Depreme Dayanıklı Yapı Tasarımında Zemin Aktarma İstifi-Yapı İlişkisi

Transkript

1 Depreme Dayanıklı Yapı Tasarımında Zemin Aktarma İstifi-Yapı İlişkisi Transmission Strata-Building Relation for Earthquake Resistant Building Design Mehmet Utku, Şenol Özyalın, Mustafa Akgün, Eren Pamuk, Ahmet T. Arslan, Özkan C. Özdağ Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Jeofizik Mühendisliği Bölümü, Buca-İzmir Murat Nurlu T.C.Başbakanlık AFAD Deprem Dairesi Başkanlığı, Çankaya-Ankara ÖZET: Deprem enerjisinin binaya aktarılmasında; bina temel türünün, biçiminin, büyüklüğünün, ana kayadan itibaren yapıya kadar olan çökel malzeme kalınlığının, çökel malzemenin yapısının ve tabakalı çökel malzeme sismik hız yapısının önemli rolü vardır. Bunlardan, bina özellikleri kontrol edilebilir olmasına rağmen yeraltı özellikleri kontrol dışındadır. İzmir, yapılaşma yönünden, Türkiye nin yeraltı yapısı en iyi bilinen şehridir. İzmir in bazı bölgelerindeki karakteristik yeraltı yapısı, yüzeyden 1200 m derinliğe kadar çok katmanlı bir aktarma istifi ve onun altında sismik anakaya ile devem eden bir dizilişe sahiptir. Bu tür yeraltı koşulları, bilinen zemin iyileştirmesi gibi konservatif yolları ortadan kaldırmaktadır. Yapılması gereken, Deprem-Zemin-Yapı uyumu için ana kaya özellikleriyle birlikte ana kayaya kadar yeraltını iyi bilmek ve yeraltı-bina davranışını kestirmektir. İşte bu, depreme dayanıklı yapı tasarımıdır. Anahtar kelimeler: Depreme Dayanıklı Yapı, Zemin Aktarma İstifi, Özel Sismik Empedans Oranı, İzmir ABSTRACT: The properties such as building foundation type, foundation form, foundation size, the sedimentary thickness until surface from seismic basement, the sedimentary material content and seismic velocity structure of stratified sedimentary layers has important role during the transmission to building of seismic energy due to earthquake. From these, while building properties are controlled, Earth those are out of control. As construction industry, İzmir is a city which most known the underground structure in Turkey. The characteristic underground structure has sedimentary strata in İzmir. It is composed of sedimentary layer which has 1200 m thickness, and a seismic basement follows it. Like these geological structures removes the solution likes soil improvement. The operation required to be carried out for the earthquake-soil-building harmony due to the earthquake resistant building design is well to know the underground until the seismic basement, to estimate the Earth-building response. Keywords: Earthquake Resistant Building, Soil Transmission Strata, Special Seismic Impedance Ratio, İzmir 1 GİRİŞ Türkiye de depremle mücadele etmenin ilk koşulu depreme dayanıklı yapılarda oturmaktır. Bu da depreme dayanıklı yapı tasarımı ile mümkündür. Depreme dayanıklı yapı tanımını, Deprem Yönetmeliği (DBYBHY, 2007) yapmıştır. Bu tanıma göre, bir, yapı çökmeyecek, iki, can kaybı olmayacaktır. Bu iki temel koşul, ülkede uygulanacak yapılaşmanın en genel çerçevesini ya da bir başka deyişle kırmızı çizgilerini belirtmektedir. Bu koşulların sağlanabilmesi için deprem-zemin-yapı uyumunun sağlanması gerekir. Bu üçlü uyumda ise yapının konulacağı yerin altının iyi bilinmesi şarttır. Sorun, nereye kadar bilinmesidir. Depreme dayanıklı yapı tasarımı, yapının zeminle uyumunun sağlandığı tasarım demektir. Burada zemin, yapının Yerküre ile bağlantısının kurulduğu bir Yerküre parçası olmasından hareketle, deprem enerjisinin yapıya aktarılmasında önemli rolü olan bir 1/6

2 yeraltı istifidir. Kayanın iç ve dış koşullar etkisiyle parçalanan, ufalanan, ayrışan yeryüzüne en yakın kısmı, bu istifin, en üstüdür. Zeminin davranışında, depremin karakteri de belirleyicidir. Kastedilen deprem, yapının bulunduğu sismotektonik bölgenin üretebileceği belli büyüklükteki depremdir. İstifi oluşturan jeolojik formasyonların reolojisi, böyle bir deprem sırasında deprem enerjisinin yeriçindeki yayınımı bağlamında yönlendiricidir. Bunun için yüzeyden itibaren anakayaya kadar tüm jeolojik istifin bilinmesi, sözkonusu uyumun sağlanmasında çok büyük avantaj sağlar. Tersi ise tasarımda büyük bir eksiklik olur. Anakayadan kasıt, mühendislik anakayasıdır. Böylece, Yer davranışı kestirildikten sonra yapının bu davranışa yanıtının da kestirilmesi gerekir. Bu, deprem enerjisinin yapıya aktarılması ve yapının bu enerjiye tepkisinin modellenmesiyle yapılır. Bir başka deyişle, deprem dalgalarının yapıda yayınımının izlenmesiyle mümkündür. Dolayısıyla, deprem-zemin-yapı uyumunda süreç 3 aşamadan oluşur. İlki, yeraltının kestirimi, ikincisi kestirilen yeraltı modelinin tasarım/senaryo depremine tepkisinin modellenmesi, üçüncüsü ise oluşan Yer tepkisine yapının tepkisinin modellenmesidir. Bu çalışma ile yapılaşmada yeraltının bilinmesi gereken kısmı ve zemin- yapı etkileşimi ele alınmakta, bir pilot bölge için yapılan modelleme sonuçları tartışılmaktadır. Pilot bölge, İzmir il sınırlarıyla çevrili bir yerleşim alanıdır. 2 ZEMİN AKTARMA İSTİFİ Sismik anakayaya kadar gelen deprem enerjisinin genliğini büyüten, çok katmanlı sediman paketine verilen addır. Türkiye gibi karmaşık jeolojisi olan coğrafik alanlarda karşılaşılan bir durumdur. Yani, bu tür yerlerde zemin, ince bir çökel malzeme ve anakaya ile devam eden sade bir jeolojik istiften ibaret değildir. Sismik anakaya ile yapı arasındaki bir aktarma aracıdır ve yapının, üstünde durduğu bir jeolojik formasyon dizisidir. Bir başka deyişle, zeminle ilgili bir aktarma istifi ya da kısaca zemin aktarma istifi, sismik anakayadaki deprem enerjisinin binaya ulaşana kadar geçmek zorunda kaldığı, toplam 100 metreler mertebesi kalınlığındaki çok katmanlı ve özel sismik hız yapılı sismik anakaya üstündeki bir yüzey paketidir. Mühendislik anakayasını da içerir. İzmir, yapılaşma yönünden Türkiye nin yeraltı yapısı en iyi bilinen şehridir. Son 6 yılda yapılan proje bazlı yerbilimleri çalışmaları ile bu bilgi seviyesine ulaşılmıştır. İzmir in bazı bölgelerindeki karakteristik yeraltı yapısı, yüzeyden itibaren 1200 m derinliğe kadar inen çok katmanlı bir aktarma istifi ve onun altında da sismik anakaya ile devem eden bir dizilişe sahiptir. Anılan 1200 m lik derinliğe kadar, yüzeyden itibaren eksponansiyel olarak artan bir hız yapısı ile yer-yer de bu yapıya bir düşük hız zonunun dâhil olduğu daha sorunlu aktarma istifleri bulunmaktadır. İzmir deki aktarma istifi, yüzeyden düşük hızlı alüvyon ile başlayan göreceli yüksek hızlı ince bir çakıl seviyesi ile devam eden, sonrasında bir düşük hız zonu ile anakayasına ulaşan bir değişime sahiptir. Bir başka deyişle, İzmir de bu istif, içinde düşük hız zonu ve mühendislik ana kayasının bulunduğu alüvyonun ve filişin farklı seviyelerini barındıran hatırı sayılır bir kalınlıktır. Mühendislik anakayasının S dalga hızı 800 m/sn den başlar ve derine doğru değişir. Sismik anakaya ise 3000 m/sn lik bir S dalgası hızına sahiptir. Şekil 1, İzmir deki, karakteristik bir zemin yapısı olan zemin aktarma istifinin ve olası deprem dalgası yayınımının şematik bir görüntüsünü sergiler. Modellemede kullanılan tüm fiziksel ve geometrik parametreler, Şekil 1 de görülmektedir. Yapı temel betonunu temsil eden sismik S dalgası hızı 3000 m/sn alınmıştır (Şekil 1). Zemin aktarma istifindeki sismik dalga yayınımında, elastik dalga yayınımının fizik esaslarından ve ele alınan problemin özelliğinden hareketle düzlem dalga esas alınmaktadır (Tezcan vd., 2006; Aki&Richards, 1980). Şekil 1 deki yukarı ve aşağı doğru oklar, sismik dalga yolunu temsil etmektedir. Şekil 1 den de görüldüğü gibi böyle bir aktarma istifi, Snell Yasası na göre gerçekleşen bir sismik dalga yayınımıyla gelen deprem dalgasını, 2.5 defa büyütmektedir. Radye-jeneral bir bina temelinin üstünde durduğu bu istifte tekrarlanan bir sismik dalga, Snell Yasası na göre hızla sönümlenmektedir. 3 ZEMİN AKTARMA İSTİFİ-YAPI İLİŞKİSİ Üzerinde üst yapıyı yani bir binayı barındıran ve bir sedimanter istif olan zemin aktarma isfinin sismik davranışı, ilgili depremin özelliklerine ve istifi oluşturan formasyonların reolojisine bağlı olmasına rağmen bina özelliklerine de bağlıdır. Keza, bina ve 2/6

3 zemin aktarma istifi birlikte çalışan bir sistemdir. Bunları ayırmak ya da ayrı-ayrı ele almak problemin/olayın doğasına aykırıdır. Dolayısıyla, bu birliktelikte binanın temel tipi, geometrisi önemli rol oynar. Sistem, bir radye-jeneral temele göre ele alınırsa, sözkonusu istif, iki yüksek hızlı katman arasındaki bir düşük hız zonu gibi davranır. Burada, sismik yayınımın düzlem dalgaya ve düşey ışın yollarına göre işliyor olması, sismik dalga yayınımı açısından çok önemlidir. Yoksa dalga yayınımının işleyişi ve sonuçları tamamen değişir. Böyle bir sistemde 2.5 kat büyüyen deprem dalgası, binaya genliği çok küçülmüş olarak aktarılır. Bu, sismik anakayadaki genli- Şekil 1. İzmir in bazı bölgelerine ait karakteristik bir zemin aktarma istifi ve radye-jeneral bir yüksek yapı temeline göre sismik AAçydalga yayınımının şematik görünümü. A, sismik anakayadaki deprem dalgası genliği,, çatıdaki sismik dalga genliği,, bina AA1Tytemelini etkileyen yüzey katmanındaki sismik dalga genliği,, bina temeline aktarılan sismik dalga genliği,, bina temelini 1etkileyen yüzey katmanındaki tekrarlı sismik dalga genliği, TA, bina temeline aktarılan tekrarlı sismik dalga genliğidir. 1 üst indisi, tekrarlama sayısıdır. 3/6

4 ğin %40 ı kadardır (Şekil 1). Temel-zemin arayüzeyinden yansıyarak geri dönüp istif-sismik anakaya reflektöründen tekrar yansıyıp binaya aktarılan tekrarlanmış enerji genliği ise sıfıra yakın bir değerdir (0.086, Şekil 1). Bu sonuçlarda, temel betonunun kalitesi önemli rol oynamaktadır. Eğer, binaya aktarılan bu enerjiler (0.38, 0.086; Şekil 1), aynı yayınım esaslarına göre fakat bir bina geometrisi içinde ve 40 katlı 100 m yükseklikteki aynı betonla üretilmiş bir binada yayınırsa, bina çatısına doğru hızla sönümlenirler (Şekil 1). Buradan da bina içinde genlik artırıcı bir unsurun olmadığı anlaşılmaktadır. Bu enerjinin, binadaki yayınımı sırasında kat betonları, kolon ve kirişler içinde tekrarlı sinyaller üretebileceği varsayılırsa ki empedans kontrastı buna uygun-, bunun da ortalama 20 tekrarlamadan sonra sıfıra yakın bir sönüme ulaşacağı hesaplanmaktadır. İyi beton kalitesiyle üretilmiş radye-jeneral temelli bir yüksek binada, bu çalışmada ele alınan koşullara göre deprem dalgasını büyütebilecek bir davranış görülememektedir. Böyle bir yapı için sistemin rezonans durumunun da ele alınması gerekir. Çünkü, zemin aktarma istifinin rezonans bakımından davranışının bilinmesi şarttır. Eğer, sade bir hesaplama ile bina hâkim titreşim periyodu 0.1 sn/kat varsayılırsa, 40 katlı bir yüksek yapı için bina hâkim titreşim periyodu 4 sn olarak hesaplanır. Sözkonusu zemin aktarma istifine göre zemin hâkim titreşim periyodu 4.03 sn dir. Bu periyot, mühendislik anakayasına göre yapılan kümülatif hesaba dayanır (Ercan, 2001, 2011). O halde, elde edilen periyotlardan anlaşılmaktadır ki böyle bir zeminde katlı üretilecek binalar, rezonans yönünden tehlike arz etmektedir. Eğer aynı bina, kazıklı temele göre tasarlanırsa, her bir temel kazığı, sismik dalga yayınımı sırasında yeni bir sismik enerji kaynağı gibi çalışabilir. Eğer böyle çalışırsa, Şekil 2, şematik olarak, kazıklı temele sahip yüksek bir binanın oturduğu zemin aktarma istifindeki sismik dalga yayınımını gösterir. Şekil 2 den de görüldüğü gibi her kazık, birer elementer sismik enerji kaynağıdır. Bu durumda, bina temelini etkileyen toplam dalga genliği ( A ), T S A T 2.11 A (1) ks bağıntısıyla hesaplanır. (1) bağıntısında, A, sismik anakayadaki deprem dalgası genliği, S, bina temeli oturma alanı, s, temel kazığı elementer yüzey alanı, k, bina temelindeki kazık sayısıdır. Eğer ks=s/2 alınırsa, A T hesaplanır ki, bu, böyle bir bina temelinin, temele gelen deprem dalgasını 2 defa daha büyütebileceği anlamına gelir (A=1). Sismik anakayadaki genliğin ise en az 4 kat büyütülmesidir. Binaya aktarılan sismik dalga, bir önceki bölümde incelendiği gibi çatıya doğru ilerledikçe ya da zaman geçtikçe hızla sönümlenecektir. Anılan zaman ise 1 sn nin altındadır. Bina, kendisine aktarılan dalga etkisiyle başladığı salınımına, bina salınım genliği sönümlenene kadar sürdürecektir. Ayrıca, elementer kaynaklardan çıkan enerjiler, elementer kaynak alanında meydana gelen bir girişim sonucunda, belli bir t i zamanı sonrası, temelin oturduğu zemin malzemesi içindeki t i zamanına karşılık gelen konumlarda, çıkış genliğinin yaklaşık 2-6 katına ulaşırlar (Şekil 2). 4 SONUÇ VE ÖNERİLER Temel, radye-jeneral bir temel ise deprem etkisini önemli ölçüde azaltıcı bir rol oynamaktadır. Bu özellikteki normal bir bina içinde genlik artırıcı başka unsur olmadığına göre deprem-zemin-yapı uyumunda, yapıya aktarılan sismik dalga genliği ya da ona karşılık gelen kuvvet belirleyicidir. Radye-jeneral temelde, zemin-temel arayüzeyi, düzgün bir reflektör gibi çalışırken kazıklı temelde ise her bir kazık yeni bir enerji kaynağı olarak çalışır. Bu yapısal özellik, aynı zamanda, yüzeye yakın yapay singülaritelerin tesisi anlamına gelir. Singülariteler, yeriçinde, düzgün cereyan eden dalga yayınımını bozan, dalga yayınımını, Fizik yasalarını da zorlayan yeraltı yapılarıdır. Yeraltına ait bu tür fiziksel ve geometrik koşullar, bilinen zemin iyileştirmesi gibi konservatif yolları da ortadan kaldırmaktadır. Çünkü bu yolla yapılan iş, üst yapı kütlesini büyütmekten başka bir şey değildir. Bu ise sistemin fizik tanımının bozulması demektir. Yapılması gereken, sismik anakaya özel- 4/6

5 Şekil 2. Kazıklı temele sahip bir binanın oturduğu zemin aktarma istifinde, sismik dalga yayınımının şematik görünümü. AyS, elementer sismik kaynak noktalarını gösterir., bina temelini etkileyen yüzey katmanındaki sismik dalga genliği, AAtrti, elementer kaynaklardan çıkan sismik dalga genliği,, bir zamanına karşılık gelen konumdaki toplam sismik dalga genliğidir. likleriyle birlikte sismik anakayaya kadar yeraltını iyi bilmek ve buna uygun fizik modeli kurup binayı tasarlamaktır. İşte bu tasarım, depreme dayanıklı yapı tasarımıdır. Zemin aktarma istifinin iyi bilinmesiyle, gerçek büyütme değeri kestirilebilecektir. Burada, gerçek sözcüğü, en doğru anlamında alınmalıdır. Böylece, klasik zemin tepki analizi daha nitelik kazanmış olacaktır. Dolayısıyla yüksek yapıların ve yapı komplekslerinin kurulacağı yerlerde, zemin aktarma istifi mutlaka iyi bilinmelidir. Bu tür yapıların, zemin aktarma istifi doğru kestirilmiş ve tasarımda doğru kullanılmış yerlerde inşa edilmesi, bu yapıların depreme dayanıklı yapı özelliği kazanmasında olmazsa-olmaz bir durumdur. 5 REFERANSLAR Aki, K. & Richards, P.G Quantitative Seismology Theory and Methods, Vol. I, Vol. II., W.H. Freeman and Co., San Francisco, USA, 932 p. 5/6

6 DBYBHY Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik, T.C. Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, Resmî Gazete: 06/03/2007, sayı 26454, Değişiklik: 03/05/2007, sayı Ercan, A Güvenli taşıma gücünün (zemin emniyet gerilmesinin) jeofizikten bulunması, uygun yapı temeli tasarımı. Jeofizik Bülteni, Nisan 2011, Ercan, A Afet Bölgelerinde Yer Araştırma Yöntemleri. JFMO Yayınları, İstanbul, 1. baskı, 339 sayfa. Tezcan, S.S., Keçeli, A., Özdemir, Z Allowable bearing capacity for shallow foundations based on shear wave velocity. Geotechnical and Geological Engineering: 24, , Technical Note. 6/6