TAŞIYICI DUVARLARDA FARKLI BOŞLUK YAPILANDIRMASINA SAHİP SARILMIŞ YIĞMA YAPILARIN DEPREM DAVRANIŞLARININ İNCELENMESİ. Ali URAL 1

Transkript

1 TAŞIYICI DUVARLARDA FARKLI BOŞLUK YAPILANDIRMASINA SAHİP SARILMIŞ YIĞMA YAPILARIN DEPREM DAVRANIŞLARININ İNCELENMESİ Ali URAL 1 aliural@ktu.edu.tr Öz: Yığma veya kâgir olarak adlandırılan yapılar, insanlığın ilk çağlarından bu yana barınma ihtiyacını karşılayan bir sistemdir. Ülkemizde yoğunlukla kırsal kesimlerde kullanılmaktadırlar. Yapı malzemesi olarak kullanılan taş, tuğla ve kerpiç gibi malzemelerin ekonomik ve kolay bulunabilmesinden dolayı bu tür yapılar günümüzde de tercih edilmektedir. Fakat mühendislik bilgisinin kullanılmadan inşa edilen bu tür yapılar, deprem gibi doğal felaketlere maruz kaldıklarında ciddi hasarlar görerek kullanılamaz duruma düşmektedirler. Diğer ülkelere bakıldığında yığma yapılar hakkında yapılan çalışmalar çok çeşitli alanlarda olmasına karşın %80 den fazlası deprem kuşağında olan ülkemizde bu tür yapılarla ilgili araştırmaların deprem davranışı üzerine yapılması gerekmektedir. Bu çalışmada, taşıyıcı duvarlarında farklı boşluk yapılandırmasına sahip sarılmış yığma yapıların lineer elastik deprem davranışları araştırılmıştır. Lineer elastik analizdeki amaç yapının başlangıç seviyesindeki gerilme ve deplasmanların belirlenip yorumlanmasıdır. Bu amaçla elde edilen sarılmış yığma modellerine dinamik etki olarak 17 Ağustos 1999 da meydana gelen Kocaeli depreminin ivme kaydı uygulanmıştır. Matematiksel modellerin elde edilişinde sonlu elemanlar yöntemi kullanılmıştır. Anahtar Kelimeler: Yığma Yapılar, Deprem Hasarları, Sonlu Elemanlar Yöntemi, Dinamik Analiz Giriş Barınma ihtiyacı insanlığın doğuşuyla başlamaktadır. Tarihin değişik çağlarında insanlar barınma ihtiyacını çeşitli şekillerde gidermeye çalışmışlardır. Mağaralardan gökdelenlere kadar gelen bu süre içerisinde gelişen teknolojiyle çok çeşitli yapı malzemeleri kullanılmış ve çok çeşitli yapı sistemleri denenmiştir. Barınaklar, ilk çağlarda özellikle vahşi doğadan korunma amaçlı yapılsalar da, tarihsel süreç içerisinde iklim ve doğal felaketlere karşı kullanılmaya başlanmıştır. Bu süreçte yığma yapıların kullanımı ilk çağlardan günümüze kadar sürmüştür. Lourenço (1996) çalışmasında yığma türündeki yapıların tarihsel gelişimine yer vermektedir. Milattan önce 1500 lü yıllarda Mısırlıların mezar taşlarına kazıdıkları figürler, yığma yapıların çok eski zamanlarda da kullanıldığının bir işareti olmaktadır (Şekil 1). Şekil 1. Mısırlıların mezar taşlarında duvar ören insan figürleri (Lourenço, 1996) Yığma yapılar, taşıyıcı sistemi doğal taşlar, tuğla veya briket gibi çeşitli malzemelerden yapılmış düşey duvarlardan oluşan yapılardır. Günümüzde hiçbir mühendislik bilgisi olmadan inşa edilen bu tür yapılar, deprem gibi doğal afetler karşısında ya ağır hasar görmekte veya yıkılarak can ve mal kaybına sebep olmaktadırlar. Özellikle kırsal kesimlerde yoğun olarak bu tür yapıların kullanılmış olması, yığmanın ülkemiz için ne denli önemli olduğunu bir kez daha ortaya çıkarmaktadır. Bu sebeplerden dolayı, yaklaşık %80 i deprem 1 Karadeniz Teknik Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü, Trabzon, Türkiye 414

2 kuşağında olan ülkemizde yığma yapıların deprem davranışının bilinmesi, can ve mal kaybını azaltma yolunda önemli sayılabilecek adımlar atılmasına yardımcı olacaktır. Bu amaçla, Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelikte de (ABYYHY) belirtildiği üzere, taşıyıcı duvarlardaki boşluk miktarları ve konumları depreme maruz kalan bir yığma yapıda önemli etkiler meydana getirmektedir. İlgili yönetmelikte bu kriter sadece deprem yönü doğrultusundaki taşıyıcı duvarlarda dikkate alınmaktadır. Çalışmanın ilerleyen kısımlarında Türk Deprem Yönetmeliğinde (ABYYHY) mevcut olan boşluk yapılandırmaları daha ayrıntılı olarak ele alınacaktır. Bu çalışmada birbirinden farklı 4 adet matematiksel model ele alınmıştır. Sonlu elemanlar yöntemiyle üretilmiş ve SAP 2000 yapı analiz programında analizleri yapılmış olan modellerin daha sonra sonuçları karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Analizler, başlangıç seviyesindeki gerilme ve şekil değiştirmelerin önemli olması sebebiyle lineer elastik davranış göz önüne alınarak yapılmıştır. Yığma Yapılardaki Taşıyıcı Duvar Boşlukları Çeşitli ihtiyaçlardan dolayı yığma yapıların taşıyıcı duvarlarında boşluklar bırakılmaktadır. Kapı ve pencerelerden oluşan bu boşlukların konum ve büyüklükleri ABYYHY de standart hale getirilmektedir. İlgili yönetmeliğe göre aşağıdaki şekilden de görüldüğü üzere bina köşelerine en yakın kapı / pencere boşluğu ile bina köşesi arasındaki mesafe minimum 1,0 m ve iki boşluk arasındaki mesafe minimum 0,8 m olması öngörülmektedir. Bunun yanında köşeleri dışında, birbirini dik olarak kesen duvarların ara kesitine en yakın boşluk ile duvarların ara kesiti arasında bırakılacak dolu duvar parçasının plandaki uzunluğu tüm deprem bölgelerinde minimum 0,5 m olması öngörülmektedir. Ayrıca kapı / pencere boşluklarının her birinin plandaki uzunluğu maksimum 3,0 m ve toplam boşluk uzunluğu 0,40. l n den küçük olması istenmektedir (ABYYHY, 1997). 1.ve 2. dep.böl 1,5 m 3.ve 4. dep.böl 1,0 m 1.ve 2. dep.böl 1,0 m l b1 3.ve 4. dep.böl 0,8 m l b 2 0,5 m l b1 ve l b2 3,0 m. ( l b1 + l b2 ) 0,40. l n l n (Mesnetlenmemiş duvar boyu) Şekil 2. ABYYHY e (1997) göre taşıyıcı duvar boşlukları Matematiksel Modeller Yukarıda da belirtildiği üzere deprem doğrultusundaki taşıyıcı duvarlarda farklı boşluk yapılandırmaları üretilerek bu modellerin deprem davranışları incelenmiştir. Buna göre elde edilen modellerin özellikleri aşağıda maddeler halinde açıklanmaktadır. M1 Modeli : Aşağıdaki Şekil 4-a da planı görülen tek katlı yığma yapı ABYYHY deki (1997) kriterlere uygun olarak üretilmiştir. Buna göre deprem doğrultusundaki taşıyıcı duvarlarda bina köşesine en yakın boşluğun aynı köşeye olan uzaklığı 2,0 m ve boşluklar arası mesafe 0,5 m seçilmiştir. Ayrıca bu modelde mesnetlenmemiş duvar uzunluğu boyunca iki adet pencere boşluğu bırakılmıştır. M2 Modeli : Bu modelde mesnetlenmemiş taşıyıcı duvar uzunluğu boyunca bir adet 2,0 m lik pencere boşluğu bırakılmıştır. Bu boşluk Türk Deprem Yönetmeliği kriterine uygun olarak bina köşesinden olan uzaklığı 1,5 m dir (Şekil 4-b). M3 Modeli : Pencere yapılandırması bu modelde taşıyıcı duvar boyunca düzgün olmayan bir şekilde yerleştirilmiştir. Buna göre bina köşesine olan uzaklığı 0,5 m iken diğer düzlem doğrultusunda olan ve ele alınan duvarı dik olarak 415

3 kesen duvara olan mesafesi 1,5 m olarak alınmıştır. Ayrıca bu modelde pencere boyutları planda 3,0 m olarak alınmıştır (Şekil 4-c). M4 Modeli : Analizi yapılan son modelde düzensizlik daha da artırılmış ve boşluğun iç duvar ile olan mesafesi sıfırlanarak boşluğun plandaki uzunluğu 3,5 m ye çıkarılmıştır. Bu modelde boşluğun bina köşesine olan mesafesi 1,5 m dir (Şekil 4-d). Yukarıda belirtilen 4 adet sarılmış yığma modelinin her biri tek katlı ve duvar kalınlıkları 0,30 m olup kullanılan malzemelerin özellikleri aşağıdaki tabloda gösterilmiştir. Tablo 1. Modellerde kullanılan malzemelerin mekanik özellikleri Malzeme Elastisite Modülü Birim Hacim Ağırlığı Poisson Oranı (MPa) (kn/m 3 ) Yığma birim ,2 25 Betonarme döşeme ,2 45 NOT: Sarılmış yığma modellerde kullanılacak olan hatıl ABYYHY e uygun olup 0,.x0,. Ebadında 8 adet 9 luk donatı kullanılmıştır. Analizleri yapılan tüm modellerin kat planları birbirine benzemektedir (Şekil 3). Buna göre deprem doğrultusuna dik olan duvarların plandaki şekil ve konumları aynı olmakla birlikte deprem doğrultusundaki taşıyıcı duvarlar üzerindeki pencere boşlukları modelden modele değişmektedir. Deprem doğrultusunda farklı boşluk yapılandırması uygulanan duvar Deprem doğrultusu... 3,0m.. 3,0m.. 1,0m... 1,0m.. Deprem doğrultusunda farklı boşluk yapılandırması uygulanan duvar Şekil 3. Modellerin ortak noktalarını gösteren genel kat planı 416

4 a) 2m 1m 1m 1m 1m 2m b) 3,5m 3,5m 2m 2m c) d) Şekil 4. Elde edilen matematiksel modellerin kat planları, deprem doğrultusundaki görünüşleri ve perspektifleri, a)m1 modeli, b)m2 modeli, c)m3 modeli, d)m4 modeli Yapılan dinamik analizlerde kullanılmak üzere geliştirilen modellere Yarımca istasyonundan alınan 17 Ağustos 1999 Kocaeli depreminin kuzey-güney ivme bileşeni uygulanmıştır (Şekil 5). 417

5 (cm/s 2 ) YARIMCA K-G t ( s ) Şekil Ağustos 1999 Kocaeli depreminin kuzey-güney bileşeninin ivme kaydı (Yarımca istasyonu) Geliştirilmiş olan modellerin, yapı periyotlarını belirlemek amacıyla Modal analizleri gerçekleştirilmiştir. Daha sonra yukarıdaki Şekil 5 de grafiksel olarak görülen 17 Ağustos 1999 Kocaeli depreminin kuzey-güney bileşeni Şekil 3 teki doğrultuda modellere uygulanarak zaman-tanım alanında analizleri gerçekleştirilmiştir. Zaman-tanım alanında yapılan analizin amacı geliştirilen modellerin dinamik yükler altındaki davranışlarının incelenip bu tür yüklere karşı hangi modelin daha iyi davranış göstereceğini belirlemektir. Analizler Çalışmada geliştirilmiş olan 4 farklı modelin periyotlarının belirlenebilmesi için öncelikle Modal analizleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan analiz sonucunda aşağıdaki Tablo2 de ve Şekil 6 da tüm modellerin periyotları gösterilmektedir. Buna göre geliştirilen tüm modellerin periyotları, modlar ilerledikçe birbirine yakın bir şekilde azalma göstermektedir. 1. modda M1 ve M4 modellerinin periyotları birbirine çok yakın ve en yüksek çıkmışlardır. Buna karşın M3 modelinin 1.periyodu en düşük çıkmıştır. M2 modeli 9. moddan itibaren diğer modellerin periyotlarından gözle görülebilir seviyede yüksek çıkmıştır. Elde edilen bu sonuçlara bakıldığında Türk Deprem Yönetmeliği ne (ABYYHY) uymayan M1 ve M4 modellerinin periyotları ilk 12 modda düzgün olmayan bir grafik çizmişlerdir. Her ne kadar 9. moddan itibaren diğerlerine göre yüksek periyotlara sahip olan M2 modeli ABYYHY e uygun olarak tasarlanmış ve en iyi davranışı göstermiştir. Tablo 2. Geliştirilmiş modellerin periyotları Modlar M1 modeli M2 modeli M3 modeli M4 modeli 1 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

6 yotları 0,065 0,06 0,055 0,05 0,045 0,04 0,035 0, M1 M2 M3 M4 Şeki l 6. Geli ştiril miş olan mod eller in Mod al anali z sonu cund a elde edile n ilk 12 peri Periyotlar 17 Ağustos 1999 Kocaeli depreminin ivme kaydının uygulandığı zaman-tanım alanındaki analizlerde aşağıdaki Şekil 7 de ok işaretleriyle gösterilen bölgelerde maksimum gerilmeler meydana gelmiştir. Buna göre sol ve sağ tarafta bulunan duvar görünüşleri deprem doğrultusuna dik olduğundan dolayı bu duvarlar eğilme davranışı göstermektedir ve her modelde yaklaşık aynı bölgeler birbirine yakın gerilmeler taşımaktadırlar. (a) (b) (c) Şekil 7. Yığma modellerin gerilme şekilleri, a)m1 modeli, b)m2 modeli, c)m3 modeli, d)m4 modeli (d) 419

7 Buna karşın ortadaki duvarlar (Şekil 7) deprem doğrultusuna paralel olduğundan dolayı bu duvarlar kesme etkisine maruz kalmışlardır. Yapılan bu çalışmanın esas amacı da bu duvarlardaki farklı boşluk yapılandırmalarının etkisini incelemektir. Ortadaki duvarlar incelendiğinde M1 modelindeki gerilmeler makul seviyelerde kaldığı görülmektedir. M2 modelinde ise boşlukların sağ alt köşelerinde maksimum gerilmelerin olduğu görülmektedir. M3 modelinde boşlukların sağ alt köşelerindeki gerilmeler M2 ye göre daha fazla yüzeye dağılım göstermiştir ve duvarın sol tarafında bulunan boşluk yanı duvar parçasında gerilme artışları görülmüştür. M4 modelinin sol boşluk çevresinde gerilmeler görülmektedir. Fakat bu modelin en önemli dezavantajı sağ taraftaki boşluğun duvar sonuna bitişik olmasıdır. Bunun sonucunda deprem doğrultusuna dik olan komşu duvarda gerilme dağılımı değişmiş ve bu duvar ekstra gerilmeleri taşımak zorunda kalmıştır. Şekil 8 de modellerin yapmış olduğu maksimum deplasmanlar görülmektedir. Bu şekilden de anlaşılacağı gibi 1.katın tavan seviyelerinde deplasmanlar en büyük çıkmıştır. Standartlara bağlı kalınmadan geliştirilen M3 ve M4 modellerinin yaptığı deplasman miktarları diğer modellerden fazla çıkmıştır. 0,195mm. 0,198mm. a) M1 modeli b) M2 modeli 0,224mm. 0,240mm. c) M3 modeli d) M4 modeli Şekil 8. Geliştirilmiş olan yığma modellerdeki deplasman miktarları Sonuçlar Yapılan bu çalışmada deprem doğrultusundaki duvarlarında farklı boşluk yapılandırması olan 4 adet matematiksel model ele alınmıştır. Sonlu elemanlar yöntemiyle üretilmiş ve SAP 2000 yapı analiz programında analizleri yapılmıştır. Analizler, başlangıç seviyesindeki gerilme ve şekil değiştirmelerin önemli olması sebebiyle lineer elastik davranış göz önüne alınarak yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar aşağıda sırasıyla verilmiştir. Yapılan Modal analizler sonucunda ABYYHY e uygun olan M2 modelinin ilk 4 periyodu geliştirilmiş modeller arasında en düşük çıkmıştır. Buna karşın yönetmeliğe uymayan M4 modelinin periyodu diğer modellerden fazla çıkmıştır. Bunun başlıca sebeplerinden biri duvarda bırakılan boşluk uzunluğunun toplam duvar uzunluğunda kapladığı alanın fazla olmasıdır. Ayrıca yönetmelikte de belirtildiği üzere boşlukların duvar kenarlarına bitişik olmaması gerekmektedir. Bu sebeplerden dolayı M4 modeli pratikte uygulanmamalıdır. Yapılan dinamik analizler sonucunda da yine M4 modelinde deprem doğrultusuna dik duvarlarda ekstra gerilmeler meydana gelmiştir. Bunun sonucu olarak dinamik etkiler karşısında bu modelde büyük çatlamaların meydana gelmesi ve erken göçme mekanizmasına ulaşması muhtemeldir. M1 modelinde deprem doğrultusundaki taşıyıcı duvarların her birinde ikişer adet boşluk bulunmaktadır. Bu boşluklar arası mesafe yönetmelikteki koşullara uymamakla beraber yapılan analizler doğrultusunda boşluklar arasındaki duvar kemsinde gerilme dağılımı düzgün çıkmamıştır. Muhtemelen dinamik etkiler karşısında bu bölgelerde hasarlar meydana gelecektir. M3 modelinde ise 3. maddede anlatılan durun boşluğun duvar bitimine yakın tarafında (Boşluğun sol tarafında) meydana gelecektir. Buradaki duvarın genişliği olduğundan dolayı bu kesim daha fazla kayma etkisine maruz kalacaktır. 420

8 ABYYHY e en uygun olan model M2 dir. Bu modelde gerek Modal analizde ve gerekse yapılan dinamik analiz neticesinde, geliştirilen modeller arasında en uygun sonuçlar bulunmuştur. Buna göre pratikte uygulanmasında bir sakınca görülmemektedir. Yapılan bu çalışma geliştirilmeye açıktır. Bundan sonra yapılacak çalışmalarda ele alınan modellerde kat adedi fazlalaştırılarak çıkan periyotlar yorumlanabilir. Ayrıca ileriki aşamalarda meydana gelecek olan hasarların takibi için lineer olmayan analizler yapılarak bu tür yapıların davranışlarında gerçeğe daha yakın sonuçlar belirlenebilir. KAYNAKLAR 1. ABYYHY, Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik, TMMOB İnşaat Mühendisleri Odası, Ankara. 2. LOURENÇO, P. B., (1996). Computational Strategies for Masonry Structures, PhD Thesis, Delft University of Technology, Delft, Netherlands. 3. SAP2000, Integrated Structural Analysis & Design Software, Computers and Structures, Inc., Berkeley, California. 421