admin

İnşaatların depreme göre yapılması hakkında en gerekli bilgiler

Decrease Font Size Increase Font Size Text Size Print This Page

Hepimizin bildiği gibi depremler yer kabuğundaki farklı plakaların birbirlerine nazaran hareket etmeleriyle oluşur. Bu yazıda depremin jeolojik oluşumu ve mekanizmasından bahsetmeyeceğiz. Direkt olarak inşaatların depreme karşı tasarımı yapılırken, mühendislerin dikkat ettiği / etmesi gereken ana konuları basit ve herkesin anlayabileceği bir dille anlatacağız.

Deprem oluştuğu zaman binayı yerden yatay bir şekilde hızlandırır. Yani ivmelendirir. Lise fizik dersi alan herkesin bileceği gibi, bir kütleye etki eden bir güç varsa, o kütle ivmelenir. Yada benzer olarak, bir kütleyi eğer ivmelendiriyorsanız, o kütle size bu ivme ve kütlesi ile orantılı olrak bir direnç gücü gösterir.

Başka bir deyişle, Newton’un temel prensibinden,

Güç = kütle x ivme

yani,

F=m.a

Yani, deprem yeri salladığında binanın altında oluşan ivmeye, o bina

F=m.a kadar yani kendi kütlesi ile deprem ivmesinin çarpımı kadar direnç gösterir. Aşağıdaki şekilde bu durumu görüyorsunuz:

Binaya etki eden deprem kuvveti

Deprem ivmesini PGA (ingilizcesi Peak Ground Acceleration) ile gösteriyoruz. Burada ufak bir not olarak, üstteki şekilde görüldüğü gibi, hiç bir yapı tam katı olmadığı için, yani bir miktar enerji yapı tarafından emileceği için (ki bu iyi birşeydir), binaya etki eden asıl ivme, yer ivmesinden her zaman biraz daha az olacaktır.

Yukarıda bahsettiğimiz yer ivmesi, binaya etki eden deprem yükü için başlıca belirleyicidir.

Fakat bundan başka çok önemli bir etken daha vardır, ki o da periyod konusudur.

Periyod, çok basit tanımla, bir şeyin bir döngüyü ne kadar sürede tamamladığını gösterir. T harfi ile gösterilir. Yani örnek olarak, dünyanın güneş etrafında dönme periyodu, 365 gün 6 saattir. Yada, Ankara İstanbul arasını 1 saatte gidip, 1 saatte dönen bir uçağın periyodu, yani tam bir döngüyü tamamlama süresi, 2 saattir.

Elinize çok uzun ve esnek bir sopa alıp belli bir güçle sallarsanız, belli bir periyodda sallayabilirsiniz, yani bir döngüyü tamamlamanız biraz zaman alacaktıtr. Tamamen aynı güç kullanarak, elinize bu sefer çok kısa ve sert bir sopa alıp sallamaya başlarsanız, onu çok daha hızlı şekilde sallayabilirsiniz yani bir döngüyü tamamlatmanız çok daha kısa süre alacaktır yani periyod daha az olacaktır.

Şimdi benzer mantıkla aşağıdaki şekle bakın. İki tane birbirine benzer sopa var ve ikisinin de ucuna aynı ağırlık takılmış, yanlız soldaki sopa daha kısa, ve sağdaki sopa daha uzun. Tek farkları uzunluk.

Yapı serbest salınım periyodu

Bu sopaların ikisini de yan tarafa doğru çekip bıraktığınızı düşünün. Ne kadar yada eşit güç olup olmadığının şimdilik önemi yok. Sadece çekip bıraktınız ve serbet şekilde sallanmaya başladılar. Hangisi bir döngüyü tamamlamak için daha çok zaman alır? Tabi ki uzun olan. Ve ayrıca bu periyod (T) öyle bir rakamdır ki, o sopaya has birşeydir. Değişmez. O periyod, o yapıya has birşeydir. Yapının uzunluğu arttıkça artar, azaldıkça azalır. Ağırlığı arttıkça artar, azaldıkça azalır. Esnekliği arttıkça artar, azaldıkça azalır. Yani o yapının kendine has bir özelliğidir. Serbest salınım periyodu adını alır. O yapıyı ne kadar az yada fazla çekerseniz çekin, o periyod değişmez. Az yada fazla çekmek sadece sallanma miktarını etkiler, periyodu değil, bu yüzden yukarıda ne kadar güçle çektiğinizin önemi yok dedik.

Aynı şekide aşağıdaki şekide benzer sopalar bu sefer aynı uzunlukta iken sağdakinin üzerinde daha fazla ağırlık vardır. Ve sağdaki yapının periyodu daha büyük olur.

Yapı serbest salınım periyodu

Peki binanın periyodu neden önemlidir?

Binanın kendi periyodu çok önemlidir, çünkü, eğer yerden gelen deprem dalgasının periyodu binanın periyodu ile benzer olursa, bu iki döngü birbirinin üzerine biner ve şiddeti az olan bir deprem daha tehlikeli hale gelebilir. Bunu anlamak için küçük bir çocuğu salıncakta salladığınızı düşünün. Salıncağı az bir kuvvetle sallamak isterseniz tek yapmanız gereken, itme zamanınızı salıncağın kendi periyoduna eşitlemeniz yeterlidir yani salınca her defasında size geri geldiğinde onu az bir kuvvetle itmeniz yeter ve salıncak çok az bir kuvvet uygulamanıza rağmen gittikçe hızlanır. Yerin periyodunun binanın kendine has periyodu ile eşleşmesi de buna benzer bir durum doğurur yani şiddeti fazla olmayan bir deprem bile yıkıcı etki yapabilir.

Peki uzun ve ağır binaların periyodunun fazla olduğunu anladık ama depremin periyodunu nasıl bileceğiz? Bunun hesabı pek kolay olmasada genel bir kural olarak, yumuşak zeminlerde deprem dalgasının periyodu fazla, sert zeminlerde azdır.

Yani, periyodu büyük olan yumuşak zeminde periyodu büyük olan uzun binalar, periyodu kısa olan sert (kaya vs gibi) zeminlerde ise, periyodu kısa olan kısa binalar daha fazla zarar görebilir. Tabi biz burada ancak genel konuşuyoruz. Her yapının yapımı ve dizaynı farklı olduğu gibi zeminler de büyük değişkenlikler gösterebilir yani her durum farklı farklı incelenemelidir.

Yani bu açıdan, illa ki uzun binalar daha tehlikelidir diye bir durum yoktur. Fakat tabi ki uzun binaların kütlesi fazla olduğu için, ilk şekilde gösterdiğimiz F=m.a formülüne göre, uzun ve ağır binalara çok daha fazla yük biner ancak bu tabi ki çok daha fazla miktada yapı elemanının direnci ile karşılanır.

Depremlerde yapıların iyi performans göstermesinin ana kuralı, yapıya giren deprem enerjisinin mümkün olduğunca çok tüketilmesidir. Eğer bir yapı kendisine (F=ma dan dolayı gelen) deprem enerjisini tüketebiliyorsa bu yapı depreme dayanıklı bir yapıdır. Eğer tüketemiyorsa o enerji mutlaka yapıdaki bir yerlere zarar verecektir ve ancak o şekilde tüketilebilecektir. Yani genel kural olarak, esnek olan yapılar deprem enerjisini daha iyi tüketirler. Yapının esnekliğini sağlamak için sadece demir ve beton oranını ayarlamak değil aynı zamanda o yapının elemanlarını enerjiyi fazla tüketebilecek şekilde inşa etmek gerekir. Bunun için mesela yeni yapım teknikleri ile yapıların temeline deprem enerjisini emen sistemler yerleştirilebilir. Başka bir prensip ise kuvvetli kolon, zayıf kiriş konusudur.

Bu konuya geçmeden şunu bilelim: daha güçlü elemanlar, daha fazla yük çekerler. Nasılmı? Meslea öninizde iki tane büyük kutu olduğunu düşünün. Bir tanesinin ağırlığı 100 kg, diğerinin 10 kg olsun. Şimdi her bir elinizi bir kutuya yaslayıp iki kolla da aynı kuvvet uygulayarak ittirmeye çalışın. Ya hafif olan kutuyu daha çok hareket ettirirsiniz, yada, aynı miktarda hareket ettirmek isterseniz, büyük olan kutuya daha çok yük vermeniz gerekecektir. Yani, güçlü, elemanlar hep kendilerine daha çok yük çekerler, ve bu inşaat mühendisliğinde bilinmesi gereken temel kavramlardandır.

Şimdi bunu gördükten sonra bir kiriş ve kolonun birleştiği yeri düşünelim. Farzedelim ki, kirişi kolona göre çok daha güçlü yaptık (örneğin kesit alanını çok daha fazla yaptık yada çok daha güçlü bür malzemeden yaptık). Bu kiriş kolon bölgesine bir yük geldiği zaman, kiriş çok daha güçlü ise, öok daha fazla yükü kendine çekecektir ve kolon zayıf olduğundan ama kirişe de bağlı olduğundan buna dayanamayıp kırılacaktır. Kolonun kırılması ise, o katın ve tabiki takiben daha üstteki katların yıkılması demektir ki tam bir çökme anlamına gelir. Ayrıca buna ek olarak, sadece birkaç noktadaki kolonun yıkılması bile tüm binayı çökertmeye yetecektir, tıpkı aşağıda görülebileceği gibi. Bunun sebebi hem kolonların tüm üst katları taşıması, hemde çok daha az noktada kırılma yaşandığında çok daha az deprem enerjsi tüketilmesidir. Üstteki paragrafta hatırlarsanız, binanın depreme dayanıklılığı tasarımında, binanın maksimum enerji tüketmesinin hedeflendiğini söylemiştik.

Şimdide kolonun güçlü, kirişin zayıf olduğunu varsayalım. Yine kiriş ve kolon birbirlerine fiks br bağlantı ile bağlı olduğundan, aynı yük geldiğinde, kolon buna dayanacak ama kiriş dayanamayacaktır. Bu da kolonun ayakta kalıp, kirişin kırılması anlamına gelir. Kirişin kırılması ise sadece bulunduğu döşemeyi etkileyecek ama binanın geneline bir etki yapmayacaktır. Buna ek olarak, birçok noktada bu kırılma sağlanabilir yani çok daha fazla deprem enerjisi tüketimi sağlanabilecektir.

Bu bahsettiğimiz güçlü kolon zayıf kiriş durumunu aşağıdaki şekilde görüyorsunuz.

Son olarak sıkça görülen başka bir durumdan bahsedelim. Buna kısa kolon etkisi denir. Yukarıda bahsettiğimiz gibi, güçlü elemanlar daha çok gücü kendine çeker. Şimdi iki kolon düşünelim. İkisi de tamamen aynı malzemeden, ve kesit alanları da tamamen aynı. Birinin boyu 10 metre, diğerinin ise 1 metre olsun (abartılı düşünmek hep yararlı olur). Şimdi bu iki kolonun tabanının yere sabitlendiğini düşünelim. yani alt tarafları oynamıyor. Ancak üst tarafları serbest olsun. Şimdi her iki kolonu da aynı güçle yatay olarak, tepe noktasından ittiğimizi farzedelim. Hangisini daha çok hareket ettiriz? Tabi ki uzun kolonu, çünkü boyundan dolayı onun yatay yüke direnci kısa olan kolona göre çok daha az olacaktır. Şimdi aşağıdaki şekilde görülen gibi bir bina gözümüzün önüne getirelim.

Kısa kolon etkisi

Kolonlar aynı manlemeden ve aynı kesit alanına sahip ve tek farkları boyları olsun, aşağıdaki gibi. Simdi bu binaya yatay bir deprem yükü geldiği zaman ne olur? İkisi de aynı miktarda yana hareket edecekler çünkü aynı döşemeye yada kirişe bağlılar (döşemeyi yada kirişi buradaki amacımız için yatayda deforme olmuyor kabul edebiliriz). Peki ikisi de aynı miktarda yana hareket eden iki elemanın hangisine daha çok yük gelir ? Daha güçlü olana yani kısa olana daha çok yük gelir. Bu durumda kısa olan kolonun yıkılma ihtimali çok daha fazladır. Buna kısa kolon efekti denir ve dikkat edilmesi gereken bir durumdur. Özellikle bazen bina kullanıma açıldıktan sonra bina sakinleri bundan habersiz olarak bir kolonun yanına bir duvar vs. eklerse normal olan bir kolonu kısa kolona dönüştürebilir. Bu da çok iyi tasarımı yapılıp inşa edilmiş bir binada bile yıkıma yol açabilir. Depremler tarihi kısa kolon etkisinden yıkılan yapılarla doludur. Buna dikkat edilmelidir.

Bu yazıda herkesin anlayabileceği bir dilde binaların deprem ile ilgili çok genel konularından bahsettik. Yapılar için deprem tasarımı herşeyin önündedir ve tüm tasarımın kontrol eden faktörü de genellikle budur. Bu konu son derece kapsamlı bir konu olup biz burada sadece buzdağının görünen yüzünün üzerindeki bir kar tanesine değinmiş olduk, ancak önemli ve temel konulardan bahsettik. Umarız bu konunun anlaşılmasında faydalı olmuştur.

Not: Bu makale sadece genel bilgi verme amaçlıdır, ve gerçek hayatta her yapı ve zeminin deprem performansını etkileyen birçok faktör vardır, başka bir deyişle her durum o konunun uzmanı tarfından ayrı ayrı incelenmelidir.

Yazar: Ahmet Tuter – Insaat Muhendisi

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.