Kapasite Tasarım İlkesi

Kapasite Tasarım Nedir?

Taşıyıcı sistemde güvenliğin sağlanması için, düşey yüklerin belirlenmesindeki zorluklar ve malzeme dayanımındaki değişimler gözönüne alınarak, güvenlik katsayılar öngörülmüştür. Sabit yüke göre hareketli yükün tespitindeki belirsizlik gözönünde tutularak yük arttırma katsayısı büyük seçilir. Bunun gibi, çeliğe göre betonun kalitesinin büyük bir aralıkta değişebileceği gözönüne alınarak malzeme güvenlik katsayısı daha büyük kabul edilir. Düşey yüklerle kıyas edildiğinde, deprem ve rüzgar yüklerinin belirlenmesindeki güçlüğün falza olduğu kolayca görülür. Deprem etkisinin sayısal olarak kabul edilip, taşıyıcı sistemin çözümlenmesinde gözönüne alınması pek çok kabulu içerir. Kabul edilen bir deprem etkisinin meydana gelmesi ancak belirli bir ihtimalle mümkündür. Bu nedenle, kabul edilen düzeydeki yatay yükün taşıyıcı sistem tarafından karşılanmasının yanında, daha büyük etkilerde meydana gelecek hasarın taşıyıcı sistemde dağılı olarak ortaya çıkması ve kesitlerin yardımlaşmalarının sağlanması boyutlamada gözönüne alınınan diğer önemli bir husustur. Hasarın yapının belirli bir bölümünde yoğunlaşmış olarak ortaya çıkması yerine öngörülen kısımlarda olabildiğince yayılı ortaya çıkması, muhtemelen toptan göçmeyi önleyebilir ve onarım ve güçlendirmeyi kolaylaştırabilir.

Örneğin şekildeki gibi sürekli bir kirişin yönetmelikte öngörülen şekilde M_r>M_d şekilde boyutlandırıldığını kabul edelim. Bunun yanında bazı nedenlerle B kesitinde bu durum M_r≈M_d olarak ortaya çıkmış olsun ve bu kesitin sünek davranış göstermesi için gerekli tedbirlerin alındığını kabul edelim. Kirişte yüklemenin öngörülenin üstüne çıktığını düşünelim. Bu durumda moment değerleri uygun bir orantı ile artacaktır. B dışındaki kesitlerde eğilme kapasitesi bulunduğu için yük taşınmasına devam edilecektir. Ancak, B kesitinde kapasiteye erişildiği için, donatıda büyük uzamalar ve betonda yerel ezilmeler nedeniyle hasar oluşacak ve momentin bu kesitte artması önlenecektir. Diğer kesitlerde taşıma kapasitesi bulunduğu için, bu kesitte plastik şekil değiştirmeler (hasar) meydana gelirken, yük taşınmaya devam edilecektir. Ancak B kesiti dışında M_r/M_d oranının büyük olması nedeniyle, yük artımı ile bu kesitteki hasar büyüyecektir. Eğer kirişin bütün kritik kesitlerinde M_r kesit kapasitesi ile M_d taşınması gerekli moment arasındaki oran birbirine yakın olsaydı, yükün öngörülenin üstüne çıkması durumunda donatı uzaması beton ezilmesi ve çatlama kritik kesitlerde yaygın olarak meydana gelecek, hasar bir kesitte yoğunlaşmayacak ve kirişin kullanılma durumunun zedelenmesi daha geç ortaya çıkacaktı. Yani, sünek davranış gösteren elemanlarda kapasitenin kesitlere olabildiğince düzgün yayılması, öngörülen yükün üstünde yüklenmesi durumunda hasarın bir kesite yoğunlaşmasını önleyecek ve yayılı olarak ortaya çıkmasını sağlayacaktır. Deprem yüklerinin kabul edilenin üstünde çıkması söz konusu olabildiği için, verilen açıklamaya uygun boyutlama yapılması bu durumda da önemlidir. Verilen örnekte kiriş kesitlerinin hepsi, sünek olan eğilme güç tükenmesi ile zorlandığı için, hasarın bunlara dağıtılması esas alınmıştır. Buna karşılık aşağıda da açıklanacağı gibi sünek güç tükenmesi (örneğin eğilme momenti güç tükenmesi) ile sünek olmayan güç tükenmesi (örneğin aderans çözülmesi, kesme kuvveti ve zımbalama güç tükenmesi) beraber bulunduğunda sünek olmayan etkiye ait kapasite artırılarak, sünek güç tükenmesinin daha önce ortaya çıkmasının sağlanması boyutlamada kapasite kavramının diğer bir ilkesidir.

Kapasite tasarımı esas alınarak yapılan boyutlandırmada, yapının yatay yük taşıyan sisteminin, büyük depremlerdeki göçme biçiminin kontrol edilmesi esas alınır. Elemanların eğilme momenti taşıyan kritik bölgelerinde elastik ötesi şekil değiştirmelerinin yoğunlaşması (plastik mafsal oluşumu) kabul edilirken, kapasitede alınan önlemlerle (aderans çözülmesi, kesme kuvveti güç tükenmesi ve zımbalama gibi) sünek olmayan güç tükenmesi önlenir. Kapasite tasarımı kavramı esas alınarak yapılacak boyutlamada, önce büyük bir depremde sünek davranışın ortaya çıkması sonucu hasarın yoğunlaşması beklenen plastik mafsal bölgeleri seçilir. Bu bölgeler yönetmeliklerde verilen yüklemeler altında öngörülen taşıma gücü oluşacak şekilde boyutlandırılır ve donatısı belirlenir. Sünekliğin oluşması için (etriye sıklaştırması, donatının kenetlenmesinin sağlanması gibi) gerekli önlemler alınır. Plastik mafsalın ortaya çıkması beklenen bölgeleriiçeren elemanlarda gevrek güç tükenmesi meydana getirebilecek (donatının aderansının çözülmesi, zımbalama ve kesme kuvveti güç tükenmesi gibi) sünek olmayan güç tükenmesi kapasitesi, plastik mafsal kapasitesini aşacak şekilde oluşturulur. Bunun gibi gevrek güç tükenmesine neden olacak bölgeler veya güç tükenmesi durumunda kararlı bir enerji sönümlenmesi mümkün olmayan elemanların kapasiteleri artırılarak sünek plastik mafsal bölgelerinin daha önce oluşması sağlanır. Böylece diğer bölgelerin büyük bir depremde de elastik kalması sağlanmış olur. Görüldüğü gibi boyutlandırmada kapasite kavramının kullanılmasıyla büyük bir depremde yapı, sünek olan ve toptan göçmeye neden olmayan belirli bir göçme şekline zorlanmakta, diğer bir deyişle sünek olmayan ve toptan göçmeye neden olabilecek bir göçme şeklinin oluşmaması için önlem alınmaktadır.

Örnek olarak kapasite kavramı şekilde gösterilen çerçeve sistemi için uygulanmak istensin. Güçtükenme şekli taşıyıcı sistemin toplam yatay yer değiştirme sünekliğinin en küçük elastik ötesi dönmelerle ortaya çıkmasını sağlayacak şekilde seçilecektir. Şekilde verilen ve aynı yatay yer değiştirmeyi meydana getiren iki güç tükenmesi şekli kıyaslandığında, birincide mafsal sayısı olduğu için küçük dönmelere ihtiyaç duyulduğu  görülür. İkinci türden güç tükenmesinde aynı yatay öteleme daha büyük elastik ötesi dönemelerle sağlanabilir. Bu durum yumuşak kat göçmesi olarak isimlendirilir. Depremlerdeki pek çok hasarın bu tür göçme nedeniyle meydana geldiği gözlenmiştir. Güç tükenmesi şeklinin seçilmesiyle büyük bir depremde hasarın yoğunlaşacağı plastik mafsal bölgeleri belirlenir. Boyutlandırmada önce seçilen plastik mafsal bölgelerinde elastik ötesi şekil değiştirme meydana gelecek şekilde önlem alınır. Bu durumun gerçekleşmesi için, mafsal oluşması istenmeyen kesitlerin eğilme momenti kapasitesi mafsal oluşması planlanan kesitlerden daha büyük tutulur. Örneğin, bir kiriş kolon birleşim bölgesinde yukarıda açıklanan nedenlerle mafsalın kolon kesitlerinden önce kiriş kesitlerinde oluşması uygundur. Bu durumda kolon kesitlerinin normal kuvveti de göz önüne alarak hesaplanan eğilme momenti kapasitelerinin toplamının, kiriş kesitleri kapasitelerinin toplamından belirli bir oranda daha büyük olması sağlanmalıdır. Böyle bir kontrol yapılırken statik hesap sonucu bulunan değerlen yerine, kesitte mevcut donatı esas alınarak elde edilen kapasiteler kıyaslanmalıdır.

Betonarme elemanlarda kesme kuvveti güç tükenmesi sünek olmayan bir şekilde ortaya çıkar. Bu nedenle elemanın kesme kuvveti karşılama kapasitesinin, eğilme momenti kapasitesinden daha büyük tutulması esas alınır. Örneğin bir kolonda iki uç kesitin taşıyabileceği eğilme momenti kapasitelerinden hareket edilerek bir kesme kuvveti hesaplanır. Boyutlamada bu kesme kuvvetinin karşılanması esas alınır. Kesme kuvvetinin bulunan değeri, boyutlamaya esas alınan yükleme durumunda ortaya çıkan kesme kuvvetinden büyüktür. Aradaki fark; kesit moment kapasiteleri hesaplanırken donatının pekleşmesinden dolayı bir artışın göz önüne alınması yanında kesit hesaplarında bulunan eğilme donatısının değişik nedenlerle artırılarak seçilmesinden kaynaklanır. Bu nedenle böyle bir kapasite kontrolü eğilme donatılarının seçilmesinden sonra gerçekleştirilebilir. Kirişlerde hesaba esas alıncak kesme kuvveti belirlenirken düşey yüklerden kirişte bulunan kesme kuvveti ve kolonlarda olduğu gibi, kiriş uç kesitlerindeki eğilme momenti kapasiteleri ve deprem etkisinin yön değiştirebileceği göz önüne alınmalıdır.

Sünek olmayan güç tükenmesi türlerinden biri olan zımbalama güç tükenmesi ani ve yıkıcıdır. Örneğin kirişsiz döşemede (plak ve tekil temelde de) kolonların mesnetlenme bölgesinde zımbalama, boyutları belirleyen bir etki olarak ortaya çıkar. Bu durumda bu bölgenin zımbalama kapasitesinin komşu kesitlerin eğilme kapasitesinin üstünde bulunacak şekilde boyutlandırılması gerekir. Böylece, yükün yönetmelikte öngörülenin üstünde bir artma göstermesi durumunda, bölgede zımbalama kapasitesine erişilmeden önce komşu kesitlerde sünek eğilme güç tükenmesi meydana gelir ve sistem büyük şekil değiştirmeler ve yer değiştirmelerle bu zorlamaları karşılar. Kesitlerin eğilme momenti kapasitesi hesap edilirken mevcut donatı esas alınmalıdır. Konstrüktif nedenlerle eğilme donatısı artırılmışsa benzer bir şekilde zımbalama kapasitesinin de artırılması gerekir.

Gerekli olmadığı için kesilen donatının taşıdığı kuvvet uygun kenetlenme boyu ile betona iletilebilmelidir. Kenetlenme boyunun küçük olması sünek olmayan güç tükenmesi biçimi olan aderan çözülmesine neden olur. Bunun için donatının aderans boyu hesap edilirken, donatının eksenel kuvvet kapasitesinden hareket edilmeli ve buna uygun kenetlenme boyu sağlanmalıdır. Bu suretle aderans çözülmesi meydana gelmeden donatının akmaya erişmesi mümkün olacaktır.

(Güçlü kolun zayıf kiriş koşulu)