BETONARME KOLONLARIN DEPREM PERFORMANSININ TEKSTİL DONATILI / DONATISIZ CAM LİFLİ PÜSKÜRTME HARÇLA İYİLEŞTİRİLMESİ
Tez Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: İstanbul Teknik Üniversitesi, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Türkiye
Tez Danışmanı: Prof. Dr. Alper İlki
Tezin Onay Tarihi: 2022
Tezin Dili: Türkçe
Özet:
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.