ASMOLEN BİNALARIN DEPREME KARŞI TASARIMININ İRDELENMESİ. İYTE İnşaat Mühendisliği Bölümü Asst. Prof. Dr. Cemalettin DÖNMEZ

Transkript

1 ASMOLEN BİNALARIN DEPREME KARŞI TASARIMININ İRDELENMESİ İYTE İnşaat Mühendisliği Bölümü Asst. Prof. Dr. Cemalettin DÖNMEZ

2 CD, İYTE 2

3 Deprem Raporlarında Asmolen Yapılar Ulaşabilen en eski kayıtlar 1967 Adapazarı depremine uzanmaktadır. Uğur Ersoy, Betonarme Kitabından CD, İYTE 3

4 1967 ile 1992 arası deprem raporlarında asmolen binalar ile ilgili bir bilgiye ulaşılamamıştır Pülümür 1970 Gediz 1975 Lice 1983 Erzincan-Kars CD, İYTE 4

5 1992 Erzincan depreminde sosyal sigortalar hastanesinin asmolen olan ek binalarının yıkıldığı rapor edilmiştir. EERI Erzincan Özel Raporu, 1993 CD, İYTE 5

6 1998 Adana-Ceyhan depreminde Ceyhan daki yapıların tipik olarak asmolen döşemeli olduğu rapor edilmiştir. ODTÜ Ceyhan-Misis Deprem Raporu, 1998 CD, İYTE 6

7 1999 İzmit depreminde asmolen bina göçmeleri rapor edilmiştir. Bazı örneklerde bu yapıların düşey elemanların yatay elemanlara göre zayıflığı sebebiyle de göçtüğü belirtilmiştir. Saatçioğlu ve diğerleri, Canadian Journal of Civil Eng., 2001 CD, İYTE 7

8 1999 İzmit depremi raporlarında genel olarak betonarme yapıların depreme karşı dayanıklılık gerekliliklerini sağlamadıkları belirtilmiştir. Saatçioğlu ve diğerleri, Canadian Journal of Civil Eng., 2001 CD, İYTE 8

9 2012 Van-Erciş depreminde de asmolen binalarda oluşan hasarlar rapor edilmiştir. CD, İYTE 9

10 2012 Van-Erciş depremi CD, İYTE 10

11 Sözü geçen raporların hiç birinde asmolen yapılar kendi özellerinde değerlendirilmeyip, betonarme ana grubu içerisinde kategorize edilmiştir. Ne yazık ki 1967 den 2012 ye betonarme yapılarda rapor edilen göçme sebeleri değişmeyen şu ana başlıklara sahiptir: Yapısal sistemin yerleşimine bağlı burulma, yumuşak ve zayıf kat sorunları Diğer yapısal düzensizlikler Yeri, miktarı ve detayı yetersiz enine donatı Genel olarak donatı detaylarındaki yetersizlikler Yetersiz işçilik Daha eski depremlerde ağırlıklı malzeme dayanımındaki yetersizlikler CD, İYTE 11

12 Van depreminde asmolen binalarda gözlenen hasarlar göçme mekanizması itibari ile ilgi çekmiştir. CD, İYTE 12

13 Deprem Şartnamelerinde Asmolen Yapılar Bu noktada Türkiye Deprem Şartnamelerindeki asmolen yapılar ile ilgili gerekliliklerin değişimini irdelemek faydalı olacaktır. Adapazarı depreminden sonra deprem riski yüksek bölgelerde asmolen bina yapımı yasaklanmıştır şartnamesi ile belirli yüksekliklerin üstünde deprem perdesi kullanımı şartıyla tekrar izin verilmiştir. CD, İYTE 13

14 1997 şartnamesi ile birlikte asmolen binaların süneklik düzeyi yüksek çerçeveler olarak tasarlanması kaydı ile perde duvar şartı kaldırılmıştır. Mevcut şartnamede standart betonarme çerçeveler için tanımlanan süneklik düzeyi şartları haricinde doğrudan asmolen binaları etkileyen iki şart vardır: CD, İYTE 14

15 Diğer taraftan asmolen yapılar doğal geometrileri gereği çok zorlanmadan kuvvetli-kolon zayıf-kiriş şartını sağlarlar. CD, İYTE 15

16 Asmolen yapıların popüler olmasını sağlayan kuvvetli hususlar vardır: Döşeme altında kiriş dişleri görünmediğinden duvar yerleşimlerini özgür bırakan bu sistem mimarlar açısından tercih sebebidir. Döşeme kalıbı düşünüldüğünde kiriş dişlerinin bulunmaması imalat açısından daha hesaplı bir sisteme işaret etmektedir. Tasarım mühendisi açısından düşük rijitliği sayesinde görece ufak yanal yüklerle tasarlanabilmesi ve doğal olarak kuvvetli-kolon zayıf-kiriş şartını sağlayabilmesi bir cazibe sebebi olmaktadır. CD, İYTE 16

17 Ne yazık ki tasarım mühendisinin asmolen çerçeveleri tercih sebebi kuvvet tabanlı tasarım alışkanlığı kaynaklı olası bir yanılsama taşımaktadır. CD, İYTE 17

18 Eşdeğer deprem yükü ile tasarım yapıldığında tasarıma esas olan varsayımlar: Dinamik yükler altında yapı temel olarak 1. modunda tepki verir, Birinci mod tepkisini bozan ve taleplerin belirli bölgelere yogunlaşmasına sebep olan düzensizlikler kontrol altındadır, Yapının tasarımı azaltılmış yükler altında elastik sistem kabülü ile yapılmış analizler üzerinden gerçekleşebilir. CD, İYTE 18

19 Tasarım esas olarak ivme spektrumu üzerinden yapılır ve ötelenme kontrolü azaltılmamış yükler altında elastik analiz ile kat arası ötelenme oranı vasıtasıyla sağlanır. Yapıda kontrollü hasar (süneklik) sonucu oluşan ötelenme talepleri yapının kapasitesinin altındadır. CD, İYTE 19

20 İvme a a a b İvme ve ötelenme spektrumları göz önüne alındığında uzun periyotlu sistemlerin ötelenme taleplerinin büyüdüğü görülür. T a T b Periyot Ötelenme Δ b Δ a T B T a T b Periyot CD, İYTE 20

21 Asmolen yapılarda yatık kirişler sebebiyle sistem rijitliği dramatik bir biçimde düşebilir ve bu düşüşe paralel olarak yüksek ötelenme talepleri oluşabilir. Uygulamada rijitlikteki düşmenin (veya periyottaki uzama) mertebesini incelemek olası sorunun ciddiyeti hakkında bilgi sağlayacaktır. CD, İYTE 21

22 Uygulamada Asmolen Yapılar 2007 sonrası İzmir de tasarlanmış bir grup asmolen yapının incelenmesi sonucu aşağıdaki değerlere ulaşılmıştır Yapı No Yükseklik (m) Kat Sayısı Zemin Tipi,T B (s) T elastik (s) Z3 (0.6) Z2 (0.4) Z2 (0.4) Z2 (0.4) Z2 (0.4) Z2 (0.4) Z3 (0.6) CD, İYTE 22

23 Söz konusu yapıların: Nominal malzeme dayanımları f c : 30MPa, f y : 420MPa, Kat alanları 220 ila 520 m 2, Temelleri mütemadi veya radye, Kolon açıklıkları 2.0 ila 7.5 m, Kirişlerin büyük kısmı 50x32 cm olmakla beraber 60x32 ve 70x32 kirişlerde mevcut, Yapılar sadece yatık kirişlerden değil aynı zamanda dik kirişlere de sahip ve bu kirişler tipik olarak 25x50 cm boyutlarında, Zemin katın üst katların yüksekliğine oranı 1.1 ila 1.4 arasında değişmekte Tipik kolon yüksekliği 3.0 m Tipik kolon boyutları 25x50 veya 60 cm ila 30x60 veya 70 cm Tipik perde duvar kalınlıkları 25 cm CD, İYTE 23

24 Yapı 2: 4 katlı, T: 0.7 s CD, İYTE 24

25 Yapı 3: 4 katlı, T: 1.2 s CD, İYTE 25

26 Yapı 4: 4 katlı, T: 0.8 s CD, İYTE 26

27 Yapı 6: 5 katlı, T: 1.4 s CD, İYTE 27

28 Yakut (2008) yaptığı bir çalışmada bir grup 2007 öncesi betonarme bina için bina yükseklik 3 ile yapı periyodu arasındaki ilişkiyi incelemiş ve ana eğilim T = 0 H N olarak 1997 şartnamesinde tanımlanmış olan periyot formülünün uygunluğunu ortaya koymuştur. 4 Bu çalışmada ele alınan sınırlı sayıdaki asmolen yapının yükseklik periyot ilişkisi Yakut un verileri ile beraber ele alındığında incelenen asmolen binaların Yakut un normal çerçeveli binalarından ortalamada kabaca %40 daha yüksek periyotlara sahip olduğu gözlemlenmiştir. CD, İYTE 28

29 Yakut'un Verisi Bu çalışma Bu çalışmanın dolgu duvar etkisi gözetilmiş hali Bu çalışmaya uygun doğrusal ilişki Yakut'un Verisine Uygun Doğrusal İlişki y = x Period (s) y = x Height (m) CD, İYTE 29

30 İncelenen asmolen yapıların TDY-2007 ye göre tasarım depremi ötelenme talepleri Yapı No Kat Sayısı Zemin Tipi,T B (s) T (s) T çatlamış TDY-2007 (s) En Yüksek Kat Arası Öteleme (%) TDY-2007 Metodu 1 3 Z3 (0.6) Z2 (0.4) Z2 (0.4) Z2 (0.4) Z2 (0.4) Z2 (0.4) Z3 (0.6) CD, İYTE 30

31 Yapıların doğrusallık dışına çıkmaları durumundaki ötelenme taleplerini belirlemek için çeşitli yöntemler tanımlanmıştır TDY inde tanımlı yöntem aslen Amerikan ATC-40 da (1996) tanımlı Kapasite Spektrumu yönteminin bir varyasyonudur. FEMA-274 (1997) ve FEMA-440 (2005) raporlarında tasarım mühendisine hedef ötelenmelerin %150 sine kadar yapının güvenli davrandığının incelemesi önerilir. CD, İYTE 31

32 %100 Dağılım etkisini kontrol edebilmek amacıyla güvenli değer %150 Ortalama değer CD, İYTE 32

33 Yatık Kiriş-Kolon Sisteminin Davranışı Yatık kirişlerin döngüsel yükler altındaki davranışının incelenmesi Türkiye de yapılan uygulamalarda başka sorunlara işaret etmektedir. CD, İYTE 33

34 Düşük rijitlikleri ve sınırlı donatı aderans bölgeleri sebebi ile yatık kirişlerin döngüsel yükler altındaki davranışları hakkında literatürdeki çalışmalar üç kritik konu tanımlamıştır: 1. Düğüm noktasında bağlanan elemanların geometrisi ve bağlantı detayları, 2. Kolon dışında kalan kiriş eğilme donatılarının aderansı, 3. Kiriş ve kolonun eğilme donatılarında oluşan sıyrılma, CD, İYTE 34

35 İlk iki madde ile ilgili olarak bazı araştırmacılar (Benavent-Climent ve diğ. 2010, Gentry ve Wight 1994 ve Lafave 2001) düğüm noktalarında yatık kiriş moment direncinin birbiri ile bağlantılı üç değişkene/mekanizmaya bağlı olduğunu ortaya koymuşlardır. CD, İYTE 35

36 Yatık kirişe dik olarak kolona bağlanan kirişlerin burulma dayanımı CD, İYTE 36

37 Kolon çeğirdeğine bağlanan eğilme donatılarının oranı, CD, İYTE 37

38 Kolon yakınında oluşan basınç çubuğu mekanizması, CD, İYTE 38

39 Kolon yakınında oluşan basınç çubuğu mekanizması, CD, İYTE 39

40 Araştırmalar: Kolon çekirdeği dışındaki eğilme donatılarının işleyebilmesi için kolona dik bağlanan kirişlerin yeterli burulma kapasitesine sahip olması gerektiğini, Tasarımda hem kapasite hem rijitlik önemli ise dik kirişlerin burulma çatlama kapasitesinin eğilme donatılarının kapasitesinden büyük olmasını, Sadece kapasite önemli ise burulma donatısı ile sağlanan kapasitenin aktif olarak kullanılabileceğini, göstermiştir. CD, İYTE 40

41 ACI (2002) kolon ve kiriş donatılarında sıyrılmaya engel olunabilmesi için eleman derinliklerinin en az 20Φ donatı olması gerektiğini belirtir. 32 cm lik bir döşemede bu şartı sağlayabilmek için gerekli maksimum donatı çapı 32/20 = 1.6 cm dir. CD, İYTE 41

42 ACI yatık kiriş eni ve kolon çekirdeğinden geçmeyen eğilme donatıları ile ilgili olarak yeni şartlar getirmiştir. CD, İYTE 42

43 Kiriş ve kolon geometrisine, kirişin ve kolon eğilme donatılarının yeterli adreans yapabilmesine ve dik kirişlerin yeterli burulma kapasitesine sahip olmasına dikkat edilmesi durumunda yatık kirişler yüksek ötelenme kapasiteleri sağlayabilmektedir CD, İYTE 43

44 Yatık kirişler ile yapılan bütün araştırmalarda kirişler kolona eşmerkezli olarak bağlanmıştır. Yatık kirişlerin dışmerkezli bağlantıları hakkında mevcut bir çalışma yoktur. ACI yüksek deprem riski olan bölgelerde dışmerkezli kiriş-kolon bağlantısı tavsiye etmemektedir. CD, İYTE 44

45 Bir firmanın web sayfasında bulunan imalat örneği CD, İYTE 45

46 ÜLKEMİZDE UYGULAMADA MEVCUT BİRÇOK YATIK KİRİŞ KOLON BAĞLANTISININ DÖNME KAPASİTELERİ HAKKINDA BÜYÜK SORU İŞARETLERİ VARDIR. CD, İYTE 46

47 Örnek Bir Asmolen Bina Yatık kiriş boyutlandırma ve detaylandırması hakkındaki bütün kaygıları bir kenara bırakıp bu tip sorunları olmayan düzgün bir çerçeveyi göz önüne alalım. CD, İYTE 47

48 750x750 mm kolonlar, 600x320 mm kirişler, 120x320 mm döşeme dişleri, 70 mm döşeme kalınlığı, Her katta eşit 3.0 m kat yüksekliği, 6 kat, Z3, T B = 0.6 s, 30MPa beton, 420MPa çelik, CD, İYTE 48

49 Örnek yapı TDY ve 3. kısımlara göre sünek çerçeve şartlarını taşıyacak şekilde tasarlanmıştır deki ( δ ) i max 0.02 h i şartını sağlamaktadır. Bina Yüksekliği (m) Kat Sayısı Zemin Tipi [T B, (s)] T (s) T çatlamış TDY-2007 (s) En Yüksek Kat Arası Öteleme (%) TDY-2007 Metodu 18 6 Z3 (0.6) CD, İYTE 49

50 Sünek çerçeve şartları sağlanmış ve plastik mafsallarda maksimum birim uzama değerlerini sağlayacak detaylandırma yapılmış. TDY-2007 ye göre maksimum birim uzama değerleri kuşatılmış betonda 0.004, kuşatılmamış betonda ve donatıda 0.06 dir Performans analizinde ikincil momentler hesaba katılmıştır. CD, İYTE 50

51 Uzun Yönde İtme Eğrisi 0.12 TDY-2007'ye göre Tasarım Talebi Taban Kesme Kuvveti Oranı Hemen Kullanım Can Güvenliği Göçme Öncesi Tepe Ötelenmesi (mm) CD, İYTE 51

52 SONUÇLAR: Eski deprem raporları incelendiğinde asmolen yapılar ile ilgili detaylı bilgiye nadir olarak ulaşılmaktadır. Bu durumun iki sebebi olduğu düşünülmektedir: Normal betonarme çerçeveler ile karşılaştırılırsa asmolen yapılar görece ufak bir yüzdeye sahiptirler (tahminen %10 ila 15) Asmolen yapıların davranış sorunlarını ortaya koyabilecek gözlemlerin, boyutlandırma, malzeme dayanımı ve/veya detaylandırma zaafiyetleri tarafından perdelenmesi CD, İYTE 52

53 SONUÇLAR: 2012 Van-Erciş depremi bir istisna olarak görece düşük talepler altında asmolen yapıların kapasitelerine ulaştığını gösteren örnekler sunmuştur. CD, İYTE 53

54 SONUÇLAR: Literatürdeki araştırmalar eşmerkezli yatık kiriş kolon birleşimlerinin kolon çekirdeği dışındaki eğilme donatılarının yetersiz aderansı ve/veya dik kirişlerin burulma yetersizlikleri ile erken rijitlik ve dayanım kayıplarına uğrayabildiklerini ortaya koymuştur. Ülkemizde yaygın olarak uygulanan dışmerkezli kiriş kolon birleşimleri, dik kiriş burulma direncinin tasarımda hesaba hiç bir şekilde girmemesi ve çerçeve asal eksenlerine uyumsuz kiriş ve kolon aksları sebebiyle asmolen çerçevelerin kabul edilenden daha zayıf ve yumuşak olduğu söylenebilir. CD, İYTE 54

55 SONUÇLAR: Yine önceki slaytta belirtilen sebeplerle ülkemizdeki tipik asmolen binalar için gerçekçi performans analizlerinin yapılamıyacağı söylenebilir. CD, İYTE 55

56 SONUÇLAR: TDY-2007 asmolen binaları tipik kiriş-kolon çerçevesi olarak kabul etmekte, süneklik ve kiriş boyutlandırma şartlarını sağlaması dışında bir talepte bulunmamaktadır. İzmir de uygulanan bir grup projenin incelenmesi sonucu tasarımın esas olarak şartnamenin %2 öteleme sınırı tarafından kontrol edildiği tespit edilmiştir. CD, İYTE 56

57 SONUÇLAR: Bu yapıların elastik analiz ile hesaplanan periyotları ortalamada normal kiriş kolon çerçevelerine göre %40 daha yüksektir. Diğer taraftan tekil örneklerde periyot değerleri beklenen değerlerin 2-3 katına çıkabilmektedir. Yüksek periyotlara sahip yapılar deprem talepleri altında yüksek ötelenme değerlerine ulaşmak zorunda kaldığından, deprem talepleri altında yapı güvenliği yetersiz kalabilmektedir. CD, İYTE 57

58 SONUÇLAR: Uzun periyot değerlerinin oluşturabileceği güvensiz durumu gösterebilmek maksadıyla her türlü zaafiyetten muaf bir asmolen bina TDY-2007 ye göre tasarlanmış ve yine TDY-2007 göre performans analizine tabii tutulmuştur. Yapı TDY-2007 deki performans düzeyini sağlayamamıştır. CD, İYTE 58

59 ASMOLEN BİNALARIN TASARIMINDA NASIL BİR YAKLAŞIM GERÇEKLEŞTİRİLMELİDİR??? CD, İYTE 59