespit etmişleridir. Wei ve diğerleri [9] yığma duvar elemanlarda farklı şekillerdeki FRP uygulamalarının genel davranışa olan etkilerini deneysel olarak incelemişlerdir. FRP’leri duvar elemanlar üzerinde düşey doğrultuda ve diyagonal doğrultuda uygulamışlardır. Deney sonuçları, diyagonal doğrultuda yapılan uygulamanın diğer uygulamalara göre daha düktil bir davranışa sebep olduğunu göstermektedir. Yukarıda özetlenen çalışmalar, bölme duvarlı betonarme çerçevelerde lifli polimer uygulamalarının mevcut yapı davranışını iyileştirdiğini göstermiştir. CFRP şeritler; çatlak genişliklerinin sınırlanması, duvarın gevrek göçmesinin engellenmesi, dağılan duvar parçalarının bir arada tutulması ve duvarın düzlem dışı hareketinin engellenmesini de sağlamaktadır. Betonarme çerçevelerde kullanılan bölme duvarların deprem sırasında devre dışı kalmasının engellenmesi ile duvarların genel yapı davranışına rijitlik, dayanım ve enerji tüketimi açısından önemli katkıları olmaktadır. Bu çalışmanın ana amacı, dayanım açısından yetersiz bölme duvarlı betonarme çerçeveleri, lifli polimerler ile güçlendirerek, rijitliği, dayanımı, özellikle sönümü ve enerji tüketme kabiliyeti yüksek yatay yük taşıyabilen kompozit bir sisteme dönüştürebilmektir. Çalışmada önerilmekte olan uygulama ile yapı sistemine etkiyen yatay yükler,kolon kiriş birleşim bölgelerine ek yük yoğunlaşması getirmeden ve bölme duvarları çevreleyen betonarme elemanlar ile olan sürekliliğini koruyarak CFRP şeritlere aktarılabilmektedir. Bu yöntem diğer alternatif güçlendirme yöntemlerine göre pratikte bölme duvarları kendi düzlemleri içinde güçlendirerek işçilik ve malzeme maliyetini önemli oranda azaltmaktadır.

2. Deneysel Çalışmalar
Çalışma kapsamında iki özdeş ölçekli betonarme çerçeve numuneler üretilmiş ve bölme duvarları temsil etmek ve laboratuvar şartlarına uygun hale getirilmesi için ölçeklendirilmiş delikli tuğlalar ile örülmüştür. Numunelerden bir tanesi güçlendirilmemiş yalın bölme duvarlı çerçeve iken diğerine CFRP uygulamasıyla güçlendirme uygulanmıştır. Deney numuneleri İstanbul Teknik Üniversitesi Yapı ve Deprem Mühendisliği Laboratuvarı’nda üretilmiş ve test edilmiştir. Deney numuneleri, mevcut deprem yönetmeliği kurallarına uymadan düşük dayanımlı beton kullanılarak ve kiriş kolon birleşim bölgelerinde donatı sıklaştırması yapılmadan üretilmiş eski yapıları temsil edecek yönde tasarlanmış ve üretilmiştir. Deneylerde kullanılan yalın bölme duvarlı betonarme çerçeve ve güçlendirilmiş çerçeve Şekil 2’de gösterilmektedir.

Şekil 2. Güçlendirilmemiş bölme duvarlı ve güçlendirilmiş deney numuneleri

Deney numunelerinde kolon ve kirişlerde kullanılan boyuna donatı oranı %1 iken enine donatı oranı %0,4 olarak ele alınmıştır. Kolon kiriş bölgesinde ve civarında sıklaştırma gibi özel önlemler alınmamıştır. Bu deneysel çalışmada 1/3 ölçeğine uygunluk sağlanması amacıyla bölme duvarların oluşturulmasında kullanılan tuğla elemanların boyutları 88x84x57 mm olacak şekilde özel olarak üretilmiştir. Malzeme testleri yapılarak beton ve çelik malzemelerinin gerilme şekil değiştirme ilişkileri belirlenmiştir. 28 günlük beton basınç dayanımı 19 Mpa olarak bulunurken, çelik malzemenin akma ve maksimum dayanımları, sırasıyla 420MPa ve 500Mpa olarak belirlenmiştir. Güçlendirilmiş numunelerde tek eksenli CFRP malzemesi kullanılmıştır. Üretici firmanın teknik verilerine göre, CFRP’nin birim ağırlığı 300 g/m2, fiber yoğunluğu ise, 1.79 g/cm3’tür. CFRP’nin Elastisite modülü 230 GPa, maksimum çekme dayanımı 3900 Mpa ve maksimum birim şekil değiştirmesi %1,5’tir.Üretici firma çift bileşenli epoksi reçinesinin kullanım miktarı olarak 1,0 kg/m2 değerini tavsiye etmektedir.CFRP şeritleri,uygulanmadan önce yüzey hazırlığı yapılmış sonra da 150 mm genişliğinde olacak şekilde yüzeye epoksi reçinesi kullanılarak yapıştırılmıştır. CFRP malzemesinden yapılmış 300 mm uzunluğundaki ankraj çubukları duvarın her iki yüzeyinde CFvRP şeritleri birbirlerine bağlamak amacıyla kullanılmışlardır. Yapılan malzeme deneyleri sonucunda, 28 günlük beton basınç dayanımı 19 MPa, çelik akma ve en büyük dayanımı da sırasıyla 420 MPa ve 500 MPa olarak belirlenmiştir. Uygulama esnasında çekilen fotoğraflar Şekil 3’te gösterilmektedir.

Şekil 3. Deney numunelerine CFRP kumaş uygulamaları

Deney numunelerine, tersinir tekrarlı yatay yer değiştirme çevrimleri uygulanmıştır. Yükleme düzeneği Şekil 4’te görülmektedir. Servo-kontol hidrolik sistem ile beslenen ve betonarme reaksiyon duvarına monte edilen 280kN kapasitesindeki hidrolik veren ile numuneye yatay yük uygulanmıştır. Her yer değiştirme düzeyi itme ve çekmede birer kez uygulanmış ve yer değiştirme genlikleri kademeli olarak artırılmıştır.

Şekil 4. Güçlendirilmiş numunelerin test edildiği deney düzeneği

3. Deney Sonuçlarının Değerlendirilmesi
Yalın bölme duvarlı çerçeve,güçlendirilmiş numunelerde elde edilen sonuçların karşılaştırıldığı referans olarak kullanılmıştır.Güçlendirilmiş durum ile yalın nunumuneden elde edilen performans değerlendirilmesinin yapılabileceği kuvvet-yer değiştirme ilişkileri Şekil 5’te verilmiştir.Güçlendirilmiş çerçeve,deney süresince diğer numunelere göre daha büyük ve kararlı çevrimler oluşturmuştur. Bu durum güçlendirilmiş çerçevenin enerji tüketme kabiliyetinin daha iyi olduğunu işaret etmektedir.Güçlendirilmiş çerçeve, diğer numuneye göre yatay yük taşıma kapasitesi ve süneklik bakımından daha iyi bir davranış sergilemiştir.

Şekil 5. Deney numunelerinden elde edilen kuvvet-yer değiştirme eğrileri

Numunelerin özdeş yer değiştirme çevrimleri etkisinde elde edilen dayanım ve yer değiştirme kapasitelerinin karşılaştırılması deneysel çalışmada elde edilen taban kesme kuvveti-tepe yer değiştirmesi çevrimlerinin zarf eğrileri ele alınarak yapılmıştır. İtme ve çekme durumlarında numunelerde ulaşılan en büyük dayanımlar Şekil 6’da görülmektedir. Yalın bölme duvarlı çerçevede itmede 119.9 kN’luk yatay dayanım seviyesine ulaşılmış ve daha sonra bu kapasite hızlıca küçülmüştür.Göreli kat ötelemesi değeri %2,8’e eriştiğinde deney durdurulmuştur. Güçlendirilmiş çerçevede, %1,1’lik göreli kat ötelemesi seviyesinde 203.0 kN yatay dayanım oluşmuştur.

Şekil 6. Deney numunelerinden elde edilen yükyerdeğiştirme ilişkilerine ait zarf eğrileri

Deney sonunda numunelerde gözlenen hasar durumları Şekil 7’de yer almaktadır. Bölme duvarlı numunede kolonlarda ilk eğilme çatlağı %0.22’lik göreli kat ötelemesi seviyesinde ve yatay dayanım 76.2 kN a ulaştığında gözlenmiştir. Bölme duvar üzerinde ilk çapraz çatlak %0.55’lik göreli kat ötelemesi seviyesinde, yatay yük 105.5 kN olduğunda gözlenmiştir. Güçlendirilmiş çerçevede kolon kiriş birleşim bölgesinde ilk çatlak, %0.3’lik göreli kat ötelemesi seviyesinde yatay dayanım 172.4 kN olarak ölçüldüğünde oluşmuştur. Güçlendirilmiş durumda bölme duvar üzerinde ilk çapraz çatlak %1,60’lık göreli kat ötelemesinde, yatay yük 194.5 kN iken oluşmuştur.

Şekil 7. Yalın bölme duvarlı çerçevede ve güçlendirilmiş çerçevede gözlenen hasarlar

Tüm numuneler için hesaplanan yığışımlı çevrimsel enerjinin göreli kat ötelemesine göre değişimi Şekil 7’de verilmiştir. Enerji tüketme kabiliyeti, yapının deprem etkisindeki performansının değerlendirilmesi açısından önemli bir özelliktir. Yığışımlı çevrimsel enerji, taban kesme kuvveti-tepe yatay yer değiştirmesi çevrimlerinin kapamış oldukları alanların toplanması ile elde edilmektedir. En büyük yatay dayanıma ulaşılan %1,1’lik göreli kat ötelemesi seviyesinde, güçlendirilmiş çerçeveler referans numuneye göre sırasıyla 2,9 kat daha fazla enerji tüketmişlerdir.

Şekil 8. Bölme duvarlı ve güçlendirilmiş durumların enerji tüketimi açsından karşılaştırılması

4. Sonuçlar
Uygulanan güçlendirme yöntemi betonarme çerçevelerin yatay dayanımını önemli oranda artırmaktadır. Güçlendirilmiş numunelerde, aynı göreli kat ötelemesi seviyeleri için, diğer numunelere göre daha az hasar oluşmuştur. Gerçekleşen enerji tüketim kapasiteleri karşılaştırıldığında, güçlendirme açısından önemli üstünlük sağlamıştır. Sınırlı sayıdaki numunenin kendi düzlemindeki deprem benzeri yükler etkisinde denenmesi sonucunda, bölme duvarlı betonarme çerçevelerde CFRP kullanılarak gerçekleştirilen uygulamanın etkin bir güçlendirme biçimi olabileceği anlaşılmıştır. CFRP’lerin kolon kiriş birleşim noktalarının dışında uygulandığı önerilen güçlendirme yöntemi duvarın ani ve gevrek göçme biçimini engellemekle kalmamış aynı zamanda halen zayıf ama sünek olmayan düğüm noktalarına ek bir kuvvet transferini de engellemiştir.

Teşekkür
Bu çalışma; İTÜ İnşaat Fakültesi Yapı ve Deprem Mühendisliği Laboratuvarı Sorumlusu Prof. Dr. Ercan YÜKSEL yönetiminde tamamlanan 106M050 numaralı TÜBİTAK ve 31966 İTÜ BAP araştırma projelerinin sağladığı imkanlar çerçevesinde gerçekleştirilmiştir. Saygıdeğer Hocama ve ilgili kuruluşlara teşekkürü bir borç bilirim.

Kaynaklar
[1] Reinhorn, A.M. and Madan, A. (1995). Evaluation of Tyfo W Fiber Wrap System for In Plane Strengthening of Masonry Walls, Test Report, Report No. AMR 95-0002, State University of New York at Buffalo, August.
[2] Elgwady, M.A., Lestuzzi, P. and Badoux, M. (2002). Dynamic in Plane Behavior of URM Wall Upgraded, Composites, June.
[3] Santa-Maria, H., Duarte, G. and Garib, A. (2004). Experimental Investigation of Masonry Panels Externally Strengthened with CFRP Laminates and Fabric Subjected to In Plane Shear Load, 13th World Conference on Earthquake Engineering Vancouver, B.C., Canada.
[4] Yüksel, E., İlki, A., Erol, G., Demir, C. and Karadogan, H.F. (2005). Seismic Retrofit of Infilled Reinforced Concrete Frames with CFRP Composites, NATO Workshop, Advances in Earthquake Engineering for Urban Risk Reduction, Istanbul.
[5] Erdem, I., Akyuz, U., Ersoy, U. and Ozcebe, G. (2006). An Experimental Study on Two Different Strengthening Techniques for RC Frames, Engineering Structures, 28:1843-1851.
[6] Hashemi, A. and Mosalam, K.M. (2006). Shake-Table Experiment on Reinforced Concrete Structure Containing Masonry Infill Wall, Earthquake Engineering and Structural Dynamics 35(14), 1827- 1852.
[7] Altin, S., Anıl, O., Kara, M.E. and Kaya, M. (2008). An Experimental Study on Strengthening of Masonry Infilled RC Frames Using Diagonal CFRP Strips, Composites Part B: Engineering (39): 680-693.
[8] Almousallam, T. and Al-Salloum Y. (2007). Behavior of FRP Strengthened Infill Walls Under In-plane Seismic Loading, ASCE 11(3): 308.
[9] Wei, C., Zhou, X. and Ye, L. (2007). Experimental Study of Masonry Walls Strengthened With CFRP, Structural Engineering and Mechanics, 25(6):675-690.