Çok Katlı Çelik Yapılarda Kiriş-kolon Birleşimleri imleri 1994 Northridge Depremi nden çıkarılan dersler 17 Ocak 1994 Northridge depremi sonrasında yapılan saha çalışmalarından elde edilen bulgular-1 Deprem sonrasında özellikle sünek davranışına çok güvenilen rijit çelik çerçevelerde, genellikle beklenmedik bir biçimde kiriş-kolon birleşimlerinde gevrek çatlaklar biçiminde hasara rastlanmıştır. Hasar alan yapıların kat sayıları 1-26 aralığındadır ve yaşları deprem sırasında henüz inşaat aşamasında olan yapılardan 30 yıllık yapılara kadar geniş bir yelpazeyi kapsamaktadır. Ayrıca hasar alan yapılar yalnızca belli bir coğrafik bölgede değil, deprem sırasında orta dereceli yer sarsıntılarının meydana geldiği yerlerde bile gözlenmiştir. Her ne kadar, yer sarsıntısının çok şiddetli tesir ettiği yerlerdeki mevcut yapı sayısı şans eseri daha az olsa da, genellikle bu gibi bölgelerde binalarda oluşan hasarlar oldukça fazla ve yaygındır. 1
17 Ocak 1994 Northridge depremi sonrasında yapılan saha çalışmalarından elde edilen bulgular-2 Çerçeve birleşimlerinde meydana gelen öngörülemeyen gevrek çatlamalar genellikle mimari açıdan çok küçük hasarlarla birlikte ortaya çıkmıştır. Dolayısıyla mimari hasarların az olması, ciddi yapısal hasarların farkına varılamaması açısından son derece risklidir. Üstelik, bu durum, geçmiş depremlerde pek çok binalarda farkına varılmayan hasarların var olabileceği endişesi yaratmıştır. Sonraki araştırmalar, 1992 Landers, 1992 Big Bear ve 1989 Loma Prieta depremlerinde farkına varılamayan yapısal hasarlar içeren yapıların varlığını göstermiştir. 17 Ocak 1994 Northridge depremi sonrasında yapılan saha çalışmalarından elde edilen bulgular-3 Genel olarak, 1994 depreminde hasar gören rijit çelik çerçeveli binalar, yapı şartnamelerinin temel tasarım gereksinimlerini karşılamışlardır. Yani sınırlı miktarda yapısal hasar görmüşler, fakat göçmemişlerdir.öte yandan, öngörüldüğü biçimde davranmamışlar ve bazı binalarda tasarım sırasında dikkate alınan depremden daha küçük şiddetteki yer sarsıntıları etkisinde bile birleşimlerde oluşan hasarlar nedeniyle çok büyük ekonomik kayıplar meydana gelmiştir. Bu kayıplar doğrudan doğruya hasarın tespiti ve onarımından kaynaklanmasının yanı sıra, hasarlı binaların geçici olarak veya bazen de uzun süreli olarak kullanılamamasından kaynaklanmıştır. 2
Rijit çelik çerçevelerin depreme dayanıklı tasarımında öngörüler Rijit çelik çerçeveler deprem yüklerini karşılarken taşıma güçlerini kaybetmeden yaygın biçimde akma ve plastik deformasyon oluşturabilecek kapasitede oldukları varsayılarak tasarlanırlar. Oluşması öngörülen plastik deformasyonlar ise kirişlerin kolonlara birleştiği kısımlarındaki plastik dönmelerdir ve teorik olarak bu dönmelerin binaya etkiyen deprem enerjisinin düzgün bir biçimde bina içinde dağıtılmasını sağladıkları varsayılır. Beklenen hasar orta derecede akma ve çelik elemanların yerel burkulması biçimindedir; gevrek kırılmalar değildir. HATIRLATMA: Kiriş-kolon birleşim konfigürasyonu 3
17 Ocak 1994 Northridge depreminde en çok hasar alan kiriş-kolon birleşim tipi Taşıma gücünde çok büyük kayıplar meydana gelmeden 0.015-0.02 rad. plastik dönme kapasitesine sahip kiriş-kolon birleşim tipi Northridge depremi sonrasında kiriş-kolon birleşimlerinde saptanan tipik hasar Northridge Depreminde oluşması beklenmediği halde tam penetrasyonlu küt kaynak dikişlerinde meydana gelen tipik gevrek çatlama 4
Northridge depremi sonrasında kiriş-kolon birleşimlerinde saptanan hasar çeşitleri - 1 Çatlakların bir defa başladıktan sonra çok farklı yollar izleyerek genişleyip; yayılabildikleri tespit edilmiştir: a. Çatlak kaynak dikişinin içinde olabileceği gibi şekildeki görüldüğü üzere kaynağın hemen bitimindeki metalde de meydana gelebilir. b. Çatlak yayılışı öyle bir yol izler ki; kolon başlığı kiriş başlığına bağlı kalarak kolonun geri kalan kısmından ayrılabilir. Northridge depremi sonrasında kiriş-kolon birleşimlerinde saptanan hasar çeşitleri- 2 a. Çatlak tüm kolon başlığına yayılabilir. b. Çatlak başlıktan ilerleyerek gövdeye de yayılabilir. Burada gösterilmemekle birlikte yapılan saha incelemelerinde kolon enkesitinin boydan boya çatladığı durumlar bile saptanmıştır. 5
Northridge depremi sonrasında kiriş-kolon birleşimlerinde saptanan hasar çeşitleri - 3 Başlıkta bu denli önemli bir çatlak oluştuğunda çatlağı açmaya zorlayacak kesit zorları etkisinde, başlık herhangi bir rijitlik sağlamayacaktır. Aktarılması gereken eğilme momentinin ise diğer başlık ve gövde aracılığıyla aktarılması gerekecektir. Bu durumda gövdedeki bulonlu bağlantılarda aşağıdaki resimde gözlenen göçme meydana gelecektir. Bunun yanı sıra gövde levhasını kolon başlığına bağlayan kaynak dikişlerinde de çatlaklar meydana gelebilir. Northridge depreminde kiriş-kolon birleşim bölgelerinde meydana gelen hasarların nedenleri-1 Birleşim bölgesini meydana getiren birleştirme araçlarının toplam enkesit alanı ve atalet momenti gibi büyüklüklerinin, kirişten daha zayıf olması nedeniyle birleşim kaynaklarına ve kolonlara öngörülenden çok daha fazla yük gelmiştir. Çelik tasarımında esas alınan, ölçüme dayalı olarak istatiksel yöntemlerle belirlenen malzemenin (nominal) akma gerilmesi, genellikle ortalama akma gerilmesi değerinin çok altında kaldığından, hesaplar sırasında çelik kirişlerin taşıma gücü gerçekte olduğunun önemli derecede altında tahmin edilmiştir. Bu durum ise yukarıda anılan neticeyi doğurmuştur. 6
Northridge depreminde kiriş-kolon birleşim bölgelerinde meydana gelen hasarların nedenleri-2 Kiriş alt başlığını kolon başlığına bağlayan kaynak dikişlerinin sahada uygulanması sırasında her bir kaynak pasosu kiriş gövdesi nedeniyle bölünmüş ve kiriş gövdesi her bir pasonun başlangıç ya da bitim noktası olmuştur. Üstelik genellikle kaynakçı gövdenin bir tarafındaki kaynak pasolarının tamamını bitirdikten sonra gövdenin diğer kısmına geçmiştir. Oysa gövdenin bir tarafındaki bir paso tamamlandıktan sonra diğer tarafa geçip orada bir pasonun daha bitirilmesi uygundur. Bu yöntem ortaya çıkan cüruf içerme, eriyip kaynaşamama, vb. kusurlar nedeniyle kaynak dikişlerinde düşük kaliteye ve dolayısıyla şiddetli deprem yükü etkisinde çatlak oluşumuna neden olabilmektedir. Northridge depreminde kiriş-kolon birleşim bölgelerinde meydana gelen hasarların nedenleri-3 Birleşimin geometrisi, kiriş başlığının kolon başlığına bağlandığı birleşimlerde kaynak kökünde meydan gelmesi olası kusurların saptanmasını güçleştirmiştir. backing bar Kaynak işlemi tamamlandıktan sonra tipik olarak yerinde bırakılan karşılama parçaları (backing bar) kaynak köklerinin görsel olarak incelenmesine engel olmuştur. Bu nedenle, kaynak kusurlarının tespiti için genellikle ultrasonik testler kullanılmıştır. Dahası, ultrasonik testler bile kiriş alt başlığının bağlantısındaki kaynak kökünde olası kusurların tespitinde, özellikle kaynağın tam orta kısmında kiriş gövdesinin bulunması nedeniyle yetersiz kalabilmiştir. Sonuç itibariyle, kaynaklı birleşimlerin pek çoğunda çatlak oluşumuna neden olabilecek kusurlar yapım aşamalarında tespit edilememiştir. 7
Northridge depreminde kiriş-kolon birleşim bölgelerinde meydana gelen hasarların nedenleri-4 backing bar Karşılama levhası ve kolon başlığı arasında kalan kaynaklanmamış bölge bir süreksizlik oluşturduğundan; bu bölgede gerilmelerin artışına ve buradan başlayan yeni çatlakların oluşumuna neden olabilmektedir. Northridge depreminde kiriş-kolon birleşim bölgelerinde meydana gelen hasarların nedenleri-5 Weld access holes Kiriş-kolon birleşimlerinin teşkilinde gerek üst başlık, gerekse alt başlık kaynaklarının tatbiki için kaynak ulaşım delikleri (weld access holes) gereklidir. Geometrilerine bağlı olarak, kiriş başlıklarında kaynak ulaşım delikleri ucunda ciddi şekil değiştirmeler meydana gelebilmektedir. Bu şekil değiştirmeler düşük çevrim yorulması (low-cycle fatigue) ve kiriş başlıklarında bir kaç orta büyüklükte plastik deformasyonun çevriminden sonra sünek yırtılmaya sebep olabilmektedir. Büyük plastik deformasyon taleplerinde ise, bu sünek yırtıklar stabilitesini kaybederek kiriş başlığı boyunca ilerleyebilmektedirler. 8
Northridge depreminde kiriş-kolon birleşim bölgelerinde meydana gelen hasarların nedenleri-6 Kiriş başlığı ve kolon başlığı birleşiminin orta noktası özellikle kalın başlıklı ağır kiriş profillerinin kullanılması durumunda harekete karşı tutulmuş kabul edilebilir. Bu harekete karşı tutulmuş olma durumu ise bu noktada akmanın gelişmesine engel olarak kaynaklı birleşimde gerilme yığılması yaratır ve kaynaklı birleşimlerde çatlama başlangıcında hızlandırıcı rol oynar. Northridge depreminde kiriş-kolon birleşim bölgelerinde meydana gelen hasarların nedenleri-6 ABD'de 1985-1994 yılları arasında rijit çelik çerçeveler göreceli olarak daha zayıf panel bölgeleri içerecek biçimde inşa edilmişlerdir. Son derece zayıf panel bölgesi içeren birleşimlerde, meydana gelen elastik ötesi deformasyon ağırlıklı olarak panel bölgesinin kayma deformasyonudur. Bu tipte deformasyon, kiriş başlığı ve kolon başlığı birleşim bölgesi yanındaki kolon başlığının dolaşmasına (kinking) ve bu hassas bölgedeki gerilme ve şekil değiştirme taleplerinin artmasına neden olur. 9
Northridge depreminde kiriş-kolon birleşim bölgelerinde meydana gelen hasarların ek nedenleri-1 Özellikle 1960'ların ortalarında ABD'de yaygın olarak kullanılan kaynak yöntemleri sonucunda ortaya çıkan kaynak dikişlerinin (CVN) çentik dayanımı çok düşüktü. Bunun sonucunda, kirişlerin akma dayanımına yaklaşılırken meydana gelen gerilme seviyelerinde kaynaklarda gevrek çatlakların oluşarak sünek davranışı engelledikleri durumlar ortaya çıkmıştır. Northridge depreminde kiriş-kolon birleşim bölgelerinde meydana gelen hasarların ek nedenleri-2 Eski rijit çerçevlerde, hiperstatiklik derecesi yüksekti ve bir binadaki kiriş-kolon birleşimlerinin tamamı rijit olarak teşkil ediliyordu. Bunun bir sonucu olarak da, eski çerçevelerin eleman boyutları küçüktü ve genel kabul görmüş birleşim tipleri için yapılan deneyler bu küçük eleman (enkesit) boyutlarını esas almaktaydı. İşçilik maliyetlerinde artışla birlikte, endüstride binanın tüm birleşimlerini değil de sadece birleşimlerin küçük bir yüzdesini rijit teşkil ederek, daha büyük enkesitli elemanları daha az sayıda rijit birleşimle birleştirmenin daha ekonomik olduğu farkedildi. Birleşim elemanlarının şekil değiştirme talepleri yapısal elemanların açıklık-kesit yüksekliğine bağlı olduğundan, eleman enkesit boyutları arttıkça, kaynaklı birleşim üzerindeki şekil değiştirme talepleri de artarak birleşimlerin gevrek davranışa daha yatkın olmalarına neden olmuştur. 10
Northridge depreminde kiriş-kolon birleşim bölgelerinde meydana gelen hasarların ek nedenleri-3 1980'li yıllarda ABD'de çelik üretiminde modern yöntemler kullanılmaya başlanmıştır. Bu modern yöntemler, malzemenin akma gerilmesini arttıran mikro-alaşım elementler içermekteydiler ve örneğin A36 çeliğinin akma gerilmesi, standartlara uygun olmayarak, gerçekte Gr.50 çeliğinin akma gerilmesine yakın hatta daha yüksek değerlere ulaşabilmekteydi. Bu çelik cinsi genellikle rijit çerçeve kirişlerinde kullanıldığından, kiriş malzemesinin akma gerilmesindeki artış, kiriş başlığını kolon başlığına bağlayan kaynak dikişleri tarafından karşılanamayabileceğinden birleşimlerin kırılganlığını arttırmıştır. 11