SARILMIŞ VE GELENEKSEL TİP YIĞMA YAPILARIN DEPREM DAVRANIŞLARININ İNCELENMESİ Ali URAL 1 aliural@ktu.edu.tr Öz: Yığma yapılar ülkemizde genellikle kırsal kesimlerde yoğun olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu tür yapılar yeterli mühendislik bilgisi olmadan, gelişi güzel bir biçimde inşa edildiğinden dolayı depremlerde hasar görerek ya da yıkılarak can ve mal kaybına sebep olmaktadırlar. Bunlara örnek olarak 13 Mart 1992 tarihinde Erzincan da meydana gelen 6,3 büyüklüğündeki bir depremde toplamı 8000 olmak üzere 6120 si tek katlı, 1700 ü çift katlı ve 180 i üç katlı donatısız yığma yapı ya ağır hasar görmüş ya da çökmüştür (Sucuoğlu ve diğ., 1997). Erzincan ve yöresi haricinde diğer kırsal kesimlerde de yığma yapıların yoğun olarak bulunduğu görülmektedir. Bu durumda neredeyse tamamı deprem kuşağında olan ülkemizde yığma yapıların da depreme dayanıklı olarak yapılmaları gereği ortaya çıkmaktadır. Bu amaçla yığma yapıların deprem davranışlarının incelenmesi ve hayata geçirilmesi önem taşımaktadır. Bu çalışmada sırasıyla 2, 3, 4 ve 5 katlı sarılmış ve geleneksel tip yığma yapıların lineer elastik deprem davranışları incelenmiştir. Lineer elastik davranıştaki amaç, yığma yapıların elastik aşamadaki ve başlangıç seviyelerdeki hasarları yorumlamaktır. Bu inceleme sonucunda aynı kat adedine sahip olan sarılmış ve geleneksel tip yığma yapıların deprem davranışları arasındaki farklar grafikler ve tablolar yardımıyla ortaya konmuştur. Yapılmış olan modellerde sonlu elemanlar yöntemi kullanılmıştır. Matematiksel modelden elde edilen bu sonuçlar Türk Deprem Yönetmeliğinde yorumlanmış ve yönetmeliğe uygunluğu denetlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Deprem Hasarları, Dinamik Analiz, Sonlu Elemanlar Yöntemi, Yığma Yapılar Giriş Yığma yapılar, taşıyıcı sistemi esas olarak doğal taşlar veya tuğla, briket gibi çeşitli malzemelerden yapılmış düşey duvarlardan oluşan yapılardır. Günümüzde betonarme yapılar en yaygın inşa edilen yapılar olarak görülse de, özellikle kırsal kesimlerde yığma türü yapıların yoğunluğu dikkat çekmektedir. Bunun başlıca sebeplerini diğer yapı türlerine oranla daha ekonomik olması ve yerel malzemelerle inşa edilebilmesi olarak sıralayabiliriz. Bu gibi sebeplerden dolayı yığma yapılar teknik destek alınmadan inşa edilmekte, yapımı sırasında önemli olabilecek hatalar yapılmakta ve dolayısıyla deprem gibi doğal afetler karşısında dayanımını hemen kaybedip ağır hasar görmekte veya yıkılmaktadırlar. Ayrıca üniversitelerimizin ilgili bölümlerinde lisans ders müfredatına bakıldığında yığma yapılarla ilgili teknik bilgilere çok az yer verildiği ya da hiç teknik bilginin verilmediğini görmekteyiz. Bu tür çalışmalarla birlikte yığma yapı tasarımı ve inşasıyla ilgilenen teknik elemanların depreme dayanıklı yığma yapı tasarımı ilkeleri konusunda daha detaylı bilgilere ulaşabilecekleri düşünülmektedir. Yığma Yapılar Hakkında Genel Bilgiler Yığma Yapı Sınıfları Ülkemizdeki mevcut standart a göre yığma yapılar sadece sarılmış tip yapılabilmekteydi. Fakat Avrupa uyum paketiyle birlikte bu konuda Eurocode 6 Türkçeye çevrilmiş ve yürürlüğe girmiştir. TS ENV 1996-1-1 adı altında yürürlüğe giren ve Kâgir yapıların tasarımı hakkında genel kuralların verildiği bu yeni yönetmeliğe göre yığma yapılar sarılmış yığma 1 Karadeniz Teknik Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü, Trabzon, Türkiye 400
yapıların yanında, donatısız (Geleneksel), donatılı ve öngerilmeli yığma türleri de artık Türk standardında yerlerini almış bulunmaktadırlar. Tipik Yığma Yapı Hasarları Depremden dolayı yığma yapıların bazı bölümlerinde hasarlar meydana gelmektedir. Bildirinin ilerleyen kısımlarında da belirtileceği gibi özellikle kapı ve pencere kenarlarında gerilmeler fazlalaştığından dolayı diyagonal çatlaklarla birlikte yığma yapılar çökme mekanizmalarına ulaşmaktadırlar. Aşağıdaki Şekil 1 de Kocaeli (1999) depreminde bu şekilde hasar görmüş bir yığma yapı görülmektedir. Şekil 1. Yığma yapılarda tipik diyagonal çatlaklar, (Bruneau, 2002). Deprem doğrultusuna dik yöndeki eğilmeye çalışan yığma duvarlarda köşelere yakın kısımlarda düşey çatlaklar meydana gelmektedir. Yukarıdaki Şekil 1 de bu tür çatlaklar da görülmektedir. Ayrıca çatı katında kullanılan kalkan duvarlarının da depremden hasar gören bölgelerin başında geldiği söylenebilir. Modelleme Sarılmış ve geleneksel tip yığma yapıların deprem davranışlarını belirlemek amacıyla ayrı ayrı 2, 3, 4 ve 5 katlı tipik konut şeklindeki modeller SAP2000 paket programında modellenmiştir. Aşağıdaki Şekil 2 ve Şekil 3 te görünüşleri ve kat planı gösterilen geleneksel ve sarılmış tip yığma modelleri Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmeliğin (ABYYHY) ilgili bölümlerindeki tasarım kriterlerine uygun şekilde hazırlanmıştır. Şekil 2. 2,3, 4 ve 5 katlı sarılmış ve geleneksel tip yığma modellerin görünüşleri 401
0,5m Deprem Doğrultusu 1,5m 0,8m 1,0m 1,7m 0,5m 3,0m 2,5m. 4,0m 1,1m. 1,5m. 1,7m. 1,0m. 2,6m. 1,7m. 1,5m. 3,3m 1,7m 1,0m 0,8m 1,7m 2,0m 1,0m 1,7m 1,5m 0,5m Şekil 3. 2,3, 4 ve 5 katlı sarılmış ve geleneksel tip yığma modellerin kat planı Yönetmelikte yaralan bazı ölçütler ve modellerin bu yönetmeliğe uygunluğu aşağıdaki Tablo 1 de verilmektedir. Tablo 1.ABYYHY e göre modellerin kontrolü Açıklama Yönetmelikteki Kriter 1- Her bir katın yüksekliği, döşeme üstünden döşeme 3m. üstüne olan mesafe 2- Taşıyıcı duvarların minimum kalınlıkları 1,5 veya 1 birim (Kerpiç için) Model Planında =3,0m =0,3m. 3- Taşıyıcı duvarların minimum toplam uzunluğu l d A 0,25. I 0,30 0,25 4- Mesnetlenmiş duvar boyu (1.dep. Bölgesi için) 5,5m. 5,5m. 5- Bina köşesine en yakın pencere veya kapı boşluğu ile bina köşesi arasında bırakılacak dolu duvar parçasının plandaki uzunluğu (1.Dep. Bölgesi için) 1,5m. 1,5m. 6- Bina köşeleri dışında, birbirini dik olarak kesen duvarların ara kesitlerine en yakın pencere veya kapı boşluğu ile duvarların ara kesiti arasında bırakılacak dolu duvar parçasının plandaki uzunluğu 7- Kapı ve pencere boşlularının her birinin plandaki uzunluğu 0,5m. 3,0m. 0,5m. 3,0m. Uyumluluk Tüm modellerde kullanılan malzemeler aşağıdaki Tablo 2 de gösterilmektedir. Tablo 2. Modellerde kullanılan malzemelerin bazı özellikleri Malzeme Elastisite Modülü Birim Hacim Ağırlığı Poisson Oranı (MPa) (kn/m 3 ) Yığma Birim 942 0,1 18 Betonarme Döşeme 28000 0,2 45 Balkon Döşemesi 28000 0,2 75 NOT: Yığma modellerde kullanılacak olan hatıl ABYYHY e uygun olup 0,3m.x0,3m. ebadında 8 adet φ 9 luk donatı kullanılmıştır. 402
Analizler Hazırlanan modellere güncel olması bakımından 1 Mayıs 2003 Bingöl depreminin doğu-batı bileşeni modellere uygulanmıştır. Aşağıdaki Şekil 4 te 1 Mayıs 2003 Bingöl depreminin ivme kaydı yer almaktadır. (cm/sn 2 ) 600 400 200 0-200 -400-600 (sn) 0 5 10 15 20 25 30 Şekil 4. 1 Mayıs 2003 Bingöl depreminin doğu-batı bileşeninin ivme grafiği Geliştirilmiş olan 2, 3, 4 ve 5 katlı sarılmış ve geleneksel tip yığma yapı modellerine, periyotlarını belirlemek amacıyla Modal analiz yapılmıştır. Daha sonra aynı depremin Doğu-Batı bileşeninin ivme değerleri uygulanarak Zaman-Tanım alanında analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu analizdeki amaç Şekil 6 da gösterilen düzlemdeki düğüm noktalarının maksimum deplasman, hız ve ivme değerlerinin belirlenip yapının genel davranışının çıkartılabilmesidir. Modellerin Deprem Davranışları Çalışmada 2, 3, 4 ve 5 katlı sarılmış ve geleneksel tip olmak üzere 8 adet modelin Modal analizleri ve Zaman-Tanım alanında analizleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan Modal analiz sonucunda modellerin ilk 12 periyodu aşağıdaki Tablo 3 ve Şekil 5 da değer ve grafiksel olarak gösterilmiştir. Tablo 3. Modellerin Modal analiz sonucunda oluşan ilk altı periyotları (sn) MOD 2 katlı yığma 3 katlı yığma 4 katlı yığma 5 katlı yığma Sarılmış Geleneksel Sarılmış Geleneksel Sarılmış Geleneksel Sarılmış Geleneksel 1 0,1282 0,1599 0,1927 0,2486 0,2618 0,3503 0,3374 0,4683 2 0,1073 0,1257 0,1583 0,1897 0,2119 0,2613 0,2681 0,3424 3 0,1017 0,1150 0,1493 0,1683 0,1978 0,2229 0,2473 0,2791 4 0,0533 0,0707 0,0661 0,0906 0,0875 0,1195 0,1161 0,1578 5 0,0528 0,0692 0,0553 0,0838 0,0722 0,1048 0,0929 0,1276 6 0,0518 0,0656 0,0538 0,0773 0,0673 0,0998 0,0874 0,1259 7 0,0495 0,0640 0,0534 0,0742 0,0566 0,0887 0,0874 0,1099 8 0,0488 0,0622 0,0522 0,0719 0,0539 0,0833 0,0850 0,1033 9 0,0476 0,0604 0,0521 0,0678 0,0530 0,0745 0,0826 0,1017 10 0,0463 0,0600 0,0508 0,0673 0,0527 0,0734 0,0800 0,0984 11 0,0456 0,0596 0,0495 0,0647 0,0522 0,0701 0,0766 0,0958 12 0,0445 0,0567 0,0490 0,0636 0,0515 0,0675 0,0717 0,0895 403
0,5 0,4 periyodlar (s) 0,3 0,2 0,1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 modlar 2 katlı 3 katlı 4 katlı 5 katlı 0,5 (a) 0,4 periyodlar (s) 0,3 0,2 0,1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 modlar 2 katlı 3 katlı 4 katlı 5 katlı Şekil 5. Sarılmış ve Geleneksel tip yığma yapıların ilk 12 periyotları, (a) Geleneksel modeller, (b) Sarılmış modeller (b) Gerek geleneksel tip ve gerekse sarılmış yığma modellerinde yapı periyotları Şekil 5 ten de görüldüğü üzere birbirine yakınsayarak azalmaktadır. Yapılan Modal analiz sonucunda geleneksel tip yığma modellerde yapı periyotları orantısal olarak sarılmış tip yığma modellerdeki periyotlardan fazla çıkmıştır. Depremden dolayı meydana gelen doğal titreşim periyodunun yüksek olması, o yapıda meydana gelen hasarın fazla olacağını işaret eder. Şekil 5-a dan da görüldüğü üzere 5 katlı geleneksel tip yığma modelin 1. periyodu 0,4683 bulunmuştur. Bu periyot değeri çözümü yapılan tüm modellerde bulunan en yüksek değerdir. Bu sebepten dolayı Şekil 6-g de 5 katlı geleneksel tip yığma modelde meydana gelen maksimum deplasman, 5. katın tavan seviyesinde 67,7 mm olarak bulunmuştur. Bingöl depreminin doğu-batı bileşeninin modellere uygulandığı dinamik analiz sonucunda Şekil 2 de çerçeve içinde gösterilen düzlemde maksimum deplasmanların meydana geldiği görülmüştür. Bu nedenle aşağıdaki Şekil 6 da bu düzlem ele alınmış ve meydana gelen deplasman miktarları ve gerilme şekilleri gösterilmiştir. 404
4,87mm. 2,85mm. 2,85mm. 1,75mm. a)2 katlı geleneksel yığma b)2 katlı sarılmış yığma 14,5mm. 20,5mm. 10,8mm. 16,3mm. 5,40mm. 8,58mm. 22,2mm. c)3 katlı geleneksel yığma 22,0mm. d)3 katlı sarılmış yığma 18,3mm. 19,0mm. 12,7mm. 13,7mm. 6,16mm. 6,85mm. 67,7mm. e)4 katlı geleneksel yığma 23,9mm. f)4 katlı sarılmış yığma 56,2mm. 21,2mm. 43,1mm. 17,4mm. 28,2mm. 12,3mm. 12,9mm. 6,15mm. g)5 katlı geleneksel yığma h)5 katlı sarılmış yığma Şekil 6. Sarılmış ve geleneksel tip yığma modellerin maksimum deplasman ve gerilme şekilleri Yukarıdaki Şekil 6 dan da görüldüğü üzere 2 katlı modellerde geleneksel tip yığma modeldeki deplasman miktarı sarılmış yığma modeldeki deplasman miktarından fazla çıkmış fakat 3, 4 ve 5 katlı yığma modellerinde deplasman farkları değişmiştir. Bu durumu daha iyi görebilmek için aşağıdaki Şekil 7 de deplasman miktarları grafiksel olarak gösterilmektedir. 405
2-Katlı Yığma 3-Katlı Yığma 4-Katlı Yığma 5-Katlı Yığma 5-K 5-K 5-K 5-K 4-K 4-K 4-K 4-K Katlar 3-K 2-K Katlar 3-K 2-K Katlar 3-K 2-K Katlar 3-K 2-K 1-K 1-K 1-K 1-K 0-K 0 20406080 Deplasmanlar (mm) 0-K 0 20406080 Deplasmanlar (mm) 0-K 0 20406080 Deplasmanlar (mm) 0-K 0 20406080 Deplasmanlar (mm) Geleneksel Sarılmış Geleneksel Sarılmış Geleneksel Sarılmış Geleneksel Sarılmış Şekil 7. 2, 3, 4 ve 5 katlı yığma modellerdeki deplasmanlar (mm) Özellikle 3 katlı modellerde sarılmış yığmanın yaptığı maksimum deplasman geleneksel tip yığmanın yaptığı maksimum deplasmandan daha fazla çıkmıştır. Fakat deplasmanlar arasındaki fark ihmal edilebilecek seviyelerde kalmıştır. 5 katlı modellerde geleneksel tip model ile sarılmış model arasında, yaptıkları maksimum deplasman yönünden fark fazladır. Hatta geleneksel tip modelin yaptığı deplasman azımsanamayacak kadar büyüktür. Bu yüzden ABYYHY de (1997) yığma yapımına maksimum 4 kata kadar izin verilmektedir. Analizleri yapılan tüm modellerde Şekil 6 da daire içine alınan bölgelerde kayma gerilmeleri yüksek çıkmıştır. Bunun başlıca sebeplerinden biri yığma yapılar boşluklar çevresinin dinamik etkiler karşısında en zayıf bölgeleri oluşturmasıdır. Bu yüzden ileriki aşamalarda çatlaklar bu bölgelerden başlayacaktır. Sarılmış modellerde bu tür bölgelerdeki kayma gerilmeleri geleneksel tip yığma modellerden daha azdır. Bunun sebebi ise sarma vazifesi gören hatılların bu bölgelerdeki gerilmeleri düzgün bir şekilde diğer bölgelere dağıtmasıdır. Bu yüzden sarılmış yığma yapılar geleneksel tip yığma yapılara oranla deprem davranışı yönünden daha avantajlı olmaktadır. Sonuçlar 2, 3, 4 ve 5 katlı geleneksel tip ve sarılmış yığma modellerin Modal analizi yapılmış ve 1 Mayıs 2003 Bingöl depreminin Doğu-Batı bileşeninin ivme kaydı SAP2000 programında uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlar aşağıda sırasıyla verilmiştir. 1. Gerek geleneksel tip ve gerekse sarılmış yığma modellerinde yapı periyotları birbirine yakınsayarak azalmaktadır. Geleneksel tip yığma modellerde yapı periyotları orantısal olarak sarılmış tip yığma modellerdeki periyotlardan fazla çıkmıştır. Bunun sebebi düşey hatılların yapının periyodu üzerindeki olumlu etkisidir. 2. Bütün modellerde deprem etkisinden dolayı meydana gelen deplasmanlar bulunmuştur. 5 katlı geleneksel tip yığmada meydana gelen deplasmanlar azımsanamayacak kadar fazla çıktığından dolayı bu tür yapıların pratikte uygulanmaması gerekir. 3. Şekil 6 dan da görüldüğü üzere özellikle sarılmış yığma modellerde üst katlardaki rölatif deplasmanlar alt katlara göre daha az olmaktadır. Bundan dolayı üst katlar özellikle 1.kata göre daha rijit davranış göstermiştir. 4. Pratikte Yığma yapılar deprem karşısında özellikle boşluk kenarlarından hasar görmektedir. Bundan dolayı boşluk çevresinin güçlendirilmesi şarttır. Yapılan çalışmada güçlendirme işlemini düşey hatıllar yapmaktadır. Sonuç olarak bu bölgelerdeki gerilme yığılmaları azaltılmış olmaktadır. 406
Yapılan bu çalışmayla birlikte sarılmış yığma yapıların geleneksel tip yığma yapılara oranla depremde daha az hasar göreceği belirlenmiş olmaktadır. KAYNAKLAR 1. ABYYHY, 1997. Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik, TMMOB İnşaat Mühendisleri Odası, Ankara. 2. BRUNEAU, M., 2002. Building Damage From the Marmara, Turkey Earthquake of August 17, 1999, Journal of Seismology 6;357-377 3. SAP2000, 1997. Integrated Structural Analysis & Design Software, Computers and Structures, Inc., Berkeley, California. 4. SUCUOĞLU, H ve ERBERİK A., (1997). Performance Evaluation of a Three-Storey Unreinforced Masonry Building During the 1992 Erzincan Earthquake, Earthquake Eng. Struct. Dyn. 26, 319-336. 5. TS ENV 1996-1-1, 2001. Kâgir Yapıların Tasarımı, Bölüm 1-1: Binalar İçin Genel Kurallar- Donatılı ve Donatısız Kâgir Kuralları (Eurocode 6), Ankara. 407