Farklı eksenel yüklere maruz standart altı betonarme kolonlarda boyuna donatı bindirmeli ek detayının deprem performansına etkisi

Abstract

Gelişmekte olan birçok ülkede, mevcut yapı stokunun büyük bir kısmını inşa edildiği dönemin yönetmelik kurallarına uymayan betonarme yapılar oluşturmaktadır. Bu yapıların elemanlarında, düşük beton dayanımı, yetersiz enine donatı ve uygun inşaat detayları olmayan düz yüzeyli donatı kullanımı (örn. yetersiz bindirme şekilleri) gibi önemli eksiklikler görülmektedir. Taşıyıcı sistemin en önemli parçası olan kolon, bu eksikliklerden en çok etkilenen eleman konumundadır. Kolonlar, yapı ağırlığından kaynaklanan eksenel yüklere ve deprem olması durumunda yatay yüklere maruz kalmaktadır. Bu yetersiz kolon elemanlarının deprem yükleri altında davranışlarının anlaşılabilmesi, olası can ve mal kayıplarını önleyebilecek yapısal müdahale yaklaşımlarının geliştirilebilmesine olanak sağlayacaktır. Tez çalışması kapsamında, ülkemizde sıkça rastlanılan standartların altında özelliklere ve farklı eksenel yük seviyelerine sahip betonarme kolon elemanlarında, boyuna donatılarda görülen bindirme şekillerinin deprem davranışına etkisi incelenmiştir. Mevcut yapıların büyük bir bölümünü temsil eden standart altı özelliklere sahip numunelerin üretilmesine dikkat edilmiştir. Bu sebeple kolonlar üretilirken düşük dayanımlı beton (10 MPa) kullanılmıştır. Hem boyuna donatılar hem de enine donatılar için aderans yeteneği çok az olan düz yüzeyli çelik donatılar tercih edilmiştir. Ayrıca mevcut yapılarda fazlaca karşılaşılan fazla enine donatı aralığı (200 mm), etriye sonunda 90° kanca kullanımı, yetersiz bindirme boyu gibi detaylar kullanılmıştır. Numuneler, 300 mm x 300 mm kesit boyutlarına sahip ve 1,5 metre boyunda üretilmiştir. Boyuna donatılar için 14 mm, enine donatılar için 10 mm çapında düz yüzeyli donatılar kullanılmıştır. Bindirme olmayan bölgelerde minimum donatı oranı olan yüzde 1 değeri tercih edilmiştir. Bindirmeli ek detayı içeren numunelerde mevcut yapılarda da sıkça rastlanılan 20db bindirme boyu kullanılmıştır. Numunuler, üzerinde bulunan eksenel yük seviyesi ve boyuna donatılarda bulunan bindirme şekilleri parametre olarak dikkate alınacak şekilde 9 adet tam ölçekli kolon numunesi üretilmiştir. Birinci seti temsil eden 3 adet numunede temel içerisinden kolon tepesine kadar uzanan sürekli donatı bulunmaktadır. İkinci seti temsil eden diğer 3 adet numunede 20db bindirme boyuna sahip ve bindirme sonunda kanca bulunan boyuna donatı bulunmaktadır. Son olarak üçüncü seti temsil eden 3 adet numunede ise 20db bindirme boyuna sahip ve bindirme sonunda kanca bulunmayan boyuna donatı bulunmaktadır. Deneylerde eş zamanlı olarak yapıların düşey yüklerini ve sismik hareketleri temsil edecek şekilde, numune setlerinde bulunan kolonlar üç farklı eksenel yük seviyesine (eksenel yük kapasitelerinin %30'u, %50'si ve %70'i) ve tekrarlı çevrimsel yatay yer değiştirmeye maruz bırakılmıştır. Deneysel bulgulara bakıldığında, bindirme şeklinden bağımsız, kolonların maruz kaldığı eksenel yük seviyesi arttıkça, numunelerin yapabileceği yerdeğiştirme kapasitesi azalmakta, dolayısıyla yutulan enerji de bu düzeyde azalmaktadır. Üzerinde eksenel yük kapasitesinin %30'u ve %50'si bulunan numunelerde, şeklinden bağımsız bindirmelerin, numunenin yatay yük kapasitesini ve yapabileceği yerdeğiştirme kapasitesine olumsuz etkisi olduğu görülmüştür. Üzerinde eksenel yük kapasitesinin %70'i bulunan numunelerde ise, bindirmelerin etkisi görülemeden göçme gerçekleşmiştir. Eksenel yük kapasitesinin %30'u üzerinde bulunan numunelerde temel ile kolon kesişim bölgesinde sıyrılma gözlemlenirken, eksenel yük kapasitesinin %50'si üzerinde bulunan numunelerde sıyrılmanın çok az olduğu, eksenel yük kapasitesinin %70'i üzerinde bulunan numunelerde ise sıyrılma olmadığı gözlemlenmiştir. Bindirme eki detayından bağımsız, kolonların üzerindeki eksenel yük seviyesi arttıkça plastik mafsal bölgesinde değişim olduğu gözlemlenmiştir. Üzerinde eksenel yük kapasitesinin %30'u ve %50'si bulunan numunelerde, plastik mafsal bölgesi kolon tabanı ile 400 mm yüksekliği arasında oluşurken,üzerinde eksenel yük kapasitesinin %70'i bulunun kolonlarda plastik mafsal bölgesi 400 mm ile 800 mm aralığında olduğu gözlemlenmiştir. Bu durum çok yüksek eksenel yük seviyelerinde temelden gelen sargılama etkisinin arttığını dolayısıyla kolon temel birleşim bölgesinin hasar almaması ile sonuçlanmıştır. Üzerinde eksenel yük kapasitesinin %30'u ve %50'si bulunan numunelerde deneyin ilk çevrimlerinde numune uzüerinde eğilme çatlakları gözlemlenmiştir. Deney sonuna yaklaşıldıkça eğilme çatlakları yerini basınç çatlaklarına bırakmıştır. Diğer yandan üzerinde eksenel yük kapasitesinin %70'i bulunan numunelerde ise deney boyunca sadece basınç çatlakları gözlemlenmiştir. Buradan bu numunelerde tüm kesitin basınç gerilmeleri altında olduğu anlaşılmıştır. Kalıcı yer değiştirme oranlarına bakıldığında özellikle bindirme içeren numunelerde itme ve çekme yönlerinde gerçekleşen kalıcı yerdeğiştirmelerde büyük farklılıklar olduğu gözlemlenmiştir. Numunelerde bindirmenin varlığı, itme ve çekme çevrimlerinde simetrik kalıcı yerdeğiştirmenin önüne geçmiştir. Sürekli donatıya sahip kolonlar, açık kaynak kodlu sonlu eleman yazılımı olan Opensees programında modellenmiştir. Sargılı, sargısız beton ve çelik donatı davranışının modellenmesi için Opensees malzeme kütüphanesinden yararlanılmıştır. Üzerinde eksenel yük kapasitesinin %30'u ve %50'si bulunan numunelerde görülen sıyrılma davranışı parametrik bir model yardımıyla programa tanımlanmıştır. Modellemenin ardından analiz yapılmıştır ve deneysel veriler ile analitik çalışma sonucu elde edilen verilerin karşılaştırılması yapılmıştır. Karşılaştırma sonucunda özellikle üzerinde eksenel yük kapasitesinin %30'u ve %50'si bulunan numuneler için deneysel verilerle, analitik veriler arasında iyi bir uyum olduğu görülmüştür. Elde edilen sonuçların literatürde konu ile alakalı boşluğu dolduracağı ve bindirmeli donatı içeren kolon incelemeleri ve bu tip kolonların güçlendirilmesinde mühendislerin daha doğru yaklaşımlar üretmesine katkı sağlayacağı düşünülmektedir. Ek olarak geçmiş yönetmeliklerde, bindirme içeren kolon elemanlarda eksenel yük seviyesinden bağımsız olarak belirli kısıtlamalar koyulmuştur. Ancak çalışma sonucunda özellikle yüksek eksenel yük seviyelerinde bazı kısıtlamaların geçerliliğini yitirdiği gözlemlenmiştir. Düz yüzeyli donatılarda bindirme eki kullanılacaksa bindirme sonunda kanca yapılmasının zorunlu tutulması bu kısıtlamaların en önemlilerinden biridir. Ancak yapılan çalışma gösteriyor ki, kapasitesinin %50 ve %70'i kadar eksenel yük seviyesine maruz ve bu denli az bindirme boyuna (20db) sahip kolonlarda bindirmenin kancalı veya kancasız olmasının davranışa etkisi neredeyse aynıdır. Kapasitesinin %30'u kadar eksenel yük seviyesine maruz kolonlarda ise kancanın varlığı kancasız duruma göre az da olsa davranışa olumlu etkisi olduğu görülmüştür.