Depreme Dayanıklı Betonarme Yapı Tasarımı

1. Giriş

Önemli bir deprem kuşağında bulunan Türkiye’ nin alan olarak %92’ si, nüfus olarak %95’ i aktif deprem kuşağı üzerinde bulunmaktadır. Büyük bir toprak kısmı bu kuşak üzerinde bulunan ülkemizde, oldukça sık deprem olmakta ve her depremde can ve mal kaybına uğranılmaktadır. Tarihsel ve hatta 1894-1999 yılları arasında oluşmuş daha yakın dönem 66 yıkıcı deprem bunun bir göstergesidir. Özellikle 17 Ağustos 1999 Gölcük ve 12 Kasım 1999 Düzce Depremleri, “meydana getirdiği yıkım, can ve mal kaybı, oluşturduğu şiddetin büyüklüğü” deprem olgusunun Türkiye için önemini bir kez daha ortaya çıkarmışlardır. Bu depremlerde de daha önceki depremlere benzer hasarların oluşmuş olması, Türkiye’ de hala “depreme dayanıklı yapı” üretilemediğini, oluşmuş depremlerden gerekli dersin çıkarılmadığını göstermektedir.

Depremlerde meydana gelen yapısal hasarlara deprem özellikleri, yerel zemin koşulları ve yapı kalitesi olmak üzere üç faktör etki etmektedir. Deprem özelliklerini; bölgenin depremselliği, deprem riski ve oluşabilecek deprem büyüklüğü, yerel zemin koşullarını; zemin büyütme faktörü, zemin sıvılaşma potansiyeli, yapı kalitesini ise depreme dayanıklı mimari ve taşıyıcı sistem tasarımı, kaliteli işçilik ve beton ile yapısal denetim oluşturmaktadır. Hemen her deprem sonunda yapılan incelemelerde hasar göre yapıların tasarımının kötü, işçilik ve beton dayanımlarının yetersiz olduğu gözlenmiştir. Bununla birlikte donatı detaylarında yapılan kusurlarda hasar oranını arttırmıştır. Dolayısıyla bina tasarımından bina üretimine kadar bütün uygulamaların kaliteli ve denetimli olması gerekmektedir.

“Mimari ve taşıyıcı sistemin belirlenmesi”nden oluşan tasarım aşamasında, bölgenin depremselliği kesinlikle göz önüne alınmalı, tasarlanan yapının mimari geometrisi, planı ve taşıyıcı sistemi depreme uygun olmalıdır. Bütün hesap kurallarına uyularak hesaplanmış bir yapının deprem esnasındaki davranışının iyi olamayacağı, başka bir deyişle deprem dayanımının yeterli olamayacağı, iyi bir hesabın yanısıra, mimari ve taşıyıcı sistemin de düzgün seçilmiş ve oluşturulmuş olması gerekmektedir. Dolayısıyla daha başlangıçta mimari tasarımda yapılan hatalar, yanlış geometri seçimleri, estetik ve görünüş kaygıları nedeniyle yapılan hatalı, yanlış geometri seçimleri yapıyı önemli ölçüde riske sokmaktadır. Oluşan bu riski de taşıyıcı elemanlarla gidermek mümkün olmamaktadır. Bu nedenle tasarım aşamasında bazı ilkelere uyulması da zorunlu olmaktadır.

Yapı tasarımından başlayıp, üretim aşamasına kadar, estetik ve görünüş ile ekonomik olguların yanısıra sağlamlık ve dayanıklılık da ön plana çıkartılmalıdır. Amaç nitelikli ve çağdaş yapı üretimi olup, yapı üretiminden amaçlanan yalnızca insanın yaşayacağı bir mekan olarak ele alınmamalıdır. Çağdaş ve nitelikli yapıdan kasıt, yapısal kirliliği olmayan, çevreyle uyumlu, estetik, amacına uygun, kullanışlı, yangın güvenliği olan, su ve ses yalıtımına sahip, mimari ve taşıyıcı sistemi iyi seçilmiş yapılardır. Böyle bir yapının oluşumunda bütün mesleki disiplinlere önemli görev ve sorumluluklar düşmektedir.

Yapı tasarım ve üretim sürecinde yapısal güvenliği etkileyen faktörleri özetleyecek olursak;

• Deprem ve özellikleri
• Yerel zemin ve geoteknik koşullar
• Kullanılan yapısal malzemeler ve kalitesi
• Mimari tasarım
• Taşıyıcı sistem tasarımı
• İmalattaki özen ve işçilik
• Proje ve yapı denetimi

olarak sıralayabiliriz. Bu çalışmada “mimari tasarım” ve “taşıyıcı sistem tasarımı” üzerinde durulacaktır.

2. Mimari Tasarım

Yapı tasarımı mimari ve taşıyıcı sistem tasarımı olarak iki ayrı evrede oluşmaktadır. Mimari tasarımda etkili olan faktörler yapının kullanma amacı ve mimari sanat anlayışı olarak nitelenebilir. Taşıyıcı sistem tasarımına etkiyen faktörler ise yapı malzemesinin nitelikleri ve yapıya gelen dış kuvvetler yanında mimari tasarım da bulunmaktadır. Yapı tasarımında mimari tasarım ile taşıyıcı sistem tasarımı arasında karşılıklı bir etkileşme bulunmaktadır.

Türkiye’ de yapım uygulamasında mimari tasarım mimarların taşıyıcı sistem tasarımının da inşaat mühendislerinin ilgi alanı olması kabul edilmiştir. Ancak bu iki meslek disiplini arasında, mimari tasarım aşamasında karşılıklı danışma çok sınırlı kalmaktadır. Çeşitli nedenlerle genel olarak mimarlar yapıların taşıyıcı sistem tasarımı üzerinde durmamakta; inşaat mühendislerinin taşıyıcı sistemin bütün sorunlarını nasıl olsa çözecekleri ve işin bu yanının yalnızca inşaat mühendislerini ilgilendiren bir konu olduğu yaklaşımından giderek mimari tasarımlarında olabildiğince özgür davranmaktadırlar. Eğer depreme dayanıklı yapı tasarımı yalnızca taşıyıcı sistemin deprem etkilerinin de dikkate alınması ile yalnızca inşat mühendisine kalmış bir işlem olsaydı, mimari tasarım sırasında mimarların olaya deprem açısından yaklaşmalarının gerektiği ileri sürülmeyecekti.

Gerek Türkiye’de gerekse dünyada depremlerden edinilen deneyimler depreme dayanıklı yapı tasarımının daha mimari tasarım sırasında başladığını ortaya koymaktadır. Depremlerde hasar gören yapıların hasar nedenleri bazen doğrudan doğruya mimari tasarım ile bağlantılı olmaktadır. Mimari tasarımda olabildiğince özgür davranmak normal koşullarda bile taşıyıcı sistem tasarımında güvenli bir çözüme ulaşılmasını güçleştirirken, deprem etkileri altında taşıyıcı sistem tasarımında çok daha önemli problemler yaratabilmektedir.

Düzenli taşıyıcı sistem seçimi, öncelikle mimari tasarım ile ilgilidir. Gerek planda ve gerekse düşey doğrultuda, mimari tasarımın olabildiğince karmaşıklıktan uzak, basit ve sürekli taşıyıcı sistemlerin kullanılabilmesine olanak verecek biçimde düzenlenmesi depreme karşı başarılı bir yapısal tasarımın ilk koşuludur. Bu noktada, depreme dayanıklı yapı tasarımının sadece yapı mühendisi tarafından değil, mimar ile yapı mühendisinin hatta diğer meslek disiplinlerinin de ortak çabası ile gerçekleşebileceğini söylemek yerindedir.

Ülkemizde sistemle ilgili deprem hasarları oldukça yaygındır. Özellikle son Erzincan ve Dinar depremlerinde meydana gelen hasarların nedeninin mimari ve taşıyıcı sistem hatalarından kaynaklandığını göstermiştir. Burada betonarme binalarda sıkça rastlanan tasarım hataları ve dikkat edilmesi gereken bazı kurallar sıralanacaktır;

3. Depreme Dayanıklı Taşıyıcı Sistem Tasarımı

Bir yapının seçilen taşıyıcı elemanları yada taşıyıcı sistemi, öncelikle mimari tasarıma ve yapının kullanım amacına uygun olmalıdır. Taşıyıcı elemanlar ne az kullanılmalı ne de yapıyı ağırlaştırmalıdır. Sistem makine, elektrik tesisatlarına kolay kullanım imkanı vermelidir. Sistem elemanları, ısı ve ses köprüsü oluşturmamalı, yangına karşı dayanıklı olmalıdır. Gerekiyorsa korunmalıdır. Bununla birlikte, en önemlisi de, olası bir deprem dahil bütün yüklere karşı yapı yeterli dayanımı göstermelidir.

Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkındaki Yönetmelik’ (1998) yapıların depreme dayanıklılığını, yapının deprem enerjisini tüketmesi ile korunmasını ve bu amaçla yapının yeterince sünek olmasını ister. Yönetmeliğin amacı, çok şiddetli depremlerde dahi yapının tamamen yıkılmamasıdır. Bu yaklaşım üç aşamalı bir yapısal davranış esasına dayanır:

1. Sık oluşabilecek hafif şiddetteki depremlerde yapıların elastik davranması, yapısal ve yapısal olmayan sistem elemanlarının herhangi bir hasar görmemesi,
2. Orta sıklıkta oluşabilecek orta şiddetteki depremlerde yapıların elastik limitine yaklaşması, yapısal ve yapısal olmayan sistem elemanlarında oluşabilecek hasarın onarılabilir düzeyde kalması,
3. Seyrek olarak oluşabilecek şiddetli depremlerde ise yapıların plastik davranması, can kaybını önlemek amacıyla binaların kısmen veya tamamen göçmesini önlemektir.

Deprem yönetmelikleri çerçevesinde depreme dayanıklı yapı tasarımı, yukarıda tanımlanan üçüncü aşama esas alınarak yapılır. Bu aşama için kullanılan “çok şiddetli deprem” belirli bir zaman dilimi içinde, ilgili coğrafi bölge için öngörülen belirli büyüklükteki bir depremin belirli bir olasılıkla oluşabileceği esasına göre tanımlanır. Yönetmeliklerde bu şekilde tanımlanan depreme göre yapılan yapı tasarımının ilk iki aşamada öngörülen yapı davranışını güvenli bir biçimde sağlayacağı kabul edilir.

Yönetmeliklerde tanımlanan çok şiddetli depremin etkisi altında yapının göçmeksizin ayakta kalabilmesi, yapıda belirli bir dayanımın bulunmasıyla birlikte, önemli ölçüde enerji yutabilme kapasitesinin sağlanmış olmasına bağlıdır. Bu iki yapısal özellik, yukarıda ikinci aşamada belirtilen yapısal davranış için de gereklidir. Birinci aşama için öngörülen doğrusal elastik davranış ise tümüyle yapı elemanlarının yeterli dayanımı ile sağlanır.
Önemle vurgulanması gereken husus, dayanım ve süneklik özelliklerinin birbirlerinden bağımsız olmadıkları, aksine birbirlerinin tamamlayıcısı oldukları hususudur. Çok şiddetli deprem altında yapının göçmesini önlemek için zorunlu olan süneklik özelliğinin sağlanabilmesi için, büyük ölçülerde enerji yutması beklenen yapı elemanlarının aynı zamanda yeterli bir dayanıma da sahip olmaları gerekir.

3.1. Süneklik

Yapı ve elemanlarının deprem esnasında ortaya çıkan enerjinin büyük bir bölümünü, mukavemetinde önemli kayıplarla, kararsız denge hali olmaksızın büyük şekil değiştirme ve elastik olmayan davranışla yutma yeteneğine süneklik denir.

Süneklik sayesinde, yüklemenin aşırı artmasında akmaya ulaşan kesitlerde plastik şekil değiştirmelerle enerji alınırken, iç kuvvetlerin daha az zorlanan kesitlere dağılması sağlanır. Şekil 1’ de görüleceği gibi, dayanımlar hemen hemen sabit olmasına rağmen sünek olmayan bir yapı elastik şekil değiştirmelerle sınırlı kalırken, sünek bir yapıda ise şekil değiştirmeler elastik sınırı geçip elastik olmayan şekil değiştirmeler yapabilmektedir. Bu sayede yapı ve elemanları, oluşan deprem kuvvetlerinin büyük bir kısmını sönümleyecektir.

3.2. Betonarme Yapılarda Sünekliğin Sağlanması

Süneklik, yapının güvenliği ile doğrudan ilgili olduğu için, projelendirilen ve inşa edilen yapıların sünek olması istenir. Hiperstatik bir yapıda süneklik sayesinde, yapının çok zorlanan kısımları yük taşımaya devam ederken meydana gelen şekil değiştirmelerle, daha az zorlanan kısımların yük taşımaya katkıda bulunması sağlanır. Döşeme ve kirişlerde süneklik sayesinde, aşırı yükleme sonucunda çatlamalar ve büyük şekil değiştirmeler meydana gelir. Böylece göçme tehlikesi önceden haber verilmiş ve tedbir alınması sağlanmış olur. Deprem ve patlama gibi yükleme durumlarında enerjinin yutulması gerektiği için süneklik önemli olur.

Deprem kuvvetlerinin yapı elemanlarında oluşturduğu kesit tesirlerine karşı yeterli mukavemette kesit tayin etmek şart olmakla birlikte, sünekliliğin ve deplasman sınırlamasının sağlanması da oldukça önemlidir. Betonarme yapılarda yada yapı elemanlarında sünekliğin sağlanması için aşağıdaki temel birtakım noktalara dikkat edilmesi gerekmektedir;

• Donatı oranının sınırlandırılması : Betonun basınç altındaki davranışı elastik olmadığı gibi, aşırı yükleme ile kırılgan bir davranış gösterir. Kiriş ve döşemelerde kesite sünek olan donatı koyarak ve donatı miktarını sınırlandırıp betonun basınç altında kırılmasından önce donatısının akmaya ulaşmasını sağlayarak süneklik elde edilebilir.

• Etriye yada enine spiral kullanılması : Kolonlarda beton genel olarak basınç altında bulunduğu için davranışının sünek olduğu söylenemez. Ancak etriyeler veya daha iyisi enine spiral donatılarla sınırlı bir süneklik elde etmek mümkündür.

• Kuvvetli kolon-zayıf kiriş teşkili: Deprem yüklerinin karşılanmasında kiriş ve kolon birleşimlerinin yeterli sünekliğe sahip olacak şekilde düzenlenmesi önemlidir. Deprem yönetmeliğinde de belirtildiği gibi kolon-kiriş birleşim noktalarında sünekliğin kuvvetli kolon-zayıf kirişle sağlanması istenir. Başka bir deyişle kirişlerin daha sünek olması istenir ve hem göçmenin haberli olarak meydana gelmesi hem de kolonların mukavemetini kaybetmesiyle yapının elastik sınırlar içinde göçme durumuna gelmemesi sağlanmış olur.

• Kolon-kiriş bağlantı noktalarında oldukça sık etriye kullanılması: Kiriş ve kolonlarda sık etriye düzeni kullanılarak, betonun hem dayanımını ve hem de sünekliği artırılmalıdır. Örneğin, depremde en çok zorlanması beklenen kolon-kiriş birleşim bölgelerine yakın kiriş ve kolon kesitlerinde etriye sıklaştırılmasının yapılması gibi.

• Yeterli aderans, yeterli kenetlenme yapılması : Moment etkisinde bulunan kiriş, döşeme, temel gibi yapı elemanlarında sünekliliği azaltan faktörlerden biri aderans zayıflaması, diğeri ise kesme kuvveti etkisidir. Yeterli aderans sağlanmaması kesme kuvvetini karşılayan iç kuvvet oluşumlarını azaltmaktadır.Aderansın sağlanması yeterli kenetleme boyu ve kenetleme boyunca sık etriye bulundurmakla temin edilebilir. Kesme kırılmasının önlenmesi, kesmenin maksimum olduğu bölgelerde yeterli etriye bulundurmakla mümkün olabilmektedir.

Türkiye’ de yakın zamana kadar kolon-kiriş türünden az katlı (1¬¬- 6 katlı) binalar yapılırken, teknolojik gelişmelere paralel olarak çeşitli yapı sistemleri gelişmiştir. Bu yapı sistemlerinin bazıları, yığma yapı, kolon-kiriş sistemli çerçeve karkas yapı, perde sistemli yapı, tüp sistemli yapı, perde-çerçeve sistemli yapı, çelik ve kompozit yapılardır (Şekil 2).

Betonarme çerçeve yapıların enerji tüketme güçleri azdır. Plastik enerji tüketme gücünde olabilmeleri için donatı, eksenel yük ve boyut ayrıntılarına, hem proje hem de inşaat sırasında özen göstermek gerekir. Bu tür yapılar deprem tehlikesinin az olduğu yerlerde çok katlı, deprem tehlikesinin biraz daha büyük olduğu yerlerde ise az katlı yapılmalıdır. Perde-çerçeve yapılarda ise, yanal ötelemeler kısıtlanmakta, perde duvarın hasar sonucu taşıma gücünün azalmasından sonra çerçeve ikinci savunma unsuru olarak devreye girmektedir. Deprem tehlikesinin orta ve daha yüksek olduğu bölgelerde yapıların perde-çerçeve şeklinde yapılması daha uygun olacaktır. Enerji tüketme güçleri en yüksek olan yapılar perdeli yapılardır ve önemli yapıların bu tarzda yapılması önerilmektedir.

Sağlıklı bir yapı üretiminde betonarme yapılarda sıkça karşılaşılan ve uyulması gereken taşıyıcı sistem tasarımına ilişkin birtakım yöntemler aşağıda verilmiştir;

4.SONUÇ

Yukarıda örneklerle anlatıldığı gibi depreme dayanıklı yapı tasarımı ve inşası için bütün meslek disiplinleri birlikte çalışmalıdır. Planlama, imar, tasarım ve inşanın her aşamasında deprem faktörü göz önünde tutulmalıdır. Deprem bölgelerinde arazi kullanım planları hazırlanırken, zemin durumları ve mikrobölgeleme haritaları oluşturulmalıdır. Yerleşim yerleri, kentsel fonksiyon alanları, sosyal ve kültürel faaliyet alanları afetlerden zarar görmeyecek şekilde seçilmelidir.

Yapıların depreme dayanıklı olması, bir depremde yıkılmamaları kadar depremden sonra da fonksiyonlarını yitirmemeleri ve büyük hasar görerek can ve mal kaybına yol açmamaları demektir. Bu ise mimari ve taşıyıcı sistem tasarım aşamasında da deprem etkilerinin göz önüne alınmasını gerektirmektedir. Deprem mimari tasarımı ve dolayısıyla mimarın olanaklarını kısıtlayan en önemli faktördür. Türkiye’de genel olarak mimar, inşaat mühendisinin dışında mimari projeyi hazırlar, inşaat mühendisi de bu projeyi mimarın koyduğu kolon ve varsa perde elemanlara göre çözümünü yapar. Bu anlamda yapının depremdeki davranışı dikkatlice incelenmez. Depreme dayanıklı olmayı önleyen birçok faktör de gözardı edilmiş olur. Dolayısıyla mimarların depreme dayanıklı yapıda nelere dikkat etmeleri gerektiğinin bilincinde olması ve yapı tasarımında deprem olayının ülkemizin bir gerçeği olduğu ve dikkate alınması gerektiğini unutmamalıdır.

İnşaat mühendisleri arasındaki yoğun rekabet ortamı, bilgisayar programları ile kolay proje üretimi sonucu oluşan düşük proje ücretleri karşısında tasarımdan başlayıp, hesap, çizim ve detaylara kadar kaliteli bir proje yapılamamaktadır. Mezuniyet sonrası üniversitelerle olan ilişkiler kesilmekte, meslek odalarınca verilen kurs ve seminerlere olan ilgide son derece az olmaktadır.

Bu günkü Türkiye gerçeğinde okulundan yeni mezun olan bir inşaat mühendisi paket programların da yardımıyla projecilik yapmaktadır. Üniversitelerimizde deprem ve depreme karşı yapı davranışı konusunda yeterince eğitim alamayan mühendisin, bilgisayarın tasarım değil de analiz yaptığının bilincinde olması beklenmemelidir. Özellikle depreme dayanıklı yapı tasarımının ana öğesi plan sistem seçimi, sünekliği artırıcı sistem düzenlemeleri gibi konular doğrudan yapı mühendisinin deneyimine ve depreme dayanıklı tasarım felsefesine yatkınlığı ile ilgilidir. Bu nedenle elinde iyi bir program da olsa her tasarımcıyı salt bu nedenle uzman kabul etmemiz olanaklı değildir. Ayrıca programların kullanım kılavuzlarının da daha açık seçik hazırlanması, kullanıcının da teorik ve sayısal yöntemlerdeki kabulleri bilmesi, bu anlamda ne tür yapıları çözebileceğinin bilincinde olması gerekmektedir.