"Doğaya hükmetmek için, önce ona itaat etmek gerekir."

Francis Bacon

Ardgermeli Prekast Betonun 'Anatomisi'

Aşağıda 4 farklı deney numunesi görüyorsunuz. 1 numara konvansiyonel monolitik bağlantı [1], 2 numara prekast 'emülatif' (monolitik bağlantı ile eşdeğer performans göstermesi istenen) alttan kaynaklı üstten ıslak bağlantı [1], 3 numara Japon tipi tam ardgermeli bağlantı [2], 4 numara Amerikan tipi hibrit ardgermeli bağlantı [3]. Fotoğraflar, 2 numaralı numunenin +-%3.50 göreli ötelemeye, diğerlerinin +-%4.00 göreli ötelemeye maruz kaldığı çevrimsel yerdeğiştirme deneylerinden sonraki durumları.

Konvansiyonel ve emülatif prekast numunelerde ciddi bir hasar seviyesi sözkonusu. Bunda modern evrensel deprem mühendisliği yaklaşımına aykırı hiçbir şey yok. Çünkü, deprem mühendisliği iki ana ilke üzerine kuruludur: Dayanım ve Süneklik. Tasarım depreminin (mertebe olarak) %2.00 civarında bir göreli ötelemeye yol açması öngörülürse, bunun iki katı öteleme taleplerinde numunelerin hasar alması beklenir. Çünkü süneklik plastik mafsallaşmaya, plastik mafsallaşma hasara yol açar. Burada sıradışı olan, modern deprem mühendisliği ilkelerine uymayan 3 ve 4 numaralı numuneler. +-%4.00 gibi ciddi öteleme taleplerini neredeyse hasarsız atlatmışlar. Peki nasıl?

Şekil 1. Numune hasar durumları

Betonarme teorisinin kalbini oluşturan hemen hemen herşeyi unutun. Birimşekildeğiştirme uyumu yok. Düzlem kesitler düzlem kalır yok. Prefabrikasyonun doğası gereği yapısal elemanları ayrı ayrı üretiyorsunuz. Şantiyede kirişleri, kolonlarda bırakılan guselerin üzerine oturtuyorsunuz. Kirişlerin üzerine de prekast döşeme koyuyorsunuz. Daha sonra, prekast kirişlerde ve kolonlarda bırakılan boşluklardan ardgerme halatlarını geçiriyorsunuz. Çerçevenin bir ucundan ankre edip diğer ucundan halatları geriyorsunuz. (Bazen her iki uçtan da gerilir) Halatlar gerilip her iki uçtan da ankrajlara bağlandığı anda, verdiğiniz gerilmeler yapısal elemanları birbirine bağlıyor. Bina deprem etkilerine maruz kaldığında, bu etkiler belli bir seviyeye ulaştıktan sonra kirişler ile kolonlar arasında boşluk açılması meydana geliyor. Bu boşluk açılması, halatların uzamasına ve halat gerilmelerinin artmasına yol açıyor. (Şekil 2) Bu gerilmeler çok kritik; çünkü yukarıda bahsettiğim hasarsızlık durumu, bu halatların elastik tasarlanması ile oluşuyor. Yani deprem yer hareketi bittikten sonra, halatlar elastik olduğu için sistemi 'geri toparlıyor' ve artık (kalıcı) deformasyonları hemen hemen sıfırlıyor. Kolon-kiriş yüzeyinde boşluk açılmasından meydana gelen lokal basınç gerilme yığılmaları da, yüksek dayanımlı harç kullanılarak özel olarak tasarlanan düğüm noktası ile karşılanıyor.

Şekil 2. Prekast ardgermeli sistemlerde düğüm noktası davranışı [2]

Burada uygulama açılmasından 2 farklı tip uygulandığını tekrar vurgulamam gerek. Yukarıda Japon tipi tam ardgermeli ve Amerikan tipi hibrit sistemden bahsetmiştim. Bunların uygulama açısından ciddi farkları var. Japon tipinde sisteme grout uygulanıyor (bonded), Amerikan tipinde grout uygulanmıyor (unbonded). Halat uzadığı zaman, Amerikan tipinde daha az bir birimşekildeğiştirme meydana geliyor, Japon tipinde ise daha fazla. Çünkü halat birimşekildeğiştirmesindeki artış, halattaki uzamanın, halat uzunluğuna bölünmesi ile elde ediliyor. Amerikan tipinde halat boydan boya gidiyor, Japon tipinde ise bir sıyrılma hesaplayıp halat uzunluğunu ona göre gözönüne alıyorsunuz. Amerikan sisteminde halatlar tek sıra halinde kirişin tam ortasına koyuluyor. Japon sisteminde kiriş kesitinin üst ve alt liflerine yakın konuluyor. Amerikalıların ortaya koymasının sebebi, halattaki gerilmeleri sınırlamak. Onlar hem moment kapasitesine hem de enerji sönümleme kapasitesine katkı için kirişin alt ve üstüne normal donatı koyuyor, ancak bu da sistemin geri toparlama özelliğinden taviz vermesine yol açıyor. Son olarak, Japon tipinde kirişler guse üzerine oturuyor, Amerikan tipinde guse üzerine oturmuyor. Ülkemizde Japon tipi uygulanıyor, ancak yapısal davranış prensip olarak iki tip için de aynı.

Şimdi, yukarıdaki anatomi eşliğinde, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018'in eksikleri ve yanlışlarını inceleyelim.

Performans Sınır Değerleri: Tüm bağlantılarda standard açılma kapanma sınırı olamaz

Evrensel deprem mühendisliği şartnamelerinde, betonarme sistemler için deprem performans sınırları, betondaki basınç birimşekildeğiştirmesi, donatıdaki çekme birimşekildeğiştirmesi ve plastik mafsaldaki plastik dönme değeri ile tanımlanır. Bu sınırlar, konvansiyonel sistemlerin deprem etkisinde gördükleri hasar durumları, deneysel ve gözlemsel çalışmalar ile yorumlanarak yıllar içinde bir prensibe oturmuştur. Bu bağlamda, 'emülatif' dediğimiz diğer prekast bağlantı tiplerinin sınır değerleri, konvansiyonel sistemler için tanımlanan değerler ile belirlenebilir. Çünkü zaten bu bağlantılar, sistemin konvansiyonel sisteme eşdeğer davranış göstermesi amacı ile tasarlanır. ('Emulative' ifadesi İngilizce 'taklid eden' anlamına gelir) Ancak, yukarıda belirttiğim gibi, prekast ardgermeli sistemler konvansiyonel sistemlerden çok farklı davranış gösterir. Bu sebeple bunların performans limit değerleri de farklı olmalıdır, ki şartnamemizde de öyledir [4].

Bu konuda çalışan araştırmacıların söylediklerine bakalım. El-Sheikh vd. bu sistemlerin bağlantı davranışını ifade eden moment-dönme ilişkisini Şekil 3'deki gibi verip 5 limit durum tanımlamış [5][6].

Şekil 3. Prekast ardgermeli düğüm noktalarının moment-dönme ilişkisi ve limit durumları [5][6]

Durum 1: Boşluk açılımı limit durumu. Boşluk açılımı başlar. Bu noktadan sonra moment-dönme ilişkisi a) boşluk açılımının kiriş yüksekliğince yayılması b) betonda oluşan gerilmenin betonu yumuşatması sebebi ile yumuşar.

Durum 2: Lineer limit durumu. Bu noktadan sonra moment-dönme ilişkisi ilk lineer doğrudan önemli derecede sapar.

Durum 3: Beton dağılması limit durumu. Bu noktada sargısız betonun en uç lifi dağılmaya başlar. Böylece sargısız beton gerilmesi hızla düşer, bu da moment-dönme eğrisinin eğimini düşürür.

Durum 4: Akma limit durumu. Ardgerme halatı lineer limite ulaşır. Bu noktadan sonra halatta oluşan ek birimşekildeğiştirme plastiktir.

Durum 5: Taşıma gücü limit durumu. Bu durumda sargılı betonun en uç lifindeki sargı donatısı kopar. Gevrek göçme oluşur.

Peki, bu limit durumları, Performans Bazlı Tasarım terminolojisinde hangi hasar durumlarına denk geliyor? Bunu da Kurama [7] açıklamış:

Hemen Kullanım Performans Düzeyi

Can Güvenliği Performans Düzeyi

Göçmenin Önlenmesi Performans Düzeyi

TBDY-2018 Bölüm 8.4.3.9 ise bu sistemler için performans limitlerini şöyle tanımlamış.

Sınırlı Hasar Performans Hedefi

Kontrollü Hasar Performans Hedefi

Göçmenin Önlenmesi Performans Hedefi

Yani TBDY-2018, hem hasar parametresi olarak sadece halat gerilmesini baz alıyor, hem de açma kapanma dönmesi sınırlarını bağlantının tasarımından bağımsız olarak sabit bir değerde tutuyor.

Hasar seviyesinin sadece halat gerilmesine bağlanmasını geçelim ve açma kapanma dönmesi sınır değerleri üzerinde duralım. Aşağıda dikdörtgen bir kiriş ve iki sıra ardgerme halatı görüyorsunuz. Sol taraftaki slider ile oynayarak, yukarıdaki halatın yerini aşağı yukarı yönde değiştirebilirsiniz. Lütfen halatın yerini değiştirin ve yandaki moment-dönme ilişkisinin değişimini inceleyin. Halatın yeri değiştikçe, halatta akmaya yol açan açma-kapanma dönmesi değişmiyor mu?

Düğüm Noktası Modellemesi: Kolon kiriş bağlantıları, Dayanıma Göre Tasarım'da da tam rijit konvansiyonel bağlantı gibi modellenemez.

Merkeze Yönelimli Model: Halatlar bilgisayar modelinde mutlaka bulunmalı.

Guselerin Karşılayacağı Düşey Yükler: Muhteşem bir deneysel proje konusu

Etkin Kesit Rijitlik Katsayıları: Kirişler için 0.35?

Moment-Dönme Analizi:

DD-1 Depremi Konusu: Bu nereden çıktı?

Dr. Ata Kulaksızoğlu

Kaynaklar

  1. Ertas E, Sevket O, Ozturan T (2006) “Ductile Connections in Precast Concrete Moment Resisting Frames“ PCI Journal, Vol 51, Issue 3, pp 66-76
  2. Wada et al. (2006) “Study on Damage Controlled Precast-Prestressed Concrete Structure with P/C Mild-Press-Joint.” Fib Proceedings of the 2nd International Congress. Naples, Italy
  3. Priestley M.J.N, Sritharan S, Conley J.R. ve S. Pampanin. (1999) “Preliminary Results and Conlusions From the PRESSS Five-Story Precast Concrete Test Building”. PCI Journal. Vol 44. No 6. pp 42-67
  4. Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018: Deprem Etkisi Altında Binaların Tasarımı için Esaslar
  5. El-Sheikh et al. (1999) "Seismic Behavior and Design of Unbonded Post-Tensioned Precast Concrete Frames". PCI Journal Volume 44.
  6. Ata Kulaksızoğlu (2021) "Prekast Ardgermeli Sistemlerin Analitik Modelleme Prensipleri" Beton Prefabrikasyon Dergisi. Sayı 138.
  7. Kurama Y, Morgen B. "Friction-damped Unbonded Post-tensioned Precast Concrete Moment Frame Structures for Seismic Regions". Structural Engineering Research Report. University of Notre-Dame.