Investigation of alternative strategies for optimum reliability in condition assessment of existing RC buildings using NDT methods

Abstract

Mevcut betonarme binalarının durum değerlendirmesi, yapı mühendisliği alanında önemli bir konudur ve eski,hasarlı binaların ve altyapı sistemlerinin zamanla artması nedeniyle gelecekte daha fazla ihtiyaç duyulacak bir konudur. Binaların çürümesi, kirlenmiş ortamlardaki kimyasal saldırılar ve çevreden gelen diğer etkiler, betonun yüksek gözenekli olması ve nemli alandaki yüksek su emilimi, zayıf karışım tasarımına göre düşük beton kalitesi ile çelik çubuk (donatı) korozyon etkisi gibi çeşitli faktörlere bağlı olarak ortaya çıkar. Düşük işçilik kalitesi, deprem sırasında darbe yüklemesi gibi faktörler de betonun bozulmasına yol açan nedenler arasında sıralanabilir.Bina hakkında yapı değerlendirmesi yapılırken tahribatlı (DT) ve tahribatsız (NDT) muayene yöntemleri kullanılır. Muayene esnasında yüksek hasar oranı bulunduran ve ekonomik olarak maliyetli sayılabilecek DT yöntemleri yapı üzerinde uygulanabilirlik açısından bazı kısıtlamalar barındırdığından efektif bir değerlendirme yöntemi değildir. Bunun yanında, NDT yöntemleri zaman ve maliyet açısından daha efektif sonuçlar vermesinin yanında, alınan testlerin sayısını da yüksek güvenilirlikle artırabilir.Tahribatsız deneyler; prekast yapı elemanlarının yerinde kalite kontrollerinde, temin edilen malzemelerin istenilen özelliklerinin uygunluğuna dair belirsizlikleri ortadan kaldırmada, beton işçiliğinin dahil olduğu karıştırma, yerleştirme, sıkıştırma ve kürleme işlemlerine ait şüpheleri gidermede, kalıbın çıkarılması, kürlemenin bitmesi, yük etkimesi ve benzer koşullarda dayanım artışının gözlenmesinde, beton elemanın çatlak boyutlarının, boşluklarının v.b. kusurlarının ve bu kusurların yerlerinin belirlenmesinde, karot alma ve yükleme testleri gibi pahalı ve tahribatlı deneylerden önce betonun uniformluğunun kontrolünde, donatıların yerlerinin, miktarlarının ve mevcut durumlarının belirlenmesinde, düşük sayıda tahribatlı deneyle güvenilir sonuç almada, aşırı yükleme, yorulma, dahili ve harici kimsayal ataklar, patlamalar ve yangınlar gibi çevresel etkiler sonucu betondaki bozulmaların tayininde, betonun durabilitesinin değerlendirilmesinde, betonun özelliklerinde uzun dönem değişmeleri gözlemede ve yapının kullanımında gidilecek değişikliklerde ilgili kişilere bilgi sağlamak amacıyla Tahribatsız Deneyler kullanılmaktadırTahribatsız muayene yöntemleri sürekli geliştirilmekte ve daha yüksek doğrulukta, daha kolay uygulanabilir ekipmanlar üretilmektedir. Standartlar daha iyi sonuçlar elde etmek için bilgilerini güncellemektedir. Bununla birlikte, en çok kullanılan ekipmanlar şunlardır: (a) R tipi Schmidt Çekici (ve yeni tip Q), (b) Ultrasonik Geçiş hızı ve (c) Prob testleri.xxviiiSchmidt Çekici, 1948 yılında İsviçreli bilim adamı olan Ernst Schmidt tarafından betonun yüzey sertliğini tayin etmek amacıyla `geri tepme` prensibi kullanılarak geliştirilmiştir. Schmidt Çekici, uygulanması kolay ve ucuz olduğundan dolayı betonun tahribatsız muayenesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Fakat bu gibi aletler beton yüzeyinin ilk 30 mm'lik kısmı için yüzey sertliği hakkında bilgi verdiğinden tek başına dayanım belirlenmesinde kullanılması çok sakıncalıdır. Aşağıdaki şekil Schmidt Çekicinin kesitinin şematik olarak gösterimidir.Ultrases Hızı Testi ile beton dayanımı arasında doğrudan bir ilişki yoktur. Fakat betonun yoğunluğunun, dayanımla olan ilişkisi bilinen bir gerçektir. Büyük çoğunlukla, beton yoğunluğunun artması basınç dayanımının da artmasına sebep olmaktadır. Bunun sebebi ise w/c oranının azalması ile beton içerisindeki kılcal boşlukların azalmasıdır. Betondaki kılcal boşlukların azalması ile Ultrases aletinin ürettiği sesüstü dalgalar bir probdan diğer proba daha hızlı aktarılacaktır.Ultrases Hızı Testi, probların ürettiği sesüstü dalgalarının betonun içinde ilerleme hızının ölçülmesidir. Probların ürettiği ses dalgaları, gres yağı v.b. viskoz maddeler yardımıyla betona aktarılır. Bu itkinin başladığı esnada elektronik saat çalışmaya başlar. Boyuna ve kesme dalgaları olarak üretilen bu ses dalgalarından boyuna dalgalar ikinci proba ilk olarak ulaşır ve prob tarafından elektronik sinyallere dönüştürülür. Dalga, alıcı prob tarafından algılandığı anda elektronik saat durur ve ulaşma süresi tespit edilir. Dalgaların ilerlediği mesafenin süreye oranı ile dalga hızına ulaşılır.Ultrases Testi araştırmalarında, küp numunelere uygulanan gerilmelerin kırıldıkları yükleme değerinin %50'sine ulaşmadan ultrases hızında değişikliğin görülmediği belirtilmiştir. Yükleme değerleri arttıkça numune içerisinde oluşan deformasyonların yarattığı boşluklar dalga hızlarını düşürecektir. Bunun sebebi, yayılan ses dalgalarının boşlukta ilerleyememesi ve etrafından dolaşması sebebiyle alıcıya ulaşma sürelerinin uzamasıdır.Aynı koşullardaki beton numunelerde, doymuş numunelerin ultrases hızları kuru haldeki numunelere göre %5 daha daha fazladır. Bu fark, dayanım artmasıyla gittikçe azalarak kaybolur. Doymuş küp numuneler, yüksek ultrases hızlarına karşı düşük dayanımlar verirken, kuru haldeki küp numuneler düşük ultrases hızlarına karşı daha yüksek dayanım verirler.Ultrases hızının ölçümünde alıcı ve verici problar arası mesafenin artması, ultrases hızının büyüklüğünü etkilemediği bilinmektedir. Bunun yanında, maksimum agrega çapı 20 mm ve daha az olan numuneler için problar arası mesafe 100 mm, maksimum agrega çapı 20-40 mm arasında olan numuneler için ise, 150 mm olması önerilir (probların karşılıklı yerleştirildiği direkt okumalar için).10ºC-30ºC arasındaki sıcaklık değişimleri, dayanımlarda ve malzemenin elastik özelliklerinde bir değişiklik olmadığı sürece ultrases hızında önemli bir değişikliğe yol açmamaktadır.Tahribatsız yöntemler ile dayanımların belirlenmesindeki avantajlar ilerideki gibi sıralanabilir, (i) Diğer test yöntemlerine göre tahribatsız deneyler daha ekonomiktir, (ii) Yapıda tahrip azalır, (iii) Yüzeyleri tahrip etmediğinden onarım ve güçlendirme çalışmaları minimuma düşer, (iv) Test için kullanılacak eleman sayısı azdır, ve (v) Teste tabi tutulacak elemanların ön hazırlık ihtiyaçları azalır.Bu çalışmada, 30 yılı aşkın bir süre önce kaba inşaatı tamamlanan ve sonrasında kullanılmayan, her biri on beş katlı dört adet bina, İstanbul, Türkiye için örnek çalışma binaları olarak seçilmiştir. Bu araştırmada (A, B, C, ve D) olarak adlandırılan her dörtxxixbinanın her bir katından üçer adet karot alınmıştır. Bünyesinde hiç kolon bulundurmayan ve taşıyıcı olarak perde duvar sisteminin seçildiği binada karotlar, perde duvarlardan alınmıştır. Her binadan 45 adet olamak üzere toplamda dört binadan elde edilen karot sayısı 180'dir.Seçilen tahribatsız muayene yöntemleri: (a) R tipi Schmidt Çekici, (b) Q tipi Schmidt Çekici ve (c) Ultrases geçiş hızı yöntemleridir. Sayılan tüm tahribatsız muayene yöntemlerinin tümü, karot alınmış tüm perde duvarlar üzerinde uygulanmıştır.Basınç dayanımı testleri İstanbul Teknik Üniversitesi İnşaat Fakültesi Yapı Malzemesi Laboratuvarı'nda karotlar üzerinde uygulanmıştır. Daha yi korelasyon eğrileri elde edebilmek adına ultrases geçiş hızı testleri aynı laboratuarda, karotlar üzerinde uygulanmıştır.Buna ek olarak, bu araştırmada bazı senaryolar geliştirilmiş ve sonuçlar, her bir binadaki optimum karot sayısını elde etmek için kullanılmıştır. Her kat için farklı sayıda karot alınması ve son olarak belli katlarda belli sayıda karot alınması durumlarının farklı kombinasyonlarının betonun basınç dayanım tahmini üzerindeki güvenirliliği analiz edilmiştir. Belirtilen senaryolarda öncelikle her bina kendi içersinde değerlendirilmiş, sonrasında tüm binalardan alınan karotlar için basınç dayanımı ile NDT deneyleri sonucunda elde edilen verilerin korelasyonları incelenmiştir.İlk senaryo, her kattan tek karot alınması durumunu içindir. Her bir kattaki üç karottan bir karot seçmek için farklı temel seçim yöntemi geliştirilmiştir. Buna göre: Her kattan alınan üç karot numunesi I, J, K harfleri ile kodlanmıştır. İlk durum için her kattan alınmış I kodlu numuneler üzerinde yapılmış NDT ve basınç dayanımları arasındaki korelasyon, ikinci ve üçüncü olarak durum için sırasıyla J ve K numuneleri üzerinde yapılan NDT ve basınç dayanımları arasındaki korelasyon analiz edilmiştir. Karotlar arası seçim yapılırken dördüncü durum olarak her katta I, J, K düzenine göre karot seçimi yapılmış NDT sonuçları ve basınç dayanımları arasındaki korelasyonlar analiz edilmiştir. Buna göre her dört durum için elde edilen korelasyon eğrileri arasında en yüksek R2 değerini sağlayan kombinasyonlara göre optimum karot sayısı belirlenmeye çalışılmıştır.İkinci senaryoda, her kattan iki karot alınması durumu incelenmiştir ve bu senaryo için iki temel seçim yöntemi belirlenmiştir. Buna göre: Daha önce I, J, K ile kodlanmış numuneler arasında önce her kat için, birinci durumda I, J ikinci durum için J, K üçüncü durum için I, K numuneleri alınarak NDT ve basınç dayanımları arasında korelasyon analiz edilmiştir.Üçüncü senaryoda, her kattan alınan ve yukarıda belirtildiği şekilde üç gruba ayrılmış her üç karot (tüm verileri) için elde edilmiş olan basınç dayanımı ve NDT sonuçları arasındaki korelasyon incelenmiştir.Dördüncü senaryo kapsamında özellikle çok katlı binaların durum tespiti çalışmaları sırasında karşılaşılan iş gücü,uygulama zorlukları ve ekonomik nedenler göz önünde bulundurularak her binanın sadece ilk iki, ilk dört, ve ilk sekiz katından alınan numuneler incelenmiştir.İnclenen verilerin, binalarınnın beton basınç dayanımlarının belirlenmesi üzerindeki güvenilirliği, her üç durum için de incelenmiştir.Çalışmalardan elde edilen sonuçlar her senaryonun kendine özgü avantaj ve dezavantajları olduğunu göstermiş, durum tespit çalışmalarının gerektirdiği bütçe ve güvenilirlik şartlarına göre seçim yapılması gerektiği sonucuna varılmıştır.

The condition assessment of existing RC buildings is an important task in structural engineering. Deterioration of buildings occurs due to several factors such as environmental exposure and chemical attacks, poor concrete quality due to bad mixture design or poor workmanship and loading effects.There are various methods to evaluate the condition of buildings including destructive testing (DT) and non-destructive testing (NDT) methods. DT methods are relatively more reliable but are costly, often take more time and have their own limitations. NDT methods, when correlated with limited DT results could reduce the time and cost of condition assessment, the reliability of which can be improved through increased number of testing or through combination with other DT or NDT methods.Non-destructive test methods are improving continuously and new methods and equipment with better reliability and easier procedures are being developed to be included in standard updates. Most commonly used methods are (a) Rebound (Schmidt) Hammer, (b) Ultrasonic Pulse velocity, and (c) Pull-out tests.In this study, four incomplete fifteen-story buildings that were built nearly 30 years ago in Zeytinburnu area, Istanbul, Turkey were chosen as case study buildings. Three cores were taken from each story of all four buildings that were designated as Building A, B, C, and D. Since the buildings were tunnel formwork construction, cores taken from shear walls. The total number of cores taken from each building was 45, with a total of 180 cores taken from all four buildings.Three non-destructive methods were chosen as (a) Rebound (Schmidt) hammer, (b) Silver-Schmidt hammer, and (c) UPV and measurements were performed in all building at the locations of cores.Uniaxial compressive strength tests were performed on cores at Istanbul Technical University`s Construction Materials Laboratory and UPV was done on cores instead of in-situ in order to obtain the quality of results.Various assessment scenarios were implemented in this research and results were demonstrated for each different scenario which consisted of variations in core numbers and the number of floors that the cores were taken.The first scenario included a single core taken from each story, with four different combinations of floor numbers in each building.The second scenario considers two cores taken from each story and with variations in core locations.The third scenario includes three cores taken from each story as instructed by code to serve as a basis for comparison with previous scenarios.xxviThe fourth scenario considers cores taken from two, four, and eight stories to determine the optimum correlations in view of cost and accuracy. Reducing the number of cores with minimum trade-off in reliability is main objective of this scenario considering the cost and difficulty of taking cores.The results indicate that each scenario has its advantages and disadvantages which can be considered based on requirements regarding assessment cost and reliability.