Mevcut betonarme okul binalarında güçlendirme perdelerinin etkinliğinin doğrusal olmayan dinamik analiz ile irdelenmesi

Abstract

Türkiye'de mevcut betonarme yapı stoğunun büyük bir kısmı, öngörülen deprem yükleri altında yetersiz kapasiteye sahiptir. Mevcut yapı stoğu içerisinde yer alan okul binaları, gerek ihtiva ettiği insan yoğunluğu gerekse depremden sonra geçici barınma amaçlı kullanılmaları nedeniyle ön plana çıkmaktadır. Bu bağlamda, mevcut betonarme okul binalarının öngörülen deprem istemlerine karşın yeterli kapasiteyi sağlayabilmeleri için farklı yöntemler kullanılarak güçlendirme çalışmaları yapılmaktadır. Söz konusu yöntemler arasında, gerek pratik ve ekonomik olması, gerekse yapıya büyük rijitlik ve dayanım sağlaması sebebiyle, mevcut betonarme çerçevelerin bazılarının betonarme perdelere dönüştürülmesi, en çok tercih edilen yöntemlerin başında gelmektedir. Bununla birlikte, betonarme güçlendirme perdelerinden optimum düzeyde faydalanılabilmesi için güçlendirilmiş sistemin değişen davranışının bilinmesi önemlidir. Güçlendirme perdelerinin yüksek oranda uygulanması, mevcut yapı kapasitesinin yeterli şekilde kullanılmamasına neden olacaktır. Az sayıda betonarme güçlendirme perdesi kullanımı ise, diğer taşıyıcı elemanların güçlendirilme ihtiyacının doğmasına sebebiyet verecek ve yapılan çalışma ekonomik olmaktan uzaklaşacaktır. Ayrıca, yapılan deneysel çalışmalara göre, mevcut çerçevelerin betonarme perdelere dönüştürülmesi ile elde edilen betonarme perdeler ile yeni yapılarda monolotik döküm ile oluşturulan betonarme perdelerin, yatay yükler altında davranışı farklılık göstermektedir. Tüm bu sebeplerden ötürü, güçlendirme perdelerinin etkinliğinin irdelenmesi önem kazanmaktadır. Yapılan bu çalışma ile mevcut okul binalarında güçlendirme perdelerinin etkinliği, doğrusal olmayan dinamik analiz ile incelenmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında, güçlendirme perdelerinin matematik modeli mevcut deney verileri kullanılarak kalibre edilmiştir. Perde matematik modelinin oluşturulmasında makroskopik modelleme yaklaşımlarından fiber elemanlar kullanılmıştır. Matematik model kalibrasyonu ilk aşamada kesit bazında fiber eleman sıklığı ile perde plastik mafsal bölgesi boyunca meydana gelen birim şekildeğiştirmelere yönelik yapılmıştır. Elde edilen analiz sonuçlarına göre, fiber elemanlar ile oluşturulan perde matematik modellerinde doğrusal olmayan davranışın yeter derecede yaklaşıklıkla modellenebilmesi için seyrek fiber eleman kullanımından kaçınılması gerektiği belirlenmiştir. Ayrıca kalibre edilen perde matematik modelinin analizi ile elde edilen birim şekildeğiştirmelerin, deney verileri ile örtüştüğü görülmüştür. İlave olarak, perde matematik modelinin malzeme çevrimsel davranışına yönelik matematik model kalibrasyonu da yapılmıştır. Bu amaçla büyük ölçekli ve mevcut yapı stoğunu temsil eden deneylerden elde edilen veriler kullanılmıştır. Analizler sonucu, betonarme güçlendirme perdelerinde kullanılmak üzere deney verileri ile uyumlu malzeme çevrimsel davranış modelleri elde edilmiştir. Ayrıca yapılan çalışmalara ilave olarak, betonarme güçlendirme perdelerinin matematik modellenmesinde literatürde sıklıkça kullanılan malzeme davranış modellerinin uygunluğu da irdelenmiştir. Analizler neticesinde, söz konusu malzeme davranış modellerinin güçlendirme perdelerinin sismik yükler altında davranışını yansıtmada yetersiz kaldığı görülmüştür. Yapılan kalibrasyonlar sonucunda, betonarme güçlendirme perdelerinin doğrusal olmayan analizlerine yönelik pratik ve kullanışlı bir matematik model elde edilmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında kalibre edilmiş matematik model kullanılarak, tipik bir betonarme okul binasının Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik (DBYBHY-2007) çerçevesinde yapısal performansı, değişken kat adedi, malzeme dayanımı ve güçlendirme perde oranı parametreleri kullanılarak, öngörülen iki farklı deprem düzeyi için değerlendirilmiştir. Analizler iki boyutlu düzlemde her iki ortogonal doğrultu için ayrı ayrı gerçekleştirilmiş olup, üç boyutlu yapı davranışında oluşabilecek burulma gibi olumsuz etkiler ihmal edilmiştir. Parametrik inceleme, diğer analiz yöntemlerine nazaran daha gerçekçi sonuçlar veren ve hassas yaklaşımı literatürde de kabul edilen zaman tanım alanında doğrusal olmayan dinamik analiz ile yapılmıştır. Yapılan analizler ile kesit bazında mevcut kolon, kiriş ve perdelerin malzeme birim şekildeğiştirmeleri ile yapı bazında göreli kat ötelenmeleri, taban kesme kuvveti gibi veriler her bir deprem kaydı için ayrı ayrı elde edilmiştir. Analizler sonucu elde edilen veriler ışığında, 3 katlı S220 donatı sınıfına sahip yapılarda %1.00 oranında güçlendirme perdesi kullanımı yeterli olurken, söz konusu değer S420 donatına sahip okul binalarında %0.70'ye düşmektedir. Benzer şekilde 5 katlı okul binaları ile S220 donatı sınıfına sahip 4 katlı okul binalarında gerekli güçlendirme perde oranı %1.70 olarak hesaplanırken, S420 donatı sınıfına sahip 4 katlı okul binalarında söz konusu oran %1.40 olarak bulunmuştur. Ayrıca hemen kullanım performans seviyesinin daha zor sağlanabilmesi nedeniyle, yapılan doğrusal olmayan dinamik analizlerde şiddetli deprem istemi ile birlikte tasarım depremi de gerekli güçlendirme perde oranında belirleyici unsur olmaktadır. Dolayısıyla mevcut okul binalarının sismik kuvvetler altında yapı performanslarının irdelenmesinde, sadece şiddetli deprem düzeyine yönelik analiz ile yetinilmesinden kaçınılmalı, her iki deprem düzeyine göre de performans kontrolü yapılması gerekmektedir. Yapılan çalışmada betonarme perdeler ile güçlendirilen mevcut okul binalarında, dayanım azaltma katsayısının (Ry) perde oranına bağlı değişimi doğrusal olmayan statik itme analizleri ile irdelenmiştir. Analizler sonucu elde edilen verilere göre, üç katlı okul binalarında kullanılan yüksek güçlendirme perde oranı yapıda enerji sönümlenmesini önlemektedir. Dolayısıyla az katlı yapıların yüksek perde oranları kullanılarak güçlendirilmesi, gerek yapı kullanım alanını olumsuz etkilemesi gerekse ekonomik olmaması sebebiyle tercih edilmemelidir. Öte yandan beş katlı okul binalarının güçlendirilmesinde, %1.4 oranını aşan güçlendirme perde oranı, dayanım azaltma katsayısında ciddi anlamda bir değişiklik meydana getirmemektedir. Çalışmanın son aşamasında, yapılan doğrusal olmayan dinamik analizler ile betonarme perdelerle güçlendirilen okul binalarından elde edilen verilerin, uygulamaya yönelik pratik kullanımı için bir yazılım hazırlanmıştır. Bu sayede yapılan çalışma ile oldukça detaylı olarak elde edilen sayısal sonuçların, okul tipi yapıların güçlendirilmesine yönelik bir ön değerlendirme aracı olarak kullanılması sağlanmıştır.