Diyafram Davranışı, Rijit Diyafram ve Esnek Diyafram Nedir?

Diyafram Davranışı

Diyafram yapı analizi yaklaşımının belirlenmesinde kritik bir rol üstlenmektedir ve yapının rijitliği, doğal titreşim periyodu gibi temel özelliklerini doğrudan değiştirebilecek kadar etkili bir elemandır.

Deprem kuvveti yapılara, kütleleri ile orantılı olan büyüklüklerde etkir. Betonarme yapılarda kütlelerin en yoğun olduğu bölge döşemelerdir. Bu nedenle deprem kuvvetinin büyüklüğü en çok döşemelerin üzerindedir. Yatay kuvvetler karşısında döşemelerin düzlem içi rijitliği ve dayanımı çok büyük olduğu için döşemeler hasar görmeden bu kuvvetleri kolon ve perdelere dağıtır.

Döşemelerde boşluk olması durumunda, döşemenin rijitliği azalacağından dolayı kolon ve perdelere yatay kuvvetler beklenildiği gibi rijitlikleri oranında dağıtılamaz. Yatay kuvvetlerin bir kısmı rijitliği azalan döşeme düzleminde, döşemede hasarlar oluşturarak rijit diyafram davranışını ortadan kaldırır.

Diyafram rijitliği sismik kuvvet direnç sisteminin düşey elemanlarının rijitliğinin, diyaframın rijitliğine oranıyla belirlenir. Diyaframlar;

1. Esnek Diyafram,
2. Rijit Diyafram,
3. Yarı Rijit Diyafram,

olmak üzere 3 kategoride tanımlanırlar.

1-Rijit Diyafram Nedir? Rijit Diyafram Davranışı

Döşemeler kendi düzlemleri içinde rijit diyafram kabulüne göre sonsuz rijit olarak kabul edilir. Böylece döşeme iki boyutlu olarak ele alınarak bilinmeyen sayısı büyük ölçüde azaltılabilir. Bu yönteme göre döşemenin ağırlık merkezinde δx ve δy deplasmanları ile döşeme düzlemine dik θz dönme hareketi serbest bırakılmıştır. Yapı üzerindeki diğer düğüm noktaları ağırlık merkezindeki düğüm noktasına bağlı olarak hesaplanabilir.

Döşemeye ait j noktasındaki deplasmanlar;
θz = θj
δjx = δx – θz.(yj – yg)
δjy = δy – θz.(xj – xg)
bağlantıları ile hesaplanır.

Çok katlı bir yapıdaki toplam bilinmeyen sayısı;

= Kat Adedi x (3 x Kattaki Düğüm Sayısı + 3) adettir.

Kattaki düğüm noktalarına ait diğer serbestlikler, (3 x Kattaki Düğüm Sayısı) ağırlık merkezinde tanımlanmayan fakat diğer düğüm noktalarında tanımlanması gereken δz deplasmanı ile θx ve θy dönme değerleridir. Bir diğer önemli hususda rijit diyafram içinde kalan kirişlerde eksenel deformasyon meydana gelmemektedir.

Rijit diyaframlı yapıda, sismik talebin verilen katta duvarlara ve çerçeveye dağılımı genellikle bu elemanların göreli rijitliklerine bağlıdır. Beton döşemeler veya açıklık/derinlik oranı 3 veya daha az olan yatay düzensizlikleri bulunmayan yapılardaki betonla doldurulmuş çelik tabliye diyaframların rijit olarak idealize edilmesine izin verilmiştir. Rijit bir diyafram dinamik tepki nedeniyle küçük düzlem için deformasyonlar oluşturur ve tüm düğüm noktaları rijit diyaframın davranışı nedeniyle aynı miktarda yer değiştirir. Burulma tepkisi, rijit diyaframın bazı kenarlarının yer değiştirmesini arttırır. Rijit diyafram tanımı nispeten çok büyük sismik taleplerin diyafram vasıtasıyla aktarılması gerektiğinde uygulanamaması mümkündür.

2-Yarı Rijit Diyaframlar

Yarı rijit diyafram kavramı bir idealleştirme değildir. Bu kavram rijit veya esnek diyaframa sahip olan yapıların her ikisi içinde uygulanabilir. Temel prensibi yapı analizinde diyaframın rijitliğini göz önüne almaktır. Genellikle yapılarda, diyaframlar birden fazla açıklığa sahiptir ve birbirine dik doğrultularda çok farklı oranlara sahip  olabilirler ayrıca her iki doğrultuda da birbirinden farklı yatay kuvvet direnç sistemine sahip olabilmektedirler. Bir yönde esnek diyafram, kendisine dik açıklıkta rijit veya yarı rijit olsa dahi birbirine dik sistemler arasındaki burulma paylaşımında etkili olmayacaktır. Özetle, bir diyaframın rijit olarak idealize edilmesi için her iki doğrultuda kriterleri karşılaması gerekir aksi halde yarı rijit model gereklidir. Yukarıda verilmiş olan mühendislerin genel yaklaşımına rağmen bu gibi durumlarda yarı rijit diyafram kullanılması kaçınılmazdır. Ayrıca esnek diyaframlar için kriterleri karşılayan açıklıkların hepsinde değil ama bazılarında yarı rijit modelleme bu açıklıkların ve yapının davranışını anlayabilmek için gereklidir.
Yarı rijit diyaframlara en temel örnek moment çerçeveler arasındaki açıklıklarda bulunan çelik tabliye diyaframlardır.

3-Esnek Diyafram Nedir? Esnek Diyafram Davranışı

Deprem kuvvetinin yatay yük taşıyan kolon ve perdelere rijitlikleri oranında dağıtılamadığı durumlarda esnek diyafram kabulüne göre hesap yapılması gereklidir. Bu durumda döşeme üç boyutlu olarak ele alınır. Sonlu elemanlar yöntemine göre çok sayıda kabuk elemanlara bölünür. Her düğüm noktasında (δx, δy ve δz) üç deplasman ve (θx, θy ve θz) üç dönme olmak üzere toplam altı bilinmeyen vardır.

Yapı üzerinde döşemelerin çok sayıda kabuk elemana bölünmesi ile oluşan tüm düğüm noktaları için birbirinden bağımsız altı serbestlik tanımlanır ve toplam bilinmeyen sayısı;
6 x Kat Sayısı x Kattaki Düğüm Sayısı bağıntısı ile hesaplanır.

Esnek diyafram davranışı gösteren yapıların kat döşemeleri, yatay yük taşıyan kolon ve perdelerden daha büyük düzeyde deplasman yapar. Bu durumda, diyafram deplasmanı kat deplasmanının iki katını aşması halinde elastik diyafram olarak değerlendirilir. Ayrıca diyafram esnekliği arttıkça burulma momenti de azalır.

Esnek diyaframlı yapıda, yatay kuvvet direnç sistemindeki düşey elemanlara sismik talebin dağıtımı genellikle düşey elemanlarla desteklenmiş diyaframın yük akış alanına bağlıdır. Yük akış alanında, yatay yük akış alanı göz önüne alınır. Esnek diyaframda, düşey elemanlar diyaframdan önemli oranda daha rijit olmalıdır. Betonla kaplanmamış çelik tabliyeyle inşa edilmiş diyaframlar düşey elemanları çelik çaprazlı çerçevelerden, çelik ve beton kompozit çaprazlı çerçevelerden, beton, yığma ve çelikten teşkil edilmiş düşey taşıyıcı sistemden veya çelik ve beton kompozit kesme duvarlarından oluşan yapıların bulunma durumundan birini içerme durumunda esnek diyafram olarak idealize edilir.

Diyaframların Görevleri

Diyaframlar doğrudan ve dolaylı olarak yapıda birçok görevi üstlenmektedir;

Yatay Atalet Kuvvetlerinin, Sismik Kuvvet Direnç Sisteminin Elemanlarına İletilmesi

Yapı kütlesinin çoğunluğu döşemelerden gelmektedir. Bu nedenle önemli atalet kuvvetleri diyafram düzleminde gelişmektedir ve diyaframın depremdeki öncellikli rollerinden birisi bu yatay atalet kuvvetlerini sismik kuvvet direnç sisteminin yük alma alanlarına iletmektir.

Düşey Yüklere Dayanım Gösterilmesi

Diyaframlar genel olarak döşeme ve çatı çerçevesinin bir parçasıdır ve bu nedenle düzlem dışı düşey yüklere dayanım göstermektedirler. Diyaframlar ayrıca deprem boyunca düşey davranış nedeniyle oluşan atalet yüklerinin dağılımına yardım etmektedir.

Düşey Elemanlara Yatay Destek Sağlanması

Diyaframlar sismik kuvvetlere direnç gösteren sistemin düşey elemanlarına her katta bağlıdır, böylece burkulmaya dayanım göstermekle beraber yatay yer değiştirmelerle hareket eden eksenel kuvvetlerle ilişkili ikinci mertebe etkilere de yatay desteklik sağlar. Ayrıca diyaframlar yatay yük direnç sisteminin düşey elemanlarıyla birlikte bağlanarak, üç boyutlu yatay yük direnç çerçevesini tamamlar.

Düzlem Dışı Kuvvetlere Direnç Gösterilmesi

Binanın depreme bir tepkisi olarak, dış duvarlar ve cephe kaplamalarında düzlem dışı yatay atalet kuvvetleri gelişir. Düzlem dışı kuvvetler ayrıca duvar dış yüzeyine etki eden rüzgar basıncıyla oluşur. Diyafram duvar bağlantıları bu düzlem dışı kuvvetlere dayanım göstermelidir.

Kuvvetleri Diyafram Vasıtasıyla Transfer Etmek

Binanın deprem yüklemesine bir tepkisi olan yatay kesmeler genellikle sismik yük direnç sisteminin düşey elemanlarının birinden bir diğerine transfer olur. En büyük transferler genellikle düşey elemanlardaki süreksizliklerde meydana gelir. Üst seviyede bulunan düşey elemanlardaki kesme kuvvetinin büyük bir kısmı, podyum döşemesi vasıtasıyla bodrum duvarlarına aktarılma eğilimindedir. Bu durumda büyük diyafram transfer
kuvvetleri oluşabilmektedir.

Alt Seviyede Toprak Yüklerini Desteklemek

Toprak altı seviyeli binalarda, toprak düzlem dışı bodrum duvarlarına basınç uygulamaktadır. Diyaframlar arasındaki veya diyafram ve temel arasındaki bodrum duvarları diyaframların kenarlarında basınç reaksiyonları oluşturmaktadır.

Açıklıklar Etrafında Yüklerin Yeniden Dağıtımı

Mekanik şaft, asansör şaftı, merdiven açıklığı ve avlu gibi diğer büyük açıklıklara sahip binalarda diyafram, yatay kuvvetlerin bu elemanların etrafından yatay yük direnç elemanlarına yeniden dağılmasına yardımcı olur.

Burulma Nedeniyle Oluşacak Kuvvetleri Yeniden Dağıtmak

Bazı mimari tasarımlar yatay yük etkileri nedeniyle yapıda burulma davranışına neden olmaktadır. Yeterli dayanım ve rijitlikteki diyafram, kuvvetleri yatay yük direnç sisteminin elemanlarına aktarabilir. Esnek diyaframlar burulma nedeniyle oluşan kuvvetleri aktarmazlar.

Eğik Kolonlardan Dolayı Oluşacak İtkiye Dayanım Göstermek

Mimari konfigürasyonlar bazen diyafram düzleminin içinde büyük yatay itkilere yol açan eğik kolonlar gerektirmektedir. Ayrıca yapı yatay yükler altında yerdeğiştirdiğinde kolonlar eğik hale gelmektedir ve bu eğiklik diyaframda çevrimsel yükleme esnasında basınç ve çekme itkilerine neden olmaktadır. Diyafram ve bileşenleri bu itkilere dayanım gösterecek şekilde tasarlanmalıdır.