YAPI VE DEPREM MÜHENDİSLİĞİNDE PERFORMANS YAKLAŞIMI -1 Y.DOÇ.DR. MUSTAFA KUTANİS Sakarya Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Yapı Anabilim Dalı E-mail: kutanis@sakarya.edu.tr İMO Sakarya Bülteni için hazırlanan bu yazının Birinci Bölümü nde konunun genel hatları tartışılacak, gelecek bölümde ise konu, uygulamalı olarak anlatılacaktır. GİRİŞ İnşaat Mühendisliği nde, özellikle yapı ve deprem mühendisliğinde, son onbeş yılda yaşanan gelişmeler, klasik mühendislik olarak bilinen bu disipline, yeniden bir hareketlilik ve canlılık getirmiştir. Sözkonusu gelişme, tasarım felsefesinde gerçekleşmiştir. 1995 yılından itibaren, yapı ve deprem mühendisleri, yapıların sismik performanslarını sadece tahmin edebilen Dayanıma Göre (veya Kuvvet Esaslı) Tasarım dan, yapıların sismik performanslarının sayısal olarak belirlenebilmesini sağlayan Performansa (veya Yerdeğiştirmeye, Şekildeğiştirmeye, Deplasmana) Göre Tasarım ilkeleri üzerinde çalışmalarını yoğunlaştırmışlardır. KUVVETE DAYALI TASARIM Hâlihazırda, yeni yapıların projelendirilmesinde uygulanan mühendislik pratiği, Kuvvet (veya dayanım) Esaslı Tasarım felsefesine dayanmaktadır. Bu yaklaşımda, mimari fonksiyonel ve yapısal sistem ön tasarımına bağlı olarak, yönetmelik sanal deprem yükleri verir. Bu yükler, 50 yıllık bir süre içinde aşılma olasılığı %10 bir depreme göre belirlenmektedir. Yapıları, gerçekleşmesi belirli bir olasılığa bağlı bu yükleri tam karşılayacak bir dayanımda inşa etmek, şüphesiz, ekonomik bir çözüm olmaktan uzaktır. Fakat açığa çıkan enerjinin de bir şekilde tüketilmesi gerekmektedir. Bu nedenle, depreme, enerjisini tüketmesi için, yeterli dayanım yerine, yeterli şekildeğiştirme kapasitesi talep edilmektedir. Sonuç olarak, yapı elemanlarının sünek davranarak yeterli enerjiyi tüketebilecekleri varsayımı ile deprem yükleri, belirli bir katsayı (R a ) ile azaltılır. Bu katsayı, dayanım fazlalığı katsayısı (D) ve dayanım azaltma katsayısına (R y ) bağlıdır (Şekil 1). Dayanım azaltma katsayısı, zemin koşullarına ve yapı doğal titreşim periyoduna bağlı olarak, tahmin edilen bir enerji tüketme kapasitesine göre belirlenir. Böylece, henüz inşa edilmemiş bir yapıda elemanların bu kuvvetleri emniyetle taşımaları beklenir.
Dayanım f y D = f d f R = y f e y Şekil 1. Süneklik istemi ve dayanım sunumu [Aydınoğlu, 2007 den uyarlanmıştır ] Kuvvete Dayalı Tasarım da, yukarıda da belirtildiği üzere, belirli bir süneklik kabulü yapılarak, bu sünekliğe karşı gelen dayanımın hesaplanması sözkonusudur. Burada, yeni yapıların tasarımında, çok muhafazakâr davranılabilir. Ancak, mevcut bir yapının performansının belirlenmesinde, yani, yapı ne kadar yerdeğiştirme yapacak? Bu yerdeğiştirmeler altında hasar ne olacak? Hangi yapı elemanlarında, ne tür hasarlar oluşacak? Hasar dağılımı nasıldır? Veya yapının muhtemel göçme mekanizmaları nelerdir?... Gibi soruların cevaplandırılması bağlamında bu yöntem bize hiçbir bilgi sağlayamaz. Dayanıma (Kuvvete) Göre Tasarım yaklaşımında, yapı sisteminin azaltılmış deprem yükleri altında doğrusal (lineer) elastik çalıştığı varsayılır. Gerçekte ise yapı sistemi, deprem etkisi altında, elastik ötesi şekildeğiştirmeler (plastik mafsal) yapar ve bu şekilde deprem enerjisini tüketir. Ayrıca, plastik mafsalların oluşumu aşamasında bir malzemeden diğerine ve bir elemandan diğer elemana kuvvet aktarımı veya yeniden dağılım olur. Sonuç olarak, Kuvvet Esaslı Tasarım da, aşağıdaki gibi olumsuzluklar mevcuttur: İç kuvvetlerin gerçeğe yakın bir biçimde belirlenememesi, Sadece, yapının elastik kapasitesi ve ilk akmanın nerede oluşabileceği konusunda bilgi verebilmesi, İlk plastik kesitin oluşumunu takip eden süreçte yapıda değişen dinamik karakteristikler göz önüne alınamaması,
Göçme mekanizmasını ve plastik kesitlerin oluşumu sürecinde kuvvetlerin yeniden dağılımının belirlenememesi. PERFORMANSA DAYALI TASARIMA DOĞRU Depremlerde meydana gelen yapısal hasarın, yönetmeliklerin tanımladığı eşdeğer deprem yükleri altında yapısal elemanların mevcut dayanım kapasitelerinin aşılması ile doğrudan ilgili olmadığı, hasarın temel nedeninin sünek davranması öngörülen yapı elemanlarının şekildeğiştirme kapasitelerinin aşılması olduğu uzun bir süredir bilinmektedir [Aydınoğlu, 2003]. Özellikle, 1994 Northridge ve 1995 Kobe depremleri ile ortaya çıkan can ve mal kaybından sonra, tüm dünyada, performansa dayalı tasarım ve değerlendirmenin önemi anlaşılmıştır [Tablo 1]. Bu çalışmaların ilk önemli ürünü, ABD de, Kaliforniya Yapı Mühendisleri Birliği nin 1995 yılında yayınlamış olduğu Vision 2000 Raporu dur [SEAOC, 1995]. Ardından 1996 yılında, Applied Technology Council tarafından, Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings [ATC-40, 1996] ve 1997 yılında FEMA-273 ve 2000 yılında FEMA-356 yayınlanmıştır. ATC-40, FEMA-273 ve FEMA-356 da verilen yöntemler, yapı dinamik davranışı birinci mod serbest titreşimi ile sınırlıdır. Bilindiği üzere, 6 Mart 2007 de yürürlüğe giren yeni Türk Deprem Yönetmeliği (TDY) nin ilk 6 Bölümü, önceki deprem yönetmeliklerinde de olduğu gibi, Dayanıma Göre Tasarım yaklaşımı benimsenmiştir. Bu nedenle, ilk plastik kesitin oluşumunu takip eden süreçte yapıda değişen dinamik karakteristikler, burada, göz önüne alınamamaktadır Son Bölüm olan Yedinci Bölüm de ise Şekil Değiştirmeye Göre Tasarım ilkesi esas alınmıştır. Tablo 1. Kentsel Deprem Afetlerinin Karşılaştırılması [Aydınoğlu ve Erdik, 1995] Manyetüd Ölü Yaralı Ağır Hasarlı/ Kayıp Evsiz yıkık bina Milyar $ Loma Prieta 7.0 63 4100 28,000 13,000 7 Erzincan 6.8 677 4000 1,000 50,000 0.5 Northridge 6.7 75 7610 12,000 15,000 30 Kobe 6.9 5391 27000 56,200 320,000 200
Performansa Dayalı Tasarım la ilgili olarak yapılan çalışmaları iki farklı şekilde ele almak mümkündür: (1) Doğrudan doğruya sadece binaların kapasitelerini (statik itme pushover eğrisi) hesaplayan yöntemler ve (2) kapasite ile birlikte deprem istemini de hesaplayan yöntemler. İtme eğrisinin, analiz edilen taşıyıcı sistemin doğrusal elastik olmayan (nonlineer) dayanım ve yerdeğiştirme kapasitelerini global olarak göstermenin ötesinde doğrudan bir anlamı bulunmamaktadır. Performansa dayalı tasarım ve değerlendirme yöntemlerinde, Aydınoğlu [2003b, 2007], Chopra ve Goel [2001] ve Freeman ve diğ. [1975] nın çalışmalarında olduğu gibi, deprem isteminin de hesaplanması, daha sonra bu istem değerlerinin, seçilen performans düzeyleri için tanımlanan şekildeğiştirme kapasiteleri ile karşılaştırılması ve böylece yapısal performansın belirlenmesi gerekmektedir. 1960 lı yıllardan beri, yapıların deprem hesabında zaman tanım alanında doğrusal elastik olmayan hesap yönteminin en ideal yöntem olduğu bilinmektedir. Fakat sözkonusu hesap yönteminde, taşıyıcı sistem elemanlarının tekrarlı yükler altındaki davranışını tanımlayan iç kuvvet-şekildeğiştirme bağıntılarının belirlenmesi ve deprem hesabında kullanılacak uygun ivme kayıtlarının seçilmesi gibi sorunları olduğu, yapısal deprem mühendisliği alanında çalışma yapanların ortak görüşüdür. Ayrıca yöntemin kullanılmasının çok zaman alıcı ve karmaşık olması nedeniyle alternatif yöntem arayışlarına gidilmiştir. Belirli bir performans düzeyini gerçekleştirmek için kaçınılmaz olarak uygulanması gereken elastik ötesi hesap yöntemleri arasında, basitleştirilmiş çözüm olarak sunulan Nonlineer (doğrusal elastik olmayan) Statik Yöntem, geleneksel olarak lineer davranışa koşullandırılmış biçimde gelişen mühendislik pratiğince hemen kabul görmüştür. Nonlineer statik yöntem algoritmalarının uygulanması, çok serbestlik dereceli (ÇSD) yapı modelinin eşdeğer tek serbestlik dereceli (TSD) yapı modeline dönüştürülmesini gerekli kılmaktadır. Gülkan ve Sözen [1974], betonarme TSD sistemlerin deprem simülatörü deneylerine dayanarak, yapı sistemlerinin elastik ötesi davranışının azaltılmış rijitlik ve arttırılmış sönümlü TSD yapı sistemleri ile tanımlanabileceğini bulmuşlardır. Gülkan ve Sözen ın bu çalışması daha sonra, Shibata ve Sözen (1976) tarafından ÇSD sistemler için Yerine Koyma Yöntemi (substitute structure method) adıyla sunulmuştur. Yerine Koyma Yöntemi, betonarme yapılar için, tasarım spektrumu ile verilen deprem hareketine ait tasarım kuvvetlerinin belirlenmesinde kullanılan bir yöntemdir. Bu yöntemden, günümüzde, Priestley
ve Kowalsky (2000) ve Priestley (2003) tarafından Yerdeğiştirmeye Göre Doğrudan Tasarım yönteminin geliştirilmesinde faydalanılmıştır. Deplasmana dayalı tasarım ve değerlendirme yöntemleri ile ilgili olarak son 12 yılda önemli gelişmeler kaydedildiği halde, konuyla ilgili çalışmalar henüz yeterli olgunlukta değildir. PERFORMANSA DAYALI TASARIM Performansa Dayalı Deprem Mühendisliği nde amaç, olası bir depremde performansları belirlenebilen güvenli yapıların inşa edilmesini sağlamaktır. Bu bağlamda, öncelikle yapıların maruz kalacağı olası deprem tehlikesinin yerel olarak gerçekçi bir şekilde belirlenmesi, büyük önem taşımaktadır [Şekil 2]. 4.0 3.0 İvme (g) 2.0 1.0 50 Yılda %2 50 Yılda %10 50 Yılda %50 0.0 0.0 1.0 2.0 3.0 Periyot (s) Şekil 2. Farklı deprem aşılma olasılıkları için spektrum eğrileri İkinci aşama, belirlenen bu deprem tehlikesinin gerçekleşmesi durumunda, yapıdan beklenilen performans düzeyine karar verilmesidir. Son aşama ise, doğrusal elastik olmayan (nonlineer) yapı analizleri ile tasarımı gerçekleştirmektir. Performans, depreme karşı dayanıklı yapıların tasarımında yeni bir kavram değildir. Geleneksel deprem yönetmeliklerinde benimsenen, hafif şiddetteki depremlerde binalardaki yapısal ve yapısal olmayan sistem elemanlarının herhangi bir hasar görmemesi, orta şiddetteki
depremlerde yapısal ve yapısal olmayan elemanlarda oluşabilecek hasarın onarılabilir düzeyde kalması, şiddetli depremlerde ise can kaybını önlemek amacı ile binaların kısmen veya tamamen göçmesinin önlenmesi ilkesi de belirli bir performans düzeyini kabul eder. Fakat performansa dayalı tasarımda, yapılar için hedeflenen performans düzeyleri, Hemen Kullanım (HK), Can Güvenliği (CG), Göçmenin Önlenmesi (GÖ) gibi çeşitlilik göstermektedir. Elastik analiz, genel olarak yapının elastik kapasitesi ve ilk akmanın nerede oluşabileceği konusunda yeterli bilgi verebilir. Bu nedenle Hemen Kullanım (HK) performans düzeyi için yeterli sayılabilir. Fakat bu yöntemle, göçme mekanizmasını ve plastik kesitlerin oluşumu sürecinde kuvvetlerin yeniden dağılımını belirlemek imkânsızdır. Bu nedenle Can Güvenliği (CG), Göçmenin Önlenmesi (GÖ) performans düzeyleri için elastik ötesi davranışı içeren hesap yöntemlerine ihtiyaç vardır (Kutanis, 2006a, 2006b). Hemen Kullanım İÇ KUVVET Can Güvenliği MN GV Sınırlı Güvenlik GÇ Yapısal göçme bölgesi Minimum Hasar Bölgesi Belirgin Hasar Bölgesi İleri Hasar Bölgesi Göçme Bölgesi Şekil 3. Hasar Bölgeleri ŞEKİLDEĞİŞTİRME Performansa (şekildeğiştirme, deplasman veya yerdeğiştirme) göre tasarımda, kuvvete dayalı tasarımdakinin aksine dayanım, doğrusal elastik olmayan yöntemlerle yapılan hesaplarla bilinmekte, bu karşı gelen süneklik istemi ise bulunmaya çalışılmaktadır. Dayanım kapasitesi, malzemelerin gerilme-birim şekildeğiştirme ve kesitlerin moment-eğrilik ilişkilerinden yararlanarak belirlenebilmektedir. Sözkonusu tasarım yönteminde, depremin yapıdan yerdeğiştirme istemi eşit yerdeğiştirme kuralı na bağlı olarak hesaplanmaktadır. Eşit Yerdeğiştirme Kuralı na göre, yapı yeterince esnekse, örneğin, doğal titreşim periyodu, ivme spektrumu köşe periyodundan büyükse, yapıda meydana gelecek elastik ötesi deplasmanlar, yapının tamamen elastik olması durumunda oluşacak deplasmana eşit olur (Şekil 3).
Şekil 4. Eşit yerdeğiştirme kuralı Performansa dayalı tasarım ve değerlendirme yönteminde, tasarım yer hareketi altında taşıyıcı sistem elemanlarında oluşabilecek hasar seviyelerinin sayısal olarak belirlenmesi mümkündür. Bu hasarın ilgili elemanlar için kabul edilebilir hasar limitlerinin altında kalıp kalmadığı kontrol edilir. Kabul edilebilir hasar limitleri, çeşitli deprem düzeylerinde yapı için öngörülen performans hedefleri ile uyumlu olacak şekilde tanımlanır [Aydınoğlu, 2007]. YÖNTEMİN GELECEĞİ Günümüzde, performansa (şekildeğiştirmeye) dayalı hesap yöntemleri sadece mevcut binaların performanslarının değerlendirilmesinde kullanılmak üzere yönetmeliklerde yer verilmiş olsa da, yakın gelecekte, yeni yapıların tasarımında da kaçınılmaz olarak kullanılacaktır. Performansa dayalı tasarım ilkeleri uygulanmaya başlandığında mal sahipleri proje mühendisleri ile birlikte tasarım aşamalarında yer alacaklardır. Proje mühendisleri, belirlenen tasarım depremleri altında mal sahiplerinin istediği yapı performansını dikkate alarak projelerini gerçekleştirme imkânına kavuşacaklardır. Dayanım esaslı tasarımda bunu sayısal olarak gerçekleştirmek, yukarıda da açıklandığı gibi mümkün değildir. Son yıllarda, deprem bilincinin artması nedeniyle, toplumun büyük bir kesiminin bi şey olmaz abi cilikten kurtulup daha rasyonel düşünmeye başlaması sonucu, gerek şahıs gerekse kurumsal bazda bina sahipleri binalarının muhtemel bir depreme karşı sergileyecekleri
performansı öğrenmek istemektedirler. TDY 2007 nin Yedinci Bölüm ü bu ihtiyaca cevap verecek niteliktedir. Ancak, yukarıda da belirtildiği üzere, Performansa Dayalı Değerlendirme ve Tasarım konusu, mühendislik pratiğine girmiş olmasına rağmen henüz lisans hatta pek çok üniversitede yüksek lisans düzeyinde bile konu hakkında bir eğitim verilmemektedir. Doğal olarak bu açık, İnşaat Mühendisleri Odası nın tüm yurtta yürüttüğü meslekiçi eğitim faaliyetleri ile kapatılacaktır. KAYNAKLAR 1. Aydınoğlu, M.N., (2007) Dayanıma Göre Tasarımdan Şekildeğiştirmeye Göre Tasarıma, GYTE Semineri, 31 Mayıs 2007, Gebze. 2. Aydınoğlu, M.N., (2003a). Yapıların deprem performansının değerlendirilmesi için artımsal spektrum analizi (arsa) yöntemi 5. Ulusal Deprem Mühendisliği Konferansı, 26-30 Mayıs 2003, İstanbul 3. SEAOC, (1995). Vision 2000 - Performance based seismic engineering of buildings. Structural Engineers Association of California, Sacramento, California, USA. 4. ATC, (1996). Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete Buildings, ( ATC-40 ), Vol. 1, Applied Technology Council, Redwood City, CA. 5. FEMA 273 (1997). NEHRP Guidelines For The Seismic Rehabilitation Of Buildings, FEMA, Washington, DC. 6. FEMA 356 (2000). Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings, FEMA, Washington, DC. 7. FEMA 440 (2005). Improvement Of Nonlinear Static Seismic Analysis Procedures, FEMA, Washington, DC. 8. T.C. Bayındırlık ve İskan Bakanlığı (2007), Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Esaslar, Bölüm 7. Mevcut Binaların Değerlendirilmesi ve Güçlendirilmesi, Ankara. 9. Aydınoğlu, M.N., Erdik, M. (1995) 17 Ocak 1995 Hyogo-Ken Nanbu (Kobe) Depremi Gözlem ve Değerlendirme Raporu Boğaziçi Üniversitesi Yayınları, İstanbul. 10. Aydınoğlu, M.N. (2003b). An incremental response spectrum analysis procedure based on inelastic spectral deformation for multi-mode seismic evaluation, Bulletin of Earthquake Engineering, Vol. 1, No. 1, pp. 3-36. 11. Aydınoğlu, M. N. (2007). A Response Spectrum-Based Nonlinear Assessment Tool for Practice: Incremental Response Spectrum Analysis (IRSA), ISET Journal of Earthquake Technology, Vol. 44, No. 1. 12. Chopra, A.K. and R.K. Goel. (2001). A Modal Pushover Analysis Procedure to Estimating Seismic Demands for Buildings: Theory and Preliminary Evaluation. PERR Report 2001/03, Pacific Earthquake Engineering Research Center, University of California, Berkeley.
13. Freeman, S.A., J.P. Nicoletti, and J.V. Tyrell. (1975). Evaluations of Existing Buildings for Seismic Risk A Case Study of Puget Sound Naval Shipyard Bremerton, Washington. Proceedings of the U.S. National Conference on Earthquake Engineers, EERI, pp 113-122, Berkeley. 14. Gülkan, P. and M., Sözen (1974). Inelastic response of reinforced concrete structures to earthquake motions. ACI Journal, Vol. 71, No. 6, pp. 604 610. 15. Shibata, A., and M. A. Sozen, (1976), Substitute-Structure Method for Seismic Design in R/C, Journal of the Structural Division, ASCE, Vol. 102, No. ST1, January, pp. 1-18. 16. Priestley, M. J. N. and M. J. Kowalsky (2000) Direct displacement-based seismic design of concrete buildings. Bulletin, NZ National Society for Earthquake Engineering, New Zealand, Vol. 33, No. 4, pp. 421 444. 17. Priestley, M. J. N. (2003) Myths and Fallacies in Earthquake Engineering, Revisited, The Mallet Milne Lecture, IUSS Press, Pavia, Italy. 18. KUTANİS, M. (2006a). Investigation of Novel Nonlinear Static Analysis Procedures, 7th International Congress on Advances in Civil Engineering, Extended Abstract (pp. 200) and CD October 11-13, 2006, YTÜ, Turkey 19. KUTANİS, M., (2006b). Statik İtme Analizi Yöntemlerinin Performanslarının Değerlendirilmesi Yapısal Onarım ve Güçlendirme Sempozyumu, YOGS-2006 Bildiriler Kitabı (sf. 205) ve CD si 7-8 Aralık 2006, PAÜ, Denizli.