depreme dayanıklı Çelik bina tasarımının temel İlkeleri ve...

Depreme Dayanıklı Çelik Bina Tasarımının Temel İlkeleri Ve Yeni Türk Deprem Yönetmeliği

Erkan ÖZER İstanbul Teknik Üniversitesi, İnşaat Fakültesi

Tel: 0 (532) 293 63 65 E-Posta: [email protected]

Öz Çelik yapı sistemlerinin deprem etkileri altındaki davranışlarına ilişkin yoğun araştırmaların sonuçları modern deprem yönetmeliklerinde yer almakta ve bu nedenle deprem yönetmelikleri belirli aralıklarla güncellenmektedir. Diğer taraftan, çelik binaların ve çelik-betonarme kompozit yapı elemanlarının ülkemizde giderek daha geniş bir uygulama alanına sahip olması, depreme dayanıklı çelik binaların modern tasarım yaklaşımlarına ve bunların pratik sonuçlarına Türk Deprem Yönetmeliği kapsamında da geniş oranda yer verilmesi gereksinimini doğurmaktadır. Bu bildiride, 2007 Türk Deprem Yönetmeliği’nin güncellenmesi çalışmaları kapsamında, depreme dayanıklı çelik ve kompozit elemanlı bina tasarımı alanında gerçekleştirilen bazı düzenlemelerin gerekçelerine ve temel uygulama prensiplerine yer verilmektedir. Bu kapsamda, çelik yapı elemanlarının boyutlandırılmasında dayanım esaslı modern tasarım yaklaşımlarının kullanılması, kapasite tasarımı ilkelerinin depreme dayanıklı çelik binaların boyutlandırılmasına uygulanması, moment aktaran çelik çerçevelerde birleşim ve ek detayları, çelik binaların deprem kuvveti taşıyıcı sistemlerinde kapasitesi korunan bölgeler, kat döşemelerinde yatay kuvvetlerin düşey taşıyıcılara aktarılması, çelik-betonarme kompozit kolonlar ve burkulması önlenmiş çelik çaprazlı sistemler gibi özel konular incelenmektedir. Anahtar sözcükler: Deprem yönetmeliği, Depreme dayanıklı çelik bina tasarımı, Dayanıma göre tasarım, Kapasite tasarımı ilkeleri.

Giriş

Aktif bir deprem kuşağında yer alan ve hızlı bir yapılaşma süreci içinde bulunan ülkemizde, özellikle son yıllarda çelik ve çelik-betonarme kompozit kolonlu yapı sistemlerinin giderek daha geniş bir uygulama alanına sahip olması, depreme dayanıklı çelik bina tasarımının önemini arttırmaktadır. Bu bağlamda, çelik bina taşıyıcı sistemleri, elemanları ve birleşimleri üzerinde gerçekleştirilen kuramsal ve deneysel çalışmaların sonuçlarına bağlı olarak geliştirilen ve çelik binaların yeterli dayanım, rijitlik ve süneklik koşullarını sağlayacak şekilde boyutlandırılmasını öngören modern yönetmelik kurallarından yararlanılmaktadır, (EC 1998 (2004), DBYBHY (2007), ANSI/AISC 341-10 (2010)). Diğer taraftan, pratik uygulamaların doğurduğu gereksinimlere ve çelik yapı sistemlerinin deprem etkileri altındaki davranışına ilişkin

277

6. ÇELİK YAPILAR SEMPOZYUMU

araştırmaların sonuçlarına paralel olarak, ilgili yönetmeliklerin belirli aralıklarla güncellenmesi de gündeme gelmektedir. Bu bildiride, 2007 Türk Deprem Yönetmeliği’nin güncellenmesi sürecinde hazırlanmakta olan ve tamamlanma aşamasına gelmiş bulunan Yeni Türk Deprem Yönetmeliği’nin depreme dayanıklı çelik bina tasarımı kapsamında yer alması planlanan başlıca kuralların gerekçeleri ve ana uygulama prensipleri hakkında bilgi verilmesi amaçlanmaktadır.

Depreme Dayanıklı Bina Tasarımı

Yapı sistemlerinin depreme dayanıklı olarak tasarımını amaçlayan başlıca yaklaşımlar, dayanıma göre tasarım ve performansa göre tasarım olmak üzere ikiye ayrılmaktadır, (Özer, 2011). Dayanıma göre tasarım yaklaşımında, yapı sistemi tasarım depremi (50 yılda aşılma olasılığı %10, tekrarlanma periyodu 475 yıl) için doğrusal-elastik teoriye göre hesaplanmakta ve taşıyıcı sistemin doğrusal olmayan davranışının tasarıma etkileri ilgili deprem yönetmeliği kuralları ile gözönüne alınmaktadır. Dayanıma göre tasarım yaklaşımının ayrıntıları aşağıdaki bölümde açıklanacaktır. Performansa göre tasarım yaklaşımında, tasarım depremi altında yeterli bir dayanımı öngören performans kriterlerine alternatif olarak, ayrıca, farklı seviyedeki deprem etkileri altında doğrusal olmayan analiz sonucunda elde edilen şekildeğiştirme ve yerdeğiştirme istemleri yapı sisteminin şekildeğiştirme ve yerdeğiştirme kapasiteleri ile karşılaştırılmakta ve yapısal performans düzeyi belirlenmektedir. Daha sonra, bu performans düzeyi bina için öngörülen performans hedefi ile karşılaştırılarak bina güvenliği elde edilmektedir. Genel olarak şekildeğiştirme esaslı performans kriterlerinin esas alındığı bu yaklaşımda, ayrıca gevrek davranışa ilişkin iç kuvvetler altında yeterli bir dayanım da öngörülmektedir. Performansa göre tasarım yaklaşımı genel olarak üç aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamada yapı sisteminin tasarım depremi altında ön boyutlandırması yapılmakta, daha sonraki aşamalarda servis depremi (30 yılda aşılma olasılığı %50, dönüş periyodu 43 yıl) ve en büyük deprem (50 yılda aşılma olasılığı %2, dönüş periyodu 2475 yıl) için eleman ve bina bazında performans değerlendirmeleri yapılmaktadır, Şekil 1.

Performansa GöreTasarım

DepremEtkileri

PerformansHedefleri

ÖnBoyutlandırma

Servis Depremiİçin Değerlendirme

Eleman ve BinaBazında

Değerlendirme

En Büyük Depremİçin Değerlendirme

Şekil 1 Performansa göre tasarımın temel bileşenleri.

278


Günümüzde performansa göre tasarım yaklaşımı, yüksek binalar, taban izolasyonlu binalar ve benzeri diğer özel binalar üzerinde, ve mevcut binaların performans değerlendirilmesinde uygulama alanı bulunmaktadır.

Dayanıma Göre Tasarım - Deprem Yönetmelikleri

Diğer ülkelerin deprem yönetmeliklerine benzer olarak, Türk Deprem Yönetmeliği’nde de, depreme dayanıklı bina taşıyıcı sistemlerinin boyutlandırılması için dayanıma göre tasarım yaklaşımından yararlanılmaktadır. Bu yaklaşımın üç temel bileşeni, dayanım kriteri, rijitlik kriteri ve sistem sünekliği’dir, Şekil 2.

Dayanıma GöreTasarım

Dayanım Rijitlik Süneklik

Kapasite Tasarımıİlkeleri

Şekil 2 Dayanıma göre tasarımın temel bileşenleri.

Dayanıma göre tasarımda, gözönüne alınan tasarım depremi için elastik davranış spektrumundan yararlanarak hesaplanan deprem yükleri, taşıyıcı sistemin türüne ve özelliklerine bağlı olarak belirlenen bir deprem yükü azaltma katsayısı ile bölünerek sisteme etkitilir. Yapı sistemi bu etkiler altında doğrusal-elastik teoriye göre analiz edilerek iç kuvvetler ve yerdeğiştirmeler elde edilir. Daha sonra, taşıyıcı sistemin elemanları ile birleşim ve ek detayları, güvenli taşıma kapasiteleri dış yükler ve azaltılmış deprem etkilerinden oluşan toplam iç kuvvetlere eşit veya daha büyük olacak şekilde boyutlandırılır. Böylece, dayanım kriteri sağlatılmış olur. Dış yükler ve deprem etkileri altında gerekli dayanım kriterlerini sağlayan taşıyıcı sistemin, binanın fonksiyonlarını aksatmadan gerçekleştirebilmesi için, aynı zamanda rijitlik kriterini de yerine getirmesi gerekmektedir. Bir yapı sisteminin yeterli rijitlikte olmasına çeşitli nedenlerle gereksinim vardır. Bunların başlıcaları a- normal kullanım koşullarında ve küçük depremler altında, bina kullanıcılarının konforunun sağlanması b- geometri değişimlerinin denge denklemlerine etkilerinin (ikinci mertebe etkilerinin) sınırlandırılması c- orta ve büyük depremler altında, yapısal bütünlüğün sağlanması ve taşıyıcı olmayan yapı elemanlarının aşırı şekildeğiştirmelerinin önlenmesidir. Bu koşulların sağlanabilmesi için, eşit yerdeğiştirme kuralı uyarınca, deprem yükü azaltma katsayısı ile bölünmemiş elastik deprem yüklerinden meydana gelen toplam yatay yerdeğiştirmeler ve göreli kat ötelemeleri hesaplanarak kendilerine ait sınır değerler ile karşılaştırılır ve gerekli rijitlik kriterlerinin sağlandığı kontrol edilir.

279


Yerdeğiştirme sınır değerleri, yukarıda belirtilen koşulları sağlatacak şekilde, yönetmelikler tarafından belirlenmektedir. Dayanıma göre tasarım yaklaşımında, öngörülen deprem yükü azaltma katsayısının uygulanabilmesi, bina taşıyıcı sisteminin bu katsayının gerektirdiği sistem sünekliğine sahip olması ile mümkün olmaktadır. Sistem sünekliği, deprem kuvveti taşıyıcı sistemin önceden belirlenen bazı kesitlerinin yeterli düzeyde plastik şekildeğiştirme kapasitesine sahip olması, böylece deprem enerjisinin bu kesitlerin plastik şekildeğiştirmeleri ile söndürülmesi ve deprem etkileri altında yapısal göçmenin önlenmesi olarak tanımlanmaktadır. Sistem sünekliğinin sağlanmasının başlıca koşulları a- bina taşıyıcı sistemi için uygun bir mekanizma durumu seçilerek, doğrusal-elastik sınır ötesinde şekildeğiştirme yapması öngörülen plastik kesitlerin belirlenmesi b- plastik kesitlerin yeterli düzeyde plastik şekildeğiştirme kapasitesine sahip olması ve plastik şekildeğiştirmeleri sırasında, enkesit ve eleman düzeyinde stabilitenin (kararlılığın) sağlanması c- sistemin elastoplastik şekildeğiştirmesi sırasında, gevrek göçme meydana gelmemesi olarak sıralanabilir. Bu koşullar, kapasite tasarımı ilkeleri doğrultusunda belirlenen ve modern deprem yönetmeliklerinde yer alan tasarım kuralları ile sağlanabilmektedir, (Özer, 2007).

Yeni Türk Deprem Yönetmeliği - Depreme Dayanıklı Çelik Binalar Bu bölümde, 2007 Türk Deprem Yönetmeliği’nin güncellenmesi sürecinde yürütülmekte olan çalışmalar kapsamında, depreme dayanıklı çelik bina tasarımına yönelik olarak yönetmelikte yer alması planlanan başlıca güncel tasarım kurallarının gerekçeleri ve ana uygulama prensipleri hakkında bilgi verilecektir. İncelenecek güncel yönetmelik kurallarının başlıcaları

a- tasarımda dayanım esaslı GKT (Güvenlik Katsayıları ile Tasarım) ve YDKT (Yük ve Dayanım Katsayıları ile Tasarım) yöntemlerinin uygulanması

b- kapasite tasarımı uygulamaları c- moment aktaran çerçevelerde birleşim ve ek detayları d- deprem kuvveti taşıyıcı sistemlerde kapasitesi korunan bölgeler e- kat döşemelerinde yatay kuvvetlerin düşey taşıyıcılara aktarılması f- çelik-betonarme kompozit kolonlar g- burkulması önlenmiş çaprazlı çelik çerçeveler olarak sıralanmıştır. Tasarımda Dayanım Esaslı GKT ve YDKT Yöntemlerinin Uygulanması Gelişmiş ülkelerde, yapısal tasarım alanında meydana gelen gelişmelere paralel olarak, yapı güvenliğinin belirli kurallara dayandırılması gereği doğmuş ve bunun sonucunda tasarım yönetmelikleri giderek yenilenmiştir, (EC 1993 (2005), EC 1998 (2004), ANSI/AISC 360-10 (2010), ANSI/AISC 341-10 (2010)). Buna karşılık, ülkemizde yapısal çeliğin kullanımında son yıllarda gözlenen hızlı artışa karşın, TS 648 (1980) çelik yapılar standardında herhangi bir revizyon ve iyileştirme yapılmamıştır.

280


Bilindiği gibi, büyük bir bölümü yüksek deprem riski altında bulunan ülkemizde, depreme dayanıklı yapısal çelik tasarımını da içeren koşulların yer aldığı 2007 Türk Deprem Yönetmeliği’nde yapılan revizyonlar ile, çelik binaların tasarım koşulları kuramsal alandaki gelişmeleri izleyecek ve uygulamadaki gereksinimleri karşılayacak düzeye getirilmeye çalışılmıştır. Ancak günümüzde bu revizyonların da yeterli olmadığı görülerek, hazırlanmakta olan yeni deprem yönetmeliğinin dayanıma göre tasarım felsefesi esas alınarak oluşturan Güvenlik Katsayıları ile Tasarım (GKT) ve Yük ve Dayanım Katsayıları ile Tasarım (YDKT) yaklaşımlarını içerecek şekilde düzenlenmesi öngörülmüştür. Güvenlik Katsayıları ile Tasarım (GKT) Güvenlik katsayıları ile tasarım, tüm yapısal elemanlar için, güvenli dayanımın bu tasarım yöntemi için öngörülen deprem etkili yük birleşimleri altında hesaplanan gerekli dayanıma eşit veya daha büyük olması prensibine dayanmaktadır. Buna göre, yapısal tasarım aşağıda verilen koşula uygun olarak gerçekleştirilecektir.

na

RR ≤Ω

(1)

Burada Ra : deprem etkili GKT yük birleşimi ile belirlenen gerekli dayanımı Rn : karakteristik dayanımı Ω : güvenlik katsayısını Rn/Ω : güvenli dayanımı göstermektedir. Yük ve Dayanım Katsayıları ile Tasarım (YDKT) Yük ve dayanım katsayıları ile tasarım, tüm yapısal elemanlar için, tasarım dayanımının bu tasarım yöntemi için öngörülen deprem etkili yük birleşimleri altında hesaplanan gerekli dayanıma eşit veya daha büyük olması prensibine dayanmaktadır. Buna göre, yapısal tasarım aşağıda verilen koşula uygun olarak gerçekleştirilecektir.

u nR Rφ≤ (2)

Burada Ru : deprem etkili YDKT yük birleşimi ile belirlenen gerekli dayanımı Rn : karakteristik dayanımı φ : dayanım katsayısını φRn : tasarım dayanımını göstermektedir. Bu Yönetmelik kapsamında, düşey yükler ve depremin ortak etkisi altında yapılacak kesit hesapları ile birleşim ve ek hesapları için gerekli olan tasarım kuralları GKT ve YDKT yöntemlerinin her ikisi için ayrı ayrı verilmiştir. Ancak, birleşim detaylarının hesabı ve kompozit kolonlu taşıyıcı sistemlerin deprem etkileri altında tasarımı sadece YDKT yöntemi ile sınırlandırılmıştır. Çelik yapı sistemlerinin ve elemanlarının analiz

281


ve boyutlandırılmasında, dayanım esaslı tasarım kurallarının yeni deprem yönetmeliği kapsamı içine alınmasıyla, çelik yapı elemanlarının ve birleşimlerinin olası dayanımlarının hesabında gözönüne alınan göçme sınır durumuna bağlı olarak, sünek göçme sınır durumu (akma sınır durumu) ve sünek olmayan göçme sınır durumu (kırılma sınır durumu) için farklı güvenlik katsayıları ve dayanım katsayıları tanımlanmıştır. Tasarım kurallarındaki bu gelişme ile, doğrusal olmayan davranışın gerçekleşmesi beklenen elemanlarda malzeme dayanımındaki artışın daha gerçekçi bir şekilde gözönüne alınabilmesi sağlanmış ve göçme sınır durumlarına bağlı olarak arttırılmış dayanımlar ayrı ayrı tanımlanmıştır. Olası göçme sınır durumları için, karakteristik dayanım ifadelerinde karakteristik akma gerilmesi Fy, ve karakteristik çekme dayanımı Fu, yerine sırasıyla arttırılmış akma gerilmesi, DyFy ve arttırılmış çekme dayanımı, DtFu kullanılması koşulu getirilmiştir. Arttırılmış akma gerilmesi ve çekme dayanımının hesabında uygulanacak Dy ve Dt katsayıları, yapı çeliğinin sınıfına ve eleman türüne bağlı olarak verilmiştir. Tasarım depremi altında yapı sisteminin doğrusal-elastik sınır ötesindeki davranışının gözönüne alındığı kapasite tasarımı yaklaşımı, deprem kuvveti taşıyıcı sistem için öngörülen göçme durumu davranışıyla doğrudan ilişkilidir. Çelik yapı sistemlerinin ve elemanlarının analiz ve boyutlandırılmasında, dayanım esaslı tasarım kurallarının yeni deprem yönetmeliği kapsamı içine alınmasıyla, 2007 Türk Deprem Yönetmeliği’nde deprem yüklerinden oluşan iç kuvvetlerin, Ωo Büyütme Katsayısı ile arttırılarak gözönüne alındığı arttırılmış deprem etkileri de daha gerçekçi olarak değerlendirilebilmektedir. Bu nedenle, doğrusal olmayan davranışın daha gerçekçi olarak gözönüne alınabilmesi amacıyla, bu davranışın gerçekleşmesi beklenen elemanlarda malzeme dayanımındaki artış ve pekleşme etkisi de gözönünde tutularak elde edilen mekanizma durumu için yapılacak sistem analizi ile, arttırılmış deprem etkilerini içeren iç kuvvetlerin belirlenmesi koşulu getirilmiştir. Kapasite Tasarımı Uygulamaları Dayanıma göre tasarım yaklaşımının uygulandığı çelik yapı sistemlerinin yeterli düzeyde sistem sünekliğine sahip olması, diğer bir deyişle, deprem yükü azaltma katsayısının gerektirdiği oranda doğrusal olmayan şekildeğiştirme yapabilmesi ve sistemin plastik şekildeğiştirmeleri sırasında, enkesit düzeyinde ve sistem genelinde gevrek göçme meydana gelmemesinin sağlanması öngörülmektedir. Bu koşullar, kapasite tasarımı ilkeleri doğrultusunda belirlenen ve modern deprem yönetmeliklerinde yer alan tasarım kuralları ile sağlanabilmektedir. Bu tasarım kurallarının başlıcaları a- enkesit koşulları b- kolonlarda eksenel göçme riskinin önlenmesi c- birleşim ve ek detaylarının yeterli dayanım ve plastik şekildeğiştirme kapasitesine sahip olmasının sağlanması d- güçlü kolon tasarımı e- plastik şekildeğiştirme mekanizmasının seçimi olarak sıralanabilir.

282


2007 Türk Deprem Yönetmeliği’nin yenilenmesi çalışmaları kapsamında, kapasite tasarımı ilkeleri doğrultusunda hazırlanmış olan tasarım kuralları da gözden geçirilerek güncellenmiş ve bazı ek tasarım kuralları getirilmiştir. Bu kapsamda, süneklik düzeyi yüksek ve normal olarak tanımlanan çelik yapı sistemlerinin elemanlarının enkesitlerinde başlık genişliği/kalınlık ve gövde yüksekliği/kalınlık oranlarını içeren enkesit koşulları, kompozit yapı elemanlarını da içerecek şekilde yeniden düzenlenmiştir. Yönetmelikte, kolonlarda eksenel göçme riskinin önlenmesi, birleşim ve ek detaylarının yeterli dayanım ve plastik şekildeğiştirme kapasitesinin sağlanması amacıyla arttırılmış deprem etkili yük birleşimleri altında boyutlandırma öngörülmektedir. Ayrıca, süneklik düzeyi yüksek merkezi çaprazlı çelik çerçevelerin kolon, kiriş ve birleşimlerinin, çapraz elemanların plastikleşmesine neden olan eksenel kuvvetlerin esas alındığı arttırılmış deprem etkili yük birleşimleri altında boyutlandırılması koşulu da yönetmelikte yer almaktadır. Süneklik düzeyi yüksek çerçeve türü sistemlerde veya perdeli-çerçeveli sistemlerin çerçevelerinde, plastik şekildeğiştirmelerin kirişlerde meydana gelmesini öngören güçlü kolon tasarımı uygulanmaktadır. Çerçevelerden oluşan çelik yapı sistemlerinin düğüm noktalarında, plastik şekildeğiştirmelerin kolonlar yerine kirişlerde meydana gelmesi iki bakımdan tercih edilmektedir. a- Plastik şekildeğiştirmelerin kirişlerde yoğunlaştığı çerçeve sistemlerde (Şekil 3(a)), tümsel göçme mekanizması çok sayıda plastik mafsal içermekte ve buna bağlı olarak her bir plastik mafsaldaki dönme istemi (talebi) sınırlı kalmaktadır. Buna karşılık, plastik mafsalların kolonlarda oluştuğu çerçevelerde (Şekil 3(b)), az sayıda plastik mafsal içeren bölgesel mekanizmada aynı yatay yerdeğiştirmeye karşı gelen plastik dönme istemleri çok daha büyük değerler almakta ve plastik dönme kapasitelerini aşarak sistemin göçme riskini arttırabilmektedir. b- Bir düğüm noktasında, plastik mafsalların kolonlar yerine kirişlerde meydana gelmesi bölgesel zayıf kat göçme mekanizması oluşumunu (Şekil 3(b)) önlemektedir.

δδ

θ1θ2 >>θ1

zayıf kat

Mpa

Mpü

MpiMpj

(a) Tümsel mekanizma (b) Bölgesel kat mekanizması

Şekil 3 Moment aktaran çerçevelerde olası mekanizma durumları.

283


Hazırlanmakta olan Yeni Türk Deprem Yönetmeliğinde, bu gerekçelere dayanarak, süneklik düzeyi yüksek çelik çerçeve sistemlerde ve perdeli-çerçeveli sistemlerin çerçevelerinde, düğüm noktalarındaki plastik mafsalların kirişlerde oluşumunu öngören güçlü kolon tasarımı öngörülmektedir. Buna karşılık, plastik şekildeğiştirme istemlerinin daha sınırlı olduğu süneklik düzeyi normal sistemlerde güçlü kolon tasarımı için özel koşullar bulunmamaktadır. Süneklik düzeyi yüksek dışmerkez çaprazlı çelik çerçevelerin sismik tasarımı, plastik şekildeğiştirme mekanizmasının seçiminin tipik bir örneğini oluşturmaktadır, Şekil 4. Bu sistemlerde, plastik mafsalların sadece bağ kirişlerinin uçlarında oluşması öngörülmektedir. Bunu sağlamak için, bağ kirişlerinin yeterli süneklik düzeyine sahip olması, plastik şekildeğiştirmeleri sırasında stabilitelerinin (kararlılıklarının) sağlanması ve plastik şekildeğiştirmelerden dolayı sistemde oluşan yerdeğiştirmelerin sınırlandırılması amacıyla gerekli önlemler alınır. Ayrıca, kapasite tasarımı ilkesi doğrultusunda, bağ kirişlerinin plastik şekildeğiştirmesi sırasında kolonların, çaprazların ve bağ kirişi dışındaki kiriş bölümlerinin doğrusal-elastik bölgede kalması sağlanacak şekilde boyutlandırılmasına yönelik kurallar oluşturulur.

kolon

e

capr

az

bag kirisikiris

(a) Dışmerkez çelik çaprazlı perde (b) Plastik şekildeğiştirme mekanizması

Şekil 4 Süneklik düzeyi yüksek dışmerkez çaprazlı çelik çerçevelerde oluşması öngörülen tipik plastik şekildeğiştirme mekanizması.

Moment Aktaran Çerçevelerde Birleşim ve Ek Detayları Northridge depremi sonrasında, moment aktaran çerçeve sistemlerle ilgili olarak yürütülen yoğun araştırmalar sonucunda, birleşim bölgesi detayları tipleştirilerek, deprem yönetmeliklerinde tasarım ve uygulama sınırlarının verildiği yeterliliği kanıtlanmış birleşim detayları tanımlanmıştır. Ayrıca, bu çalışmaların günümüze kadar devam ettirilmesiyle, kiriş-kolon birleşimlerinin genişletilmiş uygulama sınırları deprem yönetmeliklerinin revizyonlarında yer almıştır. Bilindiği gibi, 2007 Türk Deprem Yönetmeliği’nin ekinde verilen çeşitli bulonlu ve kaynaklı birleşim detayı örnekleri süneklik düzeyi yüksek moment aktaran çerçeveler ile sınırlı olup, en az 0.04 radyan göreli kat ötelemesi açısı’nı (göreli kat ötelemesi / kat yüksekliği) sağlayabilecek kapasitede olduğu deneysel ve/veya analitik yöntemlerle kanıtlanmış olan detayları kapsamaktadır. Yapılan revizyonlar kapsamında, söz konusu

284


yönetmelik ekinde verilen mevcut kiriş-kolon birleşim detaylarının uygulama sınırları genişletilmiş, tasarım ve uygulamada gözönüne alınması gerekli ek koşullar verilmiştir. Ayrıca uygulamalarda ortaya çıkan gereksinimler değerlendirilerek, 2007 Türk Deprem Yönetmeliği’nin revizyonunda, bu birleşim detaylarının süneklik düzeyi normal çerçevelerin moment aktaran kiriş-kolon birleşimlerinde öngörülen 0.02 radyan göreli kat ötelemesi açısını sağlayabilmeleri için kendilerine ait uygulama sınırları çerçevesinde kullanılması koşulu getirilmiştir. Bu koşul ile, süneklik düzeyi normal moment aktaran çelik çerçevelerin deprem etkileri altındaki kiriş-kolon birleşimlerinin sınırlı miktarda doğrusal olmayan şekildeğiştirme yapabilmesini sağlayan birleşim detaylarının da uygulama sınırlarının tanımlanması amaçlanmıştır. Deprem Kuvveti Taşıyıcı Sistemlerde Kapasitesi Korunan Bölgeler Çelik binaların deprem kuvveti taşıyıcı sistemlerinin belirli bölgelerinde, ilgili elemanların doğrusal olmayan davranışlarını olumsuz yönde etkileyebilecek gerilme yığılmalarının oluşmaması istenmektedir. Kapasitesi korunan bölge adı verilen bu bölgeler moment aktaran çerçevelerin olası plastik mafsal bölgeleri, dışmerkez çaprazlı çelik çerçevelerin bağ kirişleri ile merkezi çelik çaprazlı çerçevelerin çapraz elemanlarının uç ve orta bölgelerini kapsamaktadır, Şekil 5.

(a) Moment aktaran çelik çerçeve (b) Dışmerkez çaprazlı çelik çerçeve

(c) Merkezi çaprazlı çelik çerçeve

Şekil 5 Deprem kuvveti taşıyıcı sistemler için kapasitesi korunan bölgeler.

Kapasitesi korunan bölgelerde olumsuz gerilme yığılmalarının ve süreksizliklerinin oluşmasını önlemek amacıyla, ani kesit değişikliklerine, deliklere, yapım kusurlarına, montaj amaçlı boşluklara ve eleman bağlantılarına (başlıklı kayma elemanları dahil) izin verilmemektedir.

Kapasitesi korunanbölgeler

Kapasitesi korunanbölgeler

285


Moment aktaran çerçevelerin kiriş-kolon birleşim yerlerinde kapasitesi korunan bölge genişliği, kolon yüzünden itibaren, kiriş enkesit yüksekliğinin yarısına eşit olarak alınabilir. Bu bölgede, kiriş ek detayı uygulanmamalı ve kiriş kesitine eleman bağlantıları yapılmamalıdır. Dışmerkez çaprazlı çelik çerçevelerin bağ kirişleri, kapasitesi korunan bölgeleri oluşturmaktadır. Merkezi çaprazlı çelik çerçevelerde, kapasitesi korunan bölgeler eleman boyunun orta 1/4 uzunluğundaki bölümü ile eleman uçlarındaki eleman enkesit yüksekliğine eşit uzunluktaki bölgelerdir. Kat Döşemelerinde Yatay Kuvvetlerin Düşey Taşıyıcılara Aktarılması Yeni deprem yönetmeliği taslağında, kat döşemelerindeki yatay kuvvetlerin düşey taşıyıcılara aktarılmasına yönelik kurallar yer almaktadır. Buna göre, çelik bina taşıyıcı sistemlerinin döşemeleri, katlardaki kütlelere etkiyen deprem kuvvetlerinin düşey taşıyıcı sistem elemanlarına güvenle aktarılmasını sağlayacak dayanım ve rijitliğe sahip olmalıdır. Bu amaçla, döşeme sistemi içinde dikme (yük aktarma) elemanları ve diyafram başlıkları oluşturulmaktadır, Şekil 6. Diyafram dikmeleri (yük aktarma elemanları) ve birleşim detayları, deprem kuvveti taşıyıcı sistemin dışındaki yapı bölümlerine etkiyen atalet kuvvetlerinin deprem kuvveti taşıyıcı sistemin elemanlarına güvenle aktarılmasını sağlayacak şekilde boyutlandırılırlar. Diyafram başlıkları, döşeme düzlemindeki yatay kuvvetlerin düşey taşıyıcı sistem elemanlarına aktarılmasından doğan, döşeme düzlemi içindeki eğilme etkisi nedeniyle oluşan çekme ve basınç kuvvetleri gözönüne alınarak boyutlandırılır. Diyafram başlığı çekme kuvvetlerinin, betonarme döşeme içine yerleştirilecek ilave çekme donatısı veya yapısal çelik eleman tarafından güvenle taşınması sağlanır. Ayrıca, diyafram başlığı basınç kuvvetleri de kontrol edilir ve gerekirse güçlendirme uygulanır.

Şekil 6 Tipik diyafram başlık ve dikme elemanları.

1 52 3 4

A

B

C

Diyafram Başlığı

DiyaframDikmesi

Diyafram Başlığı

DiyaframDikmesi

Yatay KuvvetTaşıyıcı Çerçeve

Yatay KuvvetTaşıyıcı Çerçeve

Yatay KuvvetTaşıyıcı Çerçeve Diyafram

Dikmesi

286


Çelik-Betonarme Kompozit Kolonlar Ülkemizde, özellikle deprem bölgelerindeki yüksek binaların ve büyük açıklıklı çelik yapıların tasarımında betona gömülü veya beton dolgulu çelik-betonarme kompozit kolonların kullanılması önemli yararlar sağlayabilmektedir. Çelik-betonarme kompozit kolonların sağladığı avantajlardan başlıcaları a- daha küçük boyutlu bir kolon enkesiti ile daha yüksek eksenel kuvvet dayanımının sağlanması b- kolonun süneklik kapasitesinin arttırılması c- çelik kesitin yerel burkulma riskinin azaltılması d- betona gömülü kompozit kolonlarda yüksek yangın dayanımı sağlanması olarak sıralanabilir. Bu gerekçelere dayanarak, çelik-betonarme kompozit kolonların depreme dayanıklı olarak tasarımının yeni deprem yönetmeliği kapsamına alınması öngörülmektedir. Bu bağlamda, çelik-betonarme kompozit kolonlarda a- minimum ve maksimum boyuna donatı oranları b- kolon enkesitindeki minimum yapısal çelik miktarı c- enine donatı koşulları d- kolon sarılma bölgelerine ilişkin koşullar e- yük aktarma elemanlarının tasarımı f- kolon içindeki yapısal çeliğin ekine yönelik kurallar yeni deprem yönetmeliğinde yer almaktadır. Burkulması Önlenmiş Çaprazlı Çelik Çerçeveler Merkezi çaprazlı çelik çerçeveler ülkemizde ve dünyada en çok kullanılan deprem kuvveti taşıyıcı sistemler arasındadır. Ancak çaprazların, çekme ve basınç kuvvetleri altındaki simetrik olmayan çevrimsel davranışları ve basınç kuvveti etkisinde burkulma nedeniyle güç tükenmesine ulaşmaları, gelişen teknolojiyle birlikte yeni bir eleman türünün geliştirilmesine neden olmuştur. Böylece burkulması önlenmiş çaprazlar, merkezi çaprazlı sistemlerde tekrarlı yükler altında simetrik davranışın sağlanması amacıyla, geleneksel merkezi çelik çaprazların özel bir durumu olarak geliştirilmiştir, (Sabelli ve Lopez, 2004). Burkulması önlenmiş çaprazlı çelik çerçeveler, yüksek enerji tüketim kapasitesi ve yapı sistemi için büyük bir yatay rijitlik sağlamaları nedeniyle, günümüzde tercih edilen etkin deprem kuvveti taşıyıcı sistemlerdendir. Bu tür sistemlerin en temel özelliği, burkulmanın önlenmesi nedeniyle, çekme ve basınç kuvvetleri altında simetrik ve sünek bir davranış sergilemeleridir. Burkulması önlenlenmiş çelik çaprazların geleneksel merkezi çelik çaprazlara göre sağladığı avantajların başlıcaları a- hem basınç hem de çekme etkileri altında akma sınır durumuna ulaşabilmeleri b- burkulmadan kaynaklanan dayanım ve rijitlik kayıplarının oluşmaması c- özellikle kiriş açıklığı içinde teşkil edilen birleşim bölgelerinde, basınç etkisinde burkulma ile çekme etkisi altında akma nedeniyle meydana gelecek dengelenmemiş kuvvetlerin oldukça düşük düzeyde olması d- mafsallı uç birleşimlerinin kolay teşkil edilebilir olması

287


e- doğrusal olmayan davranışlarının analitik olarak daha kolay modellenebilir olması olarak sıralanabilir. Belirtilen bu avantajlara dayanarak, burkulması önlenmiş çaprazlı çelik çerçeveler yeni deprem yönetmeliği kapsamına alınmaktadır. Böylece, bu tür sistemlerin tasarımına ilişkin olarak

a- burkulması önlenmiş çelik çaprazların dayanımı ve tasarım esasları b- özel çapraz düzenlerinin uygulama esasları c- çapraz uç birleşimleri ile kiriş-kolon birleşim bölgelerinin tasarım esasları

yönetmelikte yer almaktadır.

Sonuçlar 2007 Türk Deprem Yönetmeliği’nin güncellenmesi çalışmaları çerçevesinde, ülkemizde giderek daha geniş bir uygulama alanına sahip olan çelik yapı sistemlerinin ve çelik-betonarme kompozit yapı elemanlarının depreme dayanıklı olarak tasarımını öngören araştırmaların sonuçlarının deprem yönetmeliğinde yer alması öngörülmektedir. Bu doğrultudaki çalışmaların özetlendiği bu bildiride, depreme dayanıklı çelik ve kompozit bina tasarımı alanında gerçekleştirilen bazı düzenlemelerin gerekçelerine ve temel uygulama prensiplerine yer verilmektedir. Bu kapsamda, deprem etkileri altında boyutlandırmada dayanım esaslı modern tasarım yaklaşımlarının kullanılması, kapasite tasarımı ilkelerinin depreme dayanıklı çelik bina tasarımına uygulanması, moment aktaran çerçevelerde birleşim ve ek detayları, çelik bina taşıyıcı sistemlerinde kapasitesi korunan bölgeler, kat döşemelerinde yatay kuvvetlerin düşey taşıyıcılara aktarılması, çelik-betonarme kompozit kolonlar ve burkulması önlenmiş çelik çaprazlı sistemler gibi özel konular incelenmektedir. Önümüzdeki yıllarda çelik ve kompozit elemanlı yapı sistemlerinin yüksek binaların ve özel binaların tasarımında giderek daha geniş bir uygulama alanına sahip olacağı gözönünde tutularak, depreme dayanıklı çelik binaların yerdeğiştirme ve şekildeğiştirme esaslı performansa göre tasarımının da deprem yönetmeliği kapsamı içinde yer alması beklenmektedir.

Teşekkür Bildirinin yazarı, yeni Türk Deprem Yönetmeliği’nin hazırlanması çalışmalarını başlatan ve destekleyen AFAD Afet ve Acil Durum Yönetimi’ne, Yeni Deprem Yönetmeliği Çelik ve Kompozit Elemanlı Binalar İçin Depreme Dayanıklı Tasarım Kuralları Komisyonu üyelerine ve özellikle bu bildirinin hazırlanmasında önemli katkıları olan Prof.Dr. Cavidan Yorgun ve Y.Doç.Dr. Cüneyt Vatansever’e en derin teşekkürlerini sunar.

288


Kaynaklar

TS 648 (1980) Çelik Yapıların Hesap ve Yapım Kuralları, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara. EC 1998 (2004) Design of Structures for Earthquake Resistance-Part 1, European Committee for Standardization, Brussels. Sabelli, R., Lopez, W. A., (2004) Design of Buckling-Restrained Braced Frames, The Steel Conference, Modern Steel Construction, March 2004. DBYBHY (2007) Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik, Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, Ankara. Özer, E. (2007) Kapasite Tasarımı İlkesi ve Türk Deprem Yönetmeliği, Çağrılı Bildiriler, 6. Ulusal Deprem Mühendisliği Konferansı, İstanbul, 16-20 Ekim 2007, 257-266. ANSI/AISC 341-10 (2010) Seismic Provisions for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, Chicago, Il. ANSI/AISC 360-10 (2010) Specification for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, Chicago, Il. Özer, E. (2011) Depreme Dayanıklı Çelik Bina Tasarımında Modern Yaklaşımlar, Çağrılı Bildiriler, 7. Ulusal Deprem Mühendisliği Konferansı, İstanbul, 30 Mayıs-3 Haziran 2011, 303-313. Özer, E., Yorgun, C., Vatansever, C., (2015) Depreme Dayanıklı Çelik Bina Tasarımı ve Yeni Türk Deprem Yönetmeliği, Çağrılı Bildiriler, 8. Ulusal Deprem Mühendisliği Konferansı, İstanbul, 11-15 Mayıs 2015, 181-189.

289


depreme dayanıklı Çelik bina tasarımının temel İlkeleri ve...

Documents