Altıncı Ulusal Deprem Mühendisliği Konferansı, 16-2 Ekim 27, İstanbul Sixth National Conference on Earthquake Engineering, 16-2 October 27, Istanbul, Turkey 1 YÜKSEK RİSKLİ DEPREM BÖLGESİNDEKİ BİR PREFABRİK YAPININ FARKLI YER HAREKETLERİ ETKİSİNDEKİ SİSMİK DAVRANIŞININ İNCELENMESİ INVESTIGATION OF SEISMIC BEHAVIOR OF A PREFABRICATED BUILDING LOCATED AT A SEISMICALLY ACTIVE REGION USING VARIOUS GROUND MOTION RECORDS Baki ÖZTÜRK¹, Fatih DEMİRALAN 2 ÖZET Türkiye ve dünyadaki endüstriyel yapıların önemli bir kısmı prefabrik olarak inşa edilmektedir. 1999 yılında Türkiye de meydana gelen depremlerde özellikle İzmit ve yöresindeki prefabrik yapılarda ağır hasar gözlenmiştir. Bu hasarlar büyük oranda kolon-makas bağlantı noktalarındaki kopmalar ve kolonlarda kırılmalar şeklinde oluşmuştur. Bu çalısmada yüksek riskli deprem bölgesinde mevcut şartnamelere göre tasarlanmış olan bir prefabrik yapının yer hareketleri etkisindeki analizleri yapılmak suretiyle deprem esnasındaki doğrusal elastik olmayan davranışları incelenecektir. Bu çalışmada incelenen prefabrik sanayi yapısı performansa dayalı tasarım esaslarını göz önünde bulunduran mevcut şartnameler ışığında tasarlanmıştır. Yapılan analizler yapının bazı etkin yer hareketlerine maruz kaldıgında şartnamelerdeki can güvenliği sınırının aşıldığını göstermektedir. Anahtar Kelimeler: Yüksek riskli deprem bölgesi, doğrusal elastik olmayan analiz, performansa dayalı tasarım ABSTRACT Substantial amount of industrial structures are constructed as prefabricated structures both in Turkey and the world. Excessive levels of damage were observed at prefabricated structures especially in Izmit and its vicinity during the 1999 earthquakes in Turkey. The damage was mainly observed as destruction at column-girder connections or column failures. Seismic behaviour of a prefabricated structure designed for a highly earthquake-prone region will be investigated in the light of results of nonlinear analyses. It was designed considering the current seismic codes which refer to performance based design. The analyses reveal that the safety limits provided by the codes are exceeded, when the structure is exposed to some effective ground motions. Keywords: Seismically active region, nonlinear analysis, performance based design GİRİŞ Günümüzde deprem riski taşıyan bölgelerdeki yapıların tasarımında performansa dayalı tasarım esaslarının kullanılması giderek önem kazanmaktadır. Bu bağlamda geçmiş yıllarda sismik bölgelerdeki binaların deprem esnasındaki davranışları üzerine bilimsel araştırmalar yapılmıştır (Shibata ve Sözen (1976), Shimazaki ve Sözen (1984), Lepage (1997) ve Öztürk (23)). Bu çalışmada yüksek deprem riski taşıyan birinci derece deprem bölgesindeki bir prefabrik sanayi yapısının farklı yer hareketleri etkisindeki sismik davranışı incelenecektir. İncelenecek olan 1 Yrd.Doç.Dr., Niğde Üniversitesi İnşaat Müh. Böl., Niğde, bakiozturk@nigde.edu.tr 2 Niğde Üniversitesi İnşaat Müh. Böl., Niğde, fdemiralan@gmail.com 81
82 Yüksek Riskli Deprem Bölgesindeki bir Prefabrik Yapının Sismik Davranışının İncelenmesi yapının tasarımı mevcut şartnamelere göre yapılmıştır. İlgili sanayi yapısına farklı deprem yer hareketleri uygulanmak suretiyle doğrusal elastik olmayan analizler uygulanmış ve elde edilen sonuçlar performansa dayalı tasarım esasları doğrultusunda değerlendirilmiştir. Yapılan tasarım ve degerlendirmelerde TS 498 (1987), TS 9967 (1992), TS 5 (2) ve Deprem Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik (27) den faydalanılmıştır. Yapının doğrusal elastik olmayan davranışının incelenmesi esnasında son yıllarda ülkemizde meydana gelen depremlerde (Ceyhan 1998, Marmara 1999, Düzce 1999) elde edilmiş deprem yer hareketi verilerinden faydalanılmıştır. Yapılan araştırma sonucunda maksimum yanal yerdeğiştirme değerleri elde edilmiştir. Değerlendirme ve analizler neticesinde Ceyhan (Ceyhan 1998) ve İzmit (Marmara 1999) deprem kayıtlarının uygulanması sonucu yapı güvenli değerler verirken, Bolu (Düzce 1999) deprem kayıtlarının uygulanması güvenli olmayan yanal öteleme değerleri vermiştir. İNCELENEN YAPI HAKKINDA BİLGİ Bu çalışmada birinci derece deprem bölgesinde inşa edilmek üzere tasarlanmış bir sanayi sitesi yapısı incelenmiştir (Şekil 1). Bu yapının projelendirilmesinde mevcut TS 498 (1987), TS 9967 (1992), TS 5 (2) ve Deprem Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik (27) kullanılmıştır. Yapı X yönünde 4 m, Y yönünde ise 56 m uzunluğundadır. Kolon yükseklikleri 7 m dir. X yönünde 6.65 m uzunluğundaki 6 adet açıklık kirişi ve Y yönünde ise her biri 8 m uzunluğundaki 7 adet açıklık kirişinden oluşmaktadır. Yapının ağırlığı yaklaşık 33 kn dur. Şekil 1. Yapının Sistem Geometrisi YAPININ MODAL VE TEPKİME SPEKTRUMU ANALİZLERİ Yapı için uygulanan analizlerde SAP2 Programından (CSI 2) faydalanılmıştır. Modal analiz sonucunda elde edilen ilk sekiz yapısal peryot Tablo 1 de verilmiştir. Yapı için ayrıca tepkime spektrum analizi de uygulanmıştır. Analizlerde sönüm oranı % 5 olarak kabul edilmiş olup yapının temel peryotları kısa yönde 1.5 sn (Mod 1) ve uzun yönde.88 sn (Mod 2) olarak bulunmuştur.
B.Öztürk ve F.Demiralan 83 Tablo 1. İncelenen Binanın Yapısal Peryotları Mod Peryot (sn) Mod Peryot (sn) 1 1.5 5.51 2.88 6.47 3.77 7.46 4.53 8.45 Yapının inşaa edileceği zeminin tipi Z3 olarak tesbit edilmiş olup, T A =.15 sn ve T B =.6 sn olarak kullanılmaktadır. İlgili spektrum fonksiyonu Şekil 2 de verilmiş olup Denklem 1 ile spektrum katsayısı, K hesaplanmıştır. Analizde etkin yer ivmesi katsayısı, A O değeri.4, bina önem katsayısı, I değeri 1., binanın süneklik katsayısı, R değeri ise 5 olarak alınacaktır. Şekil 2. Spektrum Fonksiyonu AO I g K = (1) R Denklem 1 in kullanılması sonucu K katsayısının değeri.79 m/sn 2 olarak bulunur. Spektrum katsayısı, S(T) ise Denklem 2 nin kullanılması sonucu 1.6 olarak hesaplanır. T T S (T) = 2.5( B ).8 (2) YAPININ DOĞRUSAL ELASTİK OLMAYAN ANALİZİ Yukarıda verilmiş olan sanayi yapısı için ilgili zemin ve deprem bölgesi özellikleri kullanılmak suretiyle Tablo 2 de verilmiş olan deprem verileri için doğrusal elastik olmayan analiz hem X yönünde ve hem de Y yönünde uygulanmıştır. Bu yapının zaman artırımlı doğrusal elastik olmayan analizi Sap 2 (CSI 2) programı kullanılarak yapılmıştır. Yapının analizlerinde 1998 Adana Ceyhan depremi esnasında kaydedilmiş olan Ceyhan EW ve Ceyhan NS, 1999 Marmara depremi esnasında kaydedilmiş olan İzmit EW ve İzmit NS ve 1999 Düzce depremi esnasında kaydedilmiş olan Bolu EW ve Bolu NS deprem yer hareketi verileri kullanılmıştır (Tablo 2). İlgili deprem verilerindeki maksimum yer ivmesi değerleri (PGA) Tablo 2 de verilmiştir.
84 Yüksek Riskli Deprem Bölgesindeki bir Prefabrik Yapının Sismik Davranışının İncelenmesi Tablo 2. Kullanılan Yer Hareketleri ve Maksimum Yer İvmesi (PGA) değerleri Deprem Yer Hareketi Ceyhan EW (Ceyhan1998) Ceyhan NS (Ceyhan1998) İzmit EW (Marmara 1999) İzmit NS (Marmara 1999) Bolu EW (Düzce 1999) Bolu NS (Düzce 1999) Maksimum Yer İvmesi (PGA).23 g.28 g.23 g.17 g.82 g.75 g Uygulanan analizler neticesinde aşağıda Şekil 3 8 de görülen zamana dayalı yerdeğiştirme değerleri elde edilmiştir. Yapıda gözlenen maksimum yerdeğiştirme değerleri Tablo 3 te verilmiştir. Maksimum yerdeğiştirmeler köşe kolonların üst düğüm noktalarında oluşmuştur. 3 3 2 2 DEPLASMAN-X (CM) 1-2 DEPLASMAN-Y (CM) 1-2 -3 5 1 15 2 25-3 5 1 15 2 25 Şekil 3. Ceyhan-NS, X yönünde Yerdeğiştirme Grafiği Şekil 4. Ceyhan-NS, Y yönünde Yerdeğiştirme Grafiği DEPLASMAN-X (CM) 3 2 1-2 -3 5 1 15 2 25 DEPLASMAN-Y (CM) 3 2 1-2 -3 5 1 15 2 25 Şekil 5. İzmit-EW, X yönünde Yerdeğiştirme Grafiği Şekil 6. İzmit-EW, Y yönünde Yerdeğiştirme Grafiği 3 2 3 2 DEPLASMAN-X (CM) 1-2 DEPLASMAN-Y (CM) 1-2 -3 5 1 15 2 25-3 5 1 15 2 25 Şekil 7. Bolu-EW, X yönünde Yerdeğiştirme Grafiği Şekil 8. Bolu-EW, Y yönünde Yerdeğiştirme Grafiği
B.Öztürk ve F.Demiralan 85 Tablo 3. Farklı deprem verileri etkisi altında yapının performans düzeyi Deprem Verileri Yapı Yüksekliği, H (m) Δ imax (m) Δ imax /H (%) PERFORMANS DÜZEYİ CEYHAN N-S (X yönünde) 7..5.7 Güvenli CEYHAN N-S (Y yönünde) 7..6.9 Hemen Kullanım İZMİT E-W (X yönünde) 7..4.6 Güvenli İZMİT E-W (Y yönünde) 7..5.8 Hemen Kullanım BOLU E-W (X yönünde) 7..2 2.7 Can Güvenliği BOLU E-W (Y yönünde) 7..22 3.1 Göçme Yerdeğiştirme grafiklerinde ve Tablo 3 te görüldüğü üzere yapıdaki en büyük kat ötelemesi değerleri Bolu (Düzce 1999) ivme kayıtlarının uygulanması sonucunda oluşmuştur. Deprem esnasında yapının beklenen davranışının yorumlanması için Tablo 4 te verilen hasar kontrol parametreleri kullanılacaktır. Tablo 4. Hasar Kontol Parametreleri Göreli Kat Performans Düzeyi Ötelemesi Oranı Hemen Kullanım Can Güvenliği Göçmenin Önlenmesi (δ i ) max /h i (%) %.8 % 2 % 3 (δ i ) max : İlgili kattaki düşey elemanların uçları arasında hesaplanan en büyük göreli kat ötelemesi h i : Kat yüksekliği SONUÇ Performansa dayalı tasarım esaslarının kullanılması deprem riski taşıyan bölgelerdeki yapıların tasarımında giderek önem kazanmaktadır. Bu çalışmada birinci derece deprem bölgesinde mevcut şartnamelere göre tasarlanmış bir prefabrik sanayi yapısının farklı yer hareketleri etkisindeki sismik davranışı incelenmiştir. Ülkemizde son yıllarda meydana gelen depremlerde (Ceyhan 1998, Marmara 1999, Düzce 1999) elde edilmiş deprem yer hareketi verilerinden faydalanılarak yapının doğrusal elastik olmayan davranışı performansa dayalı tasarım esasları doğrultusunda incelenmiştir. Mevcut şartnameler ışığında yapılan değerlendirmeler neticesinde Ceyhan (Ceyhan 1998) ve İzmit (Marmara 1999) deprem kayıtları güvenli değerler verirken, Bolu (Düzce 1999) deprem kayıtları ise can güvenliği sınırını aşan yanal yerdeğiştirme değerleri vermektedir. KAYNAKLAR Computers and Structures Inc (CSI) SAP2 Analysis Reference, California, U.S.A. Deprem Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik-DBYYHY (27), Ankara Lepage A (1997) A Method for Drift Control in Earthquake Resistant Design of RC Building Structures, Ph.D.Thesis, University of Illinois, Urbana-Champaign, Illinois, U.S.A. Öztürk B (23) Seismic Drift Response of Building Structures in Seismically Active and Near- Fault Regions, Ph.D. Thesis, Purdue University, W.Lafayette, Indiana, U.S.A. Shimazaki K and Sozen MA (1984) Seismic Drift of Reinforced Concrete Structures, Technical Research Report of Hazama-Gumi Ltd., 145-166 Shibata A and Sozen MA (1976) Substitute-Structure Method for Seismic Design in Reinforced Concrete, Journal of Structural Division, ASCE, V.12, No.ST3, 1-18
86 Yüksek Riskli Deprem Bölgesindeki bir Prefabrik Yapının Sismik Davranışının İncelenmesi TS 498 (1987) Yapı Elemanlarının Boyutlandırmasında Alınacak Yüklerin Hesap Değerleri, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara TS5 (2) Betonarme Yapıların Tasarım ve Yapım Kuralları, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara TS 9967 (1992) Yapı Elemanları Taşıyıcı Sistemler ve Binalar Prefabrike Betonarme ve Öngerilmeli Betondan- Hesap Esasları ile İmalat ve Montaj Kuralları,Türk Standartları Enstitüsü, Ankara