Şekil 1. Mevcut tipik az katlı bölme duvarlı çerçeveler
Lifli polimerlerin yapı güçlendirilmesinde kullanımı akademik çevrede sıklıkla çalışılan bilimsel konular arasında yer almasına rağmen, özellikle bölme duvarların yapıya kazandırılmasını hedefleyen CFRP uygulama yöntemleri gerçek hayatta sınırlı sayıda görülmektedir. Literatürde var olan mevcut çalışmalar CFRP ile güçlendirme yöntemlerinin bölme duvarlı çerçevelere dayanım, rijitlik ve enerji sönümleme özelliği açısından önemli avantajlar sağladığını belirtmektedir. Reinhorn ve Madan [1] yığma duvar elemanların her iki tarafına asimetrik olarak uygulanmış CFRP’lerin davranışa olan etkisini incelemişlerdir. CFRP’nin yığma duvar elemanların yatay yük taşıma kapasitesini ve enerji sönümleme kapasitesini artırdığını göstermiştir. Elgawady ve diğerleri [2] ½ ölçekli yığma duvar elemanların davranışını belirlemek için tersinir tekrarlı statik yükler altında deney yapmışlardır. Çalışmaların sonuçlarında duvar bünyesinde oluşan çatlakların birbirlerine göre sürtünme hareketi ve lifli polimerlerdeki deformasyonlardan dolayı enerji tüketiminin arttığı sonucuna varmışlardır. Santa-Maria ve diğerleri [3] farklı CFRP’nin alternatif şekillerde uygulandığı duvar elemanlar üzerinde deneyler yapmışlar ve CFRP’lerin çapraz olarak uygulandığı numunede genel davranışın kayma dayanımı ve rijitlik noktasında önemli oranda artış olduğu görülmüştür. Yuksel ve diğerleri [4] CFRP’ler ile güçlendirilmiş bölme duvarlı betonarme çerçeve davranışını deneysel olarak tersinir tekrarlı yükler etkisinde incelemiştir. Bölme duvarlı betonarme çerçevelerin yalın çerçevelerden daha yüksek dayanıma ve rijitliğe sahip olduklarını aynı zamanda FRP ile güçlendirmenin numunelerde köşe ezilmesini engellediği çatlak genişliklerini azalttığı sonucuna varmışlardır. Erdem ve diğerleri [5] CFRP’lerin çapraz olarak uygulanmasının bölme duvarlı betonarme çerçevelerin davranışına olan etkisini incelemiştir. Yaptıkları bu çalışma sonucunda, CFRP ile güçlendirilmiş numunelerde dayanım, rijitlik ve enerji tüketme kapasitelerinin önemli oranda arttığını bunun yanında sönüm özelliklerinde önemli artışlar olduğunu tespit etmişlerdir. Hashemi ve Mosalam [6] ¾ ölçekli bölme duvarlı betonarme çerçeveleri sarsma tablasında gerçek deprem yükleri etkisinde denemişlerdir. Bölme duvarlı betonarme çerçevelerin yalın çerçevelere göre 4 kat daha fazla rijitliğe sahip oldukları, doğal titreşim periyotlarında %50 oranında bir düşüş olduğu ve yalın çerçevelere bölme duvar eklenince sönüm oranlarında %4’lerden %13’lere kadar arttığı gözlenmiştir. Altın ve diğerleri [7] FRP ile güçlendirilmiş bölme duvarlı betonarme çerçeveleri tersinir tekrarlı yükler etkisinde denemişlerdir. Yaptıkları bu deneysel çalışmada FRP şerit genişliklerinin ve bu şeritlerde kullanılan ankrajların etkisini incelemişlerdir. Almusallam ve Al-Salloum [8] bölme duvarlı betonarme çerçevelerin GFRP ile güçlendirilmesi durumunu deneysel olarak incelemişlerdir. Numunelerin her iki yüzünde GFRP şeritleri yatay doğrultuda uygulamışlardır. Deney sonuçlarında GFRP şeritlerin yatay olarak uygulandığı durumda numunelerin diğerlere göre daha düktil bir davranış gösterdiklerini tespit etmişleridir. Wei ve diğerleri [9] yığma duvar elemanlarda farklı şekillerdeki FRP uygulamalarının genel davranışa olan etkilerini deneysel olarak incelemişlerdir. FRP’leri duvar elemanlar üzerinde düşey doğrultuda ve diyagonal doğrultuda uygulamışlardır. Deney sonuçları, diyagonal doğrultuda yapılan uygulamanın diğer uygulamalara göre daha düktil bir davranışa sebep olduğunu göstermektedir. Yukarıda özetlenen çalışmalar, bölme duvarlı betonarme çerçevelerde lifli polimer uygulamalarının mevcut yapı davranışını iyileştirdiğini göstermiştir. CFRP şeritler; çatlak genişliklerinin sınırlanması, duvarın gevrek göçmesinin engellenmesi, dağılan duvar parçalarının bir arada tutulması ve duvarın düzlem dışı hareketinin engellenmesini de sağlamaktadır. Betonarme çerçevelerde kullanılan bölme duvarların deprem sırasında devre dışı kalmasının engellenmesi ile duvarların genel yapı davranışına rijitlik, dayanım ve enerji tüketimi açısından önemli katkıları olmaktadır. Bu çalışmanın ana amacı, dayanım açısından yetersiz bölme duvarlı betonarme çerçeveleri, lifli polimerler ile güçlendirerek, rijitliği, dayanımı, özellikle sönümü ve enerji tüketme kabiliyeti yüksek yatay yük taşıyabilen kompozit bir sisteme dönüştürebilmektir. Çalışmada önerilmekte olan uygulama ile yapı sistemine etkiyen yatay yükler,kolon kiriş birleşim bölgelerine ek yük yoğunlaşması getirmeden ve bölme duvarları çevreleyen betonarme elemanlar ile olan sürekliliğini koruyarak CFRP şeritlere aktarılabilmektedir. Bu yöntem diğer alternatif güçlendirme yöntemlerine göre pratikte bölme duvarları kendi düzlemleri içinde güçlendirerek işçilik ve malzeme maliyetini önemli oranda azaltmaktadır.
Şekil 2. Güçlendirilmemiş bölme duvarlı ve güçlendirilmiş deney numuneleri
Deney numunelerinde kolon ve kirişlerde kullanılan boyuna donatı oranı %1 iken enine donatı oranı %0,4 olarak ele alınmıştır. Kolon kiriş bölgesinde ve civarında sıklaştırma gibi özel önlemler alınmamıştır. Bu deneysel çalışmada 1/3 ölçeğine uygunluk sağlanması amacıyla bölme duvarların oluşturulmasında kullanılan tuğla elemanların boyutları 88x84x57 mm olacak şekilde özel olarak üretilmiştir. Malzeme testleri yapılarak beton ve çelik malzemelerinin gerilme şekil değiştirme ilişkileri belirlenmiştir. 28 günlük beton basınç dayanımı 19 Mpa olarak bulunurken, çelik malzemenin akma ve maksimum dayanımları, sırasıyla 420MPa ve 500Mpa olarak belirlenmiştir. Güçlendirilmiş numunelerde tek eksenli CFRP malzemesi kullanılmıştır. Üretici firmanın teknik verilerine göre, CFRP’nin birim ağırlığı 300 g/m2, fiber yoğunluğu ise, 1.79 g/cm3’tür. CFRP’nin Elastisite modülü 230 GPa, maksimum çekme dayanımı 3900 Mpa ve maksimum birim şekil değiştirmesi %1,5’tir.Üretici firma çift bileşenli epoksi reçinesinin kullanım miktarı olarak 1,0 kg/m2 değerini tavsiye etmektedir.CFRP şeritleri,uygulanmadan önce yüzey hazırlığı yapılmış sonra da 150 mm genişliğinde olacak şekilde yüzeye epoksi reçinesi kullanılarak yapıştırılmıştır. CFRP malzemesinden yapılmış 300 mm uzunluğundaki ankraj çubukları duvarın her iki yüzeyinde CFvRP şeritleri birbirlerine bağlamak amacıyla kullanılmışlardır. Yapılan malzeme deneyleri sonucunda, 28 günlük beton basınç dayanımı 19 MPa, çelik akma ve en büyük dayanımı da sırasıyla 420 MPa ve 500 MPa olarak belirlenmiştir. Uygulama esnasında çekilen fotoğraflar Şekil 3’te gösterilmektedir.
Şekil 3. Deney numunelerine CFRP kumaş uygulamaları
Deney numunelerine, tersinir tekrarlı yatay yer değiştirme çevrimleri uygulanmıştır. Yükleme düzeneği Şekil 4’te görülmektedir. Servo-kontol hidrolik sistem ile beslenen ve betonarme reaksiyon duvarına monte edilen 280kN kapasitesindeki hidrolik veren ile numuneye yatay yük uygulanmıştır. Her yer değiştirme düzeyi itme ve çekmede birer kez uygulanmış ve yer değiştirme genlikleri kademeli olarak artırılmıştır.
Şekil 4. Güçlendirilmiş numunelerin test edildiği deney düzeneği
Şekil 5. Deney numunelerinden elde edilen kuvvet-yer değiştirme eğrileri
Numunelerin özdeş yer değiştirme çevrimleri etkisinde elde edilen dayanım ve yer değiştirme kapasitelerinin karşılaştırılması deneysel çalışmada elde edilen taban kesme kuvveti-tepe yer değiştirmesi çevrimlerinin zarf eğrileri ele alınarak yapılmıştır. İtme ve çekme durumlarında numunelerde ulaşılan en büyük dayanımlar Şekil 6’da görülmektedir. Yalın bölme duvarlı çerçevede itmede 119.9 kN’luk yatay dayanım seviyesine ulaşılmış ve daha sonra bu kapasite hızlıca küçülmüştür.Göreli kat ötelemesi değeri %2,8’e eriştiğinde deney durdurulmuştur. Güçlendirilmiş çerçevede, %1,1’lik göreli kat ötelemesi seviyesinde 203.0 kN yatay dayanım oluşmuştur.
Şekil 6. Deney numunelerinden elde edilen yükyerdeğiştirme ilişkilerine ait zarf eğrileri
Deney sonunda numunelerde gözlenen hasar durumları Şekil 7’de yer almaktadır. Bölme duvarlı numunede kolonlarda ilk eğilme çatlağı %0.22’lik göreli kat ötelemesi seviyesinde ve yatay dayanım 76.2 kN a ulaştığında gözlenmiştir. Bölme duvar üzerinde ilk çapraz çatlak %0.55’lik göreli kat ötelemesi seviyesinde, yatay yük 105.5 kN olduğunda gözlenmiştir. Güçlendirilmiş çerçevede kolon kiriş birleşim bölgesinde ilk çatlak, %0.3’lik göreli kat ötelemesi seviyesinde yatay dayanım 172.4 kN olarak ölçüldüğünde oluşmuştur. Güçlendirilmiş durumda bölme duvar üzerinde ilk çapraz çatlak %1,60’lık göreli kat ötelemesinde, yatay yük 194.5 kN iken oluşmuştur.
Şekil 7. Yalın bölme duvarlı çerçevede ve güçlendirilmiş çerçevede gözlenen hasarlar
Tüm numuneler için hesaplanan yığışımlı çevrimsel enerjinin göreli kat ötelemesine göre değişimi Şekil 7’de verilmiştir. Enerji tüketme kabiliyeti, yapının deprem etkisindeki performansının değerlendirilmesi açısından önemli bir özelliktir. Yığışımlı çevrimsel enerji, taban kesme kuvveti-tepe yatay yer değiştirmesi çevrimlerinin kapamış oldukları alanların toplanması ile elde edilmektedir. En büyük yatay dayanıma ulaşılan %1,1’lik göreli kat ötelemesi seviyesinde, güçlendirilmiş çerçeveler referans numuneye göre sırasıyla 2,9 kat daha fazla enerji tüketmişlerdir.
Şekil 8. Bölme duvarlı ve güçlendirilmiş durumların enerji tüketimi açsından karşılaştırılması
Doç. Dr. Hasan Özkaynak
Öğretim Üyesi
Beykent Üniversitesi
Mühendislik-Mimarlık Fakültesi
İnşaat Mühendisliği Bölümü
