KULLANILABİLİRLİK KAVRAMI apı Elemanlarının Davranışı rd. Doç. Dr. Barış ÖZKUL 7 AĞUSTOS 999 DEPREMİ NİN OL 7 Ağustos 999 Marmara M = 7. AÇTIĞI KAIPLAR Can Kaybı 0.000 aralı 0.000 ıkılan/ağır Hasarlı Bina Sayısı 000 Toplam Ekonomik Zarar 0 Milyar $ Mark FINTEL;... mühendisliğinin ana kaygısı çökmeye karşı gerekli olan güvenliktir. Güvenliğe ek olarak hasar kontrolü bizim ana amacımız olmalıdır. Çok katlı betonarme binaların depremler sırasındaki davranışına bakılırsa, hasar kontrolünü sağlamak için sünek perde duvarlar deprem bölgelerinde en iyi çözüm olarak görünmektedir. Aslında, depremlerdeki gözlemlerden, perde duvarlar olmaksızın çok katlı bina inşa etmemizin artık mümkün olmadığı görülmektedir. TD 007 ye Göre Hasar Sınırları ve Hasar Bölgeleri Göçme Sınırı Güvenlik Sınırı Minimum Hasar Sınırı KULLANILABİLİRLİK KAVRAMI Kullanılabilirlik kavramı, en yüksek şiddetteki depremde dahi, hemen depremin ardından, yapının kullanılabilir durumda olması felsefesine dayanır. Bu yeni felsefeye göre, kat ötelemelerinin deprem perdeleri ile sınırlandırılması gerekmektedir.
7 Ocak 99 Kobe i Can Kaybı aralı Ağır ve Orta Hasarlı Bina Kobe Belediye Binası Hiç hasar görmeden, depremi birkaç kılcal çatlakla veya bir iki mermer kaplama plakasının kırılması ile atlatan, yüksek katlı betonarme binalar Kullanılabilirlik kavramının en belirgin örnekleridir. 7 Ocak 99 Kobe M = 7. 00 6.000 00000 Zemin üstüne 8 katlı betonarme bir bina olan Kobe Belediye Binası, depremde hiçbir hasar görmemiştir. Sadece, giriş katında asansör çekirdeği etrafındaki perde duvarın bazı mermer kaplamaları çatlamıştır. Kobe Belediye Binası Tipik Kat Planı Bu binanın tipik bir kat planı ve tüp içinde tüp şeklinde düzenlenen perde duvar sistemi gösterilmiştir. apılan hesaplar bu yüksek katlı binanın kat arası deplasmanlarının, yönetmelik sınırlarının çok altında kaldığını göstermiştir. Dolayısı ile, binanın depremde hiç hasar görmemesinin ve depremden sonra hemen kullanılabilir olmasının tek dayanağı, yatay kat arası deplasmanlarını önemli ölçüde sınırlayan bu yoğun deprem perdeleridir. Dünyada hemen hemen tüm ülkelerin önetmeliklerinin öngördüğü geleneksel tasarım ilkesi özetle şöyledir; Binanın ömrü boyunca meydana gelebilecek en şiddetli depremde, can kaybını önlemek amacı ile, binanın kısmen veya tamamen göçmesi önlenmelidir. Bu esnada, bölme duvarları, dolgu duvarları, sıva ve kaplamalar gibi yapısal olmayan elemanlar ağır hasar görebilirler. Binanın yatay ve düşey yük taşıyıcı sisteminde bazı çatlaklar meydana gelmesine, hatta yapısal ve yapısal olmayan elemanlarda oluşabilecek hasarın onarılabilecek düzeyde kalmasına izin verilir. Ancak, taşıyıcı sistemde herhangi bir göçme olmamalıdır. apısal olmayan elemanlarda ağır hasar, yapısal elemanlarda ise mafsallaşma ile sınırlı, göçme önlenmiş hafif hasar, başarılı bir deprem davranışı olarak kabul edilmektedir. Ancak, yapısal ve yapısal olmayan hasarların onarılması ve binanın ileride meydana gelebilecek şiddetli bir depreme karşı güçlendirilmesi için gerekli masraf binanın yenileme maliyetinin %0 ila %70 arasında olabilir. Fakat, binanın deprem sırasındaki davranışı hala başarılı sayılmaktadır. İşte bu onarım ve güçlendirme zorluklarını ortadan kaldırmak ve binanın depremden hemen sonra fonksiyonel hale gelmesini sağlamak amacı ile yeni bir tasarım ilkesi, Kullanılabilirlik ilkesi getirilmiştir.
Kullanılabilirlik Kriteri nde Kullanılan Semboller; No KRİTER GENEL TASARIM İLKESİ KULLANILABİLİRLİK İLKESİ ORAN (a) (b) (a/b) n inci Kattaki Maksimum Elastik er Değiştirme: d n Kat üksekliği : h Maksimum Çatı er Değiştirmesi 0.00 H 0.0 H / R 0.0007 H.0 Kat Ötelemesi : e = d n+ d n Maksimum Kat Arası Deplasmanı mm Kat Ötelemesi Oranı : S m = e / h Taban Kesme Katsayısı : C m = Ao S(t) / R Maksimum Kat Arası Deplasmanı Oranı 0.00 0.0 / R 0.00. Kontrol Endeks i : İ m = 0 ( S m / C m ) Kontrol Endeks i 0 Kullanılabilirlik İçin Gerçek Bir Örnek; Aralık 97 Managua,Nicaragua i (M=6.) Banco Central De Nicaragua Binası Banco Central de Nicaragua binası iki bodrumlu, çatısında eksantrik yerleşmiş bir çatı katı bulunan katlı bir binadır. Asansör ve merdiven kovası, kat planlarında eksantrik yerleştirilmiştir. Kat planında rijitlikler simetrik dağıtılmamış, asansör ve merdiven kovası etrafındaki perde duvar eksantrisite yaratmıştır. Çerçevenin esnekliği nedeni ile binada önemli yatay deplasmanlar ve dolayısı ile önemli hasarlar meydana gelmiştir. Banco De America Binası Oysa, 8 katlı Banco de America binası deprem sırasında harika bir performans sergilemiştir. esnasında mobilyalar bile devrilmemiş, yalnızca bazı kitaplar raflardan düşmüştür. Bina, depremi yapısal olmayan çok hafif hasarlarla atlatmış ve ufak bazı onarımlarla bir hafta gibi kısa bir süre içinde hizmete sunulmuştur. Birbirine bu kadar yakın bu iki binanın deprem davranışlarındaki bu tezat durum, birinin yıkılmaya kadar giden ağır hasarları, diğerinin ise hemen hizmete sokulabilecek kadar çok hafif hasar görmesi, perdeli ve hatta çerçeve+perdeli sistemlerin deprem davranışlarının çok başarılı olduğunun bariz bir kanıtıdır.
İki Binanın Davranışını Daha akından İncelemek İçin Managua daki İki Binaya Benzer İki Farklı Sistem Seçilmiştir Banco De Central Nicaragua Binası Benzeri Bina nın Tipik Kat Planı ve Kesiti (0 Katlı Bina) Çerçeve Sistem PerdeÇerçeve Sistem Çerçeve Sistem Banco De Central America Binası Benzeri Bina nın Tipik Kat Planı ve Kesiti (0 Katlı Bina) Kat İki Binanın Analizi Sonucunda Elde Edilen anal Ötelemeler ve Kat Ötelemeleri Çerçeve sistem Perde sistem anal Öteleme Kat Ötelemesi anal Öteleme Kat Ötelemesi 0 m 0 m 0 m 0 m 9 6 7 69 8 0 8 6 6 0 8 6 6 87 0 6 7 7 8 80 7 8 9 07 8 0 9 9 8 77 9 0 9 70 6 8 9 6 6 8 9 696 6 8 PerdeÇerçeve Sistem 6 76 8 8 7 8 80 8 8 868 0 8 9 99 9 7 0 966 67 7 0 9 8 7 6 0 9 8 7 6 anal Ötelemeler 0 00 00 600 800 000 Çerçeve Sistem Perde Sistem 0 9 8 7 6 0 9 8 7 6 Kat Ötelemeleri Oranları 0 0 0 Çerçeve Sistem Perde Sistem
Taban R e d N Hasar Kontrol Kesme Ülke ıl Perde Perde M Katsayıs ep =R. e S p Endexi Duv ar Duv ardan ı D cm İ m = Bağlantılı Ayrılmış Küba 96 0.00 0.000 0.000 00 El Salvador 966 0.07 0.000 0.000 78 Şili 97 0.080 0.000 0.000 0 000 900 Türkiye 97 0.080 0.00 İsrail 97 0.00 0.00H 800 Avustralya 979 0.0 0.000/R...0 986 700 Japonya 98 0.00 0.000 0.008 0 Kolombia 98 0.78 0.00/R. 6..0 76 ugoslavya 98 0.00 0.009 0.007/H 90 600 Peru 98 0.067 0.000/R 0.0/R..8. 00 Venezuella 98 0.089 0.080/R 0.0/R 6.0.0.0 7 Endonezya 98 0.090 0.000/R.0.0 0.8 6 00 Etyopya 98 0.07 0.000/R.0.0.0 eni Zellanda 98 0.096 0.0060/R 0.00/R... 00 Hindistan 98 0.080 0.000 00 00 UBC H<0 m 988 0.09 0.000/R.0.0 8.0 6 0.09 0.000.0.0 8.0 UBC H>0 m 988 0.09 0.000/R 7 0.09 0.000.0.0 8.0 İran 988 0.0 0.000 7 Mısır 988 0.0 0.000/R.0.0.0 ATC/NEHRP 99 0.80 0.00/R. 6..0 Romanya 99 0.60 0.00/R 0.007/R.0.0.0 EUROCODE 99 0.000 0.0080.0.0.0 Türkiye 996 0. 0. 0.000/R 0.00 8.0 7.0 6.0 00 80 00 00 0 Romanya Kolombia ATC/NEHRP Türkiye (99) eni Zellanda Etyopya Japonya Şili UBC H>0 El Salvador ugoslavya Mısır Türkiye (97) Peru Venezuella İran UBC H<0 Küba Hindistan Endonezya Avusturalya Japon ve Amerikan Sistemlerinin Karşılaştırılması üksek binalarda deprem yüklerini taşıyabilmek üzere tüm kolonlar çelik kutu profil olarak tasarımlanmıştır. Bu çelik kutu profiller tek başlarına deprem yüklerini taşımak için yeterlidirler. Ancak, yatay deprem deplasmanlarını küçültmek, yangına ve korozyona karşı koruyuculuk yapmak üzere, bu çelik kutu profillerin etrafına betonarme bir manto geçirilmiştir. Amerika Birleşik Devletleri nde bu çelik kutu profilin etrafına, korozyona ve yangına karşı önlem olmak üzere sadece alçı plakalar yerleştirilmektedir. Kompozit kesit uygulaması yoktur. Bu nedenle, Kaliforniya da 7 ocak 99 Northridge i nde çelik kutu profil en kesitli kolonlar birleşim yerlerinde ağır burkulma ve flambaj hasarlarına maruz kalmışlardır.
Japon ve Amerikan Sistemleri nin Tipik Kesitleri 0 9 8 7 6 0 9 8 7 6 Aynı e Maruz Japon ve Amerikan Sistemleri nin Çatı i d N = 0.0007H 0 00 000 00 000 JAPON ABD 0 9 8 7 6 0 9 8 7 6 Aynı e Maruz Japon ve Amerikan Sistemleri nin Kat Ötelemeleri Oranları 0 0 0 0 JAPON 0.00 ABD SAKARA VİLAET BİNASI 7 AĞUSTOS 999 inden Hemen Sonra Kullanılabilir Olan Sakarya Vilayet Binası Adapazarı Vilayet Binası nın İki Farklı Performansı 967 Akyazı inde apıda Meydana Gelen Hasarlar in yapıda meydana getirdiği hasarlar depremin şiddetine göre beklenen hasarlardan çok daha tahripkar ölçüde olmuştur. apıda meydana gelen hasarlar, Temmuz ilk depreminden ve 0 Temmuz artçı şokundan meydana gelmiştir. Sakarya Vilayet Binası, Temmuz 967 Akyazı (M=7.) depremi sırasında oldukça büyük hasara maruz kalmıştır. Bazı teknik ekiplerce yapının yıkılıp yeniden inşa edilmesi önerilse de söz konusu yapı geleneksel güçlendirme metotları kullanılarak depremden sonraki sekiz aylık süre içerisinde güçlendirilmiştir.
967 Akyazı inde Sakarya Vilayet Binasında Meydana Gelen Hasarların Genel Tasviri Orijinal apının Analizi Öncelikle Sakarya Vilayet Binası nın güçlendirme öncesindeki orijinal yapı sistemi analiz edilmiştir. apı sistemi ETABS programı ile modellenerek analizi yapılmıştır. ÖNÜ 7.06 6. 9.7 0.06 8.8 0 0 0 0 0 0 60 70 80.977 ÖNÜ 96.7 8. 9.66.6 7. 0 0 0 60 80 00.977 0.009 0.009 0.006 0.006 0.00 0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.006 0.007 0.00 Göreli Kat Ötelemesi Oranları 0.008 0.0067 0.0078 0.00 0.000 0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.006 0.007 0.008 0.00 Göreli Kat Ötelemesi Oranları Güçlendirilmiş apının Analizi Sakarya Vilayet Binası nın güçlendirme öncesindeki orijinal yapı sistemi analiz edildikten sonra güçlendirilmiş yapı analiz edilmiştir. Güçlendirilmiş apı Kalıp Planı apıya her iki yönde takviye edilen betonarme perdelerin simetrik yerleştirilmiş olması, ağırlık ve rijitlik merkezlerinin oldukça yakın kalmasına, yapıdaki burulma etkisinin ortadan kalkmasına, her iki yönde de rijitliğin önemli ölçüde artmasına ve yer değiştirmelerin, dolayısıyla kat ötelemelerinin ve kat ötelemesi oranlarının oldukça düşük değerlerde kalmasına sebep olmuştur.
. ÖNÜ ÖNÜ 9.8.6 7.8.78.9..8 0.88 0. 0 6 8 0.977 0.0006 0.0007 0.0007 0.0006 0.000 0 0.000 0.000 0.0006 0.0008 0.00 0.00 0.00 Göreli Kat Ötelemesi Oranları 0 6 7 8 9 0.977 0.000 0.000 0.000 0.000 0.0000 0 0.000 0.000 0.0006 0.0008 0.00 0.00 0.00 Göreli Kat Ötelemesi Oranları İki Sistemin Karşılaştırılması 967 Akyazı ve 999 Marmara depremlerini iki farklı sistemle karşılamış olan Sakarya Vilayet Binası nın, 967 deki orijinal sistemi yıkılmaya gidecek kadar ağır hasara uğramıştı. Oysa bina, güçlendirilen yapı sistemiyle 999 Marmara depreminden hemen sonra kullanılabilir durumdaydı ve Sakarya İli nin kriz merkezi olarak hizmet verdi. Sakarya Vilayet Binası nın İki Farklı apı Sisteminin i 0.977 0 7 00 Güçlendirilmiş apı Orijinal apı Sakarya Vilayet Binasının İki Farklı apı Sisteminin Göreli Kat Ötelemesi Oranları Kullanılabilirlik ve apı üksekliği Kullanılabilirlik kriterinin yapı yüksekliği ile olan ilişkisini belirlemek amacıyla mimari planı şekilde gösterilen yapı seçilmiş ve kat yüksekliği metre olan 0 katlı bir yapı olarak dizayn edilmiştir. 0 katlı yapının I. ve derece deprem bölgelerinde uygulandığı düşünülerek iki farklı çözüm yapılmıştır. 0 0.00 0.00 0.006 0.008 0.00 Güçlendirilmiş apı Orijinal apı
Seçilen Sistemin Kalıp Planı /0 70/ /60 0 Katlı apı 0. KAT 7.8 0.7 0. KAT 6.89 7.6 Max. Çatı erdeğiştirmesi : 0.0007 x 0000 = 9 Katlı apı 8 Katlı apı 9. KAT. 6.6 8. KAT.. 9. KAT 6.07 6.6 Max. Çatı erdeğiştirmesi : 0.0007 x 7000 =8.9 8. KAT.6 6. Max. Çatı erdeğiştirmesi : 0.0007 x 000 =6.8 7 Katlı apı 7. KAT 8.9 0. 6 Katlı apı 6. KAT.7 6.6 7. KAT.7.0 Max. Çatı erdeğiştirmesi : 0.0007 x 000 =.7 6. KAT.86. Max. Çatı erdeğiştirmesi : 0.0007 x 8000 =.6
Katlı apı Katlı apı. KAT.9.89. KAT 9.07 9.. KAT.0. Max. Çatı erdeğiştirmesi : 0.0007 x 000 =0.0. KAT.7. Max. Çatı erdeğiştirmesi : 0.0007 x 000 =8.0 Katlı apı. KAT.9.77 Katlı apı. KAT.08.7. KAT.9.9 Max. Çatı erdeğiştirmesi : 0.0007 x 9000 =6.0. KAT 0. 0. Max. Çatı erdeğiştirmesi : 0.0007 x 6000 =.0 İçin apılara Ait erdeğiştirmeler KULLANILABİLİRLİĞİN API MALİET İNE ETKİSİ Kullanılabilirlik felsefesi ile inşa edilen yapılarda ne kadar maliyet artışı olabileceğini belirlemek amacı ile, bir yapı planı seçilerek, 0 katlı ve katlı çerçeve sistem olarak nde statik analizleri yapılmıştır. Daha sonra binalar kullanılabilirlik kriterini sağlayacak şekilde taşıyıcı sistemi Perde+Çerçeve olarak belirlenmiş ve maliyet artışının ne mertebede olacağı hesaplanmıştır.
/60 70/ 70/0 0/0 /60 /0 /0 70/0 0/0 70/ 0 Katlı apı 0 9 8 7 6 0 0 0 0 Çerçeve Perde+Çerçeve ÇERÇEVE SİSTEM Birim Fiyatı Birim Miktar ($) Malzeme Tutar ($) Beton (C0) m 07. 0.76 666.6 Kalıp m 89. 6.6 98.6 8 mm Donatı t 8.7 60.8 778. 8 mm Donatı t 78. 7.98 900. TOPLAM 8 Malzeme PERDE+ÇERÇEVE SİSTEM Birim Fiyatı ($) Tutar ($) Beton (C0) m 8 0.76 700. Kalıp m 00 8 mm Donatı 8 mm Donatı Tuğla Birim Miktar 6.6 6778. t 78.6 60.8 788. t 8. 7.98 867. adet 80 0.066 76.9 TOPLAM 9 Katlı apı 0 Katlı yapıda, taşıyıcı sistemin maliyet artışı %. olmaktadır. Kaba inşaatın maliyeti tüm yapının maliyetinin %0 ı kadar olduğunu da göz önünde bulundurarak tüm yapının maliyet artışı % civarında olmaktadır. 0 6 8 00.0 Çerçeve Perde+Çerçeve
ÇERÇEVE SİSTEM PERDE+ÇERÇEVE SİSTEM m Bir Birim im Mikt Fiyatı ($) Tutar ($) ar Malzeme Beton (C0) 0.76 98. 69. Kalıp m 6 6.6 969. 8 mm Donatı t 9. 60.8 80.7 8 mm Donatı t.8 7.98 8760.9 Birim Fiyatı Malzeme Mikta ($) Tutar ($) Biri m r Beton (C0) m 686. 0.76 8.6 Kalıp m 6.6 609.7 0. t 8.7 60.8 8.7 8 mm Donatı t 8. 7.98 89.6 8 mm Donatı Tuğla adet 0.066 788. 9 0 Katlı yapıda, taşıyıcı sistemin maliyet artışı %7. olmaktadır. Kaba inşaatın maliyeti tüm yapının maliyetinin %0 ı kadar olduğunu da göz önünde bulundurarak tüm yapının maliyet artışı % civarında olmaktadır. TOPLAM 006 TOPLAM 89 /0 /0 DERECE DEPREM BÖLGESİ 6. Bölümde yapılan çalışmada 0 katlı yapı dahil olmak üzere nde statik analizi yapılan tüm çerçeve yapıların kullanılabilirlik kriterini rahatlıkla sağladığı görülmüştü. Kullanılabilirlik kriterinin oldukça altında kalan 0 katlı yapının taşıyıcı sisteminde değişiklik yapılarak, nde yeniden analizi yapılmıştır. 0 9 8 7 6 0 0 0 Çerçeve Sistem ÇERÇEVE SİSTEM Malzeme Birim Miktar Birim Fiyatı ($) Tutar ($) Beton (C0) m 878. 0.76 9.6 Kalıp m 7668. 6.6 099.8 8 mm Donatı t 6. 60.8 8969.6 8 mm Donatı t 7. 7.98 8.7 TOPLAM 7690 Aynı yapının nde inşa edilmesi durumunda yapı, kullanılabilirlik sınırını sağlayamamaktadır. Daha önce analizi yapılan çerçeve yapıya göre kolon ve kiriş boyutları azaltılmasına karşılık nde yapının kullanılabilirlik kriterini sağladığı ve yapı maliyetinin sadece kaba inşatta %, tüm yapıda ise %0 azaldığı görülmektedir.
SONUÇLAR ) Çerçeve sistemler sünek yapıları ile deprem etkilerini absorbe etmelerine karşın yapısal olmayan elemanların hasarını engelleyemezler. Bazen çerçeve sistem ile inşa edilmiş yapılarda, meydana gelen depremlerden sonra, ikincil elemanların hasarının tamir ve takviye masrafları toplam yapı maliyetinin %70 ine kadar çıkabilmektedir. apısal olmayan elemanların hasarının önlenmesi için betonarme perde kullanımı oldukça etkili bir metottur. ) Daha önceki depremlerden elde ettiğimiz tecrübeler göstermiştir ki, betonarme perdeler ile yanal yerdeğiştirmelerin sınırlandırıldığı yapılarda bazı yapım hataları olsa dahi, yapılar ağır hasara maruz kalmamaktadırlar. lerden son derece zarar görmüş bir ulus olarak, yönetmeliğimizdeki yatay yer değiştirme sınırlarının betonarme perdeler ile daha da kısıtlanması bundan sonra oluşabilecek yeni felaketlerin önlenmesinde etkili olacaktır. ) önetmeliğimizde yerdeğiştirmelerin sınırlandırılması için getirilen koşullarda revizyon yapılarak, bu sınırlar daha düşük değerlere çekilmelidir. Sınırlamalar belirlenirken yapının teşkil edileceği deprem bölgesi de göz önüne alınmalıdır. ) Bazen yapıların taşıyıcı sistemlerinin simetrik yerleştirilmemesi yada asimetrik yükleme sebebi ile yapılar burulma etkilerine maruz kalmakta ve yapının çok büyük yerdeğiştirmeler yapmasına sebep olmaktadır. apılarda burulmaya sebebiyet vermeyecek şekilde taşıyıcı sistem seçimi yapılmalı, yapıya etkiyecek yükler düzgün dağıtılmalıdır. ) Betonarme perdelerin takviyesi ile yapı maliyetinin artışı nde on katlı yapı için %., beş katlı yapı için ise %7. olduğu görülmektedir. Bu artış sadece kaba inşaat göz önüne alınarak hesap edilmiştir. Kaba inşaatın toplam yapı maliyetinin %0 ı civarında olduğu da düşünülürse tüm yapının, ince işler dahil, maliyetindeki artış on katlı yapı için %, beş katlı yapı için ise % civarında olacaktır. Oysa meydana gelebilecek birkaç depremdeki ikincil hasarların maliyeti bu maliyet artışından çok daha fazla olmaktadır. 6) Önceki depremlerden elde ettiğimiz tecrübeler ile çok katlı yapıların taşıyıcı sistemlerinin perde+çerçeve sistem olarak seçilmesi halinde kullanılabilirlik kriterini rahatlıkla sağlayacakları görülmektedir.
Teşekkürler Haftaya; SİSMİK İZOLATÖRLER