Betonarme Bir Binanın Farklı Yöntemler İle Onarım Ve Güçlendirilmesi

Abstract

Yapı mühendisliği alanında, yapıların güçlendirilmesi senelerdir tam olarak çözülememiş bir sorun olmuştur. Güçlendirilecek her yapı genellikle farklı özellik gösterebilmektedir. Son depremlerde yapısal hasarlar belirgin şekilde ortaya çıkmış olup geçmişte inşa edilmiş yapıların sismik kuvvetlere dayanacak şekilde projelendirilmesi ve inşası esastır. Yapı hasarlarını azaltmak, ancak dikkatli tasarım yoluyla, ya da hasar görmüş yapılardan dersler alınması ile elde edilebilir. Yapıların depremlerde hasar görmesinin önlemesi amacıyla, yapılarda güvenli tarafta kalacak şekilde kurallar konulmaktadır. Bu bilgiler, yapı onarımı veya yapının inşasında kullanılabilir. Mevcut binanın deprem kapasitesinin artırılması ve göçmesinin önlenmesi esastır. Bu sebeple ele alınan binanın onarım ve güçlendirilmesi çok önemli dır. Bu tez Iranda, Zanjan kentin’de 1970 yilinda (yaklaşik 42 sene önce) yüksek deprem riskine sahip fay hattı üzerinde inşa edilen bir okul binasının rehabilitasyon ve güçlendirilmesini kapsamaktadır. Binanın taşıyıcı sistemi betonarme olup üç katlı bir yapıdır. X doğrultusunda 6 tane 6 metrelik açıklıklı (toplam 36 metre) ve Y doğrultusunda 3 tane açıklıklı sirayla 7.35 m, 3.5 m, ve 7.2 m (toplam 17.55 metre) açıklıklı çerçevelerden oluşmaktadır. Bina taşıyıcı sistemi düşey ve yatay yükler etkisinde incelemiştir. Binada, beton mukavemetinin belirlenmesi için deney yapılmıştır. Malzeme testleri kolon, kiriş ve temellerde beton ve donatılar üzerinde tahribatlı ve tahribatsız test teknikleri kullanılarak yapılmıştır. Beton basınç dayanımı sırasıyla en küçük ve en büyük beton dayanımı için 20.0MPa ve 28.3MPa elde edilmiş ve istatistiksel yöntemlerle değerlendirilmiştir. Bina eski olduğu için her hangi bir plan ya da bilgi temin edilmemiş olduğundan elde edilmiş olarak, bütün planlar ve gerekli olan bilgiler, yapılan testlerden ve mimari rölöve çizimlerinden oluşmaktadır. Binanın inşa edildiği bölge için, tektonik bilgiler ve deprem fay bilgileri toplanmıştır. Sonraki adımda, binanın taşıyıcı sisteminin modellemesi yapılmıştır. Daha sonra, malzemeler, elemanlar ve yükleme tanımlaması yapılmış, itme analiz kullanilması nedeniyle, plastik mafsallar tanımlanmıştır. Bütün doğrusal olmayan analizler için FEMA-356 kuralları kullanılmıştır. Binanın sayısal analizleri için İran Deprem Yönetmeliği uygulanarak düşey ve yatay yükler altında SAP2000 yazılımı ile, üç boyutlu model kullanılmıştır. Daha sonra bütün yatay ve düşey yükler ve plastik mafsallar tanımlanmıştır. Binanın hedef deplasmanı (yerdeğiştirme) bulunduktan sonra, bu hedef deplasmanı modelin en üst katında simetrik olarak bir noktaya göre tarif edilmiş ve bina analiz edildikten sonra, tepe deplasmanın ne kadar olacağı belirlenmiştir. Öncelikle, binanın güçlendirme ve rehabilitasyona ihtiyaç duyup duymadığı incelenmiştir. Daha sonra, analizler yapılarak binanın güçlendirilmesi gerekliği tespit edilmiştir. Doğrusal olmayan analizi yaptıktan ve hedef deplasmanı belirledikten sonra, plastik mafsallari inceleyerek, güçlendirmeye ve güçlendirme yöntemine karar verilmiştir. Sayısal sonuçlar mevcut taşıyıcı sistemin yetersiz olduğunu ortaya koymakta ve güçlendirilmesi gerektiğini göstermektedir. Farklı güçlendirme yöntemleri mevcut olup, üç farklı güçlendirme yöntemi ile bina taşıyıcı sisteminin güçlendirilmesine karar verilmiştir. Mevcut çerçevelere perde duvarlar eklemek, kolonları mantolamak ve çelik profil diyagonaller ekleyerek. Perde duvarlar ve çelik profil diyagonaller eklemesinde dikkat edilmesi gereken hususlar vardır. Bina eski olup, yatay ve düşey yükler etkisinde, perde duvarlar ve çelik profil diyagonaller ekleyerek sadece deprem yüklerini karşılamaları, bu şekilde yükleri tarif ederken, perde duvarlar ve çelik profil diyagonaller daha sonra mevcut taşıyıcı sisteme eklediğimizi göz önüne almaktayız. Mantolama yönteminde, perde ve çelik profil diyagonal uçlarındaki kolonlar mantolanarak güçlendirmiştir. Kolonlarda, x ve y doğrultusunda, manto kalınlığı sırayla 20cm ve 25cm alınmıştır. Binanın güçlendirilmesi ve rehabilitasyon öncesi ve sonrasındaki davranış farklılıklarına ilişkin bütün şekil ve tablolar verilmiştir. Güçlendirmeden önce oluşan mafsallar farklı olarak ortaya çıkmış olup, beklenen hedef deplasmanı ve performans noktası, farklı güçlendirme yöntemleri için karşılaştırılmıştır. Bütün yöntemlerin zayıf ve güçlü noktaları karşılaştırılmış, sonra güçlendirmeye karar verilmiş ve perde duvarları eklenmiştir. Doğrusal elastik performans değerlendirmesi FEMA-356 ve İran’ın onarım ve güçlendirme yönetmeliğine (Code-360) göre gerçekleştirimiştir. Binanın tasarım depremi altında hemen kullanım performans seviyesini sağlaması ve maksimum depremde can güvenliği performansını sağlayacak şekilde, güçlendirilmesi kabul edilmiştir. Sayısal sonuçlar, şekil ve tablolarda karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. • Birinci bölümde, çalışmanın amacı ve kapsamı çerçevesinde konu açıklanmıştır. • İkinci bölümde, kuvvete dayalı tasarımı ve analiz işlemleri için İran Deprem Yönetmeliği (Code-2800) ve FEMA-356’daki hesap ve tasarım kurallarından bahsedilmiştir. İran Deprem Yönetmeliğinde (Code-2800) verilen düzensizlik durumları, elastik deprem yüklerinin tanımlanması, elastik deprem yüklerinin azaltılması gibi konular hakkında bilgi verilmiştir. • Üçüncü bölümde, betonarme binanin performansa dayalı tasarım ve doğrusal olan ve doğrusal elastik olmayan değerlendirmesi için FEMA-356’nın 6 bölümü kullanılarak, betonarme binaların, güçlendirilmeleri için bilgi verilmiştir. • Dördüncü bölümde, üç katlı mevcut bir okul binası ele alınmış, daha sonra bu binanın performans değerlendirmesi yapılmıştır. Binanın deprem hesabı İran yönetmeliğinde (Code-2800) verilen eşdeğer deprem yükü yöntemine göre yapılmıştır. Daha sonra okul binasının İran Deprem Yönetmeliğine (Code-2800) göre artımsal eşdeğer deprem yükü yöntemi kullanarak performans değerlendirmesi yapılmıştır. Bu performans değerlendirmesi için yapılacak olan artımsal itme analizinin uygulanabilirlik şartları incelenmiş, yapının modellenmesinde çeşitli kabullere yer verildiğinden bahsedilmiştir. Bölümün sonunda da FEMA-356 katsayı yöntemlerine göre hedef deplasman hesabı yapılmıştır. Bu işlemlerden sonra SAP 2000’de hedef deplasmana erişmeden binanın göçtüğü görülmüş, mafsallar oluşmuştur ve daha sonra güçlendirme kararı alınmıştır. Hedef deplasman hesabı ATC-40 ve FEMA-440’daki kapasite spektrum yöntemi kullanarak gerçekleştirilmiştir. • Beşinci bölümde, çalışmada üç katlı çerçeve taşıyıcı sisteme sahip betonarme bir okul binasının FEMA-356 yönetmeliğine göre alınan güçlendirme kararı doğrultusunda, üç farklı güçlendirme yöntemiyle (çelik diyagonal eklenmesi, perde duvar eklenmesi, kolon mantolaması) güçlendirilmesi gerçekleştirilmiştir. Yönetmelikteki eleman hasar sınır değerlerine göre güçlendirilmiş taşıyıcı sistemler için hesaplarda taşıyıcı sistem elemanlarının minimum hasar bölgesinde kaldığı, okulun hemen kullanım performans seviyesini sağladığı gösterilmiştir. Bu bölümde ele alınen üç farklı güçlendirme yöntemin sonuçları karşılaştırmıştır.

In structural engineering, strengthening of structures has been an unresolved issue for years. It is crucial importance to increase the seismic resistance capacity in order to overcome the total collapse of the existing buildings. In this thesis, strengthening of a school building that was constructed in 1970, in Iran (Zanjan), is studied. The structural system of the school building consists of reinforced concrete frames. At first, some of the information about the area, building’ materials and any plan that can give some data to us is tried to find. The material tests are carried out by using destructive and non-destructive testing techniques on the concrete and reinforcement bars of columns, beams and foundations. Compressive strength of concrete was evaluated by means of statistical procedures which yield 20.0 MPa and 28.3 MPa for the lower and the upper concrete strengths respectively. Numerical analysis of the building is carried out by adopting a three dimensional modeling in SAP2000 software, under vertical and lateral loads according to Iranian Earthquake Resistant Design Code (IERDC 2007). Next, the structural system of the building’ modeling was stablished. By using the experimental properties in nonlinear analyzing, plastic hinges were defined, at last, analyzing was started. Our goal is to understand, whether capacity of existing structural system of the building is sufficient or not. Numerical results reveal that the existing structural system is insufficient and it should be strengthened. Three different strengthening techniques are considered for rehabilitation of the building. Adding steel diagonal braces to existing frames, adding shear walls and concrete jacketing of columns are techniques that were used for strengthening. Nonlinear elastic performance method assessment is accomplished according to FEMA-356 and Iranian Code-360. Immediate occupancy under the design earthquake and the life safety under the maximum considered earthquake are considered in design of the extent of the strengthening intervention. Numerical results of building’ structural system’ strengthening are given in figures and tables comparatively.