Dıştan Destekli (Outrigger) Sistemler

Yüksek binalarda, merkezde bulunan betonarme perdenin veya çelik çaprazlı çerçevelerin rijit elemanlarla çevredeki kolonlara bağlandığı sistemlere dıştan destekli (outrigger) sistemler adı verilir. Bu rijit elemanlar destek kirişi olarak isimlendirilen, bir veya iki kat yüksekliğindeki yapı elemanlarıdır.

Merkezde bulunan çekirdek, bu destek kirişleri yardımıyla tek cephedeki veya her iki cephedeki kolonlara bağlanabilirler.

Dıştan destekli (outrigger) sistemler yaklaşık olarak yarım yüzyıldır narin ve yüksek binalarda kullanılıyor olmalarına rağmen tasarım prensibi bin yıllık bir geçmişe sahiptir. Bu sistemler ilk olarak Polinezlerin açık denizlerde seyahat için kullandıkları kanoların dalgalara karşı yatay stabilitesini arttırmak amacıyla geliştirilmişlerdir.

Dıştan destekli kanonun çalışma prensibi dıştan destekli (outrigger) binaların çalışma prensibine ışık tutması açısından oldukça önemlidir. Bu prensip şu şekilde özetlenebilir:

• Kano, dalgalara maruz kaldığı zaman alabora olma veya devrilme tehlikesi ile karşı karşıya kalır. Dıştan destekli kanolar ise dalga anında desteğinin manivela etkisiyle alabora olmaya karşı direnç gösterir. Çok büyük ölçekli dalgalar için desteğin direnci yeterli olmayabilir. Fakat dıştan desteğin alabora olmaya karşı kanonun direncini ciddî anlamda arttırdığı söylenebilir. Dıştan destekli binalarda; çekirdek perde yatay yükler altında dönmeye çalıştığında, dıştan destek sistemi bu dönmeye karşı bir direnç oluşturur. Destek sistemi perdenin dönmesini bütünüyle engelleyemez, ancak gösterdiği direnç sebebiyle çekirdeğin konsol çubuk şeklinde davrandığı duruma oranla taban devrilme momentini ve tepe deplasmanını azaltabilir.
• Kano dıştan desteği olmadan da dalgalara karşı belirli bir direnç gösterebilir. Ancak kano devrilmese bile taşıdığı insanları rahatsız edecek şekilde salınım yapabilir ve bu salınımın sona erme süresi oldukça uzayabilir. Dıştan destek (outrigger) ilavesi dalgadan dolayı oluşan bu salınımı kısmen azaltır. Ayrıca salınım süresini de kısaltarak kanonun daha kısa bir sürede eski konumuna dönmesine sebep olur. Benzer şekilde yüksek binalarda da destek sistemi (outrigger) rüzgâr yükleri altında insanları rahatsız edecek (baş dönmesi, mide bulantısı, panik) salınımlara karşı sistem yatay rijitliğini arttırarak, kat ivmelerinin konfor şartı için belirlenen sınırların altına çekilmesini sağlar. Bu sistemlerin en büyük avantajlarından birisinin, devamlı surette binanın maruz kaldığı düşük ivmeli rüzgâr ve deprem yükleri altında servis koşullarının sağlanabilmesi olduğu söylenebilir. Ayrıca sağlanan rijitlik artışı yüksek yapılar için önem arz eden yapısal olmayan elemanlarda oluşabilecek hasarları minimize etmek için de oldukça faydalıdır

Dıştan Destekli (Outrigger) Sistemlerin Avantajları

Taşıyıcı sistemlerin etkinliği bina yüksekliği ile orantılı olarak artan yatay yüklere karşı koyabilmeleriyle ölçülür. Yüksek binaların tasarımında ise rijitlik ve stabilite problemleri, yatay ve düşey yüklerin taşınmasına nazaran daha ön plandadır. (Yüksek Bina Taşıyıcı Sistemleri) Dıştan destek sistemi (outrigger) taşıyıcı sistemde sağladığı rijitlik artışı ile çokça tercih edilirler. Özellikle dıştan destek sisteminin ilavesiyle bina nispeten narin elemanlar ile daha fazla kat adedine ulaşabilir. Bu sebeple dıştan destekli sistemler günümüzdeki birçok yüksek binada kullanılmışlardır. O hâlde dıştan destekli sistemlerin başlıca avantajları olarak;

• Binanın devamlı olarak maruz kaldığı rüzgâr yükleri altında salınımları konfor şartı sınırları içine çekmesi
• Küçük boyutlu yapı elemanları kullanılarak daha yüksek binaların inşa edilebilmesini mümkün kılması sıralanabilir.

Dıştan Destekli (Outrigger) Sistemlerin Taşıyıcı Sisteme Etkisi

Dıştan destekli (outrigger) sistemlerde yatay yükün karşılanma prensibi şu şekilde açıklanabilir. Yapı yatay yüke, deprem yükü veya rüzgâr yükü, maruz kaldığı zaman destek kirişi ile mesnetlenmiş olan kolonlar çekirdek perdenin dönmesine karşı direnç gösterir. Bu direnç sayesinde; çekirdek perdede oluşan moment ve yerdeğiştirmeler, dıştan desteğin (outrigger) olmadığı, çekirdek perdenin konsol bir çubuk şeklinde davrandığı duruma kıyasla azalır. Artık dış yüklerden dolayı sistemde oluşan devrilme momenti sadece çekirdeğin eğilmesiyle değil çevre kolonlarda oluşan basınç ve çekme kuvvetleri ile beraber taşınır. Kolonlarda oluşan eksenel kuvvet, dış yükün geldiği cephede çekme iken diğer cephede basınçtır. Dıştan destek (outrigger) sistemi ile dıştaki kolonlarda yatay yüklerden oluşacak eksenel kuvvetlerin kolon boyutlarını dıştan destek (outrigger) içermeyen sistemlere nazaran arttıracağı yorumu yapılabilir.

Dıştan destekli sistemler perde devrilme momentini azaltmada etkili olmalarına karşın, perdenin taşıdığı kesme kuvveti açısından bir azaltmaya yol açamazlar. Aksine destek katlarından perdelere aktarılan kesme kuvvetleri ciddî oranda artış gösterir. Destek kirişleri perdelere rijit olarak bağlı iken, kolonlara rijit (moment aktarır bağlantı) veya mafsallı (moment aktarmayan bağlantı) şekilde bağlanabilirler. Eğer mafsallı bağlantı tercih edilir ise; yatay yük altında eğilme davranışını sadece konsol perde gösterecektir. Bunun sonucu olarak, kolonlarda eğilme momenti oluşmazken sadece eksenel kuvvet oluşacaktır. Eğer rijit bağlantı tercih edilir ise tüm sistemin eğilmesi ile birlikte destek kolonları da eğilerek hem eksenel kuvvet hem de eğilme momenti tesirine girecektir. Oluşan eğilme momenti ile kolonun taşıyabileceği eksenel kuvvet azalacaktır ve sonuç olarak çekirdek perde devrilme momentinde azaltılacak değer mafsallı duruma göre daha az olacaktır.

Dıştan Destekli (Outrigger) Sistemlerin Davranışı

Dıştan destekli sistemlerin çalışma prensibi çevre kolonlarında kuvvet çifti oluşturularak çekirdek devrilme momentinin azaltılması üzerine kuruludur. Bu davranış farklı bir tanımlama ile; çekirdek dönmeye çalıştığında destek sisteminin bu dönmeyi tam olarak engelleyemese bile kısmen azaltması şeklinde de ifade edilebilir. Eğer çekirdeğin nispeten daha esnek olduğu ve daha fazla dönebildiği düşünülür ise çevre kolonlarda daha fazla eksenel kuvvet oluşacaktır. Bu durumun tam tersi olarak daha rijit bir çekirdek çevre kolonlarda daha az eksenel kuvvet oluşumuna sebebiyet verecektir. Bu bakış açısı ile destek kolonlarının eksenel kuvvet oluşumunun doğrudan çekirdeğin dönmesine, dolayısıyla eğilme rijitliğine bağlı olduğu yorumu yapılabilir. Ayrıca kurulan bu ilişki daha basite indirgenmek istenir ise, davranışın konsol bir çubuk ucunda perdenin dönmesini tamamen engellemeyen fakat kısmen kısıtlayan bir yayın olmasına benzediği söylenebilir.

Kaynak: Yük. İnş. Müh. Uğur ÖZORPAK-DEPREM ETKİSİNDEKİ YÜKSEK BİNALARDA ÇOKLU DIŞTAN DESTEK (OUTRIGGER) KİRİŞLERİNİN KONUMUNUN TASARIMA ETKİSİ