Betonarme kolonların deprem performansının tekstil donatılı / donatısız cam lifli püskürtme harçla iyileştirilmesi

Abstract

Ülkemiz ve gelişmekte olan ülkelerdeki mevcut yapı stokunu oluşturan yapıların büyük bir kısmı deprem esnasında arzu edilen sünek davranışı göstermekten oldukça uzaktır. Bu yapılar depreme dayanıklı yapı tasarımı açısından modern yönetmeliklerde verilen kuralları sağlamamakta olup, genellikle inşa edildikleri yıllarda yürürlükte olan yönetmeliklerin öngördüğü koşulları dahi sağlamamaktadır. Bu nedenle, bu yapılar literatürde genellikle standart altı yapı olarak adlandırılmaktadır. Kocaeli (1999), Pakistan Kashmir (2005), Elazığ (2010), Van (2011), Gorkha (2015), İzmir (2020) ve diğer depremler esnasında bu tip yapıların yetersiz deprem davranışı sebebiyle önemli ölçüde yapısal hasar ve buna bağlı olarak can ve mal kayıpları meydana gelmiştir. Betonun dıştan sargılanarak dayanımının ve şekildeğiştirme yapabilme yeteneğinin iyileştirilmesi, güçlendirme için oldukça yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Bu amaçla genellikle lifli polimer (LP) kompozit malzemeler kullanılmaktadır. LP kompozit malzemelerin birtakım avantajları bulunsa da, uygulama esnasında toksik gaz salınımı, reçinelerin camlaşma geçiş sıcaklığının üzerine çıkıldığında mekanik özelliklerin önemli ölçüde kötüleşmesi, uygulamadan önce yüzey hazırlığı gerektirmesi, ıslak yüzeylerde ve düşük sıcaklıklarda uygulama zorluğu, epoksi reçinelerin yüksek maliyeti gibi dezavantajları da bulunmaktadır. Sayılan bu dezavantajların giderilmesi için açık ızgara geometrisinde dokunmuş karbon, bazalt, cam gibi tekstil donatılar ve çimento esaslı matris malzemelerin bir arada kullanıldığı kompozit malzemeler yapı elemanlarının güçlendirme çalışmalarında ve betonun dıştan sargılanmasında kullanılmaya başlanmıştır. Sunulan bu tez çalışması kapsamında, standart altı yapılarda sıkça rastlanan kolonların tipik özellikleri göz önüne alınarak düşük dayanımlı beton (basınç dayanımı yaklaşık 10 MPa) ve düz yüzeyli boyuna donatı kullanılarak üretilen tam ölçekli kolonların deprem davranışı ve bu kolonların çimento esaslı kompozitlerle potansiyel plastik mafsal bölgelerinde yapılan dıştan sargılama ile güçlendirilmesi incelenmiştir. Tekstil donatılı çimento esaslı kompozit sistemin çekme davranışını iyileştirmek için literatürdeki mevcut çalışmalardan farklı olarak kırpık cam lifler matris malzemede kullanılmış ayrıca yine bir başka yenilik olarak kırpık lifli matris malzemenin yüzeye uygulanmasında püskürtme yöntemi kullanılmıştır. Püskürtme yöntemi ile uygulama hızı önemli ölçüde artmakta ve işçilikte tasarruf sağlanmaktadır. Tez çalışmasının ilk bölümünde, kullanılacak kompozit sistemin çekme ve eğilme etkileri altındaki davranışını analiz etmek için malzeme karakterizasyonu çalışmaları yapılmıştır. Bu amaçla ağırlıkça %3.5 oranında kırpık cam lif içeren kompozit, ağırlıkça %5 oranında kırpık cam lif içeren kompozit ve ağırlıkça %3.5 oranında kırpık cam life ilaveten içinde bir, iki ve üç kat açık ızgara geometrisinde dokunmuş bazalt tekstil donatı bulunan kompozit konfigürasyonları test edilmiştir. Kompozit içindeki kırpık cam lif miktarının ağırlıkça %3.5'tan %5'e çıkmasıyla çimento esaslı kompozit içindeki boşlukların artması sebebiyle kompozitin çekme ve eğilme davranışındaki iyileşme sınırlı düzeyde gerçekleşmiştir. Bu durum dikkate alınarak içinde bazalt tekstil donatı bulunan konfigürasyonlar için matris malzeme olarak ağırlıkça %3.5 oranında kırpık cam lif içeren harç tercih edilmiştir. Yapılmış olan eksenel çekme deneylerinde; bazalt tekstil donatı içeren konfigürasyonlarda bazalt tekstil donatı kat adedi arttıkça çekme dayanımı ve nihai çekme şekildeğiştirmesi değerleri gibi davranış özelliklerinin iyileştiği belirlenmiştir. Çekme deneylerine paralel gerçekleştirilen dört noktalı eğilme deneylerinde de, ağırlıkça %3.5 oranında kırpık cam lif içeren harç içine yerleştirilen bazalt tekstil donatı bir kattan iki kata yükseldiğinde eğilme gerilmesi ve deformasyon kapasitesinin iyileştiği görülmüştür. Ancak çekme deneylerinde açıkça gözlenen iki ve üç kat bazalt tekstil donatı içeren konfigürasyonlar arasındaki iyileşme farkı eğilme deneylerinde ortaya çıkmamıştır. Tekstil donatının (iki veya üç kat) nispeten sınırlı bir kalınlık (25 mm) içine katmanlar arasında eşit mesafe olacak şekilde yerleştirilmesi ile eğilme deneyleri esnasında çekme bölgesinde yer alan ve çekmeye çalışan bazalt tekstil donatı katmanı adedinin anlamlı ölçüde değişmemesi ve bazalt tekstil donatının kompozitin basınç dayanımına etkisinin olmaması bu durumda etkili olmuştur. Tez kapsamında yürütülen araştırmanın bir sonraki aşamasında bazalt tekstil donatılı/donatısız kırpık cam lifli püskürtme harç ile düşük dayanımlı beton numunelerin dıştan sargılanarak güçlendirilmesi incelenmiştir. Bunun için tam ölçekli kesit geometrisinde (çapı 200 mm olan daire, kenar boyutu 200 mm olan kare ve 200 × 300 mm, 200 × 400 mm ve 200 × 600 mm kenar boyutlarında dikdörtgen) 500 mm boyunda toplam 31 adet numune üretilmiştir. Referans ve güçlendirilmiş numuneler monotonik basınç yüklemesi altında test edilmiştir. Tüm kesit tiplerinde ve güçlendirme konfigürasyonlarında (bazalt tekstil donatılı veya donatısız) güçlendirme sonrasında numunelerin basınç dayanımında artış sağlanmıştır. Basınç dayanımındaki artış miktarı daire kesitli numunelerde ve üç kat bazalt tekstil donatının kullanıldığı güçlendirme konfigürasyonunda maksimum olup dikdörtgen kesitli numunelerde kenarlar arasındaki oran büyüdükçe azalmaktadır. Benzer şekilde, nihai şekildeğiştirme değerlerinde de üç kat bazalt tekstil donatı içeren konfigürasyonlar için tüm kesit tiplerinde güçlendirme sonrasında artış tespit edilmiştir. Ağırlıkça %3.5 oranında kırpık cam lif ve bir kat bazalt tekstil donatı içeren konfigürasyonlar için kenar oranı iki ve üç olan dikdörtgen kesitli numunelerde nihai şekildeğiştirme değerinde belirli bir artış sağlanamamıştır. İçinde bazalt tekstil donatı bulunmayan, sadece ağırlıkça %3.5 oranında kırpık cam lif içeren kompozit ile yapılan dıştan sargılama sonucunda ise kare ve kenar oranları 1.5, 2 ve 3 olan dikdörtgen kesitlerde nihai şekildeğiştirme referans numunelerden daha küçük kalmıştır. Bu bağlamda, güçlendirme sonrasında betonda nihai şekildeğiştirme değerindeki artışın kare ve kenar oranları 1.5, 2 ve 3 olan dikdörtgen kesitlerde bazalt tekstil donatı miktarı ile alakalı olduğu belirtilebilir. Güçlendirme sonrasında numunelerin eksenel rijitlikleri de bir miktar artmıştır. Bu durum benzer sargılama karakteristiğine sahip lifli polimer kompozitler (FRP) kullanılarak yapılan güçlendirmeye göre önemli bir fark olarak görünmektedir. Elde edilmiş olan deneysel sonuçlardan yararlanılarak, güçlendirilmiş numunelerin basınç dayanımı ve nihai şekildeğiştirme değerlerinin tahmin edilmesi için literatürde verilen bir model modifiye edilerek sargı modeli kurulmuş, bu modelin diğer araştırmacılar tarafından yapılan ve benzer yöntem kullanılarak güçlendirilen numunelerin dayanım ve nihai şekildeğiştirme değerlerinin tahminindeki performansı irdelenmiştir. Tez çalışmasının bir sonraki kısmında, düşük dayanımlı beton ve düz yüzeyli boyuna donatı kullanılarak üretilen standart altı referans ve güçlendirilmiş kolonlar (toplamda 16 tam ölçekli kolon) düşey yük ve depremi benzeştiren tersinir tekrarlı yatay yükleme altında test edilmiştir. Tüm kolonlar eğilme kritik olarak tasarlanmıştır. Test parametreleri etriye aralığı (60 mm, 90 mm, 120 mm, 180 mm), etriye kanca boyu (40 mm, 80 mm), etriye kanca açısı (90, 112.5 ve 135 derece) ve güçlendirme etkisidir. Deneyler esnasında uygulanan eksenel yük/kolon eksenel yük kapasitesi oranı yüksek mertebede olup kolon eksenel kapasitesinin (boyuna donatının katkısı dikkate alınmadan) %45'i veya %53'ü kadardır. Etriye aralığı 60 mm olan ve enine donatı detayının (etriye kanca boyu ve kanca açısı) davranışa etkisinin incelendiği güçlendirilmemiş standart altı kolonların yerdeğiştirme sünekliklerinin etriye kanca açısı ve/veya boyundan bağımsız olarak depreme dayanıklı yapı tasarımı açısından yeterli seviyede olduğu görülmüştür (yerdeğiştirme sünekliği etriye aralığı 60 mm olan kolonların hepsinde 5.5 değerine eşit veya daha büyüktür). Bu durum etriye kanca açısı ve/veya kanca boyundan bağımsız olarak, yeterli sıklıktaki etriyelerin eğilme kritik olarak tasarlanmış düşük dayanımlı düz yüzeyli boyuna donatılı bir kolonda benzer sargı etkisi oluşturabildiğini göstermektedir. Diğer yandan, aynı etriye detayına sahip standart altı kolonlarda etriye aralığı arttıkça (etriye oranı azaldıkça) yerdeğiştirme sünekliği önemli ölçüde azalmaktadır. Benzer şekilde standart altı güçlendirilmemiş kolonların birikimli (kümülatif) enerji tüketme yetenekleri de etriye aralığı arttıkça önemli düzeyde azalmaktadır. Tez çalışmasının standart altı kolonların sunulan kompozit sistemle güçlendirilmesinin incelendiği bölümünde, test parametreleri yukarıda verilen kolonların güçlendirilmiş eşdeğerleri düşey yük ve tersinir tekrarlı yatay yükleme altında test edilmiştir. Güçlendirme sonrasında kolonların göçme modu değişmiş, davranış kolon temel birleşiminde oluşan çatlağın açılıp kapanması ile karakterize edilen "rocking" şeklinde gerçekleşmiştir. Güçlendirilmiş ve referans kolonların deney sonuçları karşılaştırıldığında güçlendirme sonrasında kolonların yerdeğiştirme kapasitesinin, enerji tüketme yeteneğinin, yerdeğiştirme sünekliğinin önemli ölçüde arttığı tespit edilmiştir. Etriye aralığı seyrek olan kolonlarda güçlendirme sonrasında davranışta iyileşme nispeten sık etriyeli kolonlara nazaran daha fazla olarak gerçekleşmiştir. Ek olarak; güçlendirilmiş ve referans kolonların düşey yük ve tersinir tekrarlı yatay yükleme altındaki davranışlarını tahmin etmek için yayılı plastisite ve lif yaklaşımının kullanıldığı doğrusal olmayan modelleme stratejileri sunulmuştur. Son olarak; Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (2018), ASCE 41-17 (2017) ve Eurocode 8 (2004) yönetmeliklerinde verilen hasar sınırları deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Özellikle göçmenin önlenmesi performans düzeyi için ASCE 41-17'de verilen yaklaşımla yapılan hesaplamaların test edilen tipteki kolonlar için güvensiz tarafta kalabildiği, Eurocode 8 ve Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği'nde verilen yaklaşımlar kullanılarak yapılan tahminlerin ise oldukça konzervatif olduğu tespit edilmiştir. Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği'nde verilen mevcut yaklaşımın aksine (mevcut yaklaşımda 90 derece kancalı etriyelerin %30'u hesaplamalarda dikkate alınmaktadır) 90 derece kancalı etriyelerin tamamının dikkate alındığı durumda dahi göçmenin önlenmesi performans düzeyi için yapılan tahminlerin güvensiz olmadığı gösterilmiş, bu tip kolonların deprem performanslarının daha gerçekçi olarak değerlendirilmesi için öneriler yapılmıştır.