Deprem Yönetmeliklerinde Verilen Zemin Sınıflarına Göre Yapı Davranışlarının Karşılaştırılmalı Olarak İncelenmesi

Transkript

1 ES00 Uluslararası Yapı ve Deprem Mühendisliği Sempozyumu, Ekim 00, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, nkara, Türkiye Deprem Yönetmeliklerinde Verilen Zemin Sınıflarına Göre Yapı Davranışlarının Karşılaştırılmalı Olarak İncelenmesi R. Livaoğlu. Doğangün Karadeniz Teknik Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği ölümü, Trabzon 080, Türkiye ÖZET: Türk Deprem Yönetmeliği ve Eurocode-8 (E-8) de tanımlanan zemin sınıfları ve bunlara ilişkin parametrelerin yapı davranışını ne şekilde ve hangi oranlarda etkilediğini incelemek amacıyla bu çalışma gerçekleştirilmiştir. u amaçla Deprem Yönetmeliğinde ve E-8 de verilen zemin sınıfları dikkate alınarak farklı özelliklere sahip seçilen yapıların deprem davranışları incelenmektedir. Yapıların seçiminde farklı doğal titreşim periyotları elde edebilmek için farklı plana ve farklı kat yüksekliğine sahip toplam farklı yapı seçilmiştir. Seçilen yapıların modellemesinde Sonlu Elemanlar Yöntemi ve depreme göre hesabında Mod irleştirme Yöntemi kullanılmaktadır. Yapılar için farklı zemin sınıfları dikkate alınarak gerçekleştirilen deprem hesaplarından elde edilen sonuçlar karşılaştırmalı olarak irdelenmektedir. nahtar Kelimeler: Yapıların deprem davranışları, zemin sınıflarının etkisi, Türk Deprem Yönetmeliği, Eurocode-8. STRT: The purpose of this study to investigate effects of local site classes and its parameters given in the Turkish Specification for Structures to be uilt in Disaster reas and Eurocode-8 on the dynamic behavior of structures. For this purpose earthquake behavior of six structures which have different characteristics are investigated using local site classes defined in the two earthquake codes. The structures have three different planes and two different storeys (six and twelve). Finite Element Method is used for model of structures. Mode-Superposition Method is used for the seismic analysis of structures. t the end of this study conclusions drawn from this study are given. Giriş Kısaca Deprem Yönetmeliği [YYHY., 998] olarak da adlandırılan ve Ocak 998 de yürürlüğe giren "fet ölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik" de dört sınıf zemin tanımlanmakta ve bunlara ilişkin olarak spektrum karakteristik periyotları verilmektedir. enzer şekilde Eurocode-8 [E-8., 998] de ise farklı zemin sınıfı tanımlanmakta ve bunlarla ilgili spektrum karakteristik periyotları ve diğer birçok parametre verilmektedir. 9

2 Ülkemizin deprem kuşağında bulunması nedeniyle zaman zaman büyük depremler meydana gelmekte ve bu depremlerde çok sayıda yapı hasar görmekte ya da yıkılmaktadır. Depremlerden sonra bu bölgelerdeki yapılar üzerinde gerçekleştirilen gözlemler, bu durumun oluşmasında zeminin de önemli derecede etkisinin olduğunu ortaya koymaktadır. Özellikle 7 ğustos 999 Kocaeli Depreminden sonra yapıların hasar görme yada yıkılma sebepleri arasında zeminin etkisi ön plana çıkmıştır. Hatta, bazen bunda aşırıya gidilerek deprem kayıplarına depreme dayanıksız yapıların neden olduğu unutularak, tüm dikkat yapıyı fazla ilgilendirmeyen zemin özelliklerine bile yönlendirilmiştir. Oysa, zeminin ne ölçüde yapıların deprem davranışlarını etkiledikleri ortaya konmalı ve yapıların deprem davranışları bu şekilde irdelenmelidir. u nedenle, Türk Deprem Yönetmeliği ve Eurocode-8 (E-8, 998) de tanımlanan zemin sınıfları ve bunlara ilişkin parametrelerin yapıların davranışlarını ne şekilde ve hangi oranlarda etkilediğini incelemek amacıyla bu çalışma gerçekleştirilmiştir. Çalışmaya Konu Olan Yapılara it Veriler İki farklı kat sayısına ( ve katlı) sahip toplam altı yapı dikkate alınmaktadır. u yapıları tanımlamak için kat sayısının yanında kısaltıcı semboller kullanılmaktadır. u sembollerden S planda simetrik yapıyı, DS bir doğrultuda simetrik yapıyı, SO ise simetrik olmayan yapıyı temsil etmektedir. ütün yapılarda döşeme cm kalınlığa, kirişler ise x0 cm boyutlara sahiptir. Sözkonusu altı katlı simetrik yapının (S) zemin kat planı Şekil de görülmektedir. ltı katlı diğer yapılardan DS için Şekil deki planda - ve - arasına yerleştirilen düşey taşıyıcı eleman - ve - arasına çevrilmiştir. SO için ise Şekil deki sadece - arasına yerleştirilen düşey taşıyıcı eleman - arasına çevrilmiştir. ltı katlı yapılarda kolon boyutları. katta değiştirilerek, ilk üç katta 90x90 cm olan S kolonu boyutları, 70x70cm ye, 0x0 cm olan S kolonu boyutları ise 0x0 cm ye küçültülmüştür.,00 m,00 m S S S S,00,7,00,00 m,00 m S S S S S S S S S S S S,00 m,0 m,0 m,7 m,0 m,0 m,00 m D E F Şekil. Toplam ltı lı Simetrik Yapının (S) Zemin Planı Çalışmaya konu olan oniki katlı simetrik yapının (S) zemin kat planı Şekil de görülmektedir. Daha önce katlı yapılara benzer şekilde düşey taşıyıcı elemanların konumları değiştirilerek diğer DS ve SO yapıları elde edilmiştir. u yapılarda kolon boyutları. katta değiştirilerek, ilk dört katta 90x90 cm olan S kolonu boyutları, 9

3 -8 katlarında 70x70 cm, son dört katta ise 0x0 cm ye küçültülmüştür. enzer olarak ilk dört katta 0x90 cm olan S kolonu boyutları; -8 katlarında 0x70 cm ye, son dört katta ise 0x0 cm ye küçültülmüştür.,00 m,00 m,00 m,7 m,00 m,00 m,00 S m S S S S S S S S S S S,00 m,0 m,0 m,7 m,0 m,0 m,00 m D E F Şekil. Toplam Oniki lı Simetrik Yapının (S) Zemin Planı Zemin Sınıflarına Göre İvme Spektrumları Türk Deprem Yönetmeliğinde T, ve T yerel zemin sınıflarına bağlı olarak verilen karakteristik periyotları Çizelge de sunulmaktadır. u çizelgede adı geçen zemin gruplarına ilişkin bilgiler Deprem Yönetmeliğinde verilmektedir (YYHY, 998). Yapı periyoduna (T) ve zemin karakteristik periyotlarına bağlı olarak spektrum katsayıları [S(T)] Çizelge yardımıyla belirlenebilir. Çizelge. Zemin Sınıfına ağlı Karakteristik Periyotlar Yerel Zemin Sınıfı T (s) T (s) () grubu zeminler h m olan () grubu zeminler h > m olan () grubu zeminler h m olan () grubu zeminler m < h 0 m olan () grubu zeminler h 0 m olan (D) grubu zeminler h > 0 m olan () grubu zeminler h > 0 m olan (D) grubu zeminler 0,0 0,0 0, 0,0 0, 0,0 0,0 0,90 Çizelge. Spektrum sayısı Periyot ralığı S (T) 0 T T +,T/ T T T T, T>T,(T / T 0,8 ) E8 de tanımlanan üç sınıf zemin ve bunların özelliklerine ilişkin bilgiler Çizelge de verilmektedir 97

4 Çizelge. Eurocode 8 de tanımlanan zemin sınıfları Zemin Sınıfı çıklama Yüzeyde en az m zayıf malzeme içeren ve kayma dalgası hızı en az V s >800 m/s olan kaya ya da diğer jeolojik formasyon Mekanik özellikleri derinlikle artan ve 0 m deki kayma dalgası hızı V s 00 m/s olan onlarca metre kalınlığında sert kum katmanları, çakıl ya da aşırı konsolide kil 0 m de kayma dalgası hızının V s 00 m/s, 0 m de V s 0 m/s olduğu ve kalınlığı yüzlerce metreye ulaşan orta sıkı kum katmanları, çakıl, orta katı killer İçerisinde yumuşak kohezyonlu tabakalar bulunan/bulunmayan, en üst 0 m de V s < 00 m/s olan gevşek kohezyonsuz zemin katmanları En üst 0 m de V s < 00 m/s olan yumuşaktan orta katı kohezyonlu zeminin hakim olduğu katmanlar Spektrumların belirlenmesinde kullanılacak olan ve Çizelge de tanımlanan zemin sınıflarına göre Eurocode-8 de verilen değerler Çizelge de sunulmaktadır. u çizelgede T ve T, ilgili zemin sınıfına ait karakteristik periyotları, T D spektrumun lineer özellik göstermeye başladığı periyodu, S zemin parametresini, k, k, k d ve k d belirli aralıklar için şekil katsayılarını, b 0 ise % sönüm için spektral ivme yükseltme katsayısını göstermektedir. Çizelge. Eurocode-8 deki spektrumların belirlenmesi için verilen sayılar Zemin Sınıfı S β 0 k k T (s) T (s) T D (s) k d k d,0,,0,0 0,0 0,0,0 / /,0,,0,0 0, 0,0,0 / / 0,9,,0,0 0,0 0,80,0 / / u katsayılar dikkate alınarak Türk Deprem Yönetmeliğinde tanımlanan spektrum katsayısına tam karşılık gelmeyen elastik spektrum değerleri S e (T) ve Deprem Yönetmeliğindeki S pa (T) ye karşılık gelen tasarım spektrum değerleri Çizelge yardımıyla belirlenebilir. u çizelgede, a g deprem bölgelerine göre değişen hesap yer ivmesini, η ise sönüm oranına bağlı düzelteme değerini (% sönüm için η=), α=a g /g katsayısını, q yapı süneklik ve düzensizliğine bağlı olarak tanımlanan azaltma katsayısını göstermektedir. Çizelge. E-8 e Göre Elastik ve Tasarım Spektrumlarının elirlenmesi Periyot ralığı Elastik Spektrum Değeri S e (T) Tasarım Spektrum Değeri S pa (T) 0 T T as + ( ηβ ) g T T T T T asηβ g o T T T D T T D a g S a g S 0 T β 0 α S + T q β α S 0 q k k T β T d 0 η β0 α S 0, 0α T q T k k kd kd T TD β T 0 TD ηβ 0 T D T α S 0, 0α q T D T Yukarıda yapılan açıklamalar dikkate alınarak Türk Deprem Yönetmeliğine göre spektrum katsayılarının zemin sınıfına ve yapı periyoduna bağlı olarak değişimleri Şekil 98

5 a da, E-8 de spektrum katsayısından biraz farklı olarak tanımlanan elastik spektrumun zemin sınıfına ve yapı periyoduna bağlı değişimi ise Şekil b de görülmektedir.,0, S(T) S e (T),0 0,0 9,0 Elastik İvme sayısı,0,,0 Elastik İvme sayısı 8,0 7,0,0,0,0,0 0, 0,0 0,0 0,,0,,0,,0,,0 Periyot (s) Şekil. Deprem Yönetmeliğindeki Spektrum sayısının ve E-8 deki Elastik Spektrumun Zemin Sınıfına ve Periyoda Göre değişimi Çalışmaya konu olan süneklik düzeyi normal, çerçeve-perde taşıyıcı sisteme sahip ve planda düzensizliğin bulunduğu (Livaoğlu, 00) yapılar için söz konusu iki yönetmeliğe göre belirlenen ivme spektrum değerleri belirlenerek Şekil de verilmektedir.,0 S pa (T) m/sn, (a),0,0 0,0 0,0 0,,0,,0,,0,,0 Periyot (s) (b) İvme Spektrumu m/sn,0,,0,,0 0, 0,0 0,0 0,,0,,0,,0,,0 Periyot (s) Şekil. Türk Deprem Yönetmeliği ve E-8 Göre İvme Spektrumları Yapıların Modellenmesi ve Yapısal Çözümlemesi Yapıların modellenmesinde Sonlu Elemanlar Yöntemi kullanılmıştır. Yapısal çözümlemeler ise SP000 [SP00-997] paket programı ile gerçekleştirilmiştir. Çalışmaya konu olan farklı yapının temelde bulunan noktalarına ait bütün serbestlikler tutulmuş, diğer noktalara ait serbestlikler ise kısıtlanmayıp serbest bırakılmıştır. Diğer taraftan her kat, kendi içerisinde rijit diyafram olarak çalışacak şekilde modellenmiştir. 99

6 Yapıların Mod irleştirme Yöntemi ile deprem hesabında, altı katlı yapıların ilk 0 modu, oniki katlı yapıların ise ilk 0 modu dikkate alınmaktadır. Malzeme 0-S0 dir. ütün yapıların yapılan çözümlemelerden elde edilen ilk 0 mod için titreşim periyotları sırasıyla Çizelge de verilmektedir. Çizelge.Yapıların İlk 0 Mod İçin Titreşim Periyotları Periyot S DS SO S DS SO T 0, 0,8 0, 0,88 0,897,0 T 0, 0, 0, 0,7 0,88 0,79 T 0,8 0,77 0,9 0, 0, 0, T 0, 0, 0,7 0,0 0,7 0,8 T 0, 0,0 0,8 0, 0,9 0,9 T 0,09 0, 0, 0,8 0,8 0,8 T 7 0,0 0,07 0,09 0,7 0, 0,7 T 8 0,0 0,0 0,08 0,099 0, 0, T 9 0,0 0,0 0,0 0,09 0,09 0,0 T 0 0,00 0,0 0,0 0,09 0,08 0,09 Çalışmaya konu olan yapıların her iki yönetmelikte tanımlanan toplam 7 farklı zemin sınıfı dikkate alınarak deprem hesabı gerçekleştirilmiştir. Yapıların kolonunda hesaplanan kesme kuvvetinin zemin sınıfına ve bulunduğu kat numarasına göre değişimleri; katlı yapı için Şekil de, katlı yapı için ise Şekil da görülmektedir. KT KT Kesme KESME Kuvveti KUVVETİ (kn) (kn) Kesme KESME Kuvveti KUVVETİ (kn) Kesme KESME Kuvveti KUVVETİ (kn) (kn) (a) S Yapı (b) DS Yapı (c) SO Yapı Şekil. Toplam lı Yapılar İçin Kolonunda Oluşan Kesme Kuvvetinin Yükseklik oyunca Değişimi KT 00

7 KT KT KT Şekil. Toplam lı Yapılar İçin Kolonunda Oluşan Kesme Kuvvetinin Yükseklik oyunca Değişimi Son iki şekilde yapılan karşılaştırmalar yapılardaki diğer kolonlar için de yapılmış zemin sınıfına göre değişimin benzer olduğu görülmüş olup sayfa sınırlaması nedeniyle burada verilmemiştir. Sonuçlar KESME KUVVETİ Kesme Kuvveti (kn) KESME KUVVETİ (kn) Kesme Kuvveti (kn) Kesme KESME Kuvveti KUVVETİ (kn) (a) S Yapı (b) DS Yapı (c) SO Yapı. Kısa periyotlu yapılar (T< 0,9 s) için E8 den elde edilen ivme spektrumu değerleri Türk Deprem Yönetmeliğinden elde edilen değerlere göre daha büyük olmaktadır.. Toplam katlı yapıları için sınıfı zemin dikkate alınarak elde edilen kesme kuvvetleri, diğer tüm zemin sınıfları için elde edilen kesme kuvvetlerinden daha büyüktür. Daha kısa periyoda sahip katlı yapılarda ise sınıfı zemin dikkate alınarak elde edilen kesme kuvveti değerleri diğer zemin sınıflarından elde edilen kesme kuvvetlerinden daha büyük değerlerler vermektedir. u sebeple periyot uzadıkça E 8 de daha büyük ivme tepkileri elde edildiğinden, uzun periyotlu yapılarda meydana gelen kolon kesme kuvvetleri artmaktadır. 0

8 . Tanımı itibari ile Deprem Yönetmeliğindeki sınıfı zeminle, E8 de tanımlanan sınıfı zemin daha yakın gözükse de sınıfı zemin için elde edilen kesme kuvveti değerleri sınıfı için elde edilen kesme kuvveti değerlerine daha yakındır. ve türü zeminler için göre yapılan dinamik analizlerden elde edilen değerler türü zemin için elde edilen değerlerden sırasıyla %7 ve % daha büyüktür. u oranın daha uzun periyotlu yapılar için daha da artabileceği söylenebilir.. Kısa periyotlu sistemler için türü zeminlerin türü zeminlere göre daha büyük sonuçlar verdiği görülmektedir. Çalışmaya konu olan kısa periyotlu yapılarda ( katlı) ise türü zemin için elde edilen sonuçlar türü zeminlerden % daha büyüktür. u oranın daha kısa periyotlu yapılar için daha da artabileceği söylenebilir.. Tanımı itibariyle birbirine yakın olan Deprem Yönetmeliğinde belirtilen ve sınıfı zeminler ile E-8 deki sınıfı zemin için yapılan çözümlemelerden elde edilen sonuçlar karşılaştırıldığında ise sınıfı zemin için elde edilen kesme kuvvetlerinin kısa periyotlu sistemler için %, için % oranında daha büyük sonuçlar vermektedir.. Çalışmaya konu olan yapıların Deprem Yönetmeliğinde tanımlanan ile sınıfı zeminler dikkate alınarak gerçekleştirilen deprem hesaplarına göre kesme kuvvetlerinin en az %8 en fazla ise %9 oranında değiştirmektedir. undan da zeminin kesit etkilerini %00 lere varan oranlarda artırabileceği yada azaltabileceği gözükmektedir. enzer şekilde E 8 için tanımlanan farklı zemin türü karşılaştırıldığında ise iç kuvvet değişimlerinin kısa periyotlu sistemlerde türü zeminle türü zemin arasında en az % değiştiği en fazla ise % değiştiği. Uzun periyotlu sistemlerde ise türü zemin ile türü zemin arasında en az %, en fazla ise % oranında değiştiği görülmektedir. Deprem Yönetmeliğine göre zemin gruplarının tanımlanabilmesi için standart penetrasyon, rölatif sıkılı, serbest basınç direnci ve kayma dalgası hızı etkili olmaktadır. u zemin gruplarına ve en üst tabaka kalınlığına bağlı olarak da zemin sınıfları tanımlanmaktadır. Diğer taraftan zeminin de sonlu elemanlar modelinde dikkate alınmak istenmesi durumunda, zeminin elastisite modülü, poisson oranı, birim ağırlığı, sönüm oranı parametrelerine gerek duyulmaktadır. Dolayısıyla yapının yıkılma sebebini zemin olarak gösterebilmek için zeminle ilgili bu özelliklerin bilinip yapının gerçekleştirilecek deprem hesabı sonucunda belirlenen kesit etkilerinin zeminden dolayı artarak elemanların kırılmasına sebep olduğunun gösterilmesi gerekmektedir. Referanslar YYHY., 998, fet ölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik, İMO İzmir Şubesi Yayını, No:. SP000, Integrated Finite Element nalysis and Design of Structures, omputers and Structures Inc., erkeley, alifornia, US, 997. E-8., 998, Design Provisions for Earthquake Resistance of Structure, Eurocode-8, European ommittee for Standardization. Livaoğlu, R., 00, Yapıların Deprem Hesabında urulma Düzensizliğinin ve Hesap Yöntemlerinin Etkinliğinin İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, KTÜ,Fen ilimleri Enstitüsü, Trabzon. 0