ASMOLEN BİNALARIN DEPREME KARŞI TASARIMININ İRDELENMESİ

İYTE İnşaat Mühendisliği Bölümü Asst. Prof. Dr. Cemalettin DÖNMEZ

CD, İYTE

2

CD, İYTE

3

Deprem Raporlarında Asmolen Yapılar

Ulaşabilen en eski kayıtlar 1967 Adapazarı depremine uzanmaktadır.

Uğur Ersoy, Betonarme Kitabından

CD, İYTE

4

1967 ile 1992 arası deprem raporlarında asmolen binalar ile ilgili bir bilgiye ulaşılamamıştır. • 1967 Pülümür • 1970 Gediz • 1975 Lice • 1983 Erzincan-Kars

CD, İYTE

5

1992 Erzincan depreminde sosyal sigortalar hastanesinin asmolen olan ek binalarının yıkıldığı rapor edilmiştir.

EERI Erzincan Özel Raporu, 1993

CD, İYTE

6

1998 Adana-Ceyhan depreminde Ceyhan’daki yapıların tipik olarak asmolen döşemeli olduğu rapor edilmiştir.

ODTÜ Ceyhan-Misis Deprem Raporu, 1998

CD, İYTE

7

1999 İzmit depreminde asmolen bina göçmeleri rapor edilmiştir. Bazı örneklerde bu yapıların düşey elemanların yatay elemanlara göre zayıflığı sebebiyle de göçtüğü belirtilmiştir.

Saatçioğlu ve diğerleri, Canadian Journal of Civil Eng., 2001

CD, İYTE

8

1999 İzmit depremi raporlarında genel olarak betonarme yapıların depreme karşı dayanıklılık gerekliliklerini sağlamadıkları belirtilmiştir.

Saatçioğlu ve diğerleri, Canadian Journal of Civil Eng., 2001

CD, İYTE

9

2012 Van-Erciş depreminde de asmolen binalarda oluşan hasarlar rapor edilmiştir.

CD, İYTE

10

2012 Van-Erciş depremi

CD, İYTE

11

Sözü geçen raporların hiç birinde asmolen yapılar kendi özellerinde değerlendirilmeyip, betonarme ana grubu içerisinde kategorize edilmiştir. Ne yazık ki 1967’den 2012’ye betonarme yapılarda rapor edilen göçme sebeleri değişmeyen şu ana başlıklara sahiptir: • Yapısal sistemin yerleşimine bağlı burulma, yumuşak ve zayıf kat sorunları • Diğer yapısal düzensizlikler • Yeri, miktarı ve detayı yetersiz enine donatı • Genel olarak donatı detaylarındaki yetersizlikler • Yetersiz işçilik • Daha eski depremlerde ağırlıklı malzeme dayanımındaki yetersizlikler

CD, İYTE

12

Van depreminde asmolen binalarda gözlenen hasarlar göçme mekanizması itibari ile ilgi çekmiştir.

CD, İYTE

13

Bu noktada Türkiye Deprem Şartnamelerindeki asmolen yapılar ile ilgili gerekliliklerin değişimini irdelemek faydalı olacaktır. Adapazarı depreminden sonra deprem riski yüksek bölgelerde asmolen bina yapımı yasaklanmıştır.

1975 şartnamesi ile belirli yüksekliklerin üstünde “deprem perdesi” kullanımı şartıyla tekrar izin verilmiştir.

Deprem Şartnamelerinde Asmolen Yapılar

CD, İYTE

14

1997 şartnamesi ile birlikte asmolen binaların “süneklik düzeyi yüksek çerçeveler” olarak tasarlanması kaydı ile perde duvar şartı kaldırılmıştır.

Mevcut şartnamede standart betonarme çerçeveler için tanımlanan süneklik düzeyi şartları haricinde doğrudan asmolen binaları etkileyen iki şart vardır:

CD, İYTE

15

Diğer taraftan asmolen yapılar doğal geometrileri gereği çok zorlanmadan kuvvetli-kolon zayıf-kiriş şartını sağlarlar.

CD, İYTE

16

Asmolen yapıların popüler olmasını sağlayan kuvvetli hususlar vardır:

• Döşeme altında kiriş dişleri görünmediğinden duvar yerleşimlerini özgür bırakan bu sistem mimarlar açısından tercih sebebidir.

• Döşeme kalıbı düşünüldüğünde kiriş dişlerinin bulunmaması imalat açısından daha hesaplı bir sisteme işaret etmektedir.

• Tasarım mühendisi açısından düşük rijitliği sayesinde görece ufak yanal yüklerle tasarlanabilmesi ve doğal olarak kuvvetli-kolon zayıf-kiriş şartını sağlayabilmesi bir cazibe sebebi olmaktadır.

CD, İYTE

17

Ne yazık ki tasarım mühendisinin asmolen çerçeveleri tercih sebebi kuvvet tabanlı tasarım alışkanlığı kaynaklı olası bir yanılsama taşımaktadır.

CD, İYTE

18

Eşdeğer deprem yükü ile tasarım yapıldığında tasarıma esas olan varsayımlar:

• Dinamik yükler altında yapı temel olarak 1. modunda tepki verir,

• Birinci mod tepkisini bozan ve taleplerin belirli bölgelere yogunlaşmasına sebep olan düzensizlikler kontrol altındadır,

• Yapının tasarımı azaltılmış yükler altında elastik sistem kabülü ile yapılmış analizler üzerinden gerçekleşebilir.

CD, İYTE

19

• Yapıda kontrollü hasar (süneklik) sonucu oluşan ötelenme talepleri yapının kapasitesinin altındadır.

• Tasarım esas olarak ivme spektrumu üzerinden yapılır ve ötelenme kontrolü azaltılmamış yükler altında elastik analiz ile kat arası ötelenme oranı vasıtasıyla sağlanır.

CD, İYTE

20

İvme ve ötelenme spektrumları göz önüne alındığında uzun periyotlu sistemlerin ötelenme taleplerinin büyüdüğü görülür.

aa

Ta

ab

Tb

İvm

e

Periyot

Δa

Ta

Δb

Tb TB

Öte

lenm

e

Periyot

CD, İYTE

21

Asmolen yapılarda yatık kirişler sebebiyle sistem rijitliği dramatik bir biçimde düşebilir ve bu düşüşe paralel olarak yüksek ötelenme talepleri oluşabilir.

Uygulamada rijitlikteki düşmenin (veya periyottaki uzama) mertebesini incelemek olası sorunun ciddiyeti hakkında bilgi sağlayacaktır.

CD, İYTE

22

2007 sonrası İzmir’de tasarlanmış bir grup asmolen yapının incelenmesi sonucu aşağıdaki değerlere ulaşılmıştır

Yapı No

Yükseklik (m)

Kat Sayısı

Zemin Tipi,TB (s) Telastik (s)

1 9.3 3 Z3 (0.6) 2 12.0 4 Z2 (0.4) 3 13.1 4 Z2 (0.4)

4 13.0 4 Z2 (0.4)

5 15.5 5 Z2 (0.4)

6 15.0 5 Z2 (0.4)

7 19.3 6 Z3 (0.6)

0.6

0.7

1.2

0.8

1.1

1.4

1.3

Uygulamada Asmolen Yapılar

CD, İYTE

23

Söz konusu yapıların:

• Nominal malzeme dayanımları fc : 30MPa, fy : 420MPa, • Kat alanları 220 ila 520 m2, • Temelleri mütemadi veya radye, • Kolon açıklıkları 2.0 ila 7.5 m, • Kirişlerin büyük kısmı 50x32 cm olmakla beraber 60x32 ve 70x32

kirişlerde mevcut, • Yapılar sadece yatık kirişlerden değil aynı zamanda dik kirişlere

de sahip ve bu kirişler tipik olarak 25x50 cm boyutlarında, • Zemin katın üst katların yüksekliğine oranı 1.1 ila 1.4 arasında

değişmekte • Tipik kolon yüksekliği 3.0 m • Tipik kolon boyutları 25x50 veya 60 cm ila 30x60 veya 70 cm • Tipik perde duvar kalınlıkları 25 cm

CD, İYTE

24

Yapı 2:

4 katlı, T: 0.7 s

CD, İYTE

25

Yapı 3:

4 katlı, T: 1.2 s

CD, İYTE

26

Yapı 4:

4 katlı, T: 0.8 s

CD, İYTE

27

Yapı 6:

5 katlı, T: 1.4 s

CD, İYTE

28

Yakut (2008) yaptığı bir çalışmada bir grup 2007 öncesi betonarme bina için bina yükseklik ile yapı periyodu arasındaki ilişkiyi incelemiş ve ana eğilim olarak 1997 şartnamesinde tanımlanmış olan periyot formülünün uygunluğunu ortaya koymuştur.

Bu çalışmada ele alınan sınırlı sayıdaki asmolen yapının yükseklik periyot ilişkisi Yakut’un verileri ile beraber ele alındığında incelenen asmolen binaların Yakut’un normal çerçeveli binalarından ortalamada kabaca %40 daha yüksek periyotlara sahip olduğu gözlemlenmiştir.

43

1 07.0 NHT =

CD, İYTE

29

y = 0.0728x

y = 0.0399x

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 5 10 15 20 25

Height (m)

Per

iod

(s)

Yakut'un VerisiBu çalışmaBu çalışmanın dolgu duvar etkisi gözetilmiş haliBu çalışmaya uygun doğrusal ilişkiYakut'un Verisine Uygun Doğrusal İlişki

CD, İYTE

30

İncelenen asmolen yapıların TDY-2007’ye göre tasarım depremi ötelenme talepleri

Yapı No

Kat Sayısı

Zemin Tipi,TB (s) T (s)

Tçatlamış TDY-2007

(s)

En Yüksek Kat Arası Öteleme (%) TDY-2007 Metodu

1 3 Z3 (0.6) 0.6 0.9 2.4 2 4 Z2 (0.4) 0.7 1.1 1.9 3 4 Z2 (0.4) 1.2 1.7 2.8

4 4 Z2 (0.4) 0.8 1.3 2.1

5 5 Z2 (0.4) 1.1 1.5 2.2

6 5 Z2 (0.4) 1.4 2.1 3.3

7 6 Z3 (0.6) 1.3 1.7 2.8

CD, İYTE

31

Yapıların doğrusallık dışına çıkmaları durumundaki ötelenme taleplerini belirlemek için çeşitli yöntemler tanımlanmıştır. 2007-TDY’inde tanımlı yöntem aslen Amerikan ATC-40’da (1996) tanımlı Kapasite Spektrumu yönteminin bir varyasyonudur.

FEMA-274 (1997) ve FEMA-440 (2005) raporlarında tasarım mühendisine hedef ötelenmelerin %150’sine kadar yapının güvenli davrandığının incelemesi önerilir.

CD, İYTE

32

%150 Ortalama değer

%100 Dağılım etkisini kontrol edebilmek amacıyla güvenli değer

CD, İYTE

33

Yatık kirişlerin döngüsel yükler altındaki davranışının incelenmesi Türkiye’de yapılan uygulamalarda başka sorunlara işaret etmektedir.

Yatık Kiriş-Kolon Sisteminin Davranışı

CD, İYTE

34

Düşük rijitlikleri ve sınırlı donatı aderans bölgeleri sebebi ile yatık kirişlerin döngüsel yükler altındaki davranışları hakkında literatürdeki çalışmalar üç kritik konu tanımlamıştır:

1. Düğüm noktasında bağlanan elemanların

geometrisi ve bağlantı detayları, 2. Kolon dışında kalan kiriş eğilme donatılarının

aderansı, 3. Kiriş ve kolonun eğilme donatılarında oluşan

sıyrılma,

CD, İYTE

35

İlk iki madde ile ilgili olarak bazı araştırmacılar (Benavent-Climent ve diğ. 2010, Gentry ve Wight 1994 ve Lafave 2001) düğüm noktalarında yatık kiriş moment direncinin birbiri ile bağlantılı üç değişkene/mekanizmaya bağlı olduğunu ortaya koymuşlardır.

CD, İYTE

36

Yatık kirişe dik olarak kolona bağlanan kirişlerin burulma dayanımı

CD, İYTE

37

Kolon çeğirdeğine bağlanan eğilme donatılarının oranı,

CD, İYTE

38

Kolon yakınında oluşan basınç çubuğu mekanizması,

CD, İYTE

39

Kolon yakınında oluşan basınç çubuğu mekanizması,

CD, İYTE

40

Araştırmalar:

• Kolon çekirdeği dışındaki eğilme donatılarının işleyebilmesi için kolona dik bağlanan kirişlerin yeterli burulma kapasitesine sahip olması gerektiğini,

• Tasarımda hem kapasite hem rijitlik önemli ise dik kirişlerin burulma çatlama kapasitesinin eğilme donatılarının kapasitesinden büyük olmasını,

• Sadece kapasite önemli ise burulma donatısı ile sağlanan kapasitenin aktif olarak kullanılabileceğini,

göstermiştir.

CD, İYTE

41

ACI 352-02 (2002) kolon ve kiriş donatılarında sıyrılmaya engel olunabilmesi için eleman derinliklerinin en az 20Φdonatı olması gerektiğini belirtir. 32 cm’lik bir döşemede bu şartı sağlayabilmek için gerekli maksimum donatı çapı 32/20 = 1.6 cm ‘dir.

CD, İYTE

42

ACI 318-11 yatık kiriş eni ve kolon çekirdeğinden geçmeyen eğilme donatıları ile ilgili olarak yeni şartlar getirmiştir.

CD, İYTE

43

Kiriş ve kolon geometrisine, kirişin ve kolon eğilme donatılarının yeterli adreans yapabilmesine ve dik kirişlerin yeterli burulma kapasitesine sahip olmasına dikkat edilmesi durumunda yatık kirişler yüksek ötelenme kapasiteleri sağlayabilmektedir

CD, İYTE

44

Yatık kirişler ile yapılan bütün araştırmalarda kirişler kolona eşmerkezli olarak bağlanmıştır.

Yatık kirişlerin dışmerkezli bağlantıları hakkında mevcut bir çalışma yoktur. ACI 352-02 yüksek deprem riski olan bölgelerde dışmerkezli kiriş-kolon bağlantısı tavsiye etmemektedir.

CD, İYTE

45

Bir firmanın web sayfasında bulunan imalat örneği

CD, İYTE

46

ÜLKEMİZDE UYGULAMADA MEVCUT BİRÇOK YATIK KİRİŞ KOLON BAĞLANTISININ DÖNME KAPASİTELERİ HAKKINDA BÜYÜK SORU İŞARETLERİ VARDIR.

CD, İYTE

47

Yatık kiriş boyutlandırma ve detaylandırması hakkındaki bütün kaygıları bir kenara bırakıp bu tip sorunları olmayan düzgün bir çerçeveyi göz önüne alalım.

Örnek Bir Asmolen Bina

CD, İYTE

48

750x750 mm kolonlar, 600x320 mm kirişler, 120x320 mm döşeme dişleri, 70 mm döşeme kalınlığı, Her katta eşit 3.0 m kat yüksekliği, 6 kat, Z3, TB = 0.6 s, 30MPa beton, 420MPa çelik,

CD, İYTE

49

Örnek yapı TDY-2007 2. ve 3. kısımlara göre sünek çerçeve şartlarını taşıyacak şekilde tasarlanmıştır. 2.10.1.3’deki şartını sağlamaktadır.

Bina Yüksekliği

(m)

Kat Sayısı

Zemin Tipi

[TB, (s)] T (s) Tçatlamış

TDY-2007 (s)

En Yüksek Kat Arası Öteleme (%)

TDY-2007 Metodu

18 6 Z3 (0.6) 1.1 1.7 3.0

( )02.0max ≤

i

i

hδ

CD, İYTE

50

Sünek çerçeve şartları sağlanmış ve plastik mafsallarda maksimum birim uzama değerlerini sağlayacak detaylandırma yapılmış. TDY-2007’ye göre maksimum birim uzama değerleri kuşatılmış betonda 0.004, kuşatılmamış betonda 0.018 ve donatıda 0.06’dir

Performans analizinde ikincil momentler hesaba katılmıştır.

CD, İYTE

51

Uzun Yönde İtme Eğrisi

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900Tepe Ötelenmesi (mm)

Taba

n K

esm

e K

uvve

ti O

ranı

TDY-2007'ye göre Tasarım Talebi

Hemen Kullanım

Can Güvenliği Göçme Öncesi

CD, İYTE

52

Eski deprem raporları incelendiğinde asmolen yapılar ile ilgili detaylı bilgiye nadir olarak ulaşılmaktadır. Bu durumun iki sebebi olduğu düşünülmektedir:

– Normal betonarme çerçeveler ile karşılaştırılırsa asmolen yapılar görece ufak bir yüzdeye sahiptirler (tahminen %10 ila 15)

– Asmolen yapıların davranış sorunlarını ortaya koyabilecek gözlemlerin, boyutlandırma, malzeme dayanımı ve/veya detaylandırma zaafiyetleri tarafından perdelenmesi

SONUÇLAR:

CD, İYTE

53

2012 Van-Erciş depremi bir istisna olarak görece düşük talepler altında asmolen yapıların kapasitelerine ulaştığını gösteren örnekler sunmuştur.

SONUÇLAR:

CD, İYTE

54

Literatürdeki araştırmalar eşmerkezli yatık kiriş kolon birleşimlerinin kolon çekirdeği dışındaki eğilme donatılarının yetersiz aderansı ve/veya dik kirişlerin burulma yetersizlikleri ile erken rijitlik ve dayanım kayıplarına uğrayabildiklerini ortaya koymuştur.

Ülkemizde yaygın olarak uygulanan dışmerkezli kiriş kolon birleşimleri, dik kiriş burulma direncinin tasarımda hesaba hiç bir şekilde girmemesi ve çerçeve asal eksenlerine uyumsuz kiriş ve kolon aksları sebebiyle asmolen çerçevelerin kabul edilenden daha zayıf ve yumuşak olduğu söylenebilir.

SONUÇLAR:

CD, İYTE

55

Yine önceki slaytta belirtilen sebeplerle ülkemizdeki tipik asmolen binalar için gerçekçi performans analizlerinin yapılamıyacağı söylenebilir.

SONUÇLAR:

CD, İYTE

56

TDY-2007 asmolen binaları tipik kiriş-kolon çerçevesi olarak kabul etmekte, süneklik ve kiriş boyutlandırma şartlarını sağlaması dışında bir talepte bulunmamaktadır.

İzmir’de uygulanan bir grup projenin incelenmesi sonucu tasarımın esas olarak şartnamenin %2 öteleme sınırı tarafından kontrol edildiği tespit edilmiştir.

SONUÇLAR:

CD, İYTE

57

Bu yapıların elastik analiz ile hesaplanan periyotları ortalamada normal kiriş kolon çerçevelerine göre %40 daha yüksektir.

Diğer taraftan tekil örneklerde periyot değerleri beklenen değerlerin 2-3 katına çıkabilmektedir. Yüksek periyotlara sahip yapılar deprem talepleri altında yüksek ötelenme değerlerine ulaşmak zorunda kaldığından, deprem talepleri altında yapı güvenliği yetersiz kalabilmektedir.

SONUÇLAR:

CD, İYTE

58

Uzun periyot değerlerinin oluşturabileceği güvensiz durumu gösterebilmek maksadıyla her türlü zaafiyetten muaf bir asmolen bina TDY-2007’ye göre tasarlanmış ve yine TDY-2007 göre performans analizine tabii tutulmuştur.

SONUÇLAR:

Yapı TDY-2007’deki performans düzeyini sağlayamamıştır.

CD, İYTE

59

ASMOLEN BİNALARIN TASARIMINDA NASIL BİR YAKLAŞIM GERÇEKLEŞTİRİLMELİDİR???