DEPREM ETKİSİ ALTINDA TEK KATLI ÇELİK YAPILARIN TEMEL SİSTEMİ İÇİN MODEL ÇALIŞMASI

Transkript

1 ÖZET: DEPREM ETKİSİ ALTINDA TEK KATLI ÇELİK YAPILARIN TEMEL SİSTEMİ İÇİN MODEL ÇALIŞMASI M.İ. Onur 1 ve Y. İlhan 2 1 Yard. Doç. Dr., İnşaat Müh. Bölümü, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir 2 İnş. Müh., İnşaat Müh. Bölümü, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir mionur@anadolu.edu.tr Tek katlı çelik yapılar ülkemizin her bölgesinde kullanılmaktadır. Özellikle organize sanayi bölgelerinin artışı ile birlikte deprem bölgelerinde de sıkça inşa edilmektedirler. Temel sistemi olarak genellikle tekil temeller tercih edilmektedir. Tekil temeller etkiyen yüklere bağlı olarak çeşitli ebat ve kalınlıklarda kolon altlarında inşa edilmektedir. Bu çalışmada; örnek bir tek katlı sanayi yapısı için olası deprem etkisi modelleme çalışması yapılmıştır. Öncelikle sektörde sıkça tercih edilen bir bina modeli seçilmiş ve temel sistemi tasarımı yapılmıştır. Temel sisteminde kalınlık ve ebat tasarımının ardından Sap2000 programı kullanılarak geçmiş üç adet deprem verisi ile sistemin deprem kuvvetleri altında ki davranışı incelenmiştir. Çalışma sonuçları çeşitli öneriler ile birlikte sunulmuştur. ANAHTAR KELİMELER: Deprem Etkisi, Tekil Temeller, Tek Katlı Sanayi Yapıları. MODEL STUDY FOR FOUNDATION SYSTEM OF SINGLE-STORY STEEL STRUCTURES UNDER EARTQUAKE EFFECT ABSTRACT: Single-story steel structures are used in every region of our country. Especially, they are frequently constructed in the earthquakes zones with the increase of the organized industrial areas. Single foundations are generally preferred as a foundation systems. Single foundations are constructed in various sizes and thicknesses depending on the loads under the columns. In this study, a probable earthquake effect modeling study was conducted for an example single story industrial structure. Firstly, a frequently preferred building model in the sector was selected and the foundation system was designed. After designing the thickness and size in the foundation system, the behavior of the system under earthquake forces was investigated by using the Sap2000 program with past three earthquake data. The results of the study are presented with various suggestions. KEYWORDS: Earthquake Effect, Single Foundation, Single-Story Industrial Structures 1. GİRİŞ Günümüzde gelişmiş ülkelerde olduğu gibi ülkemizde de çelik yapılara olan ilgi artmıştır. Geçmişten beri organize sanayi bölgelerinde tercih edilen çelik yapılar artık konut olarak da inşa edilmektedir. Özellikle tek katlı çelik yapılar sıkça tercih edilmektedir. Bu durum için; güvenlik ve sağlamlık, ekonomiklik, estetiklik, çevreye minimum etki gibi nedenler sıralanabilir. Temel sistemi bakımından ise yapının ağırlığı göz önüne alınarak tekil temeller kullanılmaktadır. Tekil temeller tek bir kolon altına inşa edilen temel sınıfıdır. Temel zemini taşıma gücünün göreceli olarak yüksek olduğu, üst yapı yüklerinin az olduğu durumlarda tekil temeller inşa edilirler [1]. Tekil

2 temellerde planda ki en küçük boyutun 70 cm den ve temel alanının 1 m 2 den az olmaması, temel kalınlığının 25 cm den ve konsol boyutunun ¼ ünden küçük olmaması gibi konstrüktif kurallar bulunmaktadır [2]. Temel donatı hesabı yapılırken ise; temele etki eden iç kuvvetler hesaplanır, düşey yükler (ölü yük, hareketli yük vb.), yanal yükler (rüzgâr vb.) ve dinamik yükler (deprem vb.) dikkate alınarak gerekli donatı miktarları belirlenir [3]. Deprem yükleri altında çelik yapıların temel tasarımlarına yönelik literatürde farklı çalışmalar bulunmaktadır. Özellikle farklı zemin özellikleri ve olası deprem senaryoları ile maliyet ilişkilerini içeren birçok çalışma bulunmaktadır [4-7]. Öte yandan zemin özellikleri ve deprem senaryolarına bağlı yapı-zemin etkileşimi bazlı çalışmalarda bulunmaktadır [8-10]. Bu çalışmanın amacı ise; örnek bir tek katlı çelik sanayi yapısı için olası deprem etkisi altında temel sistemi tasarımını incelemektir. Bu amaçla; öncelikle sektörde sıkça tercih edilen bir yapı modeli seçilmiş ve temel sistemi tasarımı yapılmıştır. Temel sisteminde kalınlık ve ebat tasarımının ardından Sap2000 programı kullanılarak geçmiş üç adet deprem verisi ile sistemin deprem kuvvetleri altında ki davranışı incelenmiştir. 2. TEKİL TEMEL TASARIM ESASLARI Temellerin zeminin taşıma gücü ve oturma limitlerine bağlı olarak boyutlandırılması gereklidir. Temeller; yüzeysel temeller ve derin temeller olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. İnşa edilecek temel tipi, yapı yükünün büyüklüğüne ve temel zeminin özelliklerine bağlıdır. Taşıma kapasitesi yüksek olan zemin tipi yüzeye yakın derinlikte ise ve yapı yükleri göreceli olarak çok ağır değilse yüzeysel temeller tercih edilir. Tekil temeller birbirlerinden bağımsız olarak inşa edildiklerinden farklı oturma riski ortaya çıkmaktadır, bu nedenle tekil temeller yapı yüklerinin az ve zeminin sıkışabilirliğinin az olması durumunda inşa edilirler. Örnek bir tekil temel kesiti Şekil 1 de verilmiştir. Şekil 1. Örnek tekil temel kesiti Tekil temel tasarımında öncelikle zemin gerilmelerinin hesaplanması ve zemin emniyet gerilmesi ile karşılaştırılması gerekmektedir. Güvenli temel tasarımı için zemin emniyet gerilmesi temel gerilmesinden büyük olmalıdır. q zemin,emniyet > q temel (1) q z,em > q temel = Q BxL (2) Temel eksantrik yüklemeye maruz kalıyor ise, eksantrisite değeri temelin uzun kenarları ile karşılaştırılarak oluşacak maksimum ve minimum gerilmeler Denklem 3,4, ve 5 de verildiği gibi bulunur. Maksimum gerilme

3 değeri, zemin emniyet gerilmesinden küçük olması gerekirken, zemin çekme gerilmesi alamayacağı için minimum gerilme değeri ise sıfırdan büyük olmalıdır. e L/6 ise; q max = Q 6e (1+ ) < q BxL L z,em Q 6e q min = (1- ) 0 (3) BxL L e = L/6 ise, q min = 0 (4) e > L/6 ise, q max = 4Q 3B(L 2e) (5) İkinci aşamada ise zımbalama tahkiki yapılarak, uygun temel kalınlığı hesaplanır. Eğilme tahkiki yapılarak gerekli donatı belirlenir. Ayrıca kayma tahkiki ile ilave donatı gerekli olup olmadığı tespit edilir. Çelik yapılar için örnek bir tekil temel uygulama resmi Şekil 2 de verilmiştir. 3. MODELLEME ÇALIŞMASI Şekil 2. Çelik yapılar için tekil temel Bu çalışma için sektörde sıkça tercih edilen bir yapı modeli seçilmiştir. Tüm analizler Sap2000 programı ile gerçekleştirilmiştir. Yapı 4 metrelik, 13 adet açıklık ile toplam 52 metre uzunlukta ve 6,5 metre yükseklik ile tek katlı çelik kafes tipidir. Yapı üzerine etkiyen yükler ise; toplam 2,0 kn/m 2 ölü yük, 1,5 kn/m 2 kar yükü, 0,7 kn/m 2 rüzgâr yükü olarak tespit edilmiştir. Öncelikle yük analizi yapılarak temelin boyutlandırılması yapılmıştır. Yapının inşa edileceği zeminin emniyet gerilmesi 250 kn/m 2 olarak kabul edilmiştir. Ön boyutlandırma için temel ebatları 1,44 m 2 olarak bulunmştur. Temel gerilmeleri ise maksimum 203,8 kn/m 2 minimum 135,8 kn/m 2 olarak

4 hesaplanmıştır. Dolayısıyla temel gerilmeleri zemin emniyet gerilmesinden daha küçük hesaplandığından zemin taşıma gücü yönünden bir problem yoktur. Zımbalama hesabı yapılarak temel kalınlığı 0,25 cm ve gerekli donatı ise 8Φ12 olarak bulunmuştur. Temelin boyutlandırılması çalışmasından sonra; üç farklı deprem kaydı altında model yeniden analiz edilmiştir. Deprem kayıtları Pasifik Deprem Mühendisliği Araştırma Merkezi (Pacific Earthquake Engineering Research Center) veri bankasından temin edilmiştir. Deprem kaydı olarak Erzincan 1992 depremi, Kocaeli 1999 depremi ve Balıkesir 1979 depremlerinin gerçek kayıtları kullanılmıştır. Depremlere ait özellikler Tablo 1 de verilmiştir. Deprem Tablo 1. Deprem özellikleri Büyüklük (M) Maks. yer ivmesi (g) 1979 Balıkesir 5,3 0, Erzincan 6,9 0, Kocaeli 7,4 0, SONUÇLAR Sap2000 programı ile yapılan analizler sonucunda deprem kuvvetleri nedeniyle temel boyutunda olması gereken yeniden hesaplanmıştır. Temel zeminin gelen yükleri emniyetle taşıyabilmesi için olması gereken temel alanları Şekil 3 de verilmiştir. Şekil 3. Gerekli temel alanları Sonuçlar irdelendiğinde temel altı zeminin gelen üst yapı yükünü güvenle taşıyabilmesi için gerekli temel alanı statik yükler altında 1,44 m 2 olarak hesaplanmıştı. Ancak Balıkesir depreminde 1,50 m 2, Kocaeli depreminde 4,84 m 2 ve Erzincan depreminde ise 6,25 m 2 lik temel alanına ihtiyaç duyulmaktadır. Diğer yandan Erzincan depremi büyüklük olarak Kocaeli depremden küçük olmasına rağmen ivme kaydında daha yüksek ivme değerine sahip

5 olduğu için modele en büyük yükler bu depremde etkimiştir. Bu durum ise depremlerde meydana gelen maksimum ivme değerinin deprem yükü hesabında kullanılmasıdır. Donatı miktarlarında ki değişim ise şu şekilde olmuştur. Depremsiz durumda gerekli donatı 8Φ12 olarak bulunmuştu ve Balıkesir depreminde aynı donatı miktarının yeterli olduğu görülmüştür. Ancak; Kocaeli depremi için 9Φ12, Erzincan depremi için 11Φ12 gerekli donatı olarak bulunmuştur. Temel gerilmelerine benzer şekilde deprem ivmesi büyüklüğü ile gerekli donatı ihtiyacı da artmaktadır. 5. DEĞERLENDİRME Bu çalışmada; örnek bir tek katlı çelik sanayi yapısı için olası deprem etkisi altında gerekli temel boyutları incelenmiştir. Sap2000 programı kullanılarak geçmiş üç adet deprem verisi ile sisteme etkiyen deprem kuvvetleri bulunmuştur. Sonuçlar maksimum ivme değerine bağlı olarak temel alanın artırılması gerektiğini göstermiştir. Ayrıca deprem kuvvetleri hesabının deprem büyüklüğünden bağımsız olduğu ve maksimum ivme değeri ile doğru orantılı olduğu literatür ile uyumlu olarak ortaya konulmuştur. Tüm bu değerlendirmeler dışında deprem yükleri altında güvenli tasarımlar yapılabilmesi için uygun senaryo depremi seçilerek analizler yapılması gerekliliği açıktır. KAYNAKLAR Das, M.J. (1984). Principles of Foundation Engineering. Brooks/Cole Engineering Division. USA. Yıldırım, S. (2009). Zemin İncelemesi ve Temel Tasarımı. Birsen Yayınevi. İstanbul, Türkiye. Tuncan, A. (2015). İMO Yüzeysel Temel Tasarımı Kurs Notları, Eskişehir. Vivek, B., Raychowdhury, P. (2017). Influence of SSI on Period and Damping of Buildings Supported by Shallow Foundations on Cohesionless Soil. ASCE Internatıonal Journal Of Geomechanıcs. 17:8, Homaei, F., Shakib, H., Soltani, M. (2017). Probabilistic Seismic Performance Evaluation of Vertically Irregular Steel Building Considering Soil-Structure Interaction. Internatıonal Journal Of Cıvıl Engıneerıng. 15:4, Grilli, D., Jones, R., Kanvinde, A., (2017). Seismic Performance of Embedded Column Base Connections Subjected to Axial and Lateral Loads. Journal Of Structural Engıneerıng. 143:5, Salam, S.A., El-kady, M.S. (2017). Foundations for low cost buildings. Journal Of Computatıonal Desıgn And Engıneerıng. 4:2, Nikolaou, K.D., Georgiadis, K., Bisbos, C.D.(2016). Lower bound limit analysis of 2D steel frames with foundation-structure interaction. Engıneerıng Structures. 118, Abate, G., Massimino, M.R. (2016). Dynamic soil-structure interaction analysis by experimental and numerical modelling. Italıan Geotechnıcal Journal-Rıvısta Italıana Dı Geotecnıca. 50, Abdelrohman, M., Abuıkmıel, A., Othman, M. (1993). Foundatıons Response Up To Plastıc Collapse Of Portal Steel Frames Buılt On Sandy Soıl. Journal Of The Unıversıty Of Kuwaıt-Scıence. 20:1, İlhan, Y. (2017). Pile Foundation Design and Foundation Design for Steel Structures under Earthquake Loading. Lisans Tezi, İnşaat Müh. Bölümü, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir.