6. ÇELİK YAPILAR SEMPOZYUMU

Transkript

1 Çelik Yapıların Depreme Dayanıklı Olarak Tasarımında Modern Deprem Yönetmelikleri Yaklaşımları ve İzmir Adnan Menderes Yeni İç Hatlar Terminalinden Uygulama Örnekleri Cem ÖZER STATICA Mühendislik + Mimarlık + Müşavirlik Tel: +90 (216) E-Posta: [email protected] Öz Deprem bölgelerinde inşa edilmesi planlanan önemli yapılarda bazı özel durumlar ile karşılaşılmakta ve bu özel durumlar için deprem yönetmeliklerinde yer alan veya yer alması öngörülen modern yaklaşımların uygulanması gerekmektedir. Özellikle büyük açıklıklı çelik yapıların düşey yükler ve deprem etkileri altında boyutlandırılmasında bazı özel durumlar ile karşılaşılabilmektedir. Bu özel durumlar arasında büyük açıklıklı çatı sistemlerinin tümsel kararlılık (stabilite) tahkikleri ve düşey deprem etkileri altında boyutlandırılması sayılabilir. Ayrıca, bir yapı grubunu oluşturan bağımsız blokları veya aynı binanın farklı dinamik davranışlar sergileyen bölümlerini birleştiren bağlantı sistemleri de dikkate alınması gereken özel durumlar arasında sıkça yer almaktadır. Bu özel boyutlandırma durumlarına ait hesap yaklaşımlarının ve bunların uygulama örneklerinin yer aldığı İzmir Adnan Menderes Yeni İç Hatlar Terminali projesi bu bildirinin konusunu oluşturmaktadır. Yukarıda belirtilen modern yaklaşımların, zaman içinde, ülkemizde geçerli olan ilgili standartlarda ve Türk Deprem Yönetmeliğinin yenilenen sürümlerinde yerlerini alması beklenmektedir. Anahtar sözcükler: Deprem yönetmeliği, Depreme dayanıklı çelik yapı tasarımı, Tümsel stabilite, Düşey deprem analizi. Giriş Düşey deprem etkilerinin dikkate alınması özellikle büyük açıklıklı çatı sistemlerinin depreme dayanıklı olarak boyutlandırılmasında oldukça önem kazanmaktadır. Çoğunlukla düşey deprem analizleri, yerel sismolojik verilere dayanarak oluşturulan sahaya özel düşey deprem spektrumları kullanılarak veya yatay deprem spektrumunun belirli bir oranı ile oluşturulan veriler ile yürütülmektedir. Bu analizlerden bulunan iç kuvvetler, yatay deprem etkileri ve diğer yükleme durumlarından elde edilen iç kuvvetler ile birleştirilir. Büyük açıklıklı çatı sistemlerinin ikinci mertebe etkileri ve tümsel kararlılık (stabilite) açısından da yeterli bir dayanıma sahip olmaları oldukça önemlidir. İkinci mertebe etkileri, yapıların güçlü sismik yükler altında göçmeye karşı direncini önemli ölçüde 127

2 etkileyebilmektedir. Büyük açıklıklı çatı sistemlerinin tümsel burkulma güvenlikleri ikinci mertebe doğrusal analizler ile sağlanabilir. Çok sayıda bloktan oluşan sistemlerin boyutlandırılmasında sıklıkla karşılaşılan bir başka problem de, farklı dinamik davranış özellikleri gösteren yapı blokları veya yapı kısımları arasında bağlantı oluşturan yapısal sistemlerin bu farklı yapı blokları arasındaki göreceli şekil değiştirmeler nedeniyle düşey yükleri aktarmakta olan mesnetlerinin kaybının önlenmesidir. Bu bildiride İzmir Adnan Menderes Yeni İç Hatlar Terminali binalarının taşıyıcı sistemleri genel olarak tanıtılmakta ve bu binaların yapısal tasarımında karşılaşılan bazı problemlerin çözümünde kullanılan ve modern yönetmelik ve standartlarda yer alan mühendislik yaklaşımları ve boyutlandırma yöntemleri sunulmaktadır. Adnan Menderes İç Hatlar Terminali İzmir Adnan Menderes Havalimanı Yeni İç Hatlar Terminali Türkiye nin en büyük iç hatlar terminali olup yaklaşık 200 bin metrekare kapalı alana sahiptir. Bu projede 2537 araçlık kapalı ve 3 bin araçlık açık otopark da yer almaktadır. Terminal yapımında toplam 220 bin metreküp betonarme ile 15 bin ton yapısal çelik kullanılmıştır. Terminalin çok değişik fonksiyonları içermesi, birçok fonksiyon için farklı mimari tasarımların yapılmış olması ve mevcut Dış Hatlar terminali ile bağlantısının öngörülmesi yapısal çeşitliliğin artmasına yol açmıştır. Bu çeşitlilik sonucunda ortaya çıkan yapı sistemleri arasında Tonoz Çatı Sistemi, Fil Ayakları, İskele Yapı Sistemi, Origami Çatı Sistemi, Uçan Yol Yapısı, Apron Cafe Sistemi, Yelken Çatı Sistemi, Konkav Çatı Sistemi, İç Bahçeler, VIP Köprüleri, Yolcu Köprüleri yer almaktadır. Tonoz Çatı Sistemi terminal tasarımının odak noktasını oluşturmakta olup 72m net açıklık geçen, 200m x 80m plan ölçüsünde bir diagrid sisteme sahiptir. Tasarımda tonoz formdaki çatının büyük açıklığından dolayı, yatay deprem etkileriyle birlikte düşey deprem etkisi de dikkate alınmıştır. Düşey yüklerle birlikte yatay kuvvetlerin çatı düzleminde yarattığı etkilerden dolayı, eleman bağlantılarının her iki ana eğilme aksında benzer mertebede iç kuvvetlere maruz kaldığı belirlenmiştir. Çatı sistemi, iki kenarındaki ana taşıyıcı betonarme kirişlere, bir tarafta kurtağzı rijit mesnet detayı, diğer kenarında ise pimli mafsallı mesnet detayı ile bağlanmıştır. İki kenardaki betonarme ana kirişler çatı bütünlüğünün oluşturulması ve sehimlerin kontrol edilmesi amacıyla, birbirlerine 7 adet yüksek dayanımlı çelik gergi ile bağlanmışlardır. Tasarımı mimari çelik kullanarak gerçekleştirilmiş olan 4 adet Fil ayağı, diagrid hiperboloid huni geometrisine sahip olan taban çapları 15m ile 20m arasında değişen yapılardır. Tonoz çatı sistemini taşıyan 120cm çapındaki, içindeki yapma çelik I-profil ile kompozit olarak tasarlanmış olan betonarme kolonlar özelikle çatının kısa doğrultusunda tek başına yeterli rijitlik sağlayamadığı için, başlangıçta mimari amaçla kullanılmak üzere tasarlanan fil ayakları, aynı zamanda taşıyıcı olarak da kullanılmış ve tonoz çatıya etkiyen düşey ve yatay deprem yüklerinin belirli bir bölümünü taşıyacak şekilde boyutlandırılmıştır. 128

3 Tasarımda ayrıca, 400m uzunluğunda olan ve iki komşu yapıyı (Tonoz Çatı Sistemi ve İskele Yapı Sistemi) birbirine uygun derz detayları kullanarak bağlayan bir iskele yapısı yer almaktadır. Bu yapının çatısı 27m açıklık geçen ve katlanmış plakalardan oluşmuş bir origami formdan esinlenilerek tasarlandığı için Origami Çatı olarak adlandırılan, yapısal çelik ile tasarlanmış olan bir sistem ile örtülmektedir. İskele yapısının önemli bir özelliği, iki tarafındaki yapıların deprem etkileri altındaki farklı hareketlerinden dolayı, yatay düzlemde ortogonal iki doğrultuda oluşan +/- 30cm mertebesindeki yer değiştirme değerlerine izin verebilmek için bir kenarı boyunca hareketli mesnet şeklinde tasarlanmış olmasıdır. Yeni İç Hatlar Terminalinin yapısal tasarımında, günümüzde yürürlükte olan Türk Deprem Yönetmeliği ne uyumun yanısıra, önümüzdeki süreçte yürürlüğe girmesi beklenen yeni deprem yönetmeliği kapsamında yer alması öngörülen, bazı güncel yapısal tasarım yöntem ve kuralları da dikkate alınmıştır. Günümüzde uluslararası bazı yönetmelik ve standartlarda da yer alan bu hususların başlıcaları; özellikle büyük açıklıklı yüzeysel yapı sistemlerinin tümsel kararlılık (stabilite) analizleri, yine bu tarz sistemlerde düşey deprem etkilerinin dikkate alınması gibi konuları içermektedir. Ayrıca, farklı yapısal ve dinamik özellikler içeren yapı bloklarının ve kısımlarının farklı davranışları nedeniyle, bunları birleştiren yapı sistemlerinin mesnetlerinin bu farklı davranışları dikkate alarak detaylandırılması ve bu şekilde farklı yapı bloklarını birleştiren sistemlerin bölgesel göçmelerine karşı önlem alınması gibi yaklaşımlar da projelendirmede dikkate alınmıştır. Tümsel Kararlılık (Stabilite) Analizi Tonoz tarzı büyük açıklıklı çatı sistemlerinde, tekil eleman bazındaki kararlılık tahkiklerin yanı sıra, sistem genelinde tümsel kararlılık analizlerinin de yürütülmesi gerekli olmaktadır. İzmir Adnan Menderes Havalimanı Yeni İç Hatlar Terminali nin giden yolcu holü üzerindeki tonoz çatı sistemi, 200m 80m boyutlarındaki plan yerleşimi, üzerini kaplayan ve 72m temiz açıklık geçen, tek düzlemli diyagonal grid sistemden oluşmaktadır, (Şekil 1 ve 2). Tonoz çatı sistemi, betonarme-çelik konstrüksiyon kompozit kolonların üzerinde sürekli mesnetli, 90cm genişliğinde ve 180cm yüksekliğindeki betonarme kirişler üzerine mesnetlenmektedir. Apron tarafı mesnet aksı üzerindeki bağlantılar tümüyle rijit iken, kara tarafındaki mesnet aksı üzerindeki bağlantılar açıklık doğrultusunda sabit, ama mesnet aksı etrafında dönmeye karşı serbesttir. Tonoz diyagonal grid sistemi, taban çapları 15 ve 20 metre olan iki tipteki dört adet hiperboloid huni yapısına da mesnetlenmektedir. Diyagonal grid sistemin elemanları 40cm genişliğinde ve 60cm yüksekliğindeki dikdörtgen yapma kutu profillerden oluşmaktadır. Toplam 1752 adet yapma kutu profil eleman, 829 adet düğüm noktasında 32 şer adet M30 (ISO 10.9 kalite) tam ard-germeli HR tip bulonlar ile birleştirilmiştir. Sismik olmayan tasarımlarda, yer değiştirme limitleri sıklıkla bir yapının uygun servis performansını sağlamakta ölçüt olarak ele alınmaktadır. Bununla beraber, deprem etkileri devreye girdiğinde durum biraz daha farklı olmaktadır. Araştırmalara göre, bu tür yer değiştirme limitleri, birincil olarak kullanılabilirlik ile ilgili olmakla beraber, sebep olduğu ilave dayanım ve rijitlik sebebiyle, aynı zamanda sistemin kararlılığını ve 129

4 sismik performansını da arttırmaktadır. Geometri değişimlerinin denge denklemleri üzerindeki etkilerinden oluşan ikinci mertebe (P-Δ) etkileri kuvvetli yer hareketleri etkisi altındaki yapıların göçmeye karşı dayanımı üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilmektedir. Deprem kaynaklı değiştirmeler negatif anlık rijitliğe sebep olabilecek kadar büyük ise, göçme olasılığı yüksektir. Bu nedenle, ASCE 7.10 yönetmeliği bu tür yapı sistemlerinde ikinci ve birinci mertebe etkilerinin oranlarını sınırlamaktadır. Gidiş holü üzerinde yer alan çatı sisteminin tümsel burkulma güvenliği AISC yönetmeliği provizyonlarına benzer doğrultuda ikinci mertebe analizi gerçekleştirilerek değerlendirilmiştir. Şekil 1 İzmir Adnan Menderes Yeni İç Hatlar Terminali Giden Yolcu Holü üzerindeki Tonoz Çatı sisteminin yapım sırasındaki perspektif görünümü İkinci mertebe teorisine göre analizde, aşağıda listelenen tüm etmenlerin yapı sisteminin ve onu oluşturan elemanların kararlılığı üzerindeki etkisi dikkate alınmalıdır: (1) eğilme, kesme ve eksenel etkiler altındaki eleman şekil değiştirmeleri ve yapının yer değiştirmelerine katkıda bulunan diğer tüm şekil değiştirmeler, (2) geometri değişimlerinin denge denklemleri üzerindeki etkilerini göz önüne alan, sistem genelindeki (P-Δ) ve eleman bazındaki (P-δ) ikinci mertebe etkileri, (3) geometrik kusurlar, (4) doğrusal olmayan şekil değiştirmelerin etkisini temsil eden rijitlik azaltılması. Dış yükler ile bağımlı olan bu etkiler işletme (servis) yüklerinin 1,6 katsayısı ile arttırılması durumuna karşı gelmektedir. Yapıyı oluşturan elemanların sahip olmaları gereken dayanımın belirlenmesi için yürütülecek yapısal analizde, yapının stabilitesine katkıda bulunan tüm yapısal elemanların rijitlikleri 0.80 katsayısı uygulanarak azaltılacaktır. 130

5 Yapıdaki geometrik kusurlarının kararlılık üzerine etkilerinin hesapta göz önüne alırken iki farklı yöntem izlenebilir. Bu yöntemlerin birinde geometrik kusurlar yapısal analizde doğrudan modellenebilir. Diğer bir yöntem ise, geometrik kusurların fiktif yükler ile temsil edilmesidir. İkinci mertebe hesabında dikkate alınacak geometrik kusurlar yapının birinci burkulma modu ile uyumlu ve mertebesindedir. Şekil 2 İzmir Adnan Menderes Yeni İç Hatlar Terminali Giden Yolcu Holü üzerindeki Tonoz Çatı sisteminin iç mekandan perspektif görünümü. Fiktif yükler, tüm düğüm noktalarında geometrik kusurları temsil eden enine yükler olarak etkitilebilir. Diğer yükler ile birlikte toplanacak olan bu yüklerin büyüklüğü aşağıdaki denklem ile hesaplanacaktır. N i = 0.002αY i (1) Burada, α =1.0 (YDKT: Yük ve Dayanım Katsayıları ile Tasarım - birleşimleri), α = 1.6 (GKT: Güvenlik Katsayıları ile Tasarım - birleşimleri), N i = i sayılı elemanın uçlarına etkitilecek fiktif yükleri, Y i = i elemanında, kullanılan hesap yöntemine göre, YKDT veya GKT yükleme altında hesaplanan eksenel kuvveti göstermektedir. Adnan Menderes İç Hatlar Terminali, gidiş holü üzerinde yer alan Tonoz Çatı sistemi üzerinde gerçekleştirilen tümsel kararlılık analizlerinin sonucunda, söz konusu çelik konstrüksiyon çatı sistemine ait bir tümsel burkulma güvenlik katsayısı hesaplanmıştır. fs burkulma = 6.85 (2) Burada, fs burkulma katsayısı hesaplanan burkulma yükünün, servis durumu yüklerine oranıdır. Tonoz Çatı sisteminin birinci burkulma mod şekli Şekil 3 te verilmiştir. 131

6 Şekil 3 Adnan Menderes Yeni İç Hatlar Terminali Gidiş Holü üzerindeki Tonoz Çatı sisteminin birinci burkulma mod şekli. Düşey Deprem Analizi Özellikle tonozlu, kemerli büyük açıklıklı döşeme ve çatı sistemlerinin depreme dayanıklı olarak tasarımında, düşey deprem etkilerinin de dikkate alınması gerekli olmaktadır. Düşey deprem etkilerinin yapısal tasarım sürecine dahil edilmesi için, ACSE 7-10 ve Eurocode 8.1 yönetmelikleri belirli ölçüde farklı yaklaşımlar içermektedir. Çeşitli Uluslararası yönetmeliklerde izlenen yaklaşımlara paralel olarak, Adnan Menderes Havalimanı Yeni İç Hatlar Terminalinin depreme dayanıklı tasarımında, düşey deprem etkileri, yatay elastik deprem spekturumu 2/3 oranıyla ölçeklendirerek elde edilen düşey elastik spektrum ile temsil edilmiştir. Tonoz çatı sisteminin birinci düşey titreşim mod şekli Şekil 4 ve 5 te verilmiştir. Çatı sisteminin deprem hesaplarında esas alınan deprem etkileri (E), yatay deprem etkilerinin iki orthogonal doğrultudaki bileşenleri (E x, E y ) ve düşey deprem etkilerinin (E z ) aşağıdaki denklemde verilen kombinasyonu ile hesaplanmıştır. E E E E =± x ± 0.3 y ± 0.3 z E Ey 0.3Ex 0.3Ez =± ± ± E =± Ez ± 0.3Ex ± 0.3Ey (3) Bu yaklaşım uygulanarak elde edilen analizlerin sonuçları, ASCE 7-10 ve Eurocode 8.1 yönetmeliklerinde tanımlanan yöntemlerin sonuçları ile karşılaştırılmış ve genel olarak sonuçlar arasında uyum bulunduğu saptanmıştır. 132

7 Şekil 4 Tonoz Çatı Sistemi düşey titreşim mod şekli (isometrik görünüş). Şekil 5 Tonoz Çatı Sistemi düşey titreşim mod şekli (A-A kesiti). Ayrı Bloklar Arasında Yer Alan Bağlantı Sistemleri Yapı ve deprem mühendisliği uygulamalarında, birbirinden ayrı olan yapı blokları veya belirli bir düzeyin üzerinde bağımsız davranan bina bölümleri arasında yer alan bağlantı sistemleri ile sıklıkla karşılaşmaktadır. Bu gibi durumlarda, bağlantı sisteminin mesnetleri genel olarak bir ucunda sabit ve diğer ucunda, her iki dik doğrultuda hareketli olacak şekilde detaylandırılır. Hareketli mesnetlerde beklenen maksimum bağıl yer değiştirme, iki yapı bloğunun zıt yönlerde hareket edeceği varsayılarak ve hesaplanan yer değiştirmelerin mutlak toplamı esas alınarak belirlenir. Ayrı yapılar arasında uzanan yapı elemanları için tasarım kuralları ASCE Yönetmeliği (ASCE / SEI 7-10) son sürümünde verilmiştir. Buna göre, yapı önem katsayıları kullanılmaksızın hesaplanan yer değiştirmelerin mutlak değerleri toplamı 1.50 değerinde bir büyütme katsayısı ile çarpılır. Ayrıca, yer değiştirme hesaplarında burulma şekil değiştirmeleri ve diyafram şekil değiştirmeleri de dikkate alınmalıdır. Bu şekilde, bağlı yapı bloklarının ve bina bölümlerinin göreli yer 133

8 değiştirmeleri nedeniyle, düşey mesnetlerinin kaybı ve dolayısıyla yapısal göçme belli bir güvenlikle önlenmiş olur. Adnan Menderes İç Hatlar Terminalinin farklı dinamik özelliklere sahip olan ayrı blokları arasındaki açıklığın üzerini kaplayan, Origami şeklindeki çelik konstrüksiyon çatı sisteminin mesnetleri yukarıda tanımlanan prensipler doğrultusunda boyutlandırılmıştır, Şekil 6. Açıklığın apron tarafında yer alan mesnetleri boyuna doğrultuda ve her iki yönde 440mm hareket edebilecek şekilde detaylandırılmıştır. Benzer şekilde, söz konusu mesnetler enine doğrultuda 135mm lik bir hareketi her iki yönde de mümkün kılmaktadır, Şekil 7. Şekil 6 Adnan Menderes Yeni İç Hatlar Terminali Binası tipik en kesiti. Şekil 7 Hareketli mesnet şematik detayı. 134

9 Sonuçlar Bu bildiride, STATICA Mühendislik tarafından İzmir Adnan Menderes Havalimanı Yeni İç Hatlar Terminali yapılarının boyutlandırılmasında karşılaşılan bazı özel yapısal tasarım problemleri için uygulanan hesap yöntemleri özetlenmiştir. Bunlar arasında büyük açıklıklı Tonoz Çatı sisteminin global kararlılık güvenliğinin incelenmesi, büyük açıklıklı çatı sistemlerinin depreme dayanıklı tasarımında düşey deprem etkilerinin dikkate alınması, farklı dinamik özelliklere sahip yapı bloklarından oluşan yapılarda bu blokları birbirine bağlayan yapı sistemlerinin ve birleşim unsurlarının boyutlandırılması konuları yer almaktadır. Böylece, farklı dinamik özelliklere sahip olan binaları veya bina bloklarını birleştiren yapı sistemlerinin (elemanlarının) tasarımında gerekli yer değiştirme kapasitesinin sağlanması ve böylece düşey yükler altında yeterli güvenliğin sağlanması öngörülmektedir. Ayrıca, büyük açıklıklı yapıların tasarımında düşey deprem etkilerinin ve tümsel kararlılık analizlerini içeren tahkiklerin önemi vurgulanmıştır. STATICA Mühendisleri ve bu çalışmanın yazarı tarafından, burada özetlenen ve söz konusu projede ele alınan bu modern mühendislik yaklaşımlarının, halen çalışmaları yoğun bir şekilde devam eden Ulusal Deprem Yönetmeliğimizin yeni versiyonunda (Deprem Etkisi Altında Binaların Tasarımı İçin Yönetmelik 2015) ve çelik yapıların tasarımı ile ilgili standart ve/veya yönetmeliklerde yer alması beklenmektedir. Teşekkür Bildirinin yazarı, İzmir Adnan Menderes Yeni İç Hatlar Terminali projesinin yapısal tasarımında görev alan STATICA Mühendislik ekibine ve özellikle bu bildirinin hazırlanmasında önemli katkıları olan İnş. Yük. Müh. Bahadır Özcihan ve Prof. Dr. Erkan Özer e ile TAV İnşaat Yapısal Tasarım Koordinatörü Dr. Ahmet Çıtıpıtıoğlu na en derin teşekkürlerini sunar. Kaynaklar ANSI/AISC (2010) Seismic Provisions for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, Chicago, Il., Draft. ANSI/AISC (2010) Specification for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, Chicago, Il. 135

10 ASCE/SEI 7-10 (2010) Minimum Design loads for Buildings and Other Structures, American Society of Civil Engineers, Reston, VA. DBYBHY (2007) Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik, Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, Ankara. CEN (2004) Eurocode 8 - Design of Structures for Earthquake Resistance - Part 1: General Rules, Seismic Actions and Rules for Buildings, European Committee for Standardization, Brussels. Ghosh SK et al. (2011) Significant Changes to the Seismic Load Provisions of ASCE 7-10: An Illustrated Guide, ASCE Press, Reston, VA. Ozer, Cem, et al, (2014) Application of Modern Seismic Code Provisions to Earthquake Resistant Design of Steel Buildings, The Second European Conference on Earthquake Engineering and Seismology (2ECEES), Istanbul. 136