Mevcut betonarme (BA) yapıların deprem etkilerine karşı onarımı ve güçlendirilmesi konuları son yıllarda araştırmacıların ilgisini çeken önemli konular arasında yer almaktadır.
Büyük depremler, mühendislik hizmeti görmemiş B.A yapıların deprem etkilerine karşı savunmasız olduklarını ve can kayıplarının önemli bir nedeni olduğunu göstermiştir. Zaman içerisinde yapıların kalitelerinde ve fonksiyonlarında birtakım bozulmalar görülmektedir.
Bu tür bozulmalara ek olarak yapım ve tasarım aşamasında yapılan hatalar, deprem sırasında yaşanabilecek ölümcül felaketlerin sebebi olmakta ve güçlendirme çalışmalarını zorunlu kılmaktadır.
Ülkemizde yer alan az katlı dolgu duvarlı B.A çerçeve tipi yapıların ortak özellikleri; mühendislik hizmeti görmemesi, inşaat kalitesinin az olması ve tasarım yönetmeliklerine uygun olmamalarıdır. Böylesine kötü durumda olan yapıların bazılarının yıkılıp yeniden yapılması gerekebilmektedir.
Yıkıp yeniden yapmak yerine karbon elyaf lifli polimer (CFRP) kullanımının etkin bir yöntem olduğu birçok akademik çalışma ile ispatlanmıştır. Özkaynak (2010) tarafından önerilen karbon elyafla güçlendirme için bir uygulama yöntemi Şekil 1’de görülmektedir.
Mevcut B.A yapıların dolgu duvarlarının önerilen yöntem ile sargılanması durumunda yapıların deprem performansının ve enerji tüketme özelliklerinin artırılması sağlanmaktadır.
Şekil 1. BA yapıların deprem etkilerine karşı güçlendirilmesinde lifli polimer kullanımı [1]
Lifli polimerlerin en önemli avantajları; hafif olması, kolay uygulanabilmesi, paslanma özelliğinin olmaması ve yüksek dayanımlı olması olarak sıralanabilir.
Kocaeli 1999 depremi sonrası mevcut yapılarda yapılan gözlemler, ağır hasarların kolon-kiriş bireşim bölgelerinde yoğunlaştığını ancak çoğunun dolgu duvara sahip olmasından dolayı tamamen yıkılmaktan kurtulduğunu göstermiştir.
Bu gözlemler, dolgu duvarların mevcut yapılarda dayanımı, rijitliği ve sönüm özellikleri ile enerji tüketme özelliklerini artıran önemli elemanlar olduğunu göstermektedir.
Bu noktada mevcut yapıların güçlendirilmesinde lifli polimer kullanımı bina içerisinde yaşayan insanları rahatsız etmeden uygulanması açısından son derece ilgi çekicidir.
Deprem mühendisiliği kapsamında yapısal hasarlarının azaltılması ve dayanım artışının sağlanması noktasında yapılara enerji tüketim özelliği kazandırmak en temel unsurlar arasında yer almaktadır.
Dolgu duvarların mevcut yapılara entegre edilmesinin sağlanması ile enerji tüketim özelliklerinde önemli ölçüde artış sağlanabilmektedir.
Deprem sırasında gerek elastik gerekse elastik ötesi davranış sırasında yapısal elemanlar ile dolgu duvarlar arasında oluşturulabilecek sürtünme mekanizmaları, yapıların içsel sönüm oranlarının önemli ölçüde artmasını sağlamaktadır [2].
Geçmişte yaşanmış depremler, dolgu duvarların kısa kolon ve burulma etkilerine sebep olmayacak şekilde düzenlenmesi durumunda; yapıların enerji tüketim özellikleri, dayanım ve rijitlikleri için önemli bir kaynak olduğunu göstermiştir [3].
Özetle, dolgu duvarlar B.A yapıların çerçevelerine iyi bir şekilde sargılanarak entegre edilir ve düzlem dışı hareketi engellenirse deprem sırasında çok önemli avantajlar sağlayan yapısal olmayan elemanlar olarak karşımıza çıkmaktadır.
Burada lifli polimerlerin dolgu duvar davranışına ve mekanik özelliklerine etkilerinin sunulduğu literatür araştırması ve İstanbul Teknik Üniversitesi Yapı ve Deprem Mühendisliği Laboratuvarı’nda gerçekleştirilen bir deneysel çalışmanın bir bölümü sunulmuştur.
Ghanem ve diğ. (1993), 1/3 ölçekli kısmi güçlendirilmiş betonarme perde duvarları eksenel yük parametresini de dikkate alarak monotonik yükler etkisi altında test etmiştir.
Deney sonuçları; uygulanan eksenel yükün numune göçme modunda, çatlama yükünde ve yük deformasyonu ilişkisinde önemli ölçüde etkili olduğunu göstermiştir. Lafuente ve diğ. (1998), yığma duvarların deprem davranışını araştırmak için deneysel ve sonlu elemanlar esasına dayalı analitik çalışmalar yürütmüştür.
Deneysel çalışma kapsamında ölçeksiz beton bloklar ve yapısal yığma duvarlar yatay yük etkisinde test edilmiştir. Deneysel sonuçlar; depreme dayanıklı yapı tasarımında malzemenin lineer ötesi davranışından faydalanılamayacağına dikkat çekilmesini sağlamıştır.
Sünek davranışın sağlanması açısından farklı alternatiflerin araştırtılmasına gerek duyulmaktadır. Alshebani ve Sinha (1999), tek eksenli çevrimsel yükleme etkisi altında ½ ölçekli tuğla duvarlar üzerinde bir seri deneysel çalışma gerçekleştirmiştir.
Deneyler çok sayıda numune üzerinde eksenlerine paralel ve dik doğrultuda yapılmıştır. Deney sonuçları, izin verilebilecek en büyük duvar dayanımı için göçme yükünün üçte ikisi olduğunu göstermiştir.
Çalışmada duvarın izin verilen gerilme seviyesinin lineer ötesi şekil değiştirme seviyesine önemli ölçüde bağlı olduğu sonucuna varılmıştır.
H.H. Knutsson ve J. Nielsen (1995), basınç etkisi altında duvar elastisite modülünün ve en büyük dayanımın belirlenmesi için standart bir test yöntemi geliştirmiştir. Duvara ait gerilme şekil değiştirme eğrisi ilişkisi parabol ve logaritmik eğriler yöntemleri ile belirlenmiştir.
John Jai et al. (2000) yığma yapıların modellenmesi açısından lifli polimerler malzemelerin etkilerinin değerlendirilebileceği bir matematik model geliştirmiştir.
Geliştirilen model, kompozit şeritlerle güçlendirilmiş dolgu duvarların statik yükler etkisi altında düzlem içi kayma davranışını ve en büyük yük taşıma kapasitesini tahmin edebilmektedir.
Reinhorn et al. (1985) iki grup halinde toplam 23 adet yığma duvar üzerinde deneysel çalışma yürütmüştür. Çalışma sonuçlarına göre ferrocement levhalarla güçlendirilmiş deney numunelerinin dayanım ve süneklik açısından son derece iyi bir davranış sergilediğini göstermiştir.
Santa-Maria ve diğ. (2004) lifli polimerle güçlendirilmiş donatısız yığma panelleri çapraz doğrultuda monotonik artan ve çevrimsel yer değiştirme etkileri altında test etmiştir. Deney sonuçları dayanım, rijitlik, göçme mekanizması ve enerji tüketim özellikleri gibi parametreler açısından değerlendirilmiştir.
Lifli polimer kullanımı duvarlarda oluşan çatlakların azalmasını ve kayma dayanımının önemli ölçüde artmasını sağlamıştır. Vintzileou ve Tassios (1995), üç yapraklı taş yığma duvarlara çimento harcı enjekte ederek elde ettiği güçlendirilmiş deney numunelerini kayma ve basınç etkileri altında test etmiştir.
Çimento harcının taş duvar yapısının homojenize olmasında oldukça önemli bir etkisinin olduğu ve bu kapsamda mekanik özelliklerinin iyileştiği sonucuna varılmıştır.
Sathiparan ve diğ. (2009) paketleme amacıyla sıkça kullanılan polipropilen bantların yığma duvarların güçlendirilmesi için kullanılabileceğini göstermiştir. Polipropilen (PP) bandtların etkisini görmek amacıyla üretmiş olduğu deney numunelerini kayma etkisi altında ve düzlem dışı yükler etkisi altında test etmiştir.
Deney sonuçları, PP uygulamasının numunenin genel stabilitesini ve süneklik özelliklerini artırdığını göstermiştir. Düzlem içi ve düzlem dışı deneylerden, PP hasır uygulamasının yapıldığı numumelerde ilk çatlak oluştuktan sonra daha büyük artık dayanımlara ulaşıldığı gözlenmiştir.
Gurgain ve diğ. (2007), PP uygulamasının yapıldığı duvar elemanların davranışlarının simülasyonu için analitik model geliştirmiştir. Analitik model, en-boy oranı etkisini içermekte ve hasar dağılımının belirlenmesini sağlayabilmektedir.
Sayısal çalışmalardan elde edilen sonuçlar deney sonuçları ile uyumlu olacak şekilde PP bant uygulamasının duvar davranışını iyileştirdiğini göstermektedir. Krevaikas ve Triantafillou (2005), yığma duvarlara lifli polimerlerin sargılanmasıyla eksenel yük taşıma kapasitesinin artırılmasını araştırmıştır.
Toplamda 42 adet deney numunesi üzerinde tek eksenel basınç deneyi gerçekleştirmiştir. Deneysel çalışmada lifli polimer uygulamasında katman sayısı, köşelerde dönüş açısı, kesitlerde en/boy oranı ve lifli polimer tipi gibi parametrelerin etkisi incelenmiştir.
Çalışma sonuçları lifli polimerler kullanılarak yapılan güçlendirilmiş duvarların, lifli polimerler ile sargılanan beton davranışına oldukça yakın olduğunu göstermiştir.
Sargılama uygulaması, deney numunelerinin yük taşıma kapasitelerini ve deformasyon özelliklerini doğrusal olarak artırdığını göstermiştir. El-Dakhakhni ve diğ. (2006), donatılı donatısız duvarlar üzerinde ve dolgu duvarlı çelik çerçeveler üzerinde çok sayıda deneysel çalışmalar gerçekçekleştirmiştir. Güçlendirme amacıyla farklı doğrultularda kompozit levhalar kullanılmıştır. Deneyler sırasında güçlendirilmiş numunelerin düzlem dışı deformasyonlarının önemli ölçüde azaldığı, uygulanan güçlendirme yönteminin numunelerin dayanım, rijitlik ve en büyük dayanım sonrası davranışlarını iyileştirdiği gözlenmiştir.
Deneysel sonuçlar duvarlar üzerindeki kompozit levha uygulamalarının deney numunelerinin deformasyon kabiliyetini artırdığını ve hasarları önemli ölçüde sınırlandırdığını göstermiştir.
Farooq ve diğ. (2006), çelik levhalarla farklı konfigürasyonlarda güçlendirilmiş yığma duvarları eksenel yük etkisi altında ve kayma etkileri altında test etmiştir. Çelik levhaların yerleştirilme aralıkları deneyin önemli parametresi olmuştur.
Duvar numunelerinin yüzeyine ankre edilmiş çelik levhaların basınç ve kayma dayanımı açısından önemli artışlar sağladığı gözlenmiştir. Alcaino ve Santa Maria (2008) liflipolimerle güçlendirilmiş ölçeksiz 16 adet yığma duvar elemanlar üzerinde deneyler gerçekleştirmiştir.
Deney sonuçlarına göre lifli polimer uygulamasıyla numunelerin dayanımları %13 ile %84 arasında, deformasyon kapasitesi ise %51 ile %146 arasında değişen oranlarda artırılmıştır.
Genel sonuç olarak lifli polimer uygulamalarının yapısal enerji tüketme özelliklerini artırdığı sonucuna varılmıştır. Deneysel sonuçlar aynı zamanda eş değer sönüm değerlerinin yakalşık %0.3 seviyesinde bir öteleme seviyesinde eş değer sönüm oranını için %8’lik bir artış sağlanabileceğine işaret etmektedir.
Taghdi ve diğ. (2000), sünek ve sünek olmayan yığma duvarları temsil etmek üzere donatılı ve donatısız beton blok elemanlar test etmiştir. Numunelerden bazıları, düşey ve yatay doğrultuda çelik levhalarla güçlendirilmiştir. Levhalar temel seviyesinde bulonlar ve takviye levhaları ile ankrajı sağlanmıştır.
Deney sonuçları çelik levhalarla yapılan uygulamaların numunelerin süneklik ve enerji tüketim özelliklerini iyileştirdiğini göstermiştir. Chang Wei ve diğ. (2007), 1.5×1.5m boyutlarında 3 yığma duvar elemanı süneklik ve yatay yük taşıma kapasitesini belirlemek amacıyla test etmiştir.
İkisi karbon elyaf polimerlerle güçlendirilen toplam üç adet deney numunesi sabit eksenel yük ve tersinir tekrarlı yatay yer değiştirme etkisi altında statik olarak test edilmiştir.
Lifli polimerler kullanılarak yapılan güçlendirmenin numunelerin süneklik, yatay yük taşıma kapasitesi ve enerji tüketim özellikleri açısından önemli iyileştirmeler sağladığını göstermiştir.
Elgawady ve diğ. (2007) ½-ölçekli deney numunelerini lifli polimer uygulamasıyla güçlendirmeden önce güçlendirdikten sonra sabit düşey yükler ve çevrimsel yatay yer değiştirme protokolü etkisi altında test etmiştir.
Numunelerin eksenel rijitliği ve lifli polimer miktarı yatay yük taşıma kapasitesinin, rijitliğinin ve enerji tüketim kapasitesinin belirlenmesi açısından deneysel çalışmanın parametreleri arasında yer almıştır.
Lifli polimerlerin gereğinden fazla kullanılması deney numunelerinin gevrek bir davranış sergilemesine sebep olmuştur. Çalışma sonuçları, güçlendirilmiş deney numunelerinin daha fazla sönüm özelliğine sahip olduğunu göstermiştir.
Lifli polimerler kullanılarak güçlendirilmiş delikli tuğla duvarların davranışlarının belirlenmesi için İstanbul Teknik Üniversitesi Yapı ve Deprem Mühendisliği Laboratuvarı’nda bir seri deneysel çalışma gerçekleştirilmiştir [2].
Çalışmada güçlendirilmiş numunelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi hedeflenmiştir. Bu amaca ulaşmak için 350×350×70 mm3 boyutlarında çok sayıda tuğla elemanlardan oluşan deney numuneleri üretilmiştir.
Deliklli tuğlalar %40 oranında boşluğa sahip olup betonarme yapıların çerçeve gözlerinde bölme duvarların oluşturulmasında kullanılmaktadır.
Tuğla duvarların güçlendirilmesi amacıyla uygulanan lifli polimerlerin biri ağırlığı 0.0015 g/cm2, çekme dayanımı 3900 MPa ve elastisite modülü 230 GPa’dır. Lifli polimerlerin tuğla duvar elemanlara uygulaması sırasında çekilmiş birtakım fotoğraflar Şekil 2’de verilmiştir.
Şekil 2. Lifli polimer uygulama aşamaları
Gerçekleştirilen deneysel çalışmadan birinci grup deney numunelerini kayma testlerinin yapıldığı grup oluşturmaktadır. Kayma deneylerinde lifli polimer miktarı deneysel çalışmanın parametresini oluşturmaktadır. Kayma deneylerinin yapıldığı deney düzeneği ve deney numuneleri Şekil 3’te verilmiştir.
Yalın Numune Kesintili Güçlendirme Kesintisiz Güçlendirme
Şekil 3. Birinci grup deneyler
Birinci grup deney numunelerinden elde edilen yükyer değiştirme ilişkileri Şekil 4’te verilmiştir. Yer değiştirme değerleri, numunelerin yüzeylerine yatay ve düşey doğrultuda yerleştirilen yer değiştirme ölçerlerden elde edilmiştir.
Şekil 4. Kayma deneylerinden elde edilen yük-yer değiştirme ilişkileri
Birinci grup deney sonuçları, lifli polimer uygulamasıyla kayma dayanımında önemli artışlar sağlandığını, ancak lifli polimer yoğunluğunun kayma dayanımındaki artış oranında çok etkili olmadığını göstermiştir.
Deney sonuçları, özellikle lifli polimerlerin kesintili olarak sargılanmasıyla dolgu duvarlar elemanların deformasyon kapasitesinde önemli artışlar sağladığını bunun yanında lifli polimerlerin kesintisiz olarak kullanımında davranışın daha gevrek olduğunu göstermiştir.
İkinci grup deney numuneleri Şekil 5’te görülmektedir. Bu serideki deneylerde lifli polimer sargılamasının numune basınç dayanımına etkisinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Yükleme, tuğla elemanların deliklerine parallel olarak gerçekleştirilmiştir.
Şekil 5. İkinci grup deneyler
İkinci grup deneylerden elde edilen basınç dayanımı ile düşey şekil değiştirme arasındaki ilişkiler Şekil 6’da verilmiştir. Şekil değiştirmeler, duvar elemanlara düşey ve yatay doğrultuda yerleştirilmiş yer değiştirme ölçerlerden türetilmiştir.
Lifli polimerler duvarların belirli basınç seviyeleri etkisi altında basınç ve kayma dayanımlarını ve şekil değiştirme kapasitesini artırmakta etkili olmaktadır. Basınç dayanımının artması yüklemenin tuğla deliklerine paralel olması durumunda daha etkili olduğu sonuçları deneysel olarak belirlenmiştir.
Şekil 6. İkinci grup deneylerden elde edilen basınç dayanımı ile şekil değiştirme ilişkileri
Deneylerde, lifli polimerlerin gerek kesintili gerek kesintisiz sargılama uygulamalarında yükün tatbik edildği noktalarda birtakım ezilmeler görülmüştür. Genel olarak delikli tuğla duvarların lifli polimerler ile sargılanması durumunda önemli performans iyileşmesi sağlanabilmektedir.
Deneysel çalışmalar, bu tür güçlendirme yöntemleri ile dolgu duvar bünyesinde gerçekleşen çatlak oluşumunun azalmasının ve daha sünek bir davranış elde edilmesinin sağlanmasının mümkün olduğunu ve gevreklik özelliğini ortadan kaldırdığını göstermiştir.
Lifli polimerler genel yapısal performansı artırmasının yanında uygulama kolaylığı nedeniyle uygun maliyetli ve hızlı olarak uygulanabilecek güçlendirme yöntemi olarak ön plana çıkmaktadır.
Mantolama, perde duvar ekleme gibi konvansiyonel güçlendirme yöntemleri gibi güçlendirme yöntemleri ile karşılaştırıldığında lifli polimerler kullanılarak yapılan uygulamalar maliyeti önemli ölçüde azaltmaktadır.
Teşekkür
Bu çalışma, İstanbul Teknik Üniversitesi’nde bulunan Yapı Malzemeleri Laboratuvarı ile Yapı ve Deprem Mühendisliği Laboratuvarları’nın, 106M050 numaralı TÜBİTAK projesinin ve BASF firmasının sağladığı imkânlar sayesinde gerçekleştirilmiştir. Bu çerçevede ilgili kuruluşlara, Prof. Dr. Ercan Yüksel, Prof. Dr. Alper İlki ve Dr. Medine İspir’e teşekkür ederim.
Doç. Dr. Hasan Özkaynak
Beykent Üniversitesi
Mühendislik-Mimarlık Fakültesi
İnşaat Mühendisliği Bölümü
