BÖLÜM 3 YAPI MEKANİĞİ ANABİLİM DALI

Transkript

1 BÖLÜM 3 YAPI MEKANİĞİ ANABİLİM DALI Yapı Mekaniği Anabilim Dalı, İnşaat Mühendisliği eğitiminde önemli pek çok mesleki dersi veren öğretim elemanlarını bünyesinde bulunduran önemli bir anabilim dalıdır. Adından da anlaşılacağı üzere yapıların mekanik davranışlarının deneysel ve matematiksel yöntemlerle incelenmesi, yapısal tasarım ve analiz çalışmaları genel olarak Yapı Mekaniği Anabilim Dalı nın çalışma alanlarını oluşturmaktadır. Pek çok inşaat mühendisliği bölümünde Yapı Anabilim Dalı adı altında yapı mekaniği ve yapı malzemesi hatta deprem mühendisliği alanında çalışan akademisyenler bir arada toplanmışlardır. Ancak, sıralanan alt disiplinlerin hepsi birbiriyle bağlantılı olmakla birlikte genel olarak birbirinden bağımsız ve oldukça geniş alanlarda çalışmalarını sürdürürler. Bu nedenledir ki; inşaat mühendisliği bölümü yapılanmalarında Yapı Mekaniği Anabilim Dalı, Yapı Malzemesi Anabilim Dalı ve Deprem Mühendisliği Anabilim Dalı gibi ayrı alanlar açıldığı görülmektedir ki; bu uygulama doğru bir yaklaşım olarak yaygın kabul görmektedir. Bu bölümde, öncelikli olarak Yapı Mekaniği Anabilim Dalı kapsamında yürütülen çalışmalar, bu çalışmalarla ve inşaat mühendisliği eğitimi ile ilgili olarak verilen dersler ve Yapı Mekaniği alanının genel mühendislik uygulamaları içerisindeki yeri hakkında genel bilgiler sunulacaktır. Genç inşaat mühendisi adaylarının, teknik detaylara aşina olmamaları nedeniyle mümkün olduğu kadar bilindik bir terminoloji kullanılmaya çalışılacaktır. Bir kez daha ifade edilmelidir ki; inşaat mühendisliği eğitiminin genelinde olduğu gibi özel olarak yapı mekaniği alanında da temel mekanik bilgisi ve mühendislik matematiği konularda öğrencilerin temel bilgi düzeyinde olmaları gereklidir. Aksi durumda, nispeten zorlayıcı olduğu söylenebilecek yapı mekaniği alanı derslerinin başarılması oldukça güç bir hal alabilecektir Pekin Olimpiyat Stadyumu Yapısal Modeli, Simülasyonu ve Uygulaması 1

2 3.1. Yapı Mekaniği Anabilim Dalı Çalışma Alanları Yapı Mekaniği Anabilim Dalı, genel olarak yapı türündeki her türlü inşaat mühendisliği ürünü ile ilgilenir. Yapı denilince akla, konutlar, hastaneler, hava limanları, konser salonları, stadyumlar, vb. mühendislik ürünleri gelir. Muhtelif Yapı Örnekleri 2

3 Yapı Mekaniği çalışmaları deneysel ve analitik (matematiksel) çalışmalar olmak üzere iki grupta gerçekleştirilmektedir. Yapı mekaniği alanında deneysel çalışmalar yürütmek büyük hacimli laboratuvarlar ve büyük bütçeler gerektirmektedir. Bu nedenledir ki; son dönemlerde bilgisayar teknolojilerinin de gelişimi ile birlikte hesaplamalı mühendislik uygulamaları yapı mekaniği alanında deney yapmanın zor olduğu konularda sıklıkla yapı mekaniği araştırmacıları tarafından tercih edilir bir duruma gelmiştir. Yapı Mekaniği Anabilim Dalı genel olarak aşağıdaki alanlarda çalışmalar yürütür. Bu alanlarda genel olarak gerçekleştirilen çalışmalarla birlikte, inşaat mühendisliği eğitimi kapsamında verilen ilgili dersler hakkında genel bilgiler aşağıda sunulmaktadır. 1. Yapısal Analiz Çalışmaları 2. Yapısal Tasarım Çalışmaları 3. Mevcut Yapıların Statik ve Dinamik Performanslarını Değerlendirme Çalışmaları 4. Mevcut Yapıların Güvenle Yıkılması Çalışmaları 5. Mevcut Yapıların Güvenle Taşınması Çalışmaları İnşaat mühendisliği eğitimi kapsamında yapısal analiz çalışmaları ile ilgili olarak Yapı Statiği, Yapı Dinamiği, Matris Yöntemlerle Yapısal Analiz, İleri Yapısal Analiz, Yüksek Yapıların Yapısal Analizi, Tarihi Yapıların Yapısal Analizi, vb. zorunlu ve seçmeli dersler okutulmaktadır Yapısal Analiz Çalışmaları İnşaat mühendisliği alanında yapısal analiz çalışmaları çok önemli bir yer tutmaktadır. Yapısal analiz çalışmalarında esas olan, yapıya etki edebilecek statik ve dinamik nitelikli dış kuvvetler altında yapı taşıyıcı sisteminde oluşacak iç kuvvetlerin hesaplanmasıdır. Hesaplanan bu iç kuvvetler, yapısal tasarım aşamasında söz konusu yükleri güvenle taşıyacak yapısal eleman boyutlarının belirlenmesinde ya da en uygun yapısal eleman türünün belirlenmesinde kullanılır. Yapısal analiz çalışmalarını gerçekleştirebilmek için öncelikle yapı taşıyıcı sistemi, yük, iç tesirler gibi temel kavramlarının bilinmesi gerekmektedir. 3

4 Aya Sofya ve Yapısal Modeli (minareler hariç) Yapı taşıyıcı sistemi; kolon, kiriş, perde duvar, döşeme, kemer, tonoz, kubbe, gergi askı, çubuk elemanlar, kablolar gibi yük taşıyabilen yapısal elemanların bir araya getirilmesi ile oluşturulan ve tasarlanan yapıya etki eden tüm yükleri güvenle taşıyarak temel yapısına aktaran yapısal elemanlar bütünüdür. Çeşitli Kolon Örnekleri Çeşitli Kiriş Örnekleri 4

5 Çeşitli Kemer Örnekleri Çeşitli Kubbe Örnekleri Çelik Taşıyıcı Sistem Yığma Taş Taşıyıcı Sistem Betonarme Bina Taşıyıcı Sistem 5 Betonarme Bina İnşaat Sonrası Görünüm

6 Yapılara etkiyen yükler; yapının ekonomik ömrü boyunca taşıması planlanan yüklerdir. Yapısal analiz yapılırken, öncelikle tek tek ilgili yükler ve miktarları belirlenir. Analiz esnasında bu yüklerin belli kombinasyonlar halinde yapıya etki ettiği durumlar dikkate alınır. Yapıya etki eden yüklerden en önemlileri olarak; yapının kendi ağırlığı (ölü yük), yapı içerisindeki eşya ve canlıların ağırlıkları (hareketli yük), deprem yükleri (dinamik yükler), kar ve rüzgar yükleri (yapının yapıldığı alanda oluşabilecek en şiddetli rüzgar ve yağabilecek maksimum kar miktarının optimize edilmiş değerleri), sıcak soğuk etkisi, vb. etkiler sıralanabilir. Yük kombinasyonlarında ise, yapıya aynı anda birden fazla yük etki etmesi durumu göz önünde bulundurulur. Konuyla ilgili olarak aşağıdaki örnek sunulabilir: Fabrika Binası + Çatısında Kar Var + Yeni Makinalar Alındı + Deprem Oldu = Ölü Yük + Kar Yükü + Hareketli Yük + Deprem Yükü Ölü Yükler; yapının kendi ağırlığından kaynaklanan yüklerdir. Yapıda Ölü Yükler Hareketli Yükler; binadaki ekipman, eşya, ağırlıklarından kaynaklanan yüklerdir. Yapılarda Hareketli Yükler 6

7 Kar ve Rüzgar Yükleri; kar ve rüzgar etkisi ile yapıda oluşan dış yüklerdir. Kar Yükü Rüzgar Yükü Deprem Yükleri; yer kabuğunda oluşan depremler nedeniyle yapıda oluşan yatay doğrultulu dinamik yüklerdir. Deprem Yüklerinin Oluşumu ve Merkez Üssüne Bağlı olarak Yapılara Etkisi Oturma yükleri; genelde bir zemin problemi olarak ele alınan bu durumda yapının temelinin oturduğu zemin yapının belirli bir bölgesinde daha fazla çöker ve buda yapıya oturma yükü adı verilen ek yükler getirir. Pisa Kulesi ve Oluşan Oturma Yükleri İtalya 7

8 İç tesirler; yapının taşımak durumunda kaldığı dış yüklerin yapı taşıyıcı sistemini oluşturan yapısal elemanlar tarafından paylaşılması neticesinde her bir taşıyıcı elemanda eksenel yük, kesme kuvveti ve eğilme momenti (alan elemanlarda gerilmeler) olarak ortaya çıkan etkilerdir. Yapısal elemanlar, bu etkileri güvenle taşıyabilecek şekilde boyutlandırılırlar. Tasarımda esas olarak bu iç kuvvetler kullanılacağı için, güvenli bir yapı tasarımı öncesi yapılacak olan yapısal analizin doğru olması çok önemlidir. kesme kuvveti Basit eğilme momenti Basit Mesnetli Bir Kirişte Kesme Kuvveti ve Eğilme Momenti Diyagramları Yapısal analiz çalışmasında en önemli unsurlardan birisi de yapının matematiksel modelinin kurulmasıdır. Bu, gerçekte 3 boyutlu olan yapısal elemanların basit bir şekilde incelenebilmesi için idealize edilmiş yapısal modellerden yararlanılır. İdealize Edilmiş Yapısal Sistem Örneği 8

9 İdealize Edilmiş Yapısal Sistem Örneği Deney Modeli Yapısal Analiz Sonucu Elde Edilen Şekil Değiştirme 9

10 NOT: Yapısal analiz çalışmalarında sadece yapının tamamlandıktan sonraki haliyle taşıyacağı yükler için analiz yapılmamalıdır. Analizi yapan mühendisin özellikle ağır döşemeye sahip yapılarda yapım esnasında oluşacak yükler altında da yapının analizlerini yapıp, inşaat esnasında yapım güvenliğini sağlayacak şekilde tasarım yapabilmesi için gerekli iç kuvvet verilerini sağlaması gerekir! Sıklıkla Yaşanan İnşaat Esnasında Çöken Bina Haberi 10

11 5.3. Yapısal Tasarım Çalışmaları: Yapı Mekaniği alanında gerçekleştirilen önemli çalışmaların ikincisi yapısal tasarım çalışmalarıdır. Tasarım, yapısal analizden elde edilen en kritik iç tesirlere dayanabilecek güçte yapısal eleman şekil ve boyutlarının belirlenmesidir. Örneğin, analiz sonucunda maksimum 300 ton eksenel yüke maruz kalması öngörülen betonarme bir kolonun içine yerleştirilecek çelik donatı miktarı (halk arasında demir denmektedir) ve kolonun kesit boyutlarının belirlenmesi bir yapısal tasarımdır. Hesaplanan betonarme çeliğinin kesit içerisine yerleştirilmesi de detaylandırma adını alır ki; yapının yükler altındaki davranışı üzerine özellikle çelik donatı bağlantılarının önemli etkileri vardır. Betonarme Bir Kolonun Yapısal Analizi, Donatı Tasarımı ve Donatı Detayı İnşaat mühendisliği eğitimi süresince; betonarme, özel betonarme yapıların tasarımı, çelik yapıların tasarımı, ahşap ve çubuk yapıların tasarımı, köprü ve viyadük tasarımı, depolama yapılarının tasarımı, yüksek yapıların tasarımı,depreme dayanıklı tasarım ilkeleri, öngermeli beton tasarımı, yapıların onarım ve güçlendirilmesi, vb. isimler altında çok sayıda yapısal tasarım dersi okutulmaktadır. NOT: Yapıların tasarımının yanısıra, ekonomik ömrünü tamamlamış olan yapıların kontrollü bir biçimde yıkılması çalışmaları da yapı mekaniği çalışma alanının konularından birisidir. Patlayıcı Madde İle Kontrollü Bir Biçimde Yüksek Baca Yıkımı Frankfurt /Almanya 11

12 5.4. Mevcut Yapıların Statik ve Dinamik Performanslarını Değerlendirme Çalışmaları Yapı mekaniği alanı, sadece yeni yapı tasarımı ile değil mevcut yapıların çeşitli amaçlar için yapısal performanslarının belirlenmesi çalışmalarını da yürüten bir disiplindir. Bu çalışmalara örnek olarak, mevcut yapıların deprem performanslarının belirlenmesi çalışmaları örnek gösterilebilir. Genellikle betonarme konut türü yapıların olası bir depreme dayanıp dayanamayacakları konusunda rapor düzenlenebilmesi için uzman inşaat mühendisleri tarafından analiz çalışmaları yaparak yapının detaylı bir biçimde incelenmesi gerekmektedir. Ülkemizin bir deprem ülkesi olması nedeniyle yakın zamanda yapılan yasal değişikle birlikte, deprem riski olan bölgelerdeki tüm yapılar için sismik performans incelemesi yaptırılması yasal bir zorunluluk haline gelmiştir. Sağlıklı bir kentsel dönüşüm için gerekli olan bu raporlama çalışmalarını gerçekleştiren inşaat mühendislerinin yapı mekaniği alanında uzman teknik kişiler olmasına çok dikkat edilmelidir. Sismik risk raporlarının düzenlenmesi çalışmalarında öncelikle yapının yerinde incelendiği ve malzeme örneklerinin alındığı saha çalışması, daha sonra malzeme örneklerinin incelendiği laboratuvar çalışmaları ve nihai olarak da bilgisayar ortamında yapısal analiz ve performans değerlendirme çalışmaları gerçekleştirilir. Yine son yıllarda tarihi yapıların geleceğe güvenle devredilebilmesi konusunda teknik çalışmalar yoğunlaşmış ve tarihi yapıların sismik performanslarının belirlenmesi ve deprem dayanımlarının artırılması çalışmaları önem kazanmıştır. Bu çalışmalar oldukça zor yapı mekaniği araştırmalarıdır. Yapısal Model ve Deprem Tasarım Spektrumu 12

13 3 Boyutlu Yapısal Model Üzerinde Tarihi Bir Yapının Sismik Performans Analiz Çalışması Mevcut yapılara yeni yapısal eleman eklenmesi, ya da bir kısmının yıkılması gibi uygulamalar gündeme geldiğinde, devreye yine yapı mekaniği alanında uzman inşaat mühendisleri girmektedirler. Yapılacak ekleme, çıkarma ya da yeni düzenlemelerle birlikte oluşacak yeni sistemin yapısal güvenliğinin incelenmesi gerekmektedir. Bu durumda hem mevcut sistemin analizi hem de eklenecekse eğer yeni yapısal elemanların tasarımı gibi birden fazla çalışmanın aynı anda yürütülmesi gerekebilmektedir. İnşaat mühendisliği bölümlerinde yapısal performans belirleme konusunda; tarihi yapıların analizi, betonarme yapıların deprem performanslarının belirlenmesi, depreme dayanıklı yapı tasarımı, vb. dersler okutulmaktadır. Yararlanılan Bazı Kaynaklar Sanal kaynaklardan görsel materyal temini 13