Hasarlı bir betonarme acil durum su kulesinin hasar sebeplerinin incelenmesi, onarımı ve saha deneyleri ile kontrolü
Assessment, repair and in-situ experimental investigation of a damaged reinforced concrete emergency water tower
Yazar: ALİ NAKİ ŞANVER
Danışman: PROF. DR. ALPER İLKİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Sıvı depolama yapıları, şehirlerin su ihtiyacını karşılama, sanayi tesislerinde hammadde veya ürün muhafaza etme, enerji üretimi gibi birçok alanda sıklıkla kullanılmaktadır. Zemine oturan, gömülü veya bir kaide ile taşınan gibi farklı geometrilerde karşımıza çıkabilen sıvı depolama yapıları, çelik veya betonarme olarak teşkil edilebilmektedir. Yapının geometrik özellikleri, kullanım amacıyla ve depolanan sıvı miktarı ile doğrudan ilişkilidir. Az miktarda suyun acil durumlarda kullanılması istendiğinde yapı, suyun potansiyel enerjisinden faydalanabilmek için yeterli yüksekliğe sahip bir taşıyıcı sistem üzerine bir depo oturtulmasıyla teşkil edilebilmektedir. Diğer yandan, bir şehre su sağlamak gibi oldukça fazla hacimde sıvı depolanması gerektiren durumlarda, sıvı depolama yapıları, zemine oturan, alçak duvarlara sahip ve geniş bir oturma alanına sahip olacak şekilde teşkil edilebilmektedir. Yapının tasarımını önemli ölçüde etkileyen bir diğer konu ise depolanan sıvının cinsi ve özellikleridir. Bu bağlamda depolanan sıvının, yapının malzemesiyle etkileşime girebileceği veya oluşabilecek çatlaklarda meydana gelebilecek sızıntıların insan ve çevre sağlığı açısından tehlikeli olabileceği hesaba katılmalıdır. Yönetmeliklerin bir kısmında depolanan sıvının özelliğine göre yapıda izin verilebilecek çatlak genişlikleri belirtilmiştir. Daha açık ifade etmek gerekirse, toksik madde içeren tanklarda en ufak bir sızıntıya izin verilmezken tarımsal alan sulamasında kullanılacak tanklarda bir miktar sızıntı tolere edilebilmektedir. Farklı tipte ve geometrilerde karşımıza çıkabilen bu yapılar, depolanan maddenin yapı ile etkileşimi ve/veya insan ve çevre sağlığı açısından tehlikeli olup olmaması gibi durumlar ve deprem etkisi altındaki davranışlarının klasik yapılardan farklı olması sebebiyle yönetmeliklerce özel tasarım koşullarına tabi tutulmuştur.
Birçok farklı tipte olabilen bu özel yapılarda, hidrostatik etkiler, hidrodinamik etkiler, farklı oturma etkileri, agresif çevre koşulları, depolanan maddenin özellikleri, dolum-boşaltım hızları gibi pek çok etki sebebiyle farklı karakteristikte hasarlar meydana gelebilmektedir. Sanayi tesislerinde meydana gelebilecek ve çoğu kez üretimin aksamasına sebep olacak kazalarda ciddi operasyonel maliyetler ve zaman kaybı meydana gelebilmektedir. Öyle ki yapının tekrar kullanılabilmesi amacıyla yapılan onarım/güçlendirme faaliyetleri süresince oluşan operasyonel maliyetler, yapının yapım maliyetini aşabilmektedir. Ayrıca yapının inşası sürecinde veya operasyon anında meydana gelen kazaların bir kısmı can kaybı ile sonuçlanabilmektedir. 
Bu çalışma kapsamında, yapının ilk dolumu esnasında meydana gelen hasarlar incelenmiş ve sebepleri tartışılmıştır. Çalışmaya konu olan yapı, kare plana ve temel üstünden 56 m yüksekliğe sahip bir betonarme su kulesidir. Zemine oturan tipte teşkil edilen yapının taşıyıcı sistemi betonarme duvarlardan oluşmaktadır. Yapı bir çelik sac üretim tesisinde bulunmakta olup acil durumlar için su temini amacıyla inşa edilmiştir. Kule, alt ve üst tank olmak üzere iki depolama hacminden oluşmaktadır. Üst depo, yalnızca potansiyel enerji sayesinde, suyun mekanik sistem içerisinde dolaşıma katılabilmesi amacıyla temel üstünden 45.50 m yukarıda olacak şekilde projelendirilmiştir. Alt tanktaki suyun dolaşıma katılabilmesi için ise hem potansiyel enerjiye hem de pompa sistemine ihtiyaç duyulmaktadır. Suyun atmosfer basıncı altında depolanması sağlanmıştır. Bu sebeple su yüzeyinde buhar basıncı meydana gelmemektedir.
Yapısal analizlerin gerçekleştirilebilmesi ve hasar sebeplerinin belirlenebilmesi amacıyla, ilk olarak, yapının proje ile uyumluluğu kontrol edilmiştir. Bu kapsamda açıklıklar, duvar kalınlıkları, kulenin yüksekliği gibi genel boyutları ölçülmüş ve proje ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca donatı tespit çalışması gerçekleştirilmiştir. Bunun için belirli bölgelerde beton örtüsü kaldırılarak donatıların tip, çap ve aralık bilgisi elde edilmiştir. 
Meydana gelen hasarların tespiti için dikkatli bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Yapılan çalışma sonucunda zeminden itibaren +35.00 m kotu civarına kadar, tüm cephelerde çatlaklar oluştuğu tespit edilmiştir. Hasarın özellikle mesnet bölgelerinde yoğunlaştığı ancak açıklık bölgesinde de küçük çatlakların mevcut olduğu kaydedilmiştir. Mesnet bölgesinde meydana gelen geniş çatlaklardan suyun tazyikli bir şekilde fışkırdığı görülmüştür. Açıklık bölgesindeki çatlakların genişliklerinin 0.1-0.2 mm mertebesinde kaldığı not edilmiştir.
Yapılacak analiz ve tahkiklerde kullanmak üzere mevcut malzeme dayanımları belirlenmiştir. Bu sebeple yapıdan elde edilen beton karot numuneleri ve yatay elemanların düşey elemanlarla bağlantısını sağlayan manşonlar üzerinde laboratuvar testleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, yapının inşası sırasında, yapıda kullanılan donatılar üzerinde yapılan çekme testleri incelenmiştir.
Sahadan elde edilen bilgiler ışığında yapının sonlu eleman modeli oluşturulmuş ve hidrostatik yükleme altında doğrusal analizler gerçekleştirilmiştir. Yapılan analizlerle hem tasarımın yeterliliği tartışılmış hem de mevcut hasar açıklanmaya çalışılmıştır. Tahkikler her bir yapı elemanında elde edilen iç kuvvet etkilerinin taşıma gücü kapasiteleri ile karşılaştırılmasını kapsamaktadır. Ayrıca katı elemanlardan oluşan modelde, hasarın yoğunlaştığı +14.50 m kotu civarında elde edilen gerilme dağılımları değerlendirilmiştir. Sonlu eleman modelinden elde edilen sonuçlar, kapalı çerçevede yapılan hesaplarla mertebesel olarak kontrol edilmiştir. Yapılan yapısal analiz ve tahkikler neticesinde ulaşılan sonuçların, yapıda oluşan hasarlar ile uyumlu olduğu görülmüştür. 
Yapının kullanılabilmesi için bir onarım ve müdahale çalışması gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda üç alternatif müdahale yöntemi hazırlanmış ve birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Zaman parametresinin oldukça önemli olduğu bu çalışmada en kısa sürede gerçekleştirilebilecek alternatif uygulanmıştır. Müdahale çalışmaları kapsamında hem üst tankta hem de alt tankta izin verilen su yüksekliği sınırlandırılmıştır. Ardından, meydana gelen farklı tipteki hasarlar için uygun onarım yöntemleri belirlenmiştir. 
Yapının müdahale sonrasında performansı hem düşey yük hem de deprem etkileri altında değerlendirilmiştir. Sıvı depolama yapılarında deprem etkisi sebebiyle oluşan kuvvetleri üç başlık altında incelemek mümkündür. Bunlardan ilki depolanan sıvının yapı ile birlikte hareket etmesi sebebiyle oluşan impulsif kuvvet, ikincisi uzun periyoda sahip ve suyun çalkalanması sebebiyle meydana gelen kuvvet, üçüncüsü ise depremin düşey bileşeni sebebi ile tank duvarlarında oluşan yanal kuvvettir. Deprem sebebiyle oluşacak hidrodinamik kuvvetlerin hesaplanması için ACI 350.3 (2006) dokümanı referans alınmıştır. Yapılan analiz ve tahkiklerle yapının, müdahale sonrasında hem düşey yük hem de deprem etkileri altında yeterli güvenliği sağlayacağı sonucuna ulaşılmıştır. 
Sonlu eleman modelinde yapılan kontrollere ilave olarak, müdahalenin yeterliliği, hidrostatik yükler altında, yerinde gerçekleme deneyleri ile de kontrol edilmiştir. İlk olarak yalnızca üst tankta, müdahale sonrası izin verilen yükseklikte su yüklemesi yapılmıştır. Bu durumda üst tank döşemesindeki sehimler ölçülmüştür. Elde edilen sehimler sonlu eleman modelinden elde edilen sehimler ile karşılaştırılmıştır. Ölçülen yerdeğiştirmelere bağlı olarak, kiriş ve döşemenin çekme donatısında meydana gelen gerilmelerin izin verilen sınırlar içinde olduğu görülmüştür. Ardından yalnızca alt tankta yükleme yapılmıştır. Bu durumda kulenin duvarlarında, açıklıkta ve mesnette meydana gelen beton şekildeğiştirmeleri ölçülmüştür. Elde edilen şekildeğiştirme değerlerinin kayda değer bir mertebeye ulaşmadığı not edilmiştir. Sahada gerçekleme deneylerinden elde edilen sonuçların, sonlu eleman modelinden elde edilen sonuçlar ile uyumlu olduğu görülmüştür. Deneyler esnasında sahada yapılan gözlemlerde çatlama, sızıntı gibi olumsuzluklarla karşılaşılmamıştır. Yerinde yapılan bu deneylerle, müdahale önerisinin ve uygulamanın, hidrostatik yükleme altında yeterliliği ispatlanmıştır. 
Çalışmanın son bölümünde, yapılan hasar tespit çalışmasından, laboratuvar deneylerinden ve yapısal analiz ve tahkiklerden elde edilen sonuçlar derlenmiş ve yorumlanmıştır.

Abstract:
Liquid - containing structures are frequently in use in many areas such as; water supply to cities, storage of a row material and products in industrial facilities and energy production. Liquid – containing structures that can be seen in different types such as above-ground, buried or elevated, can be constructed as steel or reinforced concrete. Geometrical properties of structures are directly related to intended use of structures and amount of stored liquid. If a small amount of water is required in case of emergency, structures can be construct by placing a tank on a high-rise structural system. On the other hand, in cases where a large volume of liquid storage is required such as supplying water to a city, the liquid – containing structures may be formed as above-ground tank which have low walls and large plan dimensions. Another issue that significantly affects on the design of liquid - containing structures is property of stored liquid. In this context, it should be considered that the stored liquid may interact with the material of structures and that leak because of cracking can be dangerous for human and environmental health. Some codes specify the allowable crack width in the structure according to the nature of stored liquid. To be more precise, any leakage is not allowed in tanks containing toxic liquid while some leakage can be tolerated in tanks to be used in agricultural field irrigation. These kinds of structures are subjected to special design considerations by the standards or codes due to the interaction between contained liquid and surface of structure, the risk of contained liquid for human and environmental health and different behavior of tanks under seismic action than classical structures.
Many different types of damages may occur on these special structures which can be construct in many different types because of hydrostatic pressures, hydrodynamic pressures, different settlement of soil, severe environment conditions, properties of contained liquid, velocity of filling or discharge etc. Considerable operational cost and time loss may occur because of the accidents that occurred on industrial facilities and that usually result in disruption of production. In fact, operational costs incurred during the repair and retrofitting works for re-use of the structure may exceed the reconstruction cost of the structure. Addition to this, some of accidents that occurred during construction of structure or operation of facility may result in loss of lives.
In the scope of this study, damages occurred during first filling of the structure were investigated and reasons of damages were argued. Structure that is studied in the thesis is a reinforced concrete water tower that has square plan view and 56 m height from above the foundation. Water tower was constructed as above-ground type. All loads are fully resisted by reinforced concrete walls. The tower located in a steel sheet production facility was constructed for water supply for emergency cases. The tower consists of two storage volume named as upper and lower tanks. There is a mechanical system control room between these two storage volumes. The elevation of the upper tank is determined to be 45.50 m above the foundation in order to allow the water to circulate in the mechanical system by force of only potential energy. For the water in the lower tank to be circulated, both the potential energy and pump systems are required. The water is stored under atmospheric pressure. For this reason, vapor pressure does not occur on the water surface.
In order to carry out structural analysis and to determine the causes of damages, firstly, compatibility of the construction with the project was checked. In this context, general dimensions such as spans, thicknesses of the walls, height of the tower were measured and compared with the project. In addition, rebar detection work was carried out. For this purpose, the concrete cover was removed in certain regions and classes, diameters of rebars and spacing between rebars were obtained. It was observed that the general dimensions and main rebar properties were compatible with the project, but number of existing ties were less than stated in the project in some regions. In addition to this, connection between some lateral elements and walls were implemented different from the project.
In order to define damages occurred on the structure, a carefully study was performed. As a result of site investigations, it is obtained that cracks were occurred from above the foundation to +35.00 m on all fronts of the structure. It was noted that damages were concentrated especially in the support areas, but minor cracks were observed in mid-span area. It was observed that the water was gushing from the wide cracks in the support areas. It is noted that the crack mouth openings are nearly 0.1-0.2 mm in span areas. It was also observed that there was a wide gap between +14.50 m elevation beam and reinforced concrete walls because of the slipping the sleeves.
Existing material strengths were determined to be used in structural analysis and calculation of bearing capacity of structural elements. For this purpose, laboratory tests were carried out on concrete core specimens removed from the structure and on sleeves between horizontal elements and walls. In addition, laboratory tests carried out on rebars during construction were examined. When the material test results examined, it was observed that the concrete compressive strength is higher than the determined value in the project. Tensile strength of the rebars are smiler to standard values, but sleeves have not sufficient tensile strength. Tests performed on the sleeves show that the standard deviation is quite high.
According to the information obtained from the field, a finite element model of structure was created, and linear analysis was performed under hydrostatic pressure. With the analysis, the adequacy of the design was discussed, and existing damages were tried to be defined. The structural checks include the comparison between internal forces and the bearing capacity for each structural element. In addition, stress distribution about the beam located +14.50 elevation was obtained from a finite element model created with solid elements. Moreover, calculations performed on a close frame system in order to check finite element model. Results obtained from finite element model and from the calculations carried out for close frame system were compared with each other. It is obtained that the structural analysis results are compatible with the damages occurred on the structure. In conclusion, it was determined that the damages occurred especially because of the insufficient out-of-plane shear capacity of the tank walls.
An intervention work was performed in order to use the water tower. For this purpose, three intervention projects were prepared and compared with each other. The intervention project which could be implemented in the shortest time was selected in order to prevent delay of the operation. In the scope of selected intervention project, retrofitting was not performed and allowed heights of water were limited for both upper and lower tanks. In addition, proper repairing methods were determined for different types of damages occurred on the structure.
After the repairing works, performance of the structure was assessed under both hydrostatic and earthquake loads. It is possible to examine the forces caused by the earthquake in liquid – containing structures under three headings. The first one is impulsive force caused by the movement of the stored liquid with the structure , the second one is convective force caused by the sloshing of liquid and the third one is the lateral force occurred on the tanks walls due to the vertical component of the earthquake. Hydrodynamic forces caused by the earthquake were calculated according to ACI 350.3 (2006) code. Structural analysis and checks show that the structure has adequate safety under both hydrostatic and earthquake loads after intervention works.
In addition to finite element analysis, structural safety under hydrostatic pressure was checked by the in-situ validation tests. Firstly, only upper tank was filled to the height permitted in the intervention project. In this case, displacements occurred on the upper tank slab were measured. The measurements obtained from both in-situ validation tests and finite element model were compared with each other. Depending on the experimental measurements, tensile stress occurred on the slab and beam was calculated and it was seen that the tensile stress is under the allowed limit. Secondly, only lower tank was filled. In this loading case, strains occurred on the support and span areas of the tower walls were measured. the strain values are found to be of very low order. It was seen that the results obtained from in-situ validation tests and from finite element analysis are compatible. Any problem such as cracking and leaking was not observed during in-situ validation tests. These in-situ validation tests proved that the structural safety under hydrostatic effects was provided for post-intervention situation.
In last part of the thesis, results obtained from damage detection works, laboratory tests and structural analysis were compiled and interpreted.