Betonarme Taşıyıcı Sistemlerin Davranışı ve Tasarımı

Betonarme taşıyıcı sistemlerin yatay ve düşey kuvvetler altında statik ve dinaimk analizlerinin yapılıp, projelendirilmesi için, taşıyıcı sistemlerin bulunacağı davranışların belirlenmesi ve bu yönde gerekli düzenlemelerin yapılması gerekmektedir.

İstenilen davranış ve performansın ortaya çıkarılması için, yapılara etkiyecek yükleri, taşıyıcı sistemlerin davranışlarını tanımak, bunları güvenlik, ekonomik ve estetik faktörler kapsamında değerlendirerek optimum özelliklerde yapı üretiminin sağlanması amaçlanır.

Taşıyıcı sistemde elemanların plan ve düşeyde olabildiğince sürekli olarak düzenlenmesi genel taşıyıcı sistem davranışını olumlu yönde etkiler. Kolon ve kirişlerin planda düzgün dağıtılması, sistemin belirli bölgelerinin aşırı zorlanmasını önler. Bütün kolon ve perdelerin temelden çatıya kadar sürekli olması tercih edilmeli ve elemanların birbirine dışmerkez mesnetlenmelerinden olabildiğince kaçınmalıdır. Kolon ve ona mesnetlenen kirişlerin eksenleri arasındaki dışmerkezlik de elden geldiği kadar önlenmeli ve bunların genişliklerinin birbirine yakın olmasına çalışılmalıdır. Böylece, özellikle betonarme elemanlarda, iyi bir donatı düzeni sağlanabilir.

Bunun yanmda, birleşim bölgelerine gösterilen özenle, meydana gelebilecek yerel hasarlar önlenmiş ve elemanlarının birbirine kuvvet iletimi sağlanmış olur. Taşıyıcı sistemde süreklilik ile elemanların birbirine yardım etmesi sağlanırken, elastik davranışın ötesindeki taşıma kapasitesi arttırılmış olur. Ayrıca, tasarım depreminin üzerindeki etkide ortaya çıkacak plastik mafsalların sayısı; dolayısıyla dinamik eneıjinin tüketilen kısmı da artırılmış olur. (Plastik Mafsal Nedir?) Bunun tersine, örneğin birleşimleri yeterli düzenlenmeyen yapılarda sistemdeki fazla bağların sayısının az olması durumunda, elastik davranışın sona ermesinden kısa bir süre sonra göçme yüküne erişilir.

Elemanların sürekliliği yanında, rijitliklerinin de ani değişiklikler göstermeden planda ve düşeyde devam etmesi tercih edilmelidir. Zemin katın rijitliği düşük tutularak (yumuşak zemin kat) yapının kuvvetli yer hareketinden az, etkilenmesinin sağlanması düşünülebilir. Burada amaç yapıyı, sismik yalıtımlı bir rijit blok gibi, kısa periyotlu zemin hareketinden korumaktır. Ancak, bunun gerçekleşmesi için kolon uçlarında, güç tükenmesine erişmeden enerji yutabilen, ideal plastik mafsallar yanında, büyük kat yerdeğiştirmesi talebinin karşılanması gerekir. Birinci şartın tam gerçekleşememesi ve ikinci şartta normal kuvvetten önemli ikinci mertebe etkiler ortaya çıkması sebebiyle, yumuşak (rijitliği göreli olarak düşük) zemin kat, tam tersine kaçınılması gereken bir durumdur. Gerçekte de, bu tür binaların depremlerde çok kötü davrandıkları, çoğu durumlarda toptan göçmenin meydana geldiği görülmüştür. Buna karşılık, temellerin üzerinde veya zemin kat kolonlarının üzerinde özel düzenlerle binaların yer hareketine karşı yalıtılması (düşük rijitlik sağlanarak yatay yerdeğiştirmeye izin verilmesi) yaygın ve başarı ile kullanılan bir uygulamadır.

Yapı elemanlarının rijitliğini uygun seçerek; titreşim periyodunu belirli aralığa getirerek deprem etkilerini küçültmek mümkündür. Örneğin, uzun zemin periyotlarının etkili olduğu bölgede, kısa periyottu rijit, az katlı yapılar uygun düşer. Genellikle, bu tür bölgelerde derin tabakalar halinde yumuşak zemin bulunur ve yer hareketinin yüksek frekanslı bölümünü filtre ederek söndürür, geriye düşük frekanslı uzun periyodu kısım kalır. Bunun karşıtı olan, kayalık sert zemin bölgelerinde yer hareketinin yüksek frekanslı kısmı etkin olur. Buralarda yüksek periyotlu, çok katlı yapılar uygun düşer. Alışılagelen yapılarda diğer başka isteklerin bulunmasından dolayı, yukarıdaki şartlar çoğu zaman sağlanamaz. Ancak, temele yerleştirilen yer hareketi yalıtım düzenlerinin kullanılmasıyla, yapının dinamik davranışı değiştirilerek, deprem kuvveti azaltılabilir. (Rezonans Nedir? Yapıları Nasıl Etkiler?)

Yapının rijitliğini arttırarak, depremde meydana gelecek şekil ve yerdeğiştirmeler sınırlandırılabilir. Bu suretle, taşıyıcı sistem elemanları ile ona bağlı bulunan taşıyıcı olmayan elemanlarda oluşabilecek hasar azaltılabilir. Bunun gibi, yapının içindeki alet ve donamının fonksiyonunu devam ettirebilmesi için, göreli olarak yerdeğiştirmelerin sınırlı kaldığı yapı tercih edebilir. Ancak, bu durumda da spektrum eğrisinin özelliğinden dolayı, kuvvetinin artacağı bilinmelidir. Rijitliği düşük yapılarda, diğer bir istenmeyen durum, yatay yerdeğiştirmelerin büyümesiyle, normal kuvvetin ikinci mertebe etkisinin artmasıdır. Burada sözü edilen elastik ve rijit kavramları göreli olarak alınmalıdır. Donatısı iyi düzenlenmiş kiriş ve kolonların meydana getirdiği çerçevelerden oluşan betonarme taşıyıcı sistem, düşük kat adedinde yeterli yatay rijitlik sergilerken, kat adedinin artmasıyla yatay öteleme rijitliği azalır.

Orta şiddette bir depremde bile, bu tür çerçevelerde katlar arası büyük yerdeğiştirmeler meydana gelebilir ve bölme duvarlarda geniş x çatlakları oluşur. Buna karşılık, bölme duvarlannın bulunması, çerçeveye ek bir rijitlik kazandırarak yapının periyodunu küçültür ve yapıdaki kuvvet dağılımında etkili olur. Bölme duvarlannda meydana gelen hasarlar deprem enerjisini bir ölçüde söndürür. Yukarda açıklanan çerçeve sisteminin rijitliğini arttırmak için günümüzde betonarme perdeler kullanılmakta ve böylece, katlar arası yerdeğiştirmeler küçültülmekte ve normal kuvvetin ikinci mertebe momenti de azaltılmaktadır.

Binanın konsol kolon davranışı sebebiyle, deprem etkileri genellikle zemin kat seviyesinde en büyüktür. Benzer şekilde sabit ve hareketli düşey yük artarak, alt katta en büyük değerini alır. Bunun sonucu olarak bu kattaki elemanların dayanımlarının daha yüksek olması gerekir. Ancak, kullanım şekli ve bazı mimari sebeplerden zemin katta hacimlerin geniş, taşıyıcı elemanların narin ve bölme duvarlarının az olması istenir. Böyle bir durumda uygun bir yaklaşımla gerekli olan ile talebin dengelenmesi gerekir. Kolon ve perdelerin rijitlik ve dayanımları alt katlara inildikçe artarken, kirişler esas olarak düşey yüklerden etkilenir ve rijitlik ve dayanımları katlar arasında daha az değişiklik gösterir. Bu sebepten alt katlarda kirişe göre kuvvetli kolon oluşturmak göreli olarak daha kolay ve üst katlarda daha zor olabilir.

Yatay kuvvetler altında yapıdaki yerdeğiştirmelerin hesabı yatay rijitliğin belirlenmesine bağlıdır. Brüt eleman kesitlerinden ve betonun başlangıç elastiklik modülünden hareket edildiğinde, bulunacak rijitlik yatay yükün çok düşük seviyesi için geçerli olur. Tasarım depremi etkisinde betonun çatlamasından dolayı rijitlik azalmasının gözönüne alınması uygundur. Yatay kuvvetin büyümesiyle donatıda akma, donatı ve betonda doğrusal olmayan davranışın etkili duruma geçmesi, rijitliği daha da azaltır. Bu durum, rijitlik azalmasının gözönüne alman deprem etkisinin seviyesine bağlı olduğunu gösterir.

Binada taşıyıcı olmayan elemanlar, dayanımlarına bağlı olmaksızın taşıyıcı olanlara göre daha az elastiktir ve gevrek bir davranış gösterir. Kısa olan elastik davranıştan sonra hemen çatlar veya güç tükenmesine erişebilir. Katlar arası göreli yerdeğiştirmenin kat yüksekliğine oranı, bu elemanlarda oluşan bir kayma şekil değiştirmesi gibi kabul edilebilir ve bu elemanların zorlanma seviyesini gösteren bir ölçüttür. Rijitliğin arttırılması ile katların birbirine göre olan göreli yatay ötelenmesini ve özellikle taşıyıcı olmayan elemanlarda meydana gelebilecek hasarı sınırlandırmak mümkündür. Bunun yanmda, özellikle yüksek yapılarda deprem sırasında düşey yüklerin ikinci mertebe etkilerini sınırlı tutmak için, yerdeğiştirmelerin sınırlandırılması amacıyla rijitliğin arttırılması gerekli olur.

Öngörülen bir deprem etkisine karşı taşıyıcı sistemin gerekli dayanıma sahip olması tasarımın esasını teşkil eder. Betonarme bir kesitte dayanımın sağlanması sadece kesitte gerekli donatının bulunması olarak kabul edilmemelidir. Donatınm gerekli kenetlenme boyunun sağlanması ve betonun yerleştirilmesini zorlaştırılacak donatı düzenlerinden kaçınılması da, dayanımın oluşması için gereklidir. Aynca, konstrüktif kurallara uyulması da öngörülen dayanımın oluşması için önemlidir.

TBDY’de betonarme taşıyıcı sistemler süneklik düzeyine göre yüksek, sınırlı ve karma olmak üzere üç bölüme ayrılır. (Süneklik Nedir?) Süneklik düzeyi yüksek sistemlerin sünekliği, kapasite tasarımı ilkelerinin ayrıntılı uygulanmasıyla ve ek konstrüktif tedbirlerle artırılır. Kapasite artımı ve deprem talebinin azalması sebebiyle, taşıyıcı sistem çözümünde göreli büyük bir Taşıyıcı Sistem Davranış Katsayısı, dolayısıyla büyük bir Deprem Yükü Azaltma Katsayısı ile gözönüne alınarak tasarım yapılır. Buna karşılık süneklik düzeyi sınırlı olan sistemlerde, kapasite tasarımı ve konstrüktif kurallar sınırlı uygulanırken, taşıyıcı sistemin sünekliği daha düşük oranda artınlır. Bu sebepten de göreli olarak daha düşük bir Taşıyıcı Sistem Davranış Katsayısı dolayısıyla Deprem Yükü Azaltma Katsayısı kullanılır.

Süneklik Düzeyi Yüksek Sistemler; kolon ve kirişlerden oluşan çerçeve türü taşıyıcı sistemler, boşluksuz veya boşluklu (bağ kirişli) perdelerden oluşan taşıyıcı sistemler ve bu ikii tür sistemin birleşiminden oluşan perdeli-çerçeveli taşıyıcı sistemlerdir. Buna karşılık Süneklik Düzeyi Sınırlı Sistemler ise, kolon ve kirişlerden oluşan çerçeve türü taşıyıcı sistemler, boşluksuz perdelerden oluşan taşıyıcı sistemler ve bu iki tür sistemin birleşiminden oluşan perdeli-çerçeveli taşıyıcı sistemlerdir. Üçüncü tür sistemler de, süneklik düzeyi sınırlı çerçeve türü sistemlerle, süneklik düzeyi yüksek perdelerin birlikte bulunduğu Süneklik Düzeyi Karma Taşıyıcı Sistemler’dir.

Binaların taşıyıcı sistemlerinin depreme göre tasarımında amacıyla çeşitli kabuller yapılır. (Depreme Dayanıklı Yapı Tasarımı Genel İlkeler) Bir yandan deprem etkisinin karmaşık olması ve diğer yandan taşıyıcı sistemin çözümü için gerekli olan basitleştirmeler, bu kabulleri zorunlu kılar. Bu kuralların bir kısmı ise, daha önce meydana gelen depremlerin, yapılarda meydana getirdiği etkilerin incelenmesinde görülen eksiklikleri gidermek için ortaya çıkmıştır. Bazı durumlarda da, ilgili etkilerin hesaplanmasının karmaşık olması, konstrüktif tedbirlerin alınmasını zorunlu kılmıştır.

Kaynaklar; TBDY-2018 , TBDY 2018 Eğitim Elkitabı, Zekai Celep Ders Notları