Güçlendirme Nedir? Onarım Nedir?

Hasarsız bir yapı veya yapı elemanını öngörülen bir güvenlik düzeyine çıkarmak için yapılan işlemler “güçlendirme”, hasarlı bir yapı veya yapı elemanını öngörülen bir güvenlik düzeyine çıkarmak için yapılan işlemler ise “onarım” olarak tariflenmektedir. Hasar görmüş yapılarda, genelde onarımın yanı sıra güçlendirme de yapılmaktadır. (Canbay, 2018)

Mevcut bir yapıda onarım ve(ya) güçlendirme ihtiyacı farklı sebeplerden meydana gelebilmektedir. Bunlar bazıları aşağıda sıralanmıştır.

· Güncel yönetmelik gereksinimlerini karşılayamamak

· Yapı kullanım amacında değişiklik

· Yapısal tasarım hataları

· Yapım aşamasındaki uygunsuz / yetersiz işçilikler

· Donatıların korozyona uğraması

· Kat ilavesi

· Yetersiz rijitlik

· Hasar görmesi (deprem, rüzgar, kar yükleri vb.)

Beton Kaplama (Concrete Overlay) Nedir?

‘Mevcut betonarme’ elemanı güçlendirmek amacıyla ‘yeni beton’ tabaka ve donatılar ile yapılan genişletme, büyütme işlemi “beton kaplama”, İngilizce literatürde ise “concrete overlay”, olarak adlandırılmaktadır. Örneğin; kolon, kiriş vb. yapısal elemanlara yapılan yapısal ‘mantolama’ işlemi bir beton kaplama uygulamasıdır.

26 Eylül 2019 tarihli 5.8 büyüklüğündeki İstanbul depremi (merkez üssü Silivri açıkları) ve 24 Ocak 2020 tarihli 6.8 büyüklüğündeki Elazığ depremi (merkez üssü Sivrice ilçesi) Türkiye’deki tedirginliği ve deprem riskine karşı önlem alma hassasiyetini artırmıştır. Bu süreçle beraber mevcut yapıların rehabilitasyonu ve güçlendirilmesi ihtiyacı artmış, beton kaplama uygulaması da önem ve kullanım sıklığı kazanmaya başlamıştır.

Eski ve yeni beton tabakaların yüzeylerinin kontağı ile yeni bir yapı elemanı kesiti oluşmaktadır. Bu kesitten beklenti şüphesiz ki eski ve yeni tabakaların birlikte hareket etmeleridir. Başka bir deyişle yapı kesiti monolitik (bütüncül) davranmalı, beton tabakaların kontak yüzeyleri birbirlerinden ayrışmamalıdır.

Söz konusu kompozit beton yapıların tasarımı için iç gerilmelerin yeni ve eski beton tabaka arasındaki kontak yüzeyinden transferi kritik bir husus oluşturmaktadır. Yüzeyler arası gerilme transferinde etkin olan unsurlar Şekil 1’de verilmektedir. Kohezyon, sürtünme, kayma elemanı ve basınç çubukları etkin unsurlardır (Hilti Corporation, 2018).

Şekil 1: Beton yüzeyler arası gerilme transferinde etkin unsurlar

Eurocode 2 standardında beton-beton yüzey birleşimindeki kohezyon ve sürtünmenin yüzey pürüzlülüğü derecesine bağlı olduğunu belirtilmektedir (Mohamad, et al., 2015). Yüzey pürüzlülüğünün sağladığı dayanımı Şekil 1(c)’deki görselde yer alan, beton yüzeylerine dik yerleştirilen “kayma elemanları” desteklemektedir. Kohezyon, sürtünme ve kayma elemanı katkısıyla sağlanan yüzeyler arası kayma dayanımı toplamı, beton tabakalar arasında oluşabilecek maksimum basınç kuvveti ile sınırlandırılmaktadır.

Kayma Elemanları Nasıl Uygulanırlar? Tipleri Nelerdir?

Kayma elemanları, iki beton tabakanın kontak yüzeyi düzlemine 90° dik doğrultuda, bir kısmı mevcut betonun, kalan kısmının da yeni dökülecek betonun içerisinde kalacak şekilde yerleştirilmektedir. Tipik bir bağlantı kesiti Şekil 2’de verilmiştir. 

Şekil 2: Kayma elemanı bağlantısı tipik kesiti

Çalışma prensipleri benzer, farklı tip malzemeler kayma elemanı olarak kullanılabilmektedir. Elemanlar mevcut beton içerisine, bir delim aracı (matkap vb.) ile açılan deliğe kimysal ankraj (epoksi) yardımıyla (bkz. Şekil 3a-b) ya da beton içerisinde tutunma dişleri açabilen yivler (bkz. Şekil 3c) ile sabitlenmektedir. Kayma elemanlarının mevcut betona sabitlenmesi işlemi tamamlandıktan sonra (epoksinin kürünü alması, kurumasından sonra) yeni beton tabakanın donatıları yerleştirilir ve yeni tabaka betonu dökülür. Yeni beton kalıp uygulaması ile yapılabildiği gibi kalıp kurmanın zor ya da imkansız olduğu koşullarda püskürtme betonu da kullanılabilmektedir.

Kayma elemanının ‘mevcut beton’ içerisinde kalan kısmı, betonda yapılan delimin doğrusal olması sebebiyle, doğrusal olmak zorundadır. Yeni beton tabakası ise sonradan döküldüğü için bu bölümde kalan kayma elemanı kısmı doğrusal olmak zorunda değildir. Doğrusal olmayan geometri, eleman ile betonun birbirine tutunmasını kolaylaştırmaktadır. Doğrusallığın bozulması, elemanın kancalı hale getirilmesi (Şekil 3a) ya da başlıklı elemanların (Şekil 3b-c) kullanılması ile sağlanmaktadır.

Şekil 3: Kayma elemanı tipleri

Kayma elemanlarının çapı, mevcut ve yeni beton içerisindeki derinlikleri, birbirleri arasındaki mesafeler ilgili tasarım standartlarına göre yapılan hesaplarla belirlenmektedir.

Kayma Elemanları Sistem Davranışını Nasıl Etkilemektedir?

Metnin önceki bölümlerinde belirtildiği gibi kayma elemanları farklı zaman dilimlerinde dökülmüş beton tabakalarının monolitik (bütüncül) davranmasına  katkı sağlamaktadır.
Kayma elemanlarının mevcut olduğu ve olmadığı iki farklı durumda tabakaların eğilme davranışı ve eğilmeye karşı gösterdiği direnç Şekil 4’de şematik ve nümerik olarak bir örnek ile mukayese edilmiştir. Kayma elemanlarının kesit direncine katkısının mertebece oldukça yüksek olduğu görülmektedir.


Şekil 4: Kayma elemanlarının kesit davranışına etkisi

Beton Kaplamanın Sık Kullanım Alanları Nerelerdir?

Beton kaplama uygulmasının sıklıkla kullanıldığı yapı türleri bina türü yapılar ve köprülerdir (bkz. Şekil 5). Bina türü yapılar (konut, işyeri, endüstriyel tesis, alışveriş merkezi, okul, hastane vb.) insanların yaşam alanlarının neredeyse tamamını kapsarken, köprüler bu yaşam alanları arasında ulaşımı kolaylaştıran yapılardır ve tamamı sürekli olarak kullanılmaktadır.

Söz konusu yapıların güncel gereksinimleri karşılayabilmek adına yıkılıp yeniden inşa edilmesi kullanımlarını uzun süreli kısıtlayacaktır. Özellikle yapı, nüfus ve trafik yoğunluğunun yüksek olduğu metropollerde (ör: İstanbul) bir yapının yıkımı ve meyadana çıkan molozun uygun depolama alanlarına nakliyesi zamansal ve ekonomik zorluklara yol açabilmektedir. Güçlendirme uygulamaları, kendine özgü zorlukları içerse de, genellikle yapıların daha kısa sürelerde yeniden servis aşamasına geçmesini sağlayabilmektedir.

Şekil 5: Beton kaplama uygulamasının sık kullanıldığı yapılar

Köprü tabliyelerinde (Şekil 5b) beton kaplama yöntemi ile, yapıyı yıkmadan ve kısa bir zaman zarfı içerisinde, kesit ataleti artırıldığı gibi araç hareketi sebebi ile zamanla deforme olmuş, aşınmış üst plak da onarılmış olur.  

Bina türü yapılarda da yatay ve düşey tüm taşıyıcı sistem elemanları için beton kaplama ile kesit büyütme işlemi ile güçlendirme mümkündür. Tipik şematik görseller Şekil 6’da verilmiştir. Perde, kolon, kiriş, döşeme ve temel elemanları yüzey pürüzlülüğü ve kayma elamanları desteğiyle yeni dökülecek beton tabakalarla monolitik davranış sergileyebilmektedir.

Şekil 6: Bina elemanlarının mevcut ve güçlendirilmiş aşamaları şematik görünüşü

Beton kaplama uygulamasının yapıldığı inşaat sahalarından örnek fotoğraflar Şekil 7’de verilmektedir.

Şekil 7: Bina elemanlarının beton kaplama ile güçlendirilmesi örnek uygulama fotoğrafları

Güçlendirme İhtiyacında İstanbul Örneği

Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü’nün 2019 yılında yayınladığı “İstanbul İli Olası Deprem Kayıp Tahminlerinin Güncellenmesi Projesi” raporu kapsamında 1.166.330 bina analiz edilmiştir. Mw=7,5 büyüklüğündeki deprem senaryosu için, farklı hasar durumu sınıflarındaki bina sayı ve oran tahminleri Tablo 1’de verilmiştir. 

Tablo 1:  Mw=7,5 senaryo depremi için bina hasarı tahmin sonuçları

Rapor, ağır ve çok ağır hasarlı binaların (toplam %4.1 oran ile 47,840 bina) aldıkları deprem hasarı onarılamayacak boyutta olduğunu ve bu hasar seviyelerindeki binaların yıkılıp tekrar yapılması gerekliliğini savunmaktadır. Orta hasarlı binaların da onarım yerine yıkılp yeniden inşası tavsiye edilmektedir.

Analiz edilen yapı stoğunun %12.6’sını oluşturan yaklaşık 147 bin orta hasar beklentili binanın da (tahminen 2 milyon kişinin ikamet ettiği) yıkılıp yeniden yapılması İstanbul ili yapı, nüfus ve trafik yoğunluğu içerisinde süreç ve ekonomi açısından oldukça güç görünmektedir. Bahsi geçen 147 bin binanın uzmanlarca hazırlanacak, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği’ne (2018) uygun, projelerle güçlendirilmesi hatrı sayılır bir alternatifi oluşturmaktadır. 

Beton Kaplama Uygulaması Tasarımı Hangi Standardlara Göre Yapılmaktadır?

Türkiye’de ‘beton kaplama’ uygulaması tasarım esaslarını içeren bir standard, yönetmelik mevcut değildir. Yerel yönetmeliklerde yer almayan tasarım konularındaki genel tutumda da olduğu gibi, beton kaplama uygulamasında da öncelikle Avrupa standartlarına yönlenilmektedir. Bilinmektedir ki, “EN” (Europeane Norm) kısaltmasıyla geçen Avrupa standardları, Türk Standardları Enstitüsü (TSE) tarafından tanınmakta ve “TS EN” olarak yayınlanmaktadır. “TS EN” standardları kullanım rahatlığı gereğince Türkçe’ye de çevrilebilmektedir.

Beton kaplama uygulaması tasarım esasları “Avrupa Teknik Değerlendirme Organizasyonu” (European Organisation for Technical Assessment) tarafından Nisan 2019 tarihinde yayınlanan “TR 066 - Design and Requirements for Construction Works of Post-Installed Shear Connection for Two Concrete Layers” tasarım kılavuzunda yer almaktadır.

EOTA TR066 tasarım kılavuzu beton-beton yüzeyleri bağlantı tasarım esaslarını detaylı bir şekilde sunmaktadır. Beton yüzeyler arasında oluşacak kayma gerilmelerini ve dayanım hesaplarını doğrudan içerirken, bağlantı (kayma) elemanlarının beton ile etkileşimindeki göçme modları kontrolünün “TS EN 1992-4 : Betonda kullanılan sabitleme tertibatlarının tasarımı” standardına göre yapılmasına yönlendirmektedir (bkz. Tablo 2).

Beton yüzeyler arasındaki kayma gerilmesi dayanımı Denklem 1’de formülize edilmiştir. Metnin daha önceki bölümlerinde de bahsedildiği gibi kohezyon, sürtünme, kayma elemanı ve basınç çubukları unsurları toplam dayanımı etkilemektedir. ‘Basınç çubukları’ kavramı betonarmede bir davranış modeli olan “Çubuk Model Yöntemi (Strut-and-tie Model)” ile ilgili bir kavramdır, fiziki bir çubuk elemanın varlığı söz konusu değildir.

Denklem 1: Beton tabakaların kontak yüzeyinde kayma dayanımı hesabı

Beton yüzeyler arasında oluşan tasarım kayma gerilmesinin (𝜏𝐸𝑑) Denklem 1’de hesaplanan tasarım kayma gerilmesi dayanımından (𝜏R𝑑) küçük ya da eşit olması gerekir.

TS EN 1992-4 standardına göre kontrol edilecek olan bağlantı elemanı göçme modları Şekil 8’de görsel olarak verilmektedir.

Şekil 8: Kayma elemanlarının çekme yükü altındaki göçme modları

Güçlendirme (beton kaplama) yapılacak yapı elemanın farklı bölgelerinde farklı gerilme değerleri elde edilmektedir (bkz. Şekil 9). Gerilme değerinin artması ihtiyaç duyulan kayma elemanı adedini de artırmaktadır. Yapı elemanının bütünündeki kayma elemanı sıklığının, elemanda oluşacak maksimum gerilmeye göre belirlenmesi ihtiyaç fazlası bir imalatın yapılmasına sebep olmaktadır. Optimum kayma elemanı adedi ile tasarım için, yapı elemanı sanal alt bölgelere  ayrılır, her bir bölgedeki kayma elemanı sayısı kendi içerisinde meydana gelecek lokal maksimum gerilmeye göre belirlenir (bkz. Şekil 9).

Şekil 9: Yapı elemanının alt bölgelere ayrılması ve bölgesel maksimum kayma gerilmesine göre kayma elemanlarının tasarımı

· Tasarım esaslarını detaylı olarak incelemek için aşağıdaki linkten EOTA TR066 tasarım kılavuzunu indiriniz.

Referanslar

• Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı. (2018). Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği.
• Canbay, E. (2018). Betonarme Yapıların Onarımı ve Güçlendirilmesi. Ankara. http://www.imo.org.tr/resimler/dosya_ekler/0f124ec125d030b_ek.pdf?tipi=1&turu=X&sube=10 adresinden alındı
• European Organisation for Technical Assessment. (2019). Design and requirements for construction works of post-installed shear connection for two concrete layers.
• Hilti Corporation. (2018). Strengthening and Rehabilitation with Concrete Overlays for Bridges, Tunnels and Civil Structures. Schaan: Hilti Corporation.
• Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü. (2019). İstanbul İli Olası Deprem Kayıp Tahminlerinin Güncellenmesi Projesi. İstanbul.
• Mohamad, M., Ibrahim, I., Abdullah, R., Rahman, A. A., Kueh, A., & Usman, J. (2015). Friction and cohesion coefficients of composite concrete-to-concrete bond. Cement & Concrete Composites, 1-14.