ZEMİN SINIFLARI VE DEPREM BÖLGELERİNİN BİNA YATAY YÜKLERİNE ETKİSİ. Özgür MURATOĞLU 1 Ömer ÖZKAN 2, muratogluozgur@hotmail.com, ozkan@karaelmas.edu.

Transkript

1 ZEMİN SINIFLARI VE DEPREM BÖLGELERİNİN BİNA YATAY YÜKLERİNE ETKİSİ Özgür MURATOĞLU 1 Ömer ÖZKAN 2, muratogluozgur@hotmail.com, ozkan@karaelmas.edu.tr ÖZ: Son yıllarda yaşamış olduğumuz depremler neticesinde güvenilir yapı tartışması başlamıştır. Depremlerde yapı hasarına etki eden etmenler;, deprem karakteristiği ve yapı özellikleri olarak üç ana gurupta toplanabilir. Geçmiş depremlerde zemin sınıflarının belirlenmesinde yapılan yanlışlıklar, yapılarda meydana gelen hasarların ve can kayıplarının artmasına sebep olmuştur. sınıflarının ve deprem ivmelerinin yapıya etki eden deprem kuvvetlerini etkilediği bilinmektedir. Çalışmamızda yerel zemin sınıflarının ve deprem bölgelerinin değişmesi ile yapıda meydana gelen deprem kuvvetleri incelenmiştir. Deprem kuvvetlerinde meydana gelen değişimin de yapı maliyetini etkileyeceği bir gerçektir. Anahtar Kelimeler: Deprem bölgesi, sınıfı, Eşdeğer deprem kuvveti, Yatay yükler, Yapı maliyeti. Giriş Depreme güvenli yapı tartışmasının yapıldığı bu günlerde, depremde hasara neden olan bütün etmenlerin gözden geçirilmesi ve bunun neticesinde gerekli önlemlerin acilen alınması gerekmektedir. Depremlerde hasara yol açan etmenler, deprem karakteristiği, zemin sınıfı ve yapı özellikleri olarak üç ana gurupta ifade edilebilir. Kocaeli ve Düzce depremleri incelendiğinde meydana gelen hasarların bir noktadan bir noktaya farklı davranış gösterdiği görülmektedir [Ansal, 1994; Ansal vd., 1993 vd.]. Bu nedenle sadece sismik veriler kullanılarak yapılan makro bölgelemeden daha detaylı çalışmaların yapılması gerekmektedir [Ansal, 1998; Ansal and İyisan, 1998]. Özellikle zemin tabakalarının cins, kalınlık ve yeraltı su seviyesi gibi özelliklerin değişebilir olması yakın bölgelerde aynı proje ile inşa edilmesine rağmen farklı hasara yol açabilmektedir [Ansal and Lav, 1995; Ansal vd. 1993]. Aynı deprem büyüklüğünde iki farklı zeminde oluşan maksimum hızlar ve ivmeler şekil 1 de görülüyor. Şekil 1. Deprem İlişkisi Şekil 1 de de görüldüğü gibi, zayıf dolgu zeminde deprem hareketi daha hızlı, sağlam zeminde ise daha yavaş ilerliyor. Aynı deprem büyüklüğünde iki farklı zeminde oluşan maksimum ivmeler incelendiğinde, sağlam zeminlerin maksimum ivme değerleri zayıf zemine göre bir miktar daha fazladır. Ancak, sağlam zeminlerde maksimum ivmelerin görüldüğü periyot aralığı kısadır. 0.1 saniye ile 0.4 saniye aralığında maksimum ivme oluşur ve 0.5 periyodundan sonra hızla düşerek etkisini kaybeder. Eğer binanın periyodu 1 sn civarında ise, sağlam zeminde deprem ivmesi yarı yarıya daha az hissedilir. Bu da binanızın depremden büyük bir hasar almadan kurtulmasını sağlayabilir. lerin ivme spektrumu ve periyot arasındaki ilişkisi Şekil 2 de verilmektedir. Zayıf zeminlerin maksimum ivme değerleri sağlam zemine göre daha az olmasına karşın maksimum ivmelerin görüldüğü periyot aralığı çok daha uzundur. Bu zeminlerde 0.3 saniye ile 1 Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Müh. Fak., İnşaat Müh. Böl., Zonguldak 2 Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Alaplı MYO, 67850, Alaplı Zonguldak 1097

2 1.3 saniye aralığında maksimum ivmeler oluşur. Bu nedenle zayıf zeminde sadece alçak katlı binalara izin verilmelidir [Aksel, 1993]. Şekil 2. Farklı lerde İvme Spektrumu ve Periyot Arasındaki İlişki Deprem bölgelerinde yapılacak yapıların tasarımı ve boyutlandırılmasında düşey yüklerin yanı sıra deprem yüklerinin etkisi de önemli rol oynar ve genellikle yapı yüksekliği ve bölgenin depremselliği arttıkça bu etki ön plana çıkar. Bu bağlamda deprem yükleri esas alınarak tasarlanmış bir binanın taşıyıcı sistemini oluşturan elemanların her biri, deprem yüklerini karşılayacak yeterli rijitliğe, dayanıma ve bu yükleri birbirine aktaracak kararlılığa sahip olmalıdır [AFYYHY, 1997]. Hemen hemen tüm deprem yönetmeliklerinde, yapılardaki deprem etkisi eşdeğer yatay kuvvetlere dönüştürülerek incelenir. Ancak yapının taşıyıcı sisteminde düzensizlikler bulunması durumunda, davranışın daha ayrıntılı biçimde belirlenebilmesi, için dinamik hesap yöntemi de kullanılır [Celep ve Kumbasar, 2000]. Depremlerde yapı hasarına etki eden etmenlerden bir tanesi olan zemin sınıflarının belirlenmesinde yapılan yanlışlıklar, zemin sınıfının belirlenmesinin önemini arttırmaktadır. Çalışmamızda yerel zemin sınıflarının ve deprem bölgelerinin değişmesi ile yapıda meydana gelen deprem kuvvetleri incelenmiştir. Deprem kuvvetlerinin taşıyıcı elamanların boyutlarına etki edeceği bilinmektedir. Bu etki de doğal olarak yapı maliyetine etki edecektir. Amaç ve Yöntem sınıflarının belirlenmesinde en üst zemin tabakasının kalınlığının belirlemek için sondaj yapılması en doğru seçenektir. Bunun dışında kullanılan yöntemlerde hata riski her zaman mevcut bulunmaktadır. Bunun yanında zemin karakteristiklerinin belirlenmesi amacıyla birçok noktada sondaj yapılması da en doğru çözümdür. Buna rağmen zemin sınıflarının belirlenmesin de yanlışların yapılabileceği düşünülerek, bu çalışmada deprem bölgelerine ve zemin sınıflarına göre yapıya etki eden deprem kuvvetleri incelenmiştir. Etki eden deprem kuvvetlerinin deprem bölgelerine ve zemin sınıflarına göre regresyon tahmin denklemi oluşturulmuştur. Üç farklı proje modeli kullanılmış, kullanılan proje kalıp planları Ek te verilmektedir. Her bir proje 4 ve 8 kat olmak üzere projelendirilmiştir. Her bir projede yapıya etki eden deprem kuvvetleri C++ diline yazılan basit bir program ile belirlenmiştir. Yatay deprem kuvvetleri aşağıdaki şu formüller yardımı ile hesaplanmıştır. Binanın birinci doğal titreşim periyodu (T) T= Ct. H N 3/4 (1) Spektrum Katsayısı (ST 1 ) 1098

3 ST 1 = 1+1,5 T/ TA (0 T TA) (2) ST 1 = 2,5 (TA <T TB ) ST 1 = 2,5 (TB/T) 0,8 (T > TB) Spektral ivme katsayısı (AT1) AT 1 = A 0. I. ST (3) Toplam Eşdeğer deprem yükünün belirlenmesi (taban kesme kuvveti) (Vt) V t = W. AT 1 / Ra.T (4) Toplam Eşdeğer deprem yükünün bina katlarına dağıtılması (Fi) Fi ( Vt Fn). Wi. Hi = N J = 1 ( Wj. Hj) (5) C t H N A 0 T A, T B T I Ra F i : Eşdeğer deprem yöntemi doğal titreşim periyodu katsayısı : Bina yüksekliği : Etkin yer ivme katsayısı deprem bölgelerine göre değer alır :Yerel zemin sınıfına göre spektrum karakteristik periyotlarıdır : Bina doğal titreşim periyodu : Bina önem katsayısı : Süneklik düzeyidir. : Katlara etkiyen eşdeğer deprem yükü Değerlendirme ve Tartışma Hesap Sonuçları Çalışmada kullanılan üç tip projenin, 1. doğal titreşim periyodu, spektral ivme katsayısı, eşdeğer deprem yükleri, katlara etkiyen deprem kuvvetleri hesaplanmıştır. 4 kat olarak tasarlanan yapıların hesap sonuçları tablo 1 de verilmektedir. Tablo 1. 4 Kat Hesap Sonuçları A KALIP PLANI Eşdeğer YAPININ 1. Ao W (ton) Deprem DOĞALTİTREŞİM 1. Kat 2. Kat 3. Kat 4. Kat Yükü PERİYODU (T) Z1 1. BÖL 942, ,4286 0,751 Z1 2. BÖL 942, ,4286 0,563 Z1 3. BÖL 942, ,4286 0,375 Z1 4. BÖL 942, ,4286 0,187 Z2 1. BÖL 942, ,4286 0,946 Z2 2. BÖL 942, ,4286 0,709 Z2 3. BÖL 942, ,4286 0,473 Z2 4. BÖL 942, ,4286 0,236 Z3 1. BÖL 942, ,4286 1,000 Z3 2. BÖL 942, ,4286 0,750 Z3 3. BÖL 942, ,4286 0,500 SPEKTRAL İVME KATSAYIS I 1099

4 B KALIP PLANI C KALIP PLANI Z3 4. BÖL 942, ,4286 0,250 Z4 1. BÖL 942, ,4286 1,000 Z4 2. BÖL 942, ,4286 0,750 Z4 3. BÖL 942, ,4286 0,500 Z4 4. BÖL 942, ,4286 0,250 SPEKTRAL Eşdeğer YAPININ 1. İVME Ao W (ton) Deprem DOĞALTİTREŞİM KATSAYIS Yükü PERİYODU (T) 1. Kat 2. Kat 3. Kat 4. Kat I Z1 1. BÖL 824, ,4286 0,751 Z1 2. BÖL 824, ,4286 0,563 Z1 3. BÖL 824, ,4286 0,375 Z1 4. BÖL 824, ,4286 0,187 Z2 1. BÖL 824, ,4286 0,946 Z2 2. BÖL 824, ,4286 0,709 Z2 3. BÖL 824, ,4286 0,473 Z2 4. BÖL 824, ,4286 0,236 Z3 1. BÖL 824, ,4286 1,000 Z3 2. BÖL 824, ,4286 0,750 Z3 3. BÖL 824, ,4286 0,500 Z3 4. BÖL 824, ,4286 0,250 Z4 1. BÖL 824, ,4286 1,000 Z4 2. BÖL 824, ,4286 0,750 Z4 3. BÖL 824, ,4286 0,500 Z4 4. BÖL 824, ,4286 0,250 SPEKTRAL Eşdeğer YAPININ 1. İVME Ao W (ton) Deprem DOĞALTİTREŞİM KATSAYIS Yükü PERİYODU (T) 1. Kat 2. Kat 3. Kat 4. Kat I Z1 1. BÖL 1052, ,4286 0,751 Z1 2. BÖL 1052, ,4286 0,563 Z1 3. BÖL 1052, ,4286 0,375 Z1 4. BÖL 1052, ,4286 0,187 Z2 1. BÖL 1052, ,4286 0,946 Z2 2. BÖL 1052, ,4286 0,709 Z2 3. BÖL 1052, ,4286 0,473 Z2 4. BÖL 1052, ,4286 0,236 Z3 1. BÖL 1052, ,4286 1,000 Z3 2. BÖL 1052, ,4286 0,750 Z3 3. BÖL 1052, ,4286 0,500 Z3 4. BÖL 1052, ,4286 0,250 Z4 1. BÖL 1052, ,4286 1,000 Z4 2. BÖL 1052, ,4286 0,750 Z4 3. BÖL 1052, ,4286 0,500 Z4 4. BÖL 1052, ,4286 0,250 8 kat olarak tasarlanan projelerin, 1. doğal titreşim periyodu, spektral ivme katsayısı, eşdeğer deprem yükleri, katlara etkiyen deprem kuvvetleri hesaplanmıştır. Hesap sonuçları tablo 2 de verilmektedir. Tablo 2. 8 Kat Hesap Sonuçları A KALIP PLANI Yapının 1. W Eşdeğer Spektral Doğal Ao Deprem İvme (ton) Titreşim Yükü Katsayısı 1. Kat 2. Kat 3. Kat 4. Kat 5. Kat 6. Kat 7. Kat 8. Kat Periyo Z1 1. BÖL ,7207 0,496 Z1 2. BÖL ,7207 0,372 Z1 3. BÖL ,7207 0,248 Z1 4. BÖL ,7207 0,124 Z2 1. BÖL ,7207 0,624 Z2 2. BÖL ,7207 0,468 Z2 3. BÖL ,7207 0,312 Z2 4. BÖL ,7207 0,156 Z3 1. BÖL ,7207 0,863 Z3 2. BÖL ,7207 0,647 Z3 3. BÖL ,7207 0,

5 B KALIP PLANI C KALIP PLANI Z3 4. BÖL ,7207 0,215 Z4 1. BÖL , ,000 Z4 2. BÖL ,7207 0,750 Z4 3. BÖL ,7207 0,500 Z4 4. BÖL ,7207 0,250 Yapının 1. W Eşdeğer Spektral Doğal Ao Deprem İvme (ton) Titreşim 1. Kat 2. Kat 3. Kat 4. Kat 5. Kat 6. Kat 7. Kat 8. Kat Yükü Katsayısı Periyodu Z1 1. BÖL 1648, ,7207 0,496 Z1 2. BÖL 1648, ,7207 0,372 Z1 3. BÖL 1648, ,7207 0,248 Z1 4. BÖL 1648, ,7207 0,124 Z2 1. BÖL 1648, ,7207 0,624 Z2 2. BÖL 1648, ,7207 0,468 Z2 3. BÖL 1648, ,7207 0,312 Z2 4. BÖL 1648, ,7207 0,156 Z3 1. BÖL 1648, ,7207 0,863 Z3 2. BÖL 1648, ,7207 0,647 Z3 3. BÖL 1648, ,7207 0,431 Z3 4. BÖL 1648, ,7207 0,216 Z4 1. BÖL 1648, ,7207 1,000 Z4 2. BÖL 1648, ,7207 0,750 Z4 3. BÖL 1648, ,7207 0,500 Z4 4. BÖL 1648, ,7207 0,250 Yapının 1. W Eşdeğer Spektral Doğal Ao Deprem İvme (ton) Titreşim 1. Kat 2. Kat 3. Kat 4. Kat 5. Kat 6. Kat 7. Kat 8. Kat Yükü Katsayısı Periyodu Z1 1. BÖL 2105, ,7207 0,495 Z1 2. BÖL 2105, ,7207 0,372 Z1 3. BÖL 2105, ,7207 0,247 Z1 4. BÖL 2105, ,7207 0,124 Z2 1. BÖL 2105, ,7207 0,624 Z2 2. BÖL 2105, ,7207 0,468 Z2 3. BÖL 2105, ,7207 0,312 Z2 4. BÖL 2105, ,7207 0,156 Z3 1. BÖL 2105, ,7207 0,863 Z3 2. BÖL 2105, ,7207 0,647 Z3 3. BÖL 2105, ,7207 0,431 Z3 4. BÖL 2105, ,7207 0,215 Z4 1. BÖL 2105, ,7207 1,000 Z4 2. BÖL 2105, ,7207 0,750 Z4 3. BÖL 2105, ,7207 0,500 Z4 4. BÖL 2105, ,7207 0,250 İstatistiksel Değerlendirme Elde edilen sonuçlar regresyon analizine tabi tutularak zemin sınıflarının ve deprem bölgelerinin değişken olduğu yatay kuvvetlerin değişimlerinin fonksiyonu belirlenmeye çalışılmıştır. Regresyon analizi sonuçları tablo 3 ve 4 de görülmektedir. Tablo 3. Sınıflarının Değişken Olduğu Regresyon Sonuçları 4 KAT 8 KAT Proje Method Rsq d.f. F sign. b0 b1 b2 A Kalıp Planı Qua ,6 0, B Kalıp Planı Qua ,41 0, C Kalıp Planı Qua ,78 0, A Kalıp Planı Lineer ,42 0, B Kalıp Planı Lineer ,43 0, ,1 C Kalıp Planı Lineer ,41 0,

6 İstatistiksel sonuçlarda zemin sınıflarının değişken olduğu durumda; 4 katlı yapılarda eşdeğer deprem yükleri ile zemin sınıfı arasında quadratik bir ilişkinin var olduğu, 8 katlı yapılarda ise lineer bir ilişkinin varlığı gözlenmektedir.. Projelerde zemin sınıfları ve deprem kuvvetleri arasındaki ilişki aşağıdaki formüller ile açıklanabilmektedir. V t = Z Z V t = Z Z V t = Z Z V t = Z V t = Z ,1 V t = Z V t = Deprem kuvveti Proje (4 kat) A kalıp planı Proje (4 kat) B kalıp planı Proje (4 kat) C kalıp planı Proje (8 kat) A kalıp planı Proje (8 kat) B kalıp planı Proje (8 kat) C kalıp planı Z = sınıfı Tablo 4. Regresyon Sonuçları 4 KAT 8 KAT Proje Method Rsq d.f. F sign. b0 b1 A Kalıp Planı Lineer ,20E+07 0, B Kalıp Planı Lineer ,56E+07 0, C Kalıp Planı Lineer ,50E+08 0, A Kalıp Planı Lineer ,00E+12 0, B Kalıp Planı Lineer ,40E+11 0, C Kalıp Planı Lineer ,50E+11 0, Projelerin deprem bölgelerinin değişimleri ile meydan gelen deprem kuvvetlerinin değişim ilişkisinin aralarındaki ilişkinin lineer olduğu görülmektedir. Denklem sonuçları ise yer ivmelerinin arttığında binaya etki eden deprem kuvvetlerinin de arttığını ve bu değişimin % 100 lineer olduğunu açıklamaktadır. Projelerde yer ivmesi ve deprem kuvvetleri arasındaki ilişki aşağıdaki formüller ile açıklanabilmektedir. V t = A V t = A V t = A V t = A V t = A V t = A Proje (4 kat) A kalıp planı Proje (4 kat) B kalıp planı Proje (4 kat) C kalıp planı Proje (8 kat) A kalıp planı Proje (8 kat) B kalıp planı Proje (8 kat) C kalıp planı V t = Deprem kuvveti A 0 = Yer ivmesi 4 ve 8 kat için deprem bölgelerinin değişken olduğu durumda yapılara etki eden eşdeğer toplam yükleri gösteren grafik şekil 3 de verilmektedir Eşdeğer Deprem Yükü (ton) Eşdeğer Deprem Yükü (ton) Z1 Z3 1. BÖLGE 2. BÖLGE 3. BÖLGE 4. BÖLGE Z2 Deprem Bölgesleri Z4 0 Z1 Z3 1. BÖLGE 2. BÖLGE 3. BÖLGE 4. BÖLGE Z2 Deprem Bölgesleri Z4 Şekil 3. 4 ve 8 Kat İçin Deprem Bölgelerine Bağlı Eşdeğer Toplam Yükleri 1102

7 4 ve 8 kat için zemin sınıflarının değişken olduğu durumda yapılara etki eden eşdeğer toplam yükleri gösteren grafik şekil 4 de verilmektedir Eşdeğer Deprem Yükü (ton) Eşdeğer Deprem Yükü (ton) Z1 Z2 Z3 Z4 1. BÖLGE 2. BÖLGE Sınıfı 3. BÖLGE 4. BÖLGE 0 Z1 Z2 Z3 Z4 1. BÖLGE 2. BÖLGE 3. BÖLGE 4. BÖLGE Sınıfı Şekil 3. 4 ve 8 Kat İçin Sınıflarına Bağlı Eşdeğer Toplam Yükleri Sonuçlar Çalışma neticesinde üç farklı kalıp planına sahip 4 ve 8 katlı yapıların dört deprem (1., 2., 3. ve 4. ) bölgesine ve dört zemin sınıfına (Z1, Z2, Z3, Z4) göre binaların katlarında meydana gelen deprem yükleri belirlenmiştir. Yerel zemin sınıfları ve deprem bölgeleri de yapının yatay kuvvetlerine etki etmişlerdir.1. derece deprem bölgesindeki bir yapıda, Z1 ve Z2 yerel zemin sınıflarında etki eden yatay yük arasında % 25 fark görülmüştür. Z1 yerel zemin sınıfındaki bir yapıda ise 1. ve 2. deprem bölgeleri arasında % 33 fark görülmüştür. Yapıların proje aşamasında zemin sınıflarında veya deprem bölgelerinin seçiminde yapılabilecek küçük hatalar, eşdeğer deprem yüklerinde değişikliklere sebep olmaktadır. Bu hatalar deprem kuvvetlerine etki etmekle birlikte yapının maliyetinde de değişmelere sebebiyet verecektir. Bu nedenle proje aşamasında zemin sınıflarının belirlenmesinde hataların en aza indirilmesi büyük önem arz etmektedir. Kaynaklar 1. AFYYHY, Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik, Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, Ankara, Aksel, T. Yapıların Deprem Davranışının Tespiti, Master Tez, University of Cincinnati, A.B.D. 1993, 3. Ansal, A. M., 1994, Effect of Geotechnical Factors and Behaviour of Soil Layers During Earthquakes, Stateof-the-Art Lecture, 10 th European Conference on Earthquake Engineering, Balkema Publishers, Rotterdam, pp Ansal, A. M., LAV, A.M., 1995, Geotechnical Factors in 1992 Erzincan Earthquake, 5 th Conference on Seismic Zonation, Nice, Vol. 1, Ansal, A. M., LAV, A.M., İyisan, R. and Erken, A., 1994, Effect of Geotechnical Factors in March 13, 1992 Erzincan Earthquake, Performance of Ground and Soil Structure During Earthquakes, 13 th Int. Conf. Soil Mechanics and Foundation Eng., New Delhi, Ansal, A.M., Şengezer, B.S., İyisan, R. and Gençoğlu, S., 1993, The Demage Distribution in March 13, 1992 Earthquake and Effects of Geotechnical Factors Invited Lecture, Soil Dynamics and Geotechnical Earthquake Engineering, Balkema, Rotterdam, Ansal,A.M. (1998) "Seismic Hazard and Earthquake Characteristics for İstanbul", Keynote Lecture, İnternational Conference on Safety of Big Cities, Balkema Publishers, Roterdam, İstanbul. 8. Ansal,A.M. & İyisan, R. (1998) "Uniform Risk in Site-Spesific Seismic Hazard Analysis" 11 Danube European Conferance on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Porec, Croatia, Belkema Publishers, Rotterdam, pp Celep, Z., Kumbasar, N., Deprem Mühendisliğine Giriş ve Depreme Dayanıklı Yapı Tasarımı, İstanbul,

8 1104