darbe ve patlama yüklerine karşı yapı tasarımı · patlamaya karşı tasarım – bina...

Darbe ve Patlama Yüklerine Karşı YapıTasarımı

Yrd. Doç. Dr. Selçuk SAATCIİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsüİnşaat Mühendisliği Bölümü 15 Nisan 2010

İçerikGirişPatlamalar

Patlama DalgalarıPatlama Yüklerinin HesabıPatlamaya Dayanıklı Yapı Tasarımı

DarbelerYapılarda Darbe YükleriYapıların Darbe Davranışı

Yüksek Deformasyon Hızlarında Malzeme DavranışıDarbe ve Patlama Yüklerine Karşı Yapısal Eleman Tasarımı

Sonlu Elemanlar Yöntemi UygulamalarıBasitleştirilmiş Yay Modelleri

Kapanış

İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü – İnşaat Mühendisliği Bölümü

Aşırı Yükler – Patlama Yükleri

The Alfred P. Murrah Federal Binası, Oklahoma City, Oklahoma, A.B.D. Terör saldırısı. 19 Nisan 1995. Suni gübre (amonyum nitrat), nitrometan, dizel yakıt – 2300 kg.168 Ölü – 680 Yaralı



HSBC Genel Müdürlük Binası, Levent – İstanbul Terör Saldırısı. 20 Kasım 2003. Nitrik asit, hidrojen peroksit, aseton, beher ve suni gübre karışımı -2350 kg 17 Ölü – 205 Yaralı



United Airlines Flight 175 (Boeing 767)’in Dünya Ticaret Merkezi Güney Kulesi’ne çarması. 11 Eylül 2001


PatlamalarPatlama DalgasPatlama Dalgasıı:: Patlama merkezinden dışarıya doğru yayılan basınçdarbesinin etrafındaki havayı itmesiyle oluşan dalga

Patlama Merkezi

Basınçölçer


İdeal Patlamaİİdeal Patlama:deal Patlama: Küresel veya yarı-küresel, çıplak (kaplamasız) patlayıcılar tarafından meydana getirilen patlama


Basın

ç

Pa

Ps+ + Pa

Pa : Ortam basıncı

Ps+ : Patlama kaynaklı en yüksek pozitif basınç

Ps- : Patlama kaynaklı en yüksek negatif basınç

ta : İlk dalganın ulaştığı zaman

t0+ : Pozitif basınç dalgası süresi

t0- : Negatif basınç dalgası süresi

Ps- - Pa

ta + t0+ ta + t0

+ + t0-ta

Zaman

İdeal Patlama

t1 < t2 < t3 < t4t1

t2

Basın

ç t3

t4

Pa

Mesafe


İdeal PatlamaBa

sınç

Pa

Ps+ + Pa

Ps- - Pa

Zamanta ta + t0

+ ta + t0+ + t0

-

Frielander Denklemi (Baker, 1973)

Pozitif dalga:

b : Sönümlenme parametresi Pa : Ortam basıncı

Ps+ : Patlama kaynaklı en yüksek pozitif basınç

Ps- : Patlama kaynaklı en yüksek negatif basınç

ta : İlk dalganın ulaştığı zaman

t0+ : Pozitif basınç dalgası süresi

t0- : Negatif basınç dalgası süresi

Negatif dalga:

t : Negatif dalganın başladığı andan itibaren


İdeal Olmayan Patlama

Baker (1973)’dan alıntı


Patlama Ölçeği

Hopkinson Kanunu:

W1 ağırlığındaki patlayıcının R1 mesafesinde oluşturduğu basıncın aynısını W2ağırlığındaki patlayıcı R2 mesafesinde oluşturacaktır.

Ölçekli mesafe, m/kg1/3

Baker (1973)’dan alıntı


TNT Eşdeğeri TNT : Trinitrotoluen

Patlayıcıların gücü genellikle TNT eşderi ile ifade edilir.

wTNT : Eşdeğer TNT ağırlığı

wEXP : Patlayıcı ağırlığı

HTNT : TNT özgül enerjisi (4520 kJ/kg)

HEXP : Patlayıcı özgül enerjisi


TNT Eşdeğeri

Bangash ve Bangash (2006)’dan alıntı

CF: Patlayıcı faktörü = Patlayıcı ağırlığı / Eşdeğer TNT ağırlığı


Patlama Dalgasının Yansıması

Kinney (1985)’den alıntı


Mach Cephesi

Bulson (1997)’den alıntı


Patlama Yüklerinin Hesabı

Havada serbest patlayan küresel – yarı küresel TNT patlayıcılara ait patlama değerleriTM 5 – 1300, Department of the Army, (1969). "Structures to resist the effects of accidental explosions"


Yardımcı Programlar

VecTor-Blast

University of Toronto


Patlama Etkileri

Kaynak: FEMA 427 Primer for Design of Commercial Buildings to Mitigate Terrorist Attacks


Tipik Patlama Hasarı


Basınç(kPa)

Hasar

0.15 Rahatsız edici ses

0.20 Önceden hasarlı büyük camların kırılması

0.30 Yükses ses

0.70 Önceden hasarlı küçük camların kırılması

1.0 Tipik cam kırılması

2.0 Asma tavan hasarı

3.0 Küçük ölçekli yapısal hasar

3.5 - 7.0 Küçük ve büyük pencerelerin patlaması, bazı pencere çerçevelerinin hasarı

5.0 Zayıf yapılarda küçük ölçekli hasar. Çatı kiremitlerinin uçması.

7.0 Zayıf yapılarda önemli hasar

Basınç(kPa)

Hasar

35 Ağaç telefon/elektrik direklerinin hasarı

50 Tren vagonlarının devrilmesi

50 - 55 Hafif tuğla duvarların hasarı

50 – 65 Çelik çerçeveli yapıların göçmesi

50 - 70 Otomobillerin ciddi oranda ezilmesi

55 – 70 Hafif tuğla duvarların tamamen göçmesi

65 Çelik uzay kafes çelik köprülerin göçmesi

> 70 Betonarme olmayan tüm yapıların göçmesi

90 Ağır tuğla / taş duvarların tamamen göçmesi

490 Ağır yığma yapıların, betonarme yapıve köprülerin göçmesi

Kaynak: Clancy, 1972, 2.Dünya Savaşı verileri

Patlama Etkileri


Hiroşima’ya atılan atom bombası: 15,000 ton TNT


Patlama Etkileri



Patlama Yükü

Yan görünüş Üst görünüş

Dikdörtgen bir yapı üzerinde düzlemsel dalga yayılımı (Baker [1973]’dan alıntı)


Patlama Etkileri



Patlama Etkileri – İç Patlama



Patlamaya Karşı Tasarım

Bina Yerleşimi

Mimari Tasarım

Yapısal Tasarım

Bina Cephesi Tasarımı

Mekanik ve Elektrik Tesisat Tasarımı


Patlamaya Karşı Tasarım – Bina Yerleşimi

Kaynak: Natural Resources Canada – Blast Load Effects on Structures



Bina etrafında kesintisiz kontrollü bir hat (duvar, bariyer,hendek vs.) oluşturulması

Araç giriş-çıkışlarının binadan uzak bir noktada kontrol edilmesi

Bina yakınına araç girişi yapılabilecek noktaların sınırlandırılması

Bina etrafında oluşturulan güvenli hat ile bina arasında ağaç, çiçeklik, havuz gibi engel oluşturacak öğeler yerleştirilmesi

Bina yakınında kritik noktalara darbelere karşı tasarlanmış beton bariyer veya çiçeklik yerleştirilmesi

Bina önündeki kaldırımlara araç geçişini engelleyecek bariyer veya baba konulması

Kontrollü araç geçişi sağlanan noktalara kaldırılabilir bariyer, baba veya kapan konulması


Patlamaya Karşı Tasarım – Mimari




Kaynak: FEMA 426 Reference Manual to Mitigate Potential Terrorist Attacks Against Buildings



İçe dönük keskin köşeleri olmayan basit bina geometrilerinin tercih edilmesi

Yapı cephesinde patlama sonucu uçan cisimlerin zararını önleyecek hafif kaplamaların kullanılması

Binanın kontrolsüz çevreden mümkün olduğunca uzağa yerleştirilmesi

Binada kontrolsüz giriş-çıkış yapılabilecek bölümlerin dışarıya doğru yerleştirilmesi

Bina içinde kontrollü ve kontrolsüz bölümlerin yatayda ve dikeyde ayrıtutulması ve aralarında tampon bölge, güçlendirilmiş duvar ve döşeme bırakılması

Binada asma tavan, metal jaluzi, panjur gibi yapısal olmayan ancak patlama anında tehlikeli olabilecek unsurların kısıtlanması

Aydınlatma sistemlerinin tavana sabitlenmesi

Çalışma ve toplantı masalarının pencerelerden olabildiğince uzağa yerleştirilmesi


Patlamaya Karşı Tasarım – Yapısal

PATLAMAYA KARŞI YAPISAL TASARIM ÖZELLİKLERİ

Kütle

Taşıyıcı elemanlarda yeterli kayma kapasitesi

Tersinir yükler için yeterli kapasite

Yüksek hiperstatiklik derecesi

Yanal rijitlik

Süneklik



PATLAMAYA KARŞI YAPISAL SİSTEM

Çerçeveli yapılarda kolon aralıkları sınırlandırılmalı

En dış açıklıklarda kat sayısı mümkünse az tutulmalı

Saplama kirişlerden ve kirişe oturan kolonlardan sakınılmalı

Ağırlıklı olarak iç duvarlar tarafından taşınan yığma yapılarda duvar aralıkları sınırlandırılmalı

Ağırlıklı olarak dış duvarlar tarafından taşınan yığma yapılarda kritik duvarlar arkadan mesnetlenmeli


Patlamaya Karşı Tasarım – YapısalPATLAMAYA KARŞI YAPISAL ELEMANLAR

DIŞ ÇERÇEVELER

1. Doğrudan patlama etkisine karşı dayanmalı

2. Göçme durumunda hasar binaya yayılmamalı

DIŞ ÇERÇEVE KOLONLARI

Burkulma özellikle gözönüne alınmalı. Bir kattaki döşemenin göçmesi sonucu kaybedilen yanal desteğe karşı kolonlar iki veya daha fazla kat yüksekliğinde burkulmaya karşı tasarlanmalı.

Betonarme kolonlarda etriye sıklaştırmasıyla yüksek süneklik sağlanmalı.

Çelik kolonlarda ekler mümkün olduğunca yerden yüksekte yapılmalıve birleşim detaylarının sünekliliği yüksek olmalı

Bina dışında doğrudan erişilebilir açıkta kolon bırakılmamalı

Açık kolonların etrafında 15-20 cm kalınlığında, patlayıcının doğrudan kolona yaslanmasını engelleyecek mimari öğeler kullanılmalı


Patlamaya Karşı Tasarım – YapısalDIŞ ÇERÇEVE KOLONLARI

Kaynak: Natural Resources Canada – Blast Load Effects on Structures



DIŞ ÇERÇEVEDE DUVARLAR

Betonarme perde duvarlar, özellikle tasarlandığı takdirde en etkili elemanlardır.

Patlama esnasında uçan parçaların yolaçacağı hasar yüzünden yığma duvarlar tavsiye edilmez.

DIŞ ÇERÇEVEDE KİRİŞLER

Yapısal bütünlük açısından dış çerçeveyi çepeçevre saran kirişler faydalıdır.



ÇATI SİSTEMLERİ

Asıl yük patlama dalgasının aşağı yönlü basıncıdır. Ancak patlama dalgası içeriye girdiğinde veya patlama yapı içinde olduğunda yukarıyönlü bir basınç da oluşacaktır. Çatı her iki etkiye karşı tasarlanmalıdır.

İki yönlü kirişlerle desteklenen betonarme çatılar en avantajlı çatısistemidir. Kirişler ve döşeme yukarı yönlü basınca karşı her iki tarafta donatıya sahip olmalıdır. Sık etriyeler konulmalıdır.

Çelik çatılarda eleman kapasiteleri ve birleşim detayları yukarı yönlübasıncı karşılayacak şekilde olmalıdır.

Ön germeli ve/veya prefabrik sistemlerin kullanıldığı çatılarda yukarıyönlü basınç özellikle dikkate alınmalı, bağlantılar buna göre yapılmalıdır.

Kirişsiz döşemeli sistemlerde zımbalamaya dikkat edilmelidir.

Hafif çatı sistemlerinin (ahşap ve çelik kafes) patlama direnci çok azdır.



DÖŞEMELER

Üç temel görevleri vardır:

1. Doğrudan patlamaya karşı yeterli kapasiteye sahip olmalıdırlar.

2. Destekleyen bir kolon veya duvarın kaybında yükü dağıtacak yeterli kapasiteye sahip olmalıdırlar.

3. Yukarı katın veya çatının göçmesi durumunda göçmeyi durduracak yeterli kapasiteye sahip olmalıdırlar.



DÖŞEMELER

Binanın lobi, depo girişi, otopark, dükkan gibi denetimsiz alanlarındaki döşemeler olası patlama etkisini durduracak şekilde tasarlanmalıdırlar.

Prefabrik plakalar bağlantı noktalarının zayıflığı yüzünden tercih edilmemelidir.

Öngermeli döşemeler kapasiteleri aşıldığında gevrek kırılmaya uğrayacaklarından tercih edilmez.

Kirişsiz döşemeler kolon veya duvar kaybında yük aktarma kapasitelerinin düşük olması ve zımbalamaya karşı zayıf olmaları sebebiyle tercih edilmez. Kullanıldıklarında dış çeperleri kirişlerle çevrilmeli ve kolonlar arasıdonatılarının sürekli olması sağlanmalıdır.



İLERLEYEN GÖÇMELERE KARŞI YAPI TASARIMI

1. Dolaylı Metod: Yapı, bahsedilen ilkeler dikkate alınarak ve yapısal sistemin sağlamlığı esas alınarak tasarlanır. Patlama etkileri ayrıca incelenmez ve hesaplanmaz.

2. Alternatif Yük Güzergahı Metodu: Önemli bir yapısal bir elemanın kaybıdurumunda yüklerin sağlam kalan elemanlar üzerinden taşınabilmesi sağlanır. Kritik bölgelerde (örneğin dış çerçevede bazı kolonlar) patlamayla kaybedilebileceği düşünülen elemanlar çıkarılarak sistem tekrar çözülür ve yüklerin aktarımını sağlayacak şekilde kapasiteler tasarlanır. Patlama detaylarının bilinmesine gerek yoktur.

3. Lokal Mukavemet Metodu: Risk durumuna göre belirlenen bir patlama yüküne karşı yapı tasarlanır. Uzmanlarca belirlenen patlama yüklerinin yapısal elemanlara uyguladığı basınç hesaplanır ve her bir eleman bu yüke karşı koyacak şekilde tasarlanır.


Patlamaya Karşı Tasarım – YapısalİLERLEYEN GÖÇMELER

The Alfred P. Murrah Federal Binası, Oklahoma City, Oklahoma, A.B.D. Terör saldırısı. 19 Nisan 1995.

Kaynak: Bangash and Bangash, Explosion-Resistant Buildings,2006


Patlamaya Karşı Tasarım – YapısalİLERLEYEN GÖÇMELER

Kaynak: Bangash and Bangash, Explosion-Resistant Buildings,2006


Aşırı Yükler – Darbe Yükleri

Boeing 767-300

Diablo Canyon Nükleer Santrali, San Luis Obispo, California, A.B.D.



Demiryolu Kaya KorunağıOregon, A.B.D.

Gurtnellen, İsviçre31 Mayıs 2006



Konfederasyon KöprüsüNew Brunswick-Prince Edward Islands, Kanada


Darbeler

Kaynak: R.P. Kennedy, Nuclear Engineering and Design 37 (1976) 183-203


Darbeler

Sert Darbe Yumuşak Darbe

Kaynak: CEB Bulletin No.187 - Concrete Structures Under Impact and Impulsive Loading


Darbeler – Yapısal Elemanların DavranışıKİRİŞLER



I(t)

R (t)N R (t)S

mu(x,t)..

x

0)()()(),(0

=−++∫ tItRtRdxtxum S

L

N&&

Dinamik Denge



-1000

-500

0

500

1000

1500

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Time (ms)

Forc

e (k

N)

Impact force

Inertia forces

Reaction forces

Dinamik Denge



Dinamik Denge

α I

mu..

4αI /(6a - 5 )

(1−α) I

(1−α) I /2 (1−α) I /2

α I / 2

( 1 − α ) I / 2

−( 1 − α ) I / 2

−α I / 2

V V

M M

(1−α) I /2

a a

x

aa

2 2

-6αI /(6a - 5 )2 2

αI [9 - 30a -20a / ]/[10(6a - 5 )]2 2 3 2 2



% 0.3 Etriye

% 0.1 Etriye


Darbeler – Yapısal Elemanların DavranışıKOLONLAR



Darbeler – Yapısal Elemanların DavranışıKOLONLAR - ÇELİK



Darbeler – Yapısal Elemanların DavranışıKOLONLAR - BETONARME



Yüksek Deformasyon Hızlarında Malzeme Davranışı

Yük Türü Tipik Birim Deformasyon Hızı (s-1)

Araç Çarpmaları 10-6 – 10-4

Patlamalar 5.10-5 – 5.10-4

Deprem 5.10-3 – 5.10-1

Kazık Çakılması 10-2 – 100

Uçak Çarpması 5.10-2 – 2.100

Sert Darbe 100 – 5.101

Yüksek Hızlı Darbe 102 – 106


Yüksek Deformasyon Hızlarında Malzeme DavranışıBETON - BASMA



Yüksek Deformasyon Hızlarında Malzeme DavranışıBETON - ÇEKME



Yüksek Deformasyon Hızlarında Malzeme DavranışıÇELİK



Darbe ve Patlamalarda Eleman TasarımıSONLU ELEMANLAR YÖNTEMİ UYGULAMALARI



Kaynak: Liu, H. “Dynamic Analysis of Subway Structures Under Blast Loading”, UTC, CUNY, 2009


Darbe ve Patlamalarda Eleman TasarımıBASİTLEŞTİRİLMİŞ YAY MODELLERİ




Sert Darbe

Yumuşak Darbe veya Patlama



KaynaklarBaker, W.E., Cox, P.A., Westine, P.S., Kulesz J.J., Strehlow, R.A., (1983). “Explosion Hazards and

Evaluation”. Elsevier, Amsterdam.

Bangash, M. Y. H., Bangash, T., (2006). “Explosion-Resistant Buildings”. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg.

Bulson, P.S., (1997). “Explosive Loading of Engineering Structures”. Chapman and Hall.

FEMA 426: Reference Manual to Mitigate Potential Terrorist Attacks Against Buildings, 2003.

FEMA 427: Primer for Design of Commercial Buildings to Mitigate Terrorist Attacks, 2003.

Kinney, Gilbert F. and Graham, Kenneth J., (1985). “Explosive Shocks in Air, 2nd Edition”. Springer-Verlag, New York Inc.

Miller, P., (2004). “Towards the Modeling of Blast Loads on Structres”, Ma.Sc. Thesis, University of Toronto.

TM 5-1300, Department of the Army, (1969, 1990). "Structures to resist the effects of Accidental Explosions".


darbe ve patlama yüklerine karşı yapı tasarımı · patlamaya karşı tasarım – bina...

Documents