BİNGÖL YATILI BÖLGE İLKÖĞRETİM OKULUNUN DEPREM GÜVENLİĞİ

Transkript

1 BİNGÖL YATILI BÖLGE İLKÖĞRETİM OKULUNUN DEPREM GÜVENLİĞİ SEISMIC SAFETY OF THE REGIONAL SCHOOL BUILDING OF BİNGÖL Zekai Celep İstanbul Teknik Üniversitesi, İnşaat Fakültesi İstanbul Özet Bu bildiride, Bingöl Depremi nde hasar görerek yıkılan Çeltiksuyu Köyü ne yakın Bingöl Yatılı Bölge İlköğretim Okulu binasının taşıyıcı sisteminin davranışı incelemiş, bulunan sonuçlar ve yerinde yapılan gözlemlerde belirlenen deprem hasarı ile karşılaştırılmıştır. Bu tür bir binaların deprem güvenliğinin belirlenmesinde yapılacak incelenme tartışılmıştır. Binanın taşıyıcı sisteminin incelenmesinde; eşdeğer deprem yükü, mod birleştirme yöntemi ve zaman tanım alanında çözümleme yöntemi yanında, doğrusal olmayan itme çözümleme yöntemi de kullanılmıştır. Betonarme binaların deprem yükleri altındaki güvenliğinin belirlenmesinde statik ve dinamik çözümler ile doğrusal ve doğrusal olmayan çözümleme yöntemlerinin sonuçları ve uygulaması kısa olarak tartışılmıştır. Abstract In the present paper, the seismic behavior of the Regional School of Bingöl nearby Çeltiksuyu Village is investigated. The building had experienced heavy damage and it is demolished in Bingöl Earthquake The results of the investigations are given comparatively with the observations done in the damaged building. Evaluation of the seismic safety of this type of building is discussed. In addition to the pushover analysis, the methods of the equivalent earthquake load and the superposition of the modal responses as well as the solution in the time domain are used in the analysis of the structural system of the building. The use of the static and dynamic analysis as well as linear and non-linear analysis in the evaluation of the seismic safety of existing buildings is discussed briefly. 1. GİRİŞ Bayındırlık ve İskan Bakanlığının Ön Hasar Tespit Durumu Raporu na göre Bingöl Depremi nde 305 yıkık bina, 2566 hasarlı ve oturulamaz durumda bina, 2546 hasarlı oturulur durumda bina tespit edilmiş ve 176 can kaybı bildirilmiştir. Depremde

2 Çeltiksuyu Köyü nde yer alan Bingöl Yatılı İlköğretim Bölge İlköğretim Okulu binası ağır hasar görmüş ve bu binanın yanında bulunan okula ait Pansiyon binasıda tamamen göçmüştür. Deprem sırasında bu binalarda öğrenim gören 209 yatılı öğrenciden 198 i binada olup, bunlardan 115 i sağ kurtulurken, 83 öğrenci ve bir öğretmen enkazda hayatlarını kaybetmiştir. Yıkılan bu okul binası ile aynı türden taşıyıcı sisteme sahip çok sayıda okul binası yurdumuzun bu bölgesinde bulunmaktadır. Bu bildiride bu tür okul binasının deprem güvenliğini tartışılmıştır. Konunun incelenmesinde her ne kadar önemine dayanılarak Bingöl Yatılı Bölge İlköğretim Okulu binasının taşıyıcı sistemi ele alınmakla beraber; betonarme binaların deprem etkisi altındaki davranışı konusunda genel görüşler açıklanmıştır. 2. BİNGÖL 2003 DEPREMİ Bingöl Depremi de M d =6.1 (DAD); M s =6.4 (BÜ); M=5.9 M w =6.4 (ABD) büyüklüğünde ve 6km odak derinliğinde meydana gelmiştir. Bingöl Bayındırlık ve İskan Müdürlüğü'nde bulunan alette maksimum ivme değerleri 546mG (KG), 277mG (DB) ve 472mG (düşey) olarak verilmiştir. Deprem kayıtları ile ilgili ivme spektrumları ve bölgede yerinde yapılan inceleme sonuçları daha önce belgelenmiştir. [1]. 3. OKUL BİNASI Okul binasının taşıyıcı sistemi düzenini veren döşeme kalıp planı ve temel planı, yerinde yapılan incelemeler yanında, elde edilen belgeler esas alınarak oluşturulmuş olup, Şekil 1.de verilmiştir. Bina; zemin kat ve iki normal katta meydana gelmekte olup, toplam üç katlıdır. Planda boyutları 17.17m 33.74m olan düzgün bir dikdörtgende bulunmaktadır. Kolonlar 0.30m 0.50m, iç kirişler 0.20m/0.70m ve dış kirişler 0.30m/0.70m kesitinde tespit edilmiştir. Döşeme kalınlığı 0.12m dir. Taşıyıcı sistem planda çok düzgün bir eksen sistemine sahiptir. Taşıyıcı sistemin geometrik boyutları yerinde yapılan tespitlere uymaktadır. Temel sisteminin kontrol edilmesi mümkün olmamıştır. Bazı kolonlarda 6φ16+2φ14 (1514mm 2 ; ρ = 0.01) minimum donatının bulunduğu tespit edilmiş olup, bu durum elde edilen çizimlerle uyuşmaktadır. Kirişlerdeki donatı düzenini gösteren herhangi belge bulunamamış olup, bu konuda bir tespit de yapılamamıştır. Depremden sonra yapılan incelemede binanın zemin katının tamamen göçmüş olduğu ve birinci normal kat kolonlarında önemli hasarlar meydana geldiği belirlenmiştir. Bu bina ile aynı taşıyıcı sisteme sahip diğer bazı okullar da Bingöl de bulunmaktadır. Bunlardan tespit edilenler Murat İlköğretim Okulu (Z+2NK; hasarsız), Sarayiçi İlköğretim Okulu (Z+3NK; orta-ağır hasarlı), Atatürk İlköğretim Okulu (Z+2NK; hafif hasarlı), Vali Güner Orbay İlköğretim Okulu (Z+2NK; hafif hasarlı), Karaelmas İlköğretim Okulu (B+Z+2NK; ağır hasarlı), Kaleönü İlköğretim Okulu (Z+2NK; zemin katı çökmüş) olarak sayılabilir. Değişik kat adetlerine ve hasar durumlarına sahip olan bu binaların beton kaliteleri ve donatı düzenleri yanında işçilik kalitelerinin de farklı olduğu tahmin edilmektedir [1]. Binada deprem hasarı, zemin katın tamamen çökmesi ve diğer iki katta ağır hasar meydana gelmesi şeklinde göstermiştir. Şekil 2.de verilen fotoğraflarda ağır hasar görülmektedir. Özellikle kiriş-kolon birleşim bölgelerinde etriyenin bulunmaması ve betonda büyük boyutta agrega bulunması zorlanan bu tür kesitlerin kolayca dağılmasına, kesitin eğilme momenti kapasitesinin daha depremin başlangıcında

3 kaybolmasına ve kesitin mafsal türünden bir davranış göstermesine sebep olmuştur. Binanın ağır hasar görmesine bu iki kusurun etkili olduğu tahmin edilmektedir. Genel olarak beton kalitesinin düşük olması ve yeterli donatının bulunmaması, ağır hasara sebep olabilirse de, kat göçmesine ancak büyük deprem etkilerinin sebep olacağı kabul edilebilir. Burada betonun düzgün dağılımda ve yeterli dayanımda bulunmasının ve uygun donatı düzeninin sağlanmasının öneminin bir defa daha vurgulanması yerinde olacaktır Düşey yükler 4. BİNANIN TAŞIYICI SİSTEM DAVRANIŞI Binanın düşey yükler ve deprem yükleri altında davranışının incelenmesi yapılarak, bunun depremde gözlenen hasarla uyuşum derecesi ile mevcut yapıların deprem güvenliğinin belirlenmesinde kullanılan bu tür yöntemlerin karşılaştırılması amaçlanmıştır. Düşey yükler için yapılan sayısal incelemede hareketli yük normal döşemelerde 3.0kN/m 2 ve koridor ve merdivenlerde 5.0kN/m 2 olarak, duvar yükü 6.0kN/m, kaplama 1.5kN/m 2 olarak kabul edilmiştir. Gerçek anlamda bir malzeme deneyi yapılmamış olup, gözlemlere dayanılarak hesaplarda mevcut yapı için C16 / S220 kalitesi kullanılmıştır. Bu yük ve malzeme bilgileri kullanılarak binanın taşıyıcı sistemi SAP2000 ve STA4-CAD programları yardımıyla doğrusal olan ve olmayan davranış kabulleri altında ayrı ayrı incelenmiştir [2, 3] Deprem yükleri Deprem yüklerinin belirlenmesinde Deprem Yönetmeliği nde verilen kurallar ile depreme ait yer hareketinin kayıtları kullanılmıştır. Yapılan çözümlemelerde gözlenen hasarın yorumlanması ve kullanılan yöntemlerin karşılaştırılması için bina önem katsayısı I = 1 ve hareketli yük katılım katsayısı 0.3 olarak kabul edilmiştir. Bina için okullara ait katsayıların kullanılması durumunda daha büyük deprem yüklerini taşımasının gerekeceği unutulmamadır. Deprem etkin yer ivmesi katsayısı A o = 0.4, spektrum katsayısı S = 2.5 ve taşıyıcı sistem için deprem yükü azaltma katsayısı R a = 4 kabul edilmiştir. Deprem hasarlarının incelenmesinde gözlenen hasarlar ve donatı düzenindeki hatalar, 4 katsayısının uygunluğu konusunda şüphe uyandırmıştır. Bilindiği gibi, yapının elastik ötesi davranışı sonucu ve süneklik sebebiyle etkilerin yeniden dağılımı sonucu oluşan ek kapasite ile ilgili olarak deprem yükü azaltılır. Ancak, burada olduğu gibi, kiriş-kolon birleşim bölgelerinde etriyenin bulunmaması gibi, çok önemli donatı düzenleme hatalarının sistematik yapıldığı durumlarda bu azaltmanın yapılması doğru olmayabilir [4] Eşdeğer statik deprem yükü yöntemi Yapılan kabuller altında yapının deprem yüklerinin hesaplanmasına etkili olan ağırlığı W=19299kN ve taban kesme kuvveti V t =( /4)W=0.25W olarak bulunmuştur Mod birleştirme yöntemi Mod birleştirme yönteminin kullanılmasında taşıyıcı sistemin titreşim periyotları ve mod şekilleri hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlara ait bilgiler Çizelge 1.de

4 özetlenmiştir. Verilen modların katkılarının uygun şekilde (CQC) birleştirilmesi sonucu taban kesme kuvvetleri ve en üst kat yerdeğiştirmesi aşağıdaki gibi bulunabilir: V t (boyuna ve enine) = 4092kN (0.212W) ve 3616kN (0.187W) Yerdeğiştirme (boyuna ve enine) = 9.07mm (% 0.112) ve 10.56mm (% 0.130) Çizelge 1. Serbest titreşim periyot ve mod şekilleri Periyot (s) Mod 1. enine 1. boyuna enine 2. boyuna 2. enine 3. enine öteleme ve burulma titreşimi titreşim öteleme ve burulma titreşimi titreşim titreşim titreşim 4.5. Zaman tanım alanında çözüm Bingöl Depremi nin ivme kayıtları incelendiğinde maksimum ivme değerleri KG doğrultusunda 545mG, DB doğrultusunda 277mG ve düşey doğrultuda 472mG olduğu görülür. Bu kayırlardan KG doğrultusuna ait ivme kaydının binanın boyuna ve DB doğrultusuna ait olanın da binanın enine doğrultusuna uygulanması ve elastik taşıyıcı sistem kabulü ile elde edilen zamana bağlı taban kesme kuvveti ve en üst kat yerdeğiştirmelerin maksimum değerleri aşağıdaki gibi bulunur: V t (boyuna ve enine) = 18830kN (0.916W) ve 10340kN (0.536W) Yerdeğiştirme (boyuna ve enine) = 38.06mm (% 0.470) ve 26.97mm (% 0.333) 4.6. Yatay yük kapasitesinin yaklaşık hesabı Binanın elastik ötesi yatay yük taşıma kapasitesini belirli yaklaşıklıkta elde etmek için, yatay yük etkisi altındaki güç tükenmesi durumunda zemin katın kolonlarının alt ve üst uçlarının mafsallaştığı kabul edilerek bu durumda tüm kat kolonlarda oluşan kesme kuvvetinin toplanması sonucu zemin kat kesme kuvveti ve dolayısıyla karşılanabilecek maksimum taban kesme kuvvetinin elde edildiği kabul edilmiştir. Her iki doğrultuda yapılacak bu yaklaşımla taban kesme kuvvetinin üst sınırı kolayca elde edilebilir. Yapılan kabullerde mevcut tespite uygun olarak kolonlarda 0.01 oranında minimum donatının bulunduğu, deprem etkilerinden kolonların normal kuvvetlerinde önemli bir değişiklik oluşmadığı ve tespitlerin aksine kiriş-kolon birleşim bölgelerinde güç tükenmesine kadar bir zayıflığın oluşmadığı kabul edilmiştir. Yapılan hesaplarda malzeme değerleri f c = 17MPa ve f y = 220MPa olarak alınmış ve aşağıdaki taban kesme kuvvetinin kapasite değerleri bulunmuştur [5]: V t (boyuna ve enine) = 3911kN (0.203W) ve 4050kN (0.210W) Binanın yatay yük taşıma kapasitesinin hesabındaki yaklaşıklık STA4-CAD programında kullanılan şekilde daha da iyileştirilebilir. Bunun için yapının her kattaki kiriş-kolon birleşim bölgesindeki kolon ve kiriş kesitlerinde (en altta kolon mesnet kesitleri de dahil olmak üzere) kapasite kontrol edilerek, plastik mafsalın birleşen kolonlarda veya kirişlerde meydana geldiği tespit edilir. Her bir birleşim bölgesinde kritik olarak bulunan kolon veya kirişlerde mafsal oluştuğu kabul edilerek, plastik

5 mafsal momenti dış yük olarak yerleştirilir. Her kat üstten itibaren tek tek ele alınarak, deprem yükünün katlara dağılımı ters üçgen kabul edilerek veya daha önce yapılan bir çözümde bulunan dağılım esas alınarak, kat kesme kuvvetlerinin kapasite değerleri bulunabilir. Burada, kolon eğilme momenti kapasitesine sadece düşey yüklerden oluşan normal kuvvetlerin etkili olduğu kabul edilmektedir. İncelenen bina için elde edilen sonuçlar Çizelge 2.de verilmiştir [2]. Çizelge 2: Kat kesme kuvveti kapasitelerinin yaklaşık değerleri Kat Boyuna doğrultusu Enine doğrultusu Σ M b,kolon (knm) Σ M b,kiriş (knm) V r (kn) Σ M b,kolon (knm) Σ M b,kiriş (knm) V r (kn) Zemin Yatay itme çözümlemesi Taşıyıcı sistemin her iki doğrultuda yatay itme analizi yapılarak toplam yatay yük ile karşı gelen en üst kat yatay yerdeğiştirme hesaplanmıştır. Elde edilen çözüm beklendiği gibi elastik ve pekleşen plastik davranış göstermektedir. Böyle bir davranışta, elastik davranışın sona erdiği ve pekleşen plastik davranışın başladığı nokta V ty yaklaşık olarak ve yatay yük taşıma kapasitesine erişildiği nokta V tu belirlenebilir. Her iki doğrultuda yapılan bu çözümleme sonuçları aşağıdaki gibi verilebilir [6]: SAP2000 den elde edilen boyuna ve enine doğrultuda doğrusal olmayan yatay itme çözümlemesi aşağıda özetlenmiş olup, bu sonuçlar Şekil 3.de ve STA4-CAD sonuçları Şekil 4.de verilmiştir [2, 3]. V ty (boyuna) = 3452kN (0.178W) En üst kat yerdeğiştirmesi = 94.4mm (% 0.117) V tu (boyuna) = 3899kN (0.197W) En üst kat yerdeğiştirmesi = 58.23mm (% 0.719) V ty (enine) = 3680kN (0.191W) En üst kat yerdeğiştirmesi = 10.80mm (% 0.133) V tu (enine) = 4595kN (0.227W) En üst kat yerdeğiştirmesi = 53.04mm (% 0.655) 4.8. Karşılaştırma Çizelge 3.de değişik çözümleme yöntemlerinden elde edilen taban kesme kuvvetleri bulunmuştur. Karşılaştırmada eşdeğer deprem yükü yöntemi ile mod birleştirme yönteme yönteminde deprem yükü azaltma katsayısı R a = 4 ve bina önem katsayısı I = 1 olarak kullanılmıştır. Zaman tanım alanında yapılan çözümde ise, böyle bir azaltma yapılmamıştır. Buna karşılık Çizelge 4.de verilen sonuçlar taşıyıcı sistemin elastik ötesi davranışını gözönüne alarak hesaplanmıştır. Bu çözümde bulunan yatay yük kapasitesinin donatısı iyi düzenlenmiş bir taşıyıcı sistemde alt sınır olarak görülmelidir. Özellikle Çizelge 4.de verilen değerlerden, beton kalitesinin homojen olduğu ve donatı

6 düzeninin yeterli olduğu durumunda yapının konut yapısı olarak bile deprem yönetmeliğinde öngörülen sınırda bir yatay yük kapasitesine sahip olmadığı görülmektedir. Çizelge 3: Değişik çözümleme yöntemlerine göre talep edilen taban kesme kuvveti Talep edilen taban kesme kuvveti / bina ağırlığı Eşdeğer deprem yükü Mod birleştirme Boyuna doğrultuda Enine doğrultuda Zaman tanım alanında çözüm Çizelge 4: Değişik çözümleme yöntemlerine göre karşılanabilecek taban kesme kuvveti Karşılanabilecek taban kesme kuvveti / bina ağırlığı Zemin kat kolonlarının güç tükenmesi Basitleştirilmiş yatay yük kapasitesi Yatay itme çözümü SAP2000 Yatay itme çözümü STA4-CAD Boyuna doğrultuda Enine doğrultuda BİNANIN DEPREM GÜVENLİĞİ Mevcut binaların deprem güvenliklerinin belirlenmesinde Deprem Yönetmeliği kurallarını gözönüne alınması, çoğu yapının güvensiz çıkmasına ve güçlendirme gereğinin doğmasına sebep olmaktadır. Buna karşılık binaların deprem güvenliğinin belirlenmesinde önemli konulardan biri, kat çökmesi şeklinde ağır hasar görerek can kaybına sebep olabilecek binaların depremden önce belirlenebilmesi ve bunlar için güçlendirme türünden tedbir alınmasıdır. Bu işlem, deprem yönetmeliğinde karşılanması öngörülen yüklerin azaltılarak gözönüne alınması şeklinde yapılabilir. Bu işlemde de önemli bir konu sözkonusu azaltma katsayısının belirlenmesidir. En az bunun kadar önemli olan diğer bir husus mevcut yapı için yapının sünekliğine bağlı olarak uygun bir deprem yükü azaltma katsayısının kullanılmasıdır. Yukarıda yapıldığı gibi, taşıyıcı sistemin doğrusal olmayan davranışının gözönüne alınarak yatay yük kapasitesinin bulunması da bir çözüm yöntemi olarak kabul edilebilir. Doğrusal davranışı da gözönüne aldığı için matematik çekiciliğe sahiptir. Ancak, burada da diğer yöntemlerde olduğu gibi beton kalitesinin homojen olarak dağılması ve yeterli donatı düzeni bulunması durumunda, etriyelerin oluşturacağı süneklik dolayısıyla taşıyıcı sistemde ek bir kapasitenin bulunduğu da unutulmamalıdır. 6. SONUÇ Çeltiksuyu Köyü nde yer alan Bingöl Yatılı İlköğretim Bölge Okulu nun taşıyıcı sistemi Bingöl 2003 depreminde önemli hasar görmüş ve yıkılmıştır. Yerinde yapılan incelemeler esas alınarak, okulun taşıyıcı sistemi Bingöl 2003 deprem kaydı ve Deprem Yönetmeliği nde verilen çözüm yöntemleri esas alınarak incelenmiştir. Yerinde yapılan

7 incelemeler ve yukarıda özetlenen açıklamalar çerçevesinde aşağıdaki sonuçların verilmesi uygun görülmüştür: a. Binada en önemli hasar donatı düzenindeki yetersizlik ve beton kalitesindeki olumsuz dağılım olarak görülmüştür. Okulun düzgün bir taşıyıcı sisteme sahip olmasına rağmen, taşıyıcı sistemdeki bu zayıflıklar sonucu ağır hasar meydana gelmiştir. Bu ve benzeri okulların bir kısmının 1998 den sonra inşa edildiği bildirilmiştir. Buna göre Deprem Yönetmeliği nde daha sıkı kuralar konularak yapılan değişikliğin proje ve imalat bakımından binaya olumlu bir etkisi olamamıştır. b. Mevcut binaların deprem güveliklerinin tespitinde Deprem Yönetmeliği kurallarının uygulanabilir şekle getirilmesi gerekir. Mevcut binaların deprem güvenliklerinin belirlenmesinde elastik ötesi davranışı gözönüne alan hesap yöntemlerinin kullanılmasında seçici olunmalıdır. Bu yöntemlerde daha çok sayıda kabul yapıldığı ve genellikle düzenli eksenlere sahip olan sistemlerde kolay yorumlanır sonuçlar verildiği unutulmamalıdır. c. Elastik veya elastik ötesi davranışa dayanan hesap yöntemlerinin kullanılmasında taşıyıcı sistemde önemli yerel beton zayıflıklarının ve donatı düzeninde önemli sistematik hataların bulunmaması gerekir. İncelenen sistemde bütün dış kolonların kirişle birleşim yerlerinde etriye mevcut değildir. Bu durumda bu bölgelerin plastik mafsal gibi değil, basit mafsal gibi çalışacağı ve karmaşık hesap yöntemlerinin güvenirliğinin olmayacağı unutulmamalıdır. d. Günümüzde mevcut binaların deprem güveliklerinin incelenmesi ve güçlendirilmesi önemine dayanılarak tartışılmaktadır. Ancak, incelenen okul binasında da olduğu gibi, pek çok bina günümüzde daha önceki alışkınlıkların devamı olarak inşa edilmektedir. Bunların proje ve uygulamalarının yeterli seviyede yapılmasının uzun vadede içinde bulunduğumuz sorunların büyük bir kısmını çözeceği unutulmamalıdır. Yazar; Y.Müh. Serdar Amasralı ya STAD4-CAD program sonuçlarının elde edilmesindeki yardımları ve basitleştirilmiş yatay yük taşıma kapasitesi açıklaması için teşekkür eder. Kaynaklar 1. Sağlamer, A., 1 Mayıs 2003 Bingöl Depremi Mühendislik Raporu, İstanbul Teknik Üniversitesi, Yapı ve Deprem Uygulama Araştırma Merkezi, İTÜ Press, SAP 2000 Three Dimensional Static and Dynamic Finite Element Analysis and Design of Structures, Computers and Structures Inc STA4-CAD V11 Çok Katlı Betonarme Yapıların Analiz ve Tasarımı, STA Bilgisayar Mühendislik ve Müşavirlik Ltd. Şti Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik, İmar ve İskan Bakanlığı (1968).

8 5. Celep, Z., Kumbasar, N., Deprem Mühendisliğine Giriş ve Depreme Dayanıklı Yapı Tasarımı, Beta Dağıtım, ATC 40, Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings, Applied Technology Council, Redwood City, California, F F A B C D E D C A Şekil 1.a. Okul binasının kalıp planı F F E D D C C B A A Şekil 1.b. Okul binasının temel planı

9 Şekil 2.a. Okul binasında deprem hasarı Şekil 2.b. Okul binasının bir kiriş-kolon birleşim bölgesinde betonun dağılması

10 Şekil 2.c. Okul binasının bir dış kiriş-kolon birleşim bölgesinde etriyesiz bölge Vt/W (mm) Şekil 3a. Boyuna doğrultuda itme yükü ile yatay yerdeğiştirme değişimi (SAP2000)

11 Vt/W (mm) Şekil 3b.Enine doğrultuda itme yükü ile yatay yerdeğiştirme değişimi (SAP2000) Vt/W (mm) Şekil 4.a Boyuna doğrultuda itme yükü ile yatay yerdeğiştirme değişimi (STA4-CAD) Vt/W (mm) Şekil 4.b. Enine doğrultuda itme yükü ile yatay yerdeğiştirme değişimi (STA4-CAD)