1 KAR YÜKÜ ve ÇÖKEN ÇATILAR Ahmet TOPÇU Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü E-posta: ogu.ahmet.topcu@gmail.com ÖZET Son iki yıl içinde, dünyada, çok sayıda çatı kar yükü altında çökmüş ve 200 civarında can kaybına neden olmuştur. Çöken çatıların çoğunlukla büyük alanlı spor salonu, sergi salonu, pazaryeri türü yapılar olması kayıpları artırmaktadır. Türkiye de de çatılar çökmekte ancak, fazla can kaybı olmadığından, yankı bulmamaktadır. Kar yükü ve çöken çatılar hakkında burada verilen bilgi ile mühendislerin dikkatinin konuya yönelmesi amaçlanmaktadır. 1 GİRİŞ 1.1 Kar yoğunluğu: Kar yoğunluğu çok değişkendir, tek değer vermek mümkün değildir: Normal kar yoğunluğu 100-300 kg/m 3 arasındadır. Sulu kar 400-500 kg/m 3 yoğunluğa varabilir. Buz 900-970 kg/m 3 yoğunluğu ile sudan daha hafiftir ve suda yüzer. Eriyerek su halini aldığında 1000 kg/m 3 olduğu düşünülürse iyi bir karşılaştırma yapılabilir. Hesap kar yoğunluğu ρ ρ = 300-200 e -1.5 d (1.1) bağıntısından yaklaşık olarak belirlenebilir. Birimi kg/m 3 tür. d(m)>0 kar kalınlığıdır. Bu bağıntıya göre 100 ρ 300 kg/m 3 olmaktadır. Çoğunlukla ortalama değer ρ 200 kg/m 3 alınır. 1
2 1.2 Kar kalınlığı ölçümü: Kar kalınlığı Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü nün istasyonlarında ve zeminde ölçülür. 1968 yılından günümüze yıllık maksimum kar kalınlığı verileri ücret karşılığı alınabilmektedir. 1.3 Çatı kar kalınlığı: Çatıdaki kar kalınlığı zemindeki kar kalınlığı ile aynı değildir. Düz bir çatıdaki kar kalınlığı zemindeki kar kalınlığına yakın olmakla birlikte savrulma nedeniyle daha azdır. Çatıdaki kar kalınlığı d ç ve zemindeki kar kalınlığı d z olmak üzere d 0.5 ç 1.0 (1.2) d z dir. d z arttıkça oran azalır. Uygulamada bu oran çoğu kez 0.8 alınır. 1.4 Çatı kar yükü: Çatıdaki kar kütlesinin bir metrekarelik düzleme uyguladığı ağırlıktır. Birimi kn/m 2 dir. Teorik olarak P k0 = ρ d ç g /1000 (1.3) dir. P k0 (kn/m 2 ) kar yükü, d ç (m) çatı kar kalınlığı ve g=9.8 10 m/s 2 yerçekimi ivmesidir. N (Newton) birimini kn a çevirmek için 1000 sabiti kullanılmıştır. Uygulama söz konusu olduğunda, hesap bu kadar basit değildir. ρ çok değişkendir. Yapının ömrü boyunca güvenli olması için kar kalınlığı d ç ne alınacaktır? sorusu hesabı karmaşık hale getirmektedir. Kar rastgele bir doğa olayı olduğundan, kar yükünün belli bir güvenliği sağlayan, ancak az bir miktar da risk içeren bir değer olarak alınması gerekmektedir. Bu tanıma uyan ve yapıya ömrü boyunca en az bir kez etkiyeceği varsayılan kar yükü hesap değerine karakteristik kar yükü adı verilmektedir. Karakteristik yük, az da olsa, aşılma olasılığı olan tahmini bir yüktür. Olasılık genelde %2 ile %5 arasındadır. Karakteristik kar yükünü belirlemek için 30, 50 hatta 100 yıllık maksimum zemin kar kalınlığı ölçümleri veri olarak alınır ve istatistik analiz yöntemleri kullanılır. Maksimum kar kalınlıklarının yıllara göre dağılımı uygun bir istatistik dağılım teorisi (Gauss, Gumbel, Lognormal, Weibull dağılımı gibi) kullanılarak analiz edilir ve karakteristik kar yüksekliği belirlenir. Yönetmeliklerde verilen kar yüklerinin arkasında daima istatistik analiz vardır. 1.5 TS 498-1997 ye göre kar yükü tanımı: Kar, çatıya etkiyen hareketli yük tipidir. Hesap değeri Yapının yapılacağı yere (binanın yapılacağı il, ilçe, ) İnşaat alanının deniz seviyesinden yüksekliğine Çatı eğimine (çatının yatayla yaptığı açı-derece cinsinden) bağlıdır. Hesaplarda dikkate alınacak kar yükü P k ile gösterilir. P k çatı izdüşüm alanına düzgün yayılı etkir, birimi kn/m 2 dir. 2
3 TS 498-1997 yönetmeliğinin 3 kar yükü ile ilgili kısmı Alman DIN 1055-1971 yönetmeliğinden 2,11 alınmış ve Türkiye koşullarına uyarlanmıştır. Analiz için Gumbel ekstrem değerler tip I dağılımı kullanılmıştır. Hesaplanan kar yükünün aşılma olasılığı %5 dir. 1.6 Kar yükünün çatı planında dağılımı Kar çatının her yerinde olabilir Rüzgâr ve/veya güneşin etkisiyle kar çatının bir tarafında hiç olmayabilir, diğer tarafında da birikebilir. Farklı eğim nedeniyle kar yükü aynı çatıda bölgesel olarak farklı olur. Çok dik (büyük eğimli) çatılarda kar tutunamaz, rüzgâr ile savrulur veya kayar. Çatıda kar olmaz. 3
4 Çatıda yer yer kar yığılması olabilir. Saçaklarda buz yükü oluşur. Büyük saçaklı (konsollu) çatılarda saçak kenarları boyunca ayrıca çizgisel buz yükü dikkate alınır. Buz birim hacim ağırlığı 7 kn/m 3 tür (TS 498-1997). 4
5 2 KAR YÜKÜ HESABI Türkiye de kar yükünün nasıl hesaplanacağı TS 498-1997 de belirtilmiştir. Çatının eğimini de dikkate alan P k kar yükü bu yönetmeliğe göre hesaplanır. Yönetmelikte verilen değerler minimum değerlerdir. Mühendis yapının önemine, yerine ve çatının tipine bağlı olarak yönetmelikte verilen değerleri artırmak zorundadır. 2.1 Kar haritası ve kar bölgeleri Türkiye dört kar bölgesine ayrılmıştır. I. bölge en az, IV bölge en çok kar yağan bölgedir. Yönetmelikte kar bölgesi haritası ve ayrıca her il ve ilçenin kar bölge numarasını içeren çizelge vardır. 5
6 2.2 Kar yükünün TS 498-1997 ile hesaplanması TS 498-1997 e göre P k kar yükü aşağıdaki bağıntılardan hesaplanır: P = mp k k0 α 30 m = 1 0 40 0 m 1 0 (2.1) Burada P k : Kar yükü hesap değeri(kn/m 2 ) P k 0 : Zati kar yükü (kn/m 2 ) m : Kar yükü azaltma değeri α : Çatı örtüsünün eğimi (derece) dir. P k0 değeri, yapının deniz seviyesinden yüksekliğine ve kar bölgesi numarasına bağlı olarak TS 498-1997 Çizelge 4 den alınır. Hiç kar yağmayan bölgelerde veya çatı altı sıcaklığı sürekli 12 0 C derecenin üstünde olan çatılarda P k0 = 0 alınabilir. 0 0 α 90 0 geçerlidir. α 30 0 durumunda m=1, α 70 0 durumunda m=0 alınır. Örnek: Eskişehir (merkez) in denizden yüksekliği yaklaşık 800 m, Kars (merkez) in, denizden yüksekliği yaklaşık 1800 m dir. Her iki şehirde çatı eğimi 33 0 olan bir yapı yapılacaktır. Çatı kar yükünün belirlenmesi istenmektedir. 6
7 2.3 TS 498-1997 kar yüklerinin yeterliliği Doğu Karadeniz il ve ilçelerinin zemin kar yüklerinin belirlenmesi ile ilgili bir çalışmada hesaplanan kar yükü değerleri TS 498-1997 değerleri ile karşılaştırılmıştır 1. Bu çalışmadan alınan aşağıdaki grafikte P ko TS 498-1997 Çizelge 4 değerlerini, SL 50 aynı yöre için çalışmada hesaplanan değerleri göstermektedir. Görüldüğü gibi, ilçelerin hemen tümünde, TS 498-1997 değerleri SL 50 değerlerinin oldukça altındadır. Araştırmacılara göre, Bunun nedeni olarak, TS 498 in önerdiği zemin kar yükü haritasının yeterince gerçekçi olmaması gösterilebilir. 1 TS 498 ilk kez 1987 yılında yürürlüğe girmiştir. Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü veri bankasında 1968 den günümüze kar ölçümleri olduğuna göre, TS 498-1987 hazırlanırken o yıllarda yeterle veri yoktu. Adı geçen çalışma ile TS 498-1997 arasındaki fark kanımızca bundan kaynaklanmaktadır. TS 498-1997 de ayrıca şu ifade yer almaktadır: Çizelge 4 de verilen değerler, varsa meteorolojik ölçmelerden de faydalanarak artırılmalıdır 3. Yönetmelik bu ifade ile proje mühendisinden güncel ölçümleri dikkate almasını istemekte, ancak meteorolojik ölçmelerden nasıl faydalanacağının ipucunu vermemektedir. TS 498-1997 yönetmeliğinin kar yükü ile ilgili kısmı Alman DIN 1055-1971 yönetmeliğinden alınmış olmakla birlikte, DIN 1055 de verilmiş ipucu yansıtılmamıştır. DIN 1055 e göre kar yükü basitçe P k0 = 3.2 d zmax (2.2) bağıntısından belirlenebilir. Burada d zmax n (örneğin n=30) yıllık maksimum kar kalınlıklarının ortalamasıdır ve yapının inşa edileceği yere en yakın ölçüm istasyonundan alınacaktır. d zmax metre, P ko kn/m 2 birimindedir. Çatı kar yükü hesap değeri çatı eğimi de dikkate alınarak (2.1) bağıntılarından hesaplanır. Alman DIN 1055 yönetmeliğindeki açıklamadan alınan P k0 = 3.2 d zmax bağıntısı Gumbel tip I dağılımı, % 5 olasılık ve %45 varyasyon katsayısını içerir. Ayrıca, bu bağıntıda çatıdaki kar kalınlığının zemindeki kar kalınlığına oranı d ç /d z =0.8, kar birim hacim ağırlığı 2.15 kn/m 3 varsayılmıştır. d ç /d z =1.0 alınması ve P k0 = 4 d zmax (2.3) bağıntısının kullanılması önerilecektir. Ancak, bu bağıntıdan bulunan P ko değerinin TS498-1997 Çizelge 4 de verilenden küçük olması durumunda Çizelge 4 değerinin kullanılması gerekir. 7
8 3 ÇÖKEN ÇATILAR 2004-2006 yıllarında dünyada 100 civarında çatı kar yükü altında çökmüş, çoğu Almanya, Polonya, Rusya da olmak üzere 195 can kaybı olmuştur. Dünyada ve Türkiye de çöken çatılara ait örnekler ve öz bilgiler aşağıda sunulmuştur. 3.1 Dünyada çöken çatılar a 4 40 m 4 a 7.5 m ara ile konulmuş ahşap kirişlerin ölçüleri 287 cm Kalınlık 6.5 cm 20x20 a-a 8
9 9
10 10
11 11
12 3.2 Tarihte çatı hasarları 12
13 13
14 3.3 Türkiye de çöken çatılar 14
15 15
16 Zonguldak, Soğuksu, 18.01.2012, Pazaryeri uzay çatısı: 2 can kaybı, 20 yaralı: 4 SONUÇ Dünyada her kış yüzlerce çatı kar yükü altında çökmekte can ve mal kaybına neden olmaktadır. Özellikle büyük alanları kaplayan spor, sergi, kongre salonu, süper market pazaryeri ve hangar türü yapıların çelik ya da ahşap taşıyıcılı çatıları çökmektedir. Çökme nedeni ilk bakışta kar yükü 16
17 gibi görünmekle birlikte bu doğru değildir. Çöken çatıların hemen hepsi de proje, inşaat ve bakım hataları içermektedir. Kar yükü sadece çökmeyi tetiklemektedir. Bad Reichenhall/Almanya spor salonunun çökmesi sonrası Alman Teknik Denetim Kurumu (TÜV) geniş kapsamlı bir incele başlatmış, 200 den çok spor salonunda yaptığı incelemede çatıların %24 ünde proje ve hesap hatası, %29 ünde malzeme ve inşaat hatası ve %37 sine bakım hataları belirlemiştir. Kar yükü nedeniyle çöken çatı sadece %16 dır 4,5. Türkiye de; nerede, kaç çatı çöktü ve neden? Kaçı tuzakta bekliyor? Bilmiyoruz. Eskişehir deki spor salonunun çökme nedenleri Almanya dakilerden hiç farklı değildir. Son olarak şunları da eklemekte yarar vardır: 1. Türkiye deki tüm büyük açıklıklı (spor, sergi, kongre salonu, süper market pazaryeri ve benzeri) çatıların durumunun belirlenmesi, olası faciaları önlemek açısından, gereklidir. 2. Adı geçen yapı türlerinin kar temizliği önceden planlanmalı, düzenli olarak yapılmalıdır. Kar yüksekliği 10-20 cm yüksekliğe erişince mutlaka temizlenmelidir. 3. İlgili kar yükü yönetmeliği ivedilikle güncellenmelidir. 4. Mühendisler bu tür yapıların kar ve rüzgâr açısından çok kritik yapılar olduğunun, yönetmeliklerin sadece minimum sınırları önerdiğinin bilincinde olmalıdırlar. Salt malzeme tasarrufu düşüncesi ile kolayca burkulabilen narin elemanlardan kaçınmalı, bilgisayar yazılımlarına aşırı güven duymamalı, teknisyenlik değil mühendislik görevini yerine getirmelidirler. KAYNAKLAR 1. DURMAZ M., DALOĞLU, A. Kar Verilerinin İstatistiksel Analizi ve Doğu Karadeniz Bölgesinin Zemin Kar Yükü Haritasının Oluşturulması, İMO Teknik dergi, 2005, 3619-3642, Ankara, 2005. (http://www.imo.org.tr/yayinlar/td/gsayilar/05temmuz/4mustafa%20durmaz.pdf ) 2. Beton Kalender, Wilhelm Ernst&Sohn, München, 1983. 3. TS 498, Yapı Elemanlarının Boyutlandırılmasında Alınacak Yüklerin Hesap Değerleri, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 1997. 4. http://www.heute.de/zdfheute/inhalt/4/0,3672,3932772,00.html 5. http://www.tuev-sued.de/press_center/news/critical_defects_revealed_in_50_per_cent_of_inspected_halls 6. http://www.eng.uab.edu/cee/faculty/ndelatte/case_studies_project/hartford Civic Center/hartford.htm 7. http://www.photolib.noaa.gov/historic/nws/wea01913.htm 8. http://www.weatherbook.com/knickerbocker.html 9. http://fcgov.com/storm-gallery.php 10. http://www.cnn.com/2004/world/europe/02/15/russia.roof.collapse/ 11. http://www.bauregeln.de/pub/demo/1055.5/19750600/d0002669.003.htm#d0002669:sub-3 12. http://www.mapreport.com/subtopics/d/roof.collapse.html 17