ANTALA ÖRESİNDEKİ DÜZENSİZ BETONARME BİNALARIN DEPREM DAVRANIŞLARININ İRDELENMESİ H. Barış BARUT (*) Cem OĞUZ (*) Erdal İRTEM (**) Feridun ARDIMOĞLU (***) * Akdeniz Ünv., Teknik Bilimler MO İnşaat Programı. Antalya ** Balıkesir Ünv, MMF İnş. Müh. Böl. Balıkesir. *** BDM Mühendislik Ltd. Şti. İzmir ÖZET Bu çalışmada, Antalya yöresindeki betonarme binalarda düzensizlikler nedeniyle oluşabilecek etkilerin ortaya konması ve 1998 Afet Bölgelerinde apılacak apılar Hakkında önetmelik de (ABH) düzensiz binalarda zorunlu kılınan önlemlerin alınması ile taşıyıcı sistem maliyetindeki artışın irdelenmesi amaçlanmıştır. Bunun için düzensiz bir betonarme bina ele alınarak yürürlükteki standart ve yönetmeliklere göre boyutlandırılmış ve ABH de tanımlanan düzensizlik durumlarından hangi tür düzensizliklerin oluştuğu belirlenmiştir. Oluşan düzensizliklerin yapı davranışına etkilerinin irdelenmesi ve bina taşıyıcı sistem maliyetine etkisinin belirlenmesi amacıyla, düzensizlik durumlarını mümkün olduğu kadar giderecek uygun alternatif yapısal düzenlemeler öngörülen bina yeniden boyutlandırılmıştır. Analiz sonuçlarına göre her bir betonarme binanın deprem etkisi altındaki yapı davranışları birçok parametreye göre karşılaştırılarak irdelenmiş ve taşıyıcı sistem maliyetleri karşılaştırılarak yorumlanmıştır. Anahtar Kelimeler: Betonarme binaların boyutlandırılması, deprem analizi, düzensiz bina INVESTIGATION OF EARTHQUAKE BEHAVIOR OF IRREGULAR R/C BUILDINGS IN THE VICINIT OF ANTALA ABSTRACT It is purposed that investigation of increasing in structural system cost with suggestion of effects that will be formed in buildings, and with taking of obliged precautions in irregular buildings in 1998 Turkish Earthquake Code (TEC) because of the irregularities in R/C buildings in the vicinity of Antalya. For this reason, an irregular reinforcement concrete building was designed Turkish Earthquake Code and current other codes. Then, it was determined irregularity conditions defined in TEC for this building. In order to investigate effects to structural behavior of being formed irregularities and determine effect
to structural system cost, stipulated building was again designed with appropriate alternative arrangements in order to remove irregularity conditions. According to analysis results, it was investigated by comparing with various parameters structure behaviors under earthquake effect for each of the reinforcement concrete building and was interpreted by comparing structural system costs. Keywords: Design of R/C buildings, earthquake analysis, irregular building 1. GİRİŞ Bilindiği gibi, betonarme binalar için 1998 Afet Bölgelerinde apılacak apılar Hakkında önetmelik te (ABH 1998) [1] tanımlanan düzensizlik durumlarının incelendiği çok değerli çalışmalar yapılmıştır [2,3,4,5,6,7,8]. Bu çalışmada da Antalya yöresinde sıkça uygulanmakta olan düzensiz betonarme binalarda oluşabilecek etkilerin ortaya konması ve ABH 1998 de [1] düzensiz binalarda zorunlu kılınan önlemlerin alınması ile yapı davranışındaki değişiklerin birçok parametreye göre incelenmesi ve taşıyıcı sistem elemanları için gerekli toplam beton ve beton çeliğindeki artışının ve buna bağlı olarak da taşıyıcı sistem maliyetindeki artışın irdelenmesi amaçlanmıştır. Bunun için çalışma kapsamında incelemek üzere, düzensiz bir betonarme bina ele alınarak yürürlükteki Türk standartlarına (TS 500, TS 498) [9, 10] ve Afet Bölgelerinde apılacak apılar Hakkında önetmelik e (ABH 1998) [1] göre boyutlandırılmıştır. Daha sonra incelenen betonarme binada, ABH 1998 de tanımlanan düzensizlik durumlarının oluşup oluşmadığı belirlenmiştir. Oluşan düzensizliklerin yapı davranışına etkilerinin irdelenmesi ve bina taşıyıcı sistem maliyetine etkisinin belirlenmesi amacıyla, düzensizlik durumlarını mümkün olduğu kadar gidereceği öngörülen alternatif düzenleme için binanın tekrar boyutlandırması yapılmıştır. Elde edilen analiz sonuçlarına göre düzensiz betonarme binanın ve uygun yapısal düzenlemeler yapılan betonarme binanın deprem etkisi altındaki yapı davranışları birçok parametreye göre karşılaştırılarak irdelenmiş ve taşıyıcı sistem maliyetlerine esas olan beton ve beton çeliği miktarları da karşılaştırılarak yorumlanmıştır. 2. ÇALIŞMA ÖNTEMİ Bu çalışmada, 1998 Afet Bölgelerinde apılacak apılar Hakkında önetmelik te (ABH 1998) 6.3. Düzensiz Binalar bölümünde planda düzensizlik durumları ve düşey doğrultuda düzensizlik durumları olarak tanımlanan düzensizliğe sahip ve Antalya yöresinde sıkça görülen düzensiz betonarme binaların deprem etkisi altındaki yapısal davranışı ve taşıyıcı sistem maliyetinin irdelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaç kapsamında bu tür düzensizliği bulunan bir betonarme bina ele alınarak öncelikle ülkemizde yürürlükteki TS 498, TS500 ve ABH 1998 e göre boyutlandırılmıştır. Binanın deprem yüklemesine ait analizlerinde ABH 1998 de verilen koşulların sağlanması durumunda eşdeğer deprem yükü yöntemi, koşulların sağlanmaması durumunda ise dinamik analiz yöntemi kullanılmıştır. Binaların deprem yüklemesinde hesap yönteminin belirlenmesi için Şekil 1 ve Şekil 2 deki hesap akış şemalarından yararlanılabilir [2,7,8]. Şekil 1 de, ABH 1998 ye göre deprem yüklemesinde eşdeğer derem yükü (eşdeğer statik hesap) yönteminin veya dinamik hesap yönteminin uygulanacağı durumlara ait koşullar şematik olarak gösterilmiştir. Örnekler üzerinde yapılan incelemeler, η bi ile gösterilen burulma düzensizliği katsayısı değerinin 2.00 den daha büyük olmasının pek zayıf bir olasılık olduğunu göstermiştir [11]. Bu durumda, uygulamada kolaylık sağlaması bakımından, hesap yönteminin belirlenmesi için verilen Şekil 1 deki akış şeması, Şekil 2 de gösterilen biçimini alır [2,7,8].
S : Eşdeğer Statik Hesap D : Dinamik Hesap 1. ve 2. DERECE DEPREM BÖLGELERİNDE 3. ve 4. DERECE DEPREM BÖLGELERİNDE H N 25 25 < H N 60 H N > 60 H N 75 S S η bi 2.0 η bi >2.0 BURULMA DÜZENSİZLİĞİ (A1) BURULMA DÜZENSİZLİĞİ (A1) > 75 η bi >2.0 S OK η bi 2.0 RİJİTLİK DÜZENSİZLİĞİ (B2) VAR D Şekil 1. Deprem üklemesinde Hesap önteminin Belirlenmesi İçin Akış Şeması 1. ve 2. DERECE DEPREM BÖLGELERİNDE 3. ve 4. DERECE DEPREM BÖLGELERİNDE H N 25 25 < H N 60 H N > 60 H N 75 S S OK RİJİTLİK DÜZENSİZLİĞİ (B2) > 75 VAR D Şekil 2. Uygulamada Deprem üklemesinde Hesap önteminin Belirlenmesi İçin Akış Şeması 3. ANTALA DAKİ DÜZENSİZ BİR BETONARME BİNANIN İNCELENMESİ Bu bölümde, Antalya da uygulanmak üzere Şekil 3 de farklı görünüşleri ve Şekil 4 de kat planları verilen düzensiz bir betonarme binanın depremli ve depremsiz yük kombinasyonlarına ait analizleri yapılarak boyutlandırılacak ve bina davranışı çeşitli parametrelere göre incelenecektir. Antalya merkezde inşa edilecek olan bina, Bayındırlık ve İskan Bakanlığı nın deprem bölgesi haritasına göre 2. deprem bölgesindedir, bu bölgenin yerel zemin sınıfı Z2 olarak verilmiştir ve bina önem katsayısı I=1 dir. Bina, biri bodrum olmak üzere toplam beş katlıdır ve tüm katlar 3.00 m. eşit yükseklikte olup, bina toplam yüksekliği 15.00 m.dir. Binanın bodrum katı çevresinde taşıyıcı betonarme perde duvarları bulunmaktadır.
a) b) c) d) e) f) Şekil 3. Antalya da Uygulanan Bir Düzensiz Betonarme Binanın (Tip 1) Farklı Görünüşleri
Şekil 4. Antalya da Uygulanan Bir Düzensiz Betonarme Binanın (Tip 1) Kat Planları
ABH 1998 de tanımlanan ve Şekil 3-4 deki binada oluşan düzensizlik durumlarını mümkün olduğunca gidereceği öngörülerek, 6m uzunluğundaki kolonları yüksekliklerinin yarısından birbirine bağlayan kirişler (Şekil 5 de yeşil renkli kirişler) sisteme eklenmiş ve bu durum için düzenlenen betonarme bina (Şekil 5-6) tekrar boyutlandırılmıştır. a) b) c) d) e) f) Şekil 5. Düzenlenen Betonarme Binanın (Tip 2) Farklı Görünüşleri
Şekil 6. Düzenlenen Betonarme Binanın (Tip 2) Kat Planları Şekil 3-4 deki düzensiz betonarme binanın ve bu binada oluşan düzensizlikleri mümkün olduğunca gidereceği öngörülen yeni kirişlerin eklendiği Şekil 5-6 deki betonarme binanın boyutlandırması, uygulamada yaygın olarak kullanılan bir bilgisayar programından yararlanılaarak yapılmıştır. Binaların boyutlandırılmasında depremli ve depremsiz yük kombinasyonlarına göre yapılan analiz sonuçları Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1 de verilen analiz sonuçları değerlendirildiğinde, Şekil 3 de görülen düzensiz binadaki uzun kolonların (kırmızı renkte gösterilen kolonlar) birbirlerine kirişlerle (Şekil 5 de yeşil renkli görülen kirişler) bağlanması durumunda bina davranışında oldukça olumlu etkisi olduğu ve bunun doğal bir sonucu olarak da bina taşıyıcı sistem elemanları için gerekli beton ve beton çeliği miktarında da azalma sağladığı görülmektedir. Binaların (Tip 1 ve Tip 2) analiz sonuçlarını daha ayrıntılı değerlendirebilmek amacıyla Tablo 1 de görüldüğü gibi Tip 1 ve Tip 2 olarak isimlendirilen betonarme binaların analiz sonuçları verilmiştir. Tablo 1 de verilen sonuçlardan yararlanarak, düzensiz betonarme bina (Tip 1) ile oluşan yapısal
düzensizliklerin mümkün olduğu kadar giderilmesi için öngörülen düzenlemelerin yapıldığı ve Tip 2 olarak isimlendirilen betonarme binanın karşılaştırması birçok parametre için mümkün olabilmektedir. Tablo 1 de verilen analiz sonuçları ile Tip 1 in analiz sonuçlarının Tip 2 den mutlak farkı ve bu farkın Tip 2 nin analiz sonuçlarına göre ne oranda olduğu hesaplanmış ve hesaplanan değerler yine Tablo 1 de sunulmuştur. Düzensiz betonarme binanın (Tip1) ve düzenlenen binanın (Tip 2) nin kat ağırlıkları, toplam bina ağırlıkları, birinci doğal titreşim periyotları, spektrum katsayıları, spektral ivme katsayıları, deprem yükü azaltma katsayıları, katların eşdeğer deprem yükleri, binaların taban kesme kuvvetleri, kat yanal deplasmanları, göreli kat ötelemeleri, bina düzensizlik durumları (planda ve düşey doğrultudaki düzensizlikler) ile binaların boyutlandırılması sonucunda elde edilen beton ve beton çeliği miktarları Tablo 1 de verilmiştir. Her iki binanın sözü edilen bu parametrelere göre sayısal karşılaştırmaları da yapılarak, elde edilen değerler Tablo 1 de sunulmuştur. 4. SONUÇLAR ve ÖNERİLER Bu çalışmada Antalya da uygulanması planlanmış ve projesi yapılmış bir betonarme bina (Tip1) ele alınmış ve ülkemizde uygulamadaki inşaat mühendisleri tarafından yaygın olarak kullanılan bir bilgisayar programı ile boyutlandırılmıştır. Betonarme binada (Tip1) oluşan düzensizlikleri mümkün olduğunca gidereceği öngörülerek uygun düzenlemeler yapılan binanın (Tip2) yeniden boyutlandırması yapılmış ve elde edilen analiz sonuçları Tablo 1 de karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmalar; binaların kat ve toplam ağırlıkları, birinci doğal titreşim periyotları, katlara etkiyen deprem yükleri, toplam deprem yükleri (taban kesme kuvvetleri), yapısal düzensizlikler, katların yanal deplasmanları, göreli kat ötelemeleri, bina taşıyıcı sistemi için gerekli toplam beton ve beton çeliği miktarları ve Tablo 1 de sunulan diğer parametrelere göre yapılmıştır. Tablo 1 de sunulan analiz sonuçları incelendiğinde beklenildiği gibi, Tip1 e etkiyen toplam deprem yükü (taban kesme kuvveti) değeri, Tip2 ye göre % 21.8 oranında daha fazla olduğu belirlenmiştir. Tip 2 ye göre Tip 1 in betonunun % 14.1 oranında ve beton çeliğinin ise % 9.2 oranında fazla olduğu hesaplanmıştır. Tablo1 incelendiğinde Tip 1 de A1, B1 ve B2 düzensizliklerinin oluştuğu, Tip 2 de ise B1 düzensizliğinin oluşmadığı, A1 ve B2 düzensizliklerinin ise daha az olduğu görülmektedir. Bu çalışmada incelenen düzensiz betonarme bina da (Tip 1) yapılan düzenleme, sadece 6m uzunluğundaki kolonların yarı yüksekliklerinden birbirlerine kirişlerle bağlanması şeklinde olmuş (Şekil 5-6) ve buna göre sistem tekrar boyutlandırılmıştır. Bu kadar basit bir düzenleme dahi, Tablo 1 den de görülebileceği gibi, yapının davranışında oldukça olumlu katkı sağlamıştır. Binada oluşan düzensizlikleri tam olarak giderebilmek için daha uygun düzenlemeler de yapılabilir. Örneğin sistemde uygun yerlere yeteri kadar perdeler de konabilir vs. Böylece bina için gerekli beton ve beton çeliği miktarında daha fazla oranda azalma elde edilebileceği ve bina maliyetinde daha büyük oranda ekonomi sağlanabileceği düşünülmektedir. Bu nedenle betonarme binalarda ABH de belirtilen düzensizlik durumlarından herhangi birinin oluşması halinde dahi bu düzensizliği giderecek şekilde taşıyıcı sistemde uygun alternatif düzenlemelerin yapılması önerilmektedir. Bu düzenlemelerin yapılmaması halinde ise taşıyıcı sistem maliyetinin fazla olacağı açıktır. Bu tür düzensiz binaların artan taşıyıcı sistem maliyeti nedeniyle hem mülk edinmek isteyenlere ek yük getireceği, hem de ülke ekonomisinde önemli kayba neden olacağı göz ardı edilmemelidir. ABH de düzensiz binalar için caydırıcı bir önlem olarak da düşünülmesi gereken ve gerekli deprem güvenliğinin sağlanması için getirilmiş ve zorunlu olan ilave koşullara rağmen, bu tür düzensiz binaların tasarımı yapılmaya devam ediliyorsa, çok önemli gerekçelerin olduğu düşünülmektedir.
Tablo 1. Düzensiz ve düzenlenen betonarme binaların analiz sonuçlarının karşılaştırılması İncelenen Parametreler İncelenen Betonarme Binaların Analiz Sonuçları Tip 1 Tip 2 (1) (2) Karşılaştırmalar ( 2-1 ) (3) (2-1)/(2) % (4) 3. kat 376.610 288.220-88.390-30.7 2. kat 376.610 330.080-46.530-14.1 Kat ağırlıkları W i (t) 1. kat 449.450 422.360-27.090-6.4 Zemin kat 130.000 162.200 32.200 19.9 Bodrum kat 339.560 309.720-29.840-9.6 Bina ağırlığı W i (t) 1672.230 1512.580-159.650-10.6 Binanın 1. doğal titreşim periyodu T 1 (s) Spektrum katsayısı S(T 1 ) me katsayısı A(T 1 ) Deprem yükü azaltma katsayısı R a (T 1 ) Katlara etkiyen en elverişsiz Eşdeğer deprem yükleri F i ( t ) Taban kesme kuvveti V T ( t ) En elverişsiz Kat yanal deplasmanları δ i, maks ( m ) En elverişsiz Göreli kat ötelemeleri 0.478452 0.491815 0.013363 2.7 0.600142 0.632573 0.032431 5.1 2.166 2.119-0.047-2.2 1.807 1.733-0.074-4.3 0.650 0.636-0.014-2.2 0.542 0.520-0.022-4.2 6.898 8.000 1.102 13.8 6.898 8.000 1.102 13.8 3. kat 43.160 31.170-11.990-38.5 2. kat 32.370 24.660-7.710-31.3 1. kat 27.180 22.590-4.590-20.3 Zemin kat 4.190 4.810 0.620 12.9 Bodrum kat 58.460 53.130-5.330-10.0 3. kat 36.000 25.480-10.520-41.3 2. kat 27.000 20.160-6.840-33.9 1. kat 22.670 18.470-4.200-22.7 Zemin kat 3.500 3.930 0.430 10.9 Bodrum kat 58.460 53.130-5.330-10.0 165.360 136.360-29.000-21.3 147.630 121.170-26.460-21.8 3. kat 0.006745 0.006280-0.000465-7.4 2. kat 0.006093 0.005062-0.001031-20.4 1. kat 0.004710 0.002968-0.001742-58.7 Zemin kat 0.001679 0.001251-0.000428-34.2 Bodrum kat 0.000082 0.000058-0.000024-41.4 3. kat 0.008672 0.008405-0.000267-3.2 2. kat 0.007620 0.006792-0.000828-12.2 1. kat 0.005617 0.004242-0.001375-32.4 Zemin kat 0.002582 0.001890-0.000692-36.6 Bodrum kat 0.000080 0.000056-0.000024-42.9 3. kat 0.0002880 0.0005110 0.0002230 43.6 2. kat 0.0006720 0.0008700 0.0001980 22.8 1. kat 0.0013600 0.0006980-0.0006620-94.8 Zemin kat 0.0006510 0.0004950-0.0001560-31.5 Bodrum kat 0.0000295 0.0000216-0.0000079-36.6 3. kat 0.0004120 0.0006650 0.0002530 38.0 2. kat 0.0008320 0.0010700 0.0002380 22.2 1. kat 0.0012900 0.0009310-0.0003590-38.6 Zemin kat 0.0010400 0.0006900-0.0003500-50.7 Bodrum kat 0.0000298 0.0000206-0.0000092-44.7
Tablo 1. Düzensiz ve düzenlenen betonarme binaların analiz sonuçlarının karşılaştırılması (devam) İncelenen Parametreler A1- Burulma düzensizliği ( η bi > 1.2 ) η bi, maks B1 - Komşu katlar arası dayanım düzensizliği ( Zayıf kat : η ci < 0.80 ) η ci, maks Komşu katlar arası rijitlik düzensizliği (umuşak kat : η ki >1.50) η ki, maks Taşıyıcı sistem elemanları için gerekli Beton Çeliği (donatı) ( kg ) Taşıyıcı sistem elemanları için gerekli Beton ( m 3 ) İncelenen Betonarme Binaların Analiz Sonuçları Karşılaştırmalar Tip 1 Tip 2 ( 2-1 ) (2-1)/(2) (1) (2) % (3) (4) 3. kat 1.29 1.31 0.02 1.5 2. kat 1.21 1.27 0.06 4.7 1. kat 1.44 1.25-0.19-15.2 Zemin kat 1.26 1.24-0.02-1.6 Bodrum kat 1.08 1.13 0.05 4.4 3. kat 1.17 1.24 0.07 5.6 2. kat 1.23 1.24 0.01 0.8 1. kat 1.30 1.19-0.11-9.2 Zemin kat 1.23 1.13-0.10-8.8 Bodrum kat 1.12 1.10-0.02-1.8 3. kat 1.05 1.07 0.02 1.9 2. kat 0.84 1.21 0.37 30.6 1. kat 0.69 0.82 0.13 15.9 Zemin kat Bodrum kat 2.92 2.32-0.60-25.9 3. kat 1.01 1.04 0.03 2.9 2. kat 0.80 1.11 0.31 27.9 1. kat 0.76 0.97 0.21 21.6 Zemin kat Bodrum kat 2.64 2.09 0.21 21.6 3. kat 2.56 1.76-0.80-45.5 2. kat 1.70 0.82-0.88-107.3 1. kat 0.72 0.71-0.88-107.3 Zemin kat Bodrum kat 0.05 0.05 0.00 0.0 3. kat 1.93 1.60-0.33-20.6 2. kat 1.47 0.92-0.55-59.8 1. kat 0.85 0.79-0.06-7.6 Zemin kat Bodrum kat 0.03 0.03 0.00 0.0 3. kat 5555.790 4296.680-1259.110-29.3 2. kat 5717.050 4747.630-969.420-20.4 1. kat 7507.370 6575.300-932.070-14.2 Zemin kat 3137.000 3708.760 571.760 15.4 Bodrum kat 4406.840 4046.400-360.440-8.9 Bodrum Perdesi 2449.790 2449.790 0.000 0.0 Temel 8638.850 8422.500-216.350-2.6 Toplam 37412.690 34247.060-3165.630-9.2 3. kat 68.999 49.906-19.093-38.3 2. kat 68.999 51.459-17.540-34.1 1. kat 68.695 60.454-8.241-13.6 Zemin kat 24.044 29.760 5.716 19.2 Bodrum kat 51.013 40.799-10.214-25.0 Bodrum Perdesi 35.640 36.030 0.390 1.1 Temel 80.136 80.136 0.000 0.0 Toplam 397.526 348.544-48.982-14.1
KANAKÇA [1] Afet Bölgelerinde apılacak apılar Hakkında önetmelik, Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, Ankara, 1998 [2] G. ÖZMEN 1997 Türkiye Deprem önetmeliğine Göre Tasarım Uygulamaları, TDV/TR 018-32 [3] G. ÖZMEN, Çok Katlı apılarda Burulma Düzensizliği, TDV/TR 036-61 [4] G. ÖZMEN, Aşırı Burulma apan Çok Katlı apılar, TDV/TR 039-68 [5] G. ÖZMEN, S. PALA, G. GÜLA, E. ORAKDÖĞEN, Çok Katlı apılarda apısal Düzensizliklerin Deprem Hesabına Etkisi, TDV/TR 017-28 [6] S. S. TEZCAN, C. ALHAN, Behavior of Irregular Structures Under Earthquake Loading, TDV/TR 027-44 [7] H. BOĞA, Çok Katlı Betonarme apılarda Burulma Düzensizliğinin İrdelenmesi, üksek Lisans Tezi, Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2000. [8] E. İRTEM, Deprem ükleri Altındaki Çok Katlı Betonarme apıların Burulma Düzensizliğinin Giderilmesi İçin Öneriler, Balıkesir Üniversitesi IV. Mühendislik- Mimarlık Sempozyumu, 11-13 Eylül 2002, Balıkesir, syf. 437-446 [9] TS 500 Betonarme apıların Tasarım ve apım Kuralları, 2000. [10] TS 498 apı Elemanlarının Boyutlandırılmasında Alınacak üklerin Hesap Değerleri, 1997. [11] G. ÖZMEN, S. PALA, L. ÖZDEN, Çok Katlı apılarda apısal Düzensizliklerin Deprem Hesabına Etkisi, Proje No: İNTAG 547, TÜBİTAK, 76, 1997.