İSTANBUL KÜLTÜR ÜNİVERSİTESİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

T.C.

İSTANBUL KÜLTÜR ÜNİVERSİTESİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

BETONARME YAPILARIN GELENEKSEL YÖNTEMLERLE DEPREME KARŞI

GÜÇLENDİRİLMESİ

Dr.Erdal Coşkun

İnşaat Yüksek Mühendisi

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

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.

Onarım ve Güçlendirme Süreçleri

Yapının mevcut halinin belirlenmesi (çatlaklar, deformasyonlar,hasarlar),Sistemin durumu

Onarım ve/veya güçlendirmenin gereklerinin belirlenmesi

Onarım ve güçlendirmeden sonra yapıda temin edilmesi istenen hedeflerin belirlenmesi Onarım ve/veya güçlendirme programının hazırlanması

İnşaatın kalitesinin denetlenmesi

Önerilen onarım ve /veya güçlendirme sistemlerinin uygunluğunun belirlenmesi

Betonarme Yapılarda Gözlenen Kusurlar,Hasar Nedenleri

Uygun olmayan taşıyıcı sistem düzenlemeleri

İnşaat hataları, yeterli denetimin olmayışı

Donatı detaylarının yetersiz veya zayıf olması

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

Hasarlar

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.

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

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.

Bina köşelerinde 1.5 m lik konsol ötelemesi ve etkileri

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.

Kötü detaylandırma, kötü malzeme ve işçilik

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

Güçlendirmedeki amaç:

• Yapının performansını yürürlükteki Deprem Yönetmeliğinin belirlediği düzeye çıkarmak.

• Yapının performansını depremde toptan göçmeyi önleyecek düzeye çıkarmak

(iyileştirmek).

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 ya da kapsamlı

güçlendirme

Kapsamlı Güçlendirme

Kapsamlı Güçlendirme

Önemli Yapı

Yüksek

betonarme bina (8 ve daha çok katlı)

Çelik Yapı

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

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

Karşılaştırma

Basitleştirilmiş Güçlendirme Kapsamlı Güçlendirme

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.

Perde Donatı Detayları

Dışardan Perde Uygulaması Kirişlere Birleştirme

Eksenel Perde

Çelik Çaprazlarla Güçlendirme

Yapılan deneysel çalışmalar bu tür güçlendirme tekniği kullanılarak yapının rijitliğinin 4-5 katı kadar artırılabileceğini göstermiştir.

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.

Çelik Çapraz Uygulamaları

Çelik Çapraz Uygulamaları

Kolonların Güçlendirilmesi

D eneysel 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.

Mantolama Örnekleri

Betonarme Mantolama

Çelik Ceketleme

Çelik Ceketleme Uygulamaları

Dayanım artırır. Çelik elemanların

sistemle birlikte çalışabilmesi için mevcut

betona iyi yapışması ve ankrajlanması

gerekir .

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.

Lif Takviyeli Kompozitler (LTK)

Lif takviyeli kompozitler (LTK) son yıllarda yapıların

onarım ve güçlendirmesinde yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır.

Lifler Dayanım (MPa) Elastisite Modülü

(GPa)

Özgül Ağırlığı (kg/m³)

Cam Lifleri 1700-2100 50 2500

Karbon Lifleri 1700-2500 150-190 1900

Aramid Lifleri 1700-2100 65-120 1400

Lif Takviyeli Kompozitlerle (LTK) Güçlendirme

Köprü Uygulaması

Kolon Uygulaması Yığma Duvarın Güçlendirilmesi (Deney Düzeneği)

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

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.

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

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)