YAKIN SAHA DEPREMLERİNİN ZEMİN ÖZELLİKLERİ FARKLI YÜKSEK KATLI BETONARME BİNALARA ETKİSİ

Transkript

1 YAKIN SAHA DEPREMLERİNİN ZEMİN ÖZELLİKLERİ FARKLI YÜKSEK KATLI BETONARME BİNALARA ETKİSİ SERKAN ENGİN -1, FUAD OKAY -2, KEMAL BEYEN -3 Anahtar Kelimeler: Yüksek yapı, yakın saha, zemin kayma dalgası hızı, zaman tanım alanında analiz ÖZET Zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizin en önemli parametresi, analizde kullanılacak deprem kaydıdır. Meydana gelen bir depremin büyüklük, deplasman, hız, ivme gibi pek çok özelliği bir diğerinden oldukça farklı olabilmektedir. Oluşan yeni depremlerle birlikte deprem kaydı veri tabanlarında bulunan kayıtların sayısı ve çeşitliği artmasına ve farklı deprem kayıtları ile yapılmış pek çok çalışmaya rağmen, depremin hangi özelliklerinin yapı tepkisini ne şekilde etkilediği konusunda oluşmuş genel bir kanı bulunmamaktadır. Bu sebeple depremlerin sahip olduğu karakteristik özelliklerin yapı tepkisine etkisinin belirlenmesi ile ilgili çalışmaların yapılması ihtiyacı hala bulunmaktadır. Yapılan bu çalışmada yakın sahadan kaydedilmiş, zemin kayma dalgası hızı değişen iki farklı kayıt seti oluşturulmuştur. Sette yer alan bu kayıtlar belli bir periyot aralığında, yılda aşılma olasılığı %2 olan depreme göre ölçeklenmiş ve ölçekleme katsayıları elde edilmiştir. Betonarme bir yüksek yapının analitik modeli SAP programında oluşturulmuş, bu modelde doğrusal olmayan yer değiştirmelerin plastik mafsallarda biriktiği kabul edilmiştir. Ölçeklenen setlerde yer alan deprem kayıtları kullanılarak bu betonarme yüksek yapının zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizler sonucunda yapının her bir katında oluşan toplam kesme kuvveti, eğilme momenti ile göreceli kat ötelemesi değerleri elde edilmiştir. Zemin kayma dalgası hızı değişen her bir setten elde edilen sonuçlar birbiri ile kıyaslandığında depremin kaydedildiği zeminin kayma dalgası hızı azaldıkça yapıda oluşan kat toplam kesme kuvveti, eğilme momenti ve göreceli kat ötelemesi değerlerinin arttığı gözlemlenmiştir. GİRİŞ Zaman tanım alanında analiz (ZTAA) yönteminde kullanılacak deprem kayıtlarının, analizi yapılacak yapı ve yapının inşa edileceği alana uygun özellikler taşıması analizin güvenilir sonuçlar vermesi açısından son derece önemlidir (Celep ve Kumbasar, 1996). Oluşan her bir depremin değişik pek çok karakteristik özelliği bulunmakta ve farklı deprem hareketlerinden elde edilen tepe yer ivmesi (PGA), tepe yer hızı (PGV), tepe yer deplasmanı (PGD) gibi pek çok özellik de farklı olabilmekte ve bahsedilen bu farklı deprem özelliklerinin de yapının vereceği tepkiyi ne şekilde etkilediği hala tam olarak bilinememektedir (Bommer ve Acevedo, 4). İlk deprem kaydının gerçekleştirildiği andan bu yana dünya çapında pek çok yerden kaydedilmiş kayıtların sayısı binlerle ifade edilen rakamlara ulaşmıştır. Araştırmacılar, kaydedilen bu yer PGA, PGV, PGD ve frekans içeriği gibi pek çok, deprem karakteristik özelliklerini, yaratacağı olası hasar potansiyeline göre gruplandırmışlardır. Bu gruplandırmaya rağmen deprem kaydının hangi özelliğinin ne tür yapıda nasıl bir etki yaratacağına ilişkin bir genelleme yapılması henüz mümkün olamamaktadır. Bu sebeple analizi yapılacak bir yapının niteliğine göre deprem kaydının seçilebilmesi için saha ve yapıya özel çalışmaların yapılmasını gerektirmektedir (Anderson ve Bertero, 1987, Applied Technology Council (ATC), 1978). Yapılan bu çalışmada yakın sahadan kaydedilmiş, zemin kayma dalgası hızı değişen iki farklı kayıt seti oluşturulmuştur. Sette yer alan bu kayıtlar belli bir periyot aralığında, yılda aşılma olasılığı %2 olan depreme göre ölçeklenmiş ve ölçekleme katsayıları elde edilmiştir. Ölçeklenen setlerde yer alan deprem kayıtları kullanılarak bu betonarme yüksek yapının zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizler sonucunda yapının her bir katında oluşan toplam kesme kuvveti, eğilme momenti ile göreceli kat ötelemesi değerleri elde edilmiştir. Zemin kayma dalgası hızı değişen her bir setten elde edilen sonuçlar birbiri ile kıyaslandığında depremin kaydedildiği zeminin kayma dalgası hızı azaldıkça yapıda oluşan kat toplam kesme kuvveti, eğilme momenti ve göreceli kat ötelemesi değerlerinin arttığı gözlemlenmiştir. 1 Arş. Gör. Dr., Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, KOCAELİ-TÜRKİYE 2 Doç. Dr. Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, KOCAELİ-TÜRKİYE 333

2 ANALİTİK ÇALIŞMA Yapı Analitik Modelinin Oluşturulması Çalışmada tipik bir çerçeve ve perdeli betonarme bina seçilmiştir. Binanın beton basınç dayanımı f ck =4 MPa, donatı akma dayanımı f y =4 MPa, önem katsayısı I=1, deprem yükü azaltma katsayısı R=6, etkin yer ivmesi katsayısı A o =,4 ve zemin karakteristik periyotları T A =,1, T B =,4 alınarak kolon düşey yüklerini elde etmek amacıyla doğrusal bir dinamik analiz gerçekleştirilmiştir. Analizde, zati yük G=3, kn/m 2, hareketli yük Q=7, kn/m 2 alınmış ve hareketli yüklerin zati yüke %3 u eklenerek elde edilen arttırılmış yük döşemeler üzerine etki ettirilmiştir. Yapının kat adedi 2, kat yüksekliği h f =4 m, kısa kenar açıklığı üç adet, bu doğrultudaki akslar arası mesafe 7, m, uzun kenar açıklığı beş adet, bu doğrultudaki akslar arası mesafe 9 m, döşeme kalınlığı,22 m, 1-1. Kat kiriş boyutları b w =, m, h k =,8 m, 1-1. kat kolon boyutları b=2, m, h=, m, kat kiriş boyutları b w =, m, h k =,7 m, kat kolon boyutları b=1,6 m, h=, m ve çekirdek perdesinin uzun doğrultusunun kalınlığı,3 m, kısa doğrultusunun kalınlığı ise, m, perde etriye aralığı, m olarak alınmıştır. Yapı kat planı Şekil 1 de, perdelerinin görünümü Şekil 2 de, kolon ve kirişlerinin görünümü Şekil 3 de verilmiştir. Buna göre yapılan analiz sonucunda kolonların eksenel yükleri elde edilmiş ve binanın hakim periyotları T x = 2,1 sn, T y = 2,14 sn olarak bulunmuştur. Beton davranışı için sargılı ve sargısız Mander modeli (Mander vd., 1988, 1998), donatılar için ise Türk Deprem Yönetmeliği nde tanımlanmış olan donatı modeli kullanılmıştır. Kesit analizleri ile yapı elemanlarının akma ve göçme eğriliği ile akma momenti değerleri belirlenmiştir. Kolon, kiriş ve perdeler modelde çubuk olarak tanımlanmış ve kirişlerin kapasite eğrisi eksenel yük sıfır alınarak belirlenmiştir. Tüm bu veriler ile SAPNL analiz programında yapının analitik modeli oluşturulmuştur. Şekil 1. Çalışma binasının kat planı Şekil 2. Bina perdeleri donatı yerleşimi Şekil 3. (a) 1-1. kat; (b) kat kiriş; (c) 1-1. kat; (d) 16-2.kat kolon donatıları (Uzunluklar: cm) 334

3 Deprem Kayıtlarının Seçimi ve Ölçeklenmesi National Earthquake Hazards Reduction Program (NEHRP) e göre zeminler en üst 3 m profilindeki ortalama kayma dalgası hızına göre sınıflandırılmaktadır. Buna göre bu profildeki kayma dalgası hızı 18 m/sn ile 36 m/sn arasında ise zeminler, D sınıfında, 36 m/sn ile 76 m/sn arasında ise C sınıfında kabul edilmektedir. Çalışmada D ve C zemin sınıfından seçilen depremlerden iki set oluşturulmuştur. D zemin sınıfından seçilen kayıtlar, Tablo 1 de, C zemin sınıfından seçilen kayıtlar ise Tablo 2 de verilmiştir. Seçilen kayıtları üreten depremlerin moment büyüklüğü M w, 6, ile 7,6 arasında, kayıt yeri ile kaynak noktası arasındaki mesafe R ise - km aralığında değişmektedir. Seçilen kayıtlar öncelikle yılda aşılma olasılığı %2 olan tasarım spektrumuna göre ölçeklenmiş, ardından da kayıtların karelerinin toplamının karekökünün (SRSS), hedef spektrumun 1,3 katının (yüksek yapılar için gerekli olan koşul) altına düşmemesi koşulu sağlanmak üzere ölçeklenmiştir. Bu ölçekleme sonucunda Tablo 1 ve Tablo 2 nin son sütununda verilen ölçekleme katsayıları elde edilmiştir. Deprem İstasyon Bileşen Tablo 1. D zemin sınıfından seçilen deprem kayıtları Zemin Sınıfı M w PGA (g) PGV (cm/s) Düzce (D-B) Bolu 9 D 7,1,82 62,1 13,6 1,12 Northridge (N-NWPC) Newhall WPC 46 D 6,7,4 92,8 6,6 1,9 Chi-Chi (CC-CHY1) CHY1 N D 7,6,44 11, 68,8 1,2 Chi-Chi (CC-TCU1) TCU1 E D 7,6, 67,9 7,4 3,3 Northridge (N-CCWLC) Canyon Co. WLC 27 D 6,7,48 44,9 12, 1,31 Erzincan (E-E) Erzincan EW D 6,9,49 64,3 22,8 1, Imperial Val (IV-ECD) El Centro Dif. 36 D 6,,48 4,8 14, 1,49 Imperial Val(IV-ECA) El Centro Arr# 23 D 6,,38 9, 63, 1,7 Imperial Val(IV-ECA7) El Centro Arr#7 23 D 6,,46 9,3 44,7 1,3 Düzce (D-D) Düzce 27 D 7,1,3 83, 1,6 1,36 PGD (cm) Ölç. Kats. Deprem İstasyon Bileşen Tablo 2. C zemin sınıfından seçilen deprem kayıtları Zemin Sınıfı M w PGA (g) PGV (cm/s) Northridge (N-PKC) Pacoima Kag. C. 36 C 6,7,43 1, 7,21 1,4 Chi-Chi (CC-TCU68 ) TCU68 E C 7,6,7 176,7 324,3 1,18 Loma Prieta (LP-SWVC) Saratoga W Val.C C 7,,2 42,4 19, 2, Chi-Chi (CC-CHY28) CHY28 N C 7,6,82 67, 23,3,8 Loma Prieta (LP-C) Carrolitas 9 C 7,,48 4, 11,3 1,28 ImperialVall (IV-HPO) Hostville Post Off 31 C 6,,22 49,8 31,9 2,68 Cape Mendo (CM-P) Petrolia C 7,,9 48,4 21,91 1,2 Cape Mendo (CM-CM) Cape Mendo C 7, 1, 127,4 41,1,83 Chi-Chi (CC-TCU3) TCU3 E C 7,6,13 61,9 87,6 3,3 Loma Prieta (LP-SAA) SaratogaAlohaA 9 C 7,,48 42,6 27,6 1,96 PGD (cm) Ölç. Kats. ELDE EDİLEN VERİLER VE DEĞERLENDİRİLMESİ Çalışmada önceki bölümde yer alan deprem kayıtları ve ölçekleme katsayıları kullanılarak analizler gerçekleştirilmiş ve yapı katlarındaki kesme kuvveti, eğilme momenti ve göreceli kat ötelemesi değerleri elde edilmiştir. Farklı zemin gruplarından elde edilen sonuçların kıyaslaması Şekil 4 de verilmiştir. Şekildeki grafiklerde açık renkli eğriler C zemin sınıfından, koyu renkli eğriler ise D zemin sınıfından elde edilen sonuçları göstermektedir. Şekil 4(a) da verilen eğrilerden kesme kuvvetlerinin, Şekil 4(b) de 33

4 verilen eğrilerden momentlerin, Şekil 4(c) de verilen eğrilerden göreceli kat ötelemelerinin D zemin sınıfından elde edilen gruplarda daha büyük geçekleştiği görülmektedir. Kıyaslamaya ilişkin olarak sunulan grafiklerden D zemin sınıfından elde edilen iç kuvvet ve göreceli kat ötelemelerinin arttığı görülmekle birlikte, artışın ne düzeyde olduğu ortaya konamamaktadır. Bu sebeple iki grubun sayısal olarak kıyaslamasına ilişkin grafikler oluşturulmuş ve oluşturulan grafikler Şekil de verilmiştir. Şekil (a) da D zemin sınıfından elde edilen kesme kuvvetlerinin C sınıfından elde edilenlerle göre 8. katında %34,1, Şekil (b) de verilen momentlerin 3. katında %33,3, Şekil (c) de verilen göreceli kat ötelemelerinin 8. katında %37,2 oranında daha büyük olmuştur. Diğer katlarda her üç değişken için D zemin sınıfından elde edilen sonuçların C zemin sınıfından farklı oranlarda büyük elde edilmekle birlikte, yukarıda verilen oranlar gruplar arasında elde edilen maksimum farklar olmuştur. 2 C Sınıfı D Sınıfı 2 2 Kat Seviyesi, N Ke sme Kuvveti, V ( 3 x kn) (a) Moment, M ( 3 x knm) (b),,, 1,, Göreceli Kat Ötelemesi, δ( -3 ) (c) Şekil 4. Zemin sınıfına göre (a) Kesme Kuvveti; (b) Moment; (c) Göreceli Kat Ötelemeleri 2 D Zemin Sınıfı 2 2 Kat S eviyesi, N Kesme Kuvveti, Vfark (%) (a) Moment, Mf ar k (%) (b) Göreceli Kat Ötelemesi, δ Fark (%) (c) Şekil 8. Zemin sınıflarına göre (a) Kesme Kuvveti; (b) Moment; (c) Göreceli Kat Ötelemesi değişimleri 336

5 SONUÇLAR Bu çalışmada D ve C zemin sınıflarından seçilen kayıtlardan iki farklı kayıt seti oluşturulmuştur. Seçilen kayıtlar yüksek yapılar için tanımlanan hedef tasarım spektrumuna uygun olarak ölçeklenmiş ve ölçeklenen bu kayıtlar kullanılarak yapının zaman tanım alanından doğrusal olmayan analizleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan analizler çerçevesinde, iki grup analizden elde edilen sonuçlar kıyaslandığında, D zemin sınıfından elde edilen kesme kuvvetleri ve eğilme momentlerinin %3 e, göreceli kat ötelemelerinin ise %4 a varan oranlarda daha yüksek gerçekleştiği görülmüştür. Bu sebeple yüksek yapıların zaman tanım alanında doğrusal olmayan dinamik analizinde kullanılacak deprem kayıtlarının yapının inşa edileceği alana uygun olarak seçilmesi önem arz etmektedir. KAYNAKLAR Anderson JC, Bertero VV, Uncertainties in establishing design earthquakes, Journal of Structural Engineering (ASCE), 1987, 113(8), Applied Technology Council (ATC), Tentative Provisions for the Development of Seismic Regulations for Buildings, ATC-6, Redwood City, California, Bommer JJ and Acevedo AB, The Use of Real Earthquake Accelerograms as Input to Dynamic Analysis, Journal of Earthquake Engineering, 4, 8(1), Celep Z, Kumbasar N, Yapı Dinamiği ve Deprem Mühendisliğine Giriş, Sema Matbaacılık, İstanbul, Mander JB, Priestley MJN and Park R, Observed stress-strain behaviour confined concrete, Journal of Structural Engineering (ASCE), 1988, 114(8), Mander JB, Priestley MJN and Park R, Theoretical Stress-Strain Model for Confined Concrete, Journal of Structural Engineering (ASCE), 1998, 114,