Rezonans Nedir? Yapıları Nasıl Etkiler? Rezonans Örnekleri

Rezonans

“Rezonans” kavramı hem dünya (makroskopik) ve hem de atomlar (mikroskopik) ölçeğinde evreni ve yer fiziğini açıklamada kilit rol oynayan faktörlerden bir tanesidir. Rezonans olayı salınım yapan sistemler ile ilgilidir,  depremler ile yeryüzünün salınım hareketi, bu salınım hareketinin frekansı ve binaların kendi iç salınım frekansları rezonans olayı ile doğrudan ilişkilidir. Salınım yapan bir sistem ifadesinden, sarkaç örneğinde olduğu gibi, statik denge konumundan harekete başlayıp başlangıç noktasından uzaklaşan ve daha sonra  başladığı noktaya geri dönen sistemleri anlarız.

Binalarla ilgili “Rezonans Nedir?” sorusuna yanıt verebilmemiz için öncelikle bazı kavramlara hakim olmamız gerekmektedir. Bu konuda yanlış anlaşılmaların ve kafa karışıklıklarının giderilmesi açısından öncelikle bu kavramlardan bahsedelim.

Bilindiği üzere “periyot” bir cismin tekrar eden bir hareketinin bir tam turu tamamlarken geçen süredir.

“Bina doğal periyotları”; binalarda yatay kuvvetler etkisiyle ortaya çıkan salınım hareketleri-titreşimleri sırasında, bir tam tur hareketin tamamlanmasında geçen süreyi ifade eder.

“Zemin hakim periyodu” deprem dalgalarının zeminlerde yayılırken zeminlerin sahip oldukları özelliklere bağlı olarak gelişen hareketindeki salınım süresidir.

“Frekans” ise periyotun tersi olup (f=1/T) bir saniyede cismin yaptığı hareketi belirtir.

 

Yapılarda-Binalarda Rezonans Nedir?

Binalarda meydana gelen “rezonans” olayı, zemin hakim periyodu (dolayısıyla frekansı) ile yapı doğal periyodunun (dolayısıyla frekansı) aynı olması durumunda, binaya salınım yaptıran aynı doğrultudaki iki kuvvetin birbirine eklenmesi ve bunun sonucunda binanın salınımının (genliğinin) dolayısıyla ivmesinin (dolayısıyla etkiyen kuvvetin) artması olayıdır. Rezonans sonucu yapılar büyük kuvvetlere dolayısıyla büyük hasarlara maruz kalırlar. Hatta rezonans sebebiyle gerçekleşen göçmeler binanın patlaması şeklinde tasvir edilmektedir.

Rezonans Neden Oluşur?

“Rezonans”ı kabaca şöyle açıklamaya çalışalım; diyelim ki bir bina 3 birim ivmenin oluşturacağı kuvvete dayanıklı şekilde tasarlandı. Yapı ve zemin frekanları ise 2 birim ivme oluşturuyor varsayalım. Zemin frekansı ile yapı frekansı faklı olduğunda bu 2 birimlik ivme farklı zamanlarda (ya da yönlerde) binaya etkiyecek ve binanın karşılaştığı en büyük ivme 2 birim olacaktır. Dolayısıyla bina bu ivmeden hasar almayacak ya da sınırlı düzeyde alacaktır. Fakat zemin ve binanın frekansları aynı olduğunda ise bu iki ivme aynı anda yapıya “aynı yönde” etkiyecek ve toplam 4 birimlik ivme oluşacaktır. Dolayısıyla yapının dayanımı aşılacak ve bina büyük hasarlar alacaktır. İşte bu kuvvetlerin aynı yönde oluşup yapıya aynı şekilde etkimesi ve yapıda büyük hasarlar meydana getirmesi olayına “yapının rezonansa uğraması” adı verilir.

Yapılarda Rezonans Nasıl Engellenir? Ne Tür Önlemler Alınabilir?

Rezonans yukarıdan da anlaşılacağı gibi ne sadece zemin faktöründen ne de sadece yapının geometrisinden kaynaklanır. Bu olay zemin-bina etkileşiminin ortak bir sonucu olarak ortaya çıkar.

Zeminlerin hakim titreşim periyotları değiştirilemez. Fakat, yapıların projelendirilmesi aşamasında zeminlerin farklı özellikleri tespit edilip zeminin deprem sırasında hakim titreşim frekansı ya da periyodu belirlenebilmektedir.  Belirlenen bu frekanslara göre binanın yapının özellikleri (yüksekliği, kat adedi, taşıyıcı sistemi, rijitliği, vb.) seçilebilir ve rezonans riskinden kurtulunabilir.

Bu açıdan inşaatı planlanan bir yapının bazı özelliklerinin bir inşaat mühendisi tarafından belirlenmesi gerekmektedir. İmar planları, ekonomik ve mimari nedenler gibi faktörler dolayısıyla yapıların kat adetleri ve yüksekliklerinin inşaat mühendisleri tarafından belirlenmesi pratikte pek mümkün olmamaktadır. Ancak imar planları ve şehir planlama çalışmaları yapılırken bölge zeminlerinin frekans-periyotları, jeolojik-jeoteknik-jeofizik çalışmalarla belirlenip bu faktörlere göre planlamalar yapılabilir. Özellikle “Kentsel Dönüşüm” veya “Afet Riski Altındaki Alanların Dönüştürülmesi” gibi bir planlama yapılırken bu konu mutlaka göz önünde bulundurulmalıdır.

Zemin araştırmaları yapılırken yeterli derinliklere inilerek zemin hakim periyodunun daha geniş kapsamlı katmanlar şekilde belirlenmesi de dikkat edilmesi gereken konulardan bir tanesidir.

Bilindiği üzere yapıların statik çözümlemesi sırasında, yapının kütlesine, sıkılığına, sertliğine, mukavemetine ve boyutlarına (yüksekliğine, enine, boyuna) göre doğal titreşim periyodu ortaya çıkar. Bu değer spektrum eğrisi köşe koordinatları (karakteristik periyotlar, Ta-Tb) arasında bir değere denk geldiğinde deprem yönetmelikleri yapıyı cezalandırır ve haklı olarak yapının daha büyük deprem kuvvetlerine karşı dayanıklı olmasını şart koşar. (yapının daha rijit, daha az deplasman-salınım yapan bir şekilde boyutlandırılması). Bu da yapının inşaat maliyetini önemli ölçüde etkiler. Ya da yapının doğal periyodunun bu Ta-Tb değerleri arasından çıkarılması gerekmektedir ki bu da bina geometrisi, yapı yüksekliği, taşıyıcı sistemi vb. gibi faktörlerin değiştirilmesiyle sağlanır. Her ne kadar optimum maliyet sağlamak açısından bu iki durumdaki maliyetin karşılaştırılması bir seçenek olsa da, maliyet faktöründen öncelikli olarak can güvenliğini göz önüne almak ve yapı periyotlarının bu karakteristik periyotlar arasından çıkarmak daha uygundur diyebiliriz.

Bu konulara girmişken “kayalık zeminde az katlı bina yapılmaz”, “yumuşak zeminde çok katlı bina yapılmaz” gibi meşhur söylemlere de bir açıklık getirelim. Kat yüksekliği arttıkça yapıların titreşim periyotları “genellikle” artar, yani frekansları azalır (yükseklik arttıkça salınım süresi artar, birim zamanda yapılan hareket-frekans azalır, kuvvet azalır), kat yüksekliği azaldıkça da periyot azalır, frekans artar (salınım süresi azalır, birim zamanda yapılan hareket-frekans artar, kuvvet artar). Kayalık zeminlerin hakim titreşim periyotları göreceli olarak düşük (frekansı yüksek), gevşek zeminlerin ise hakim titreşim periyotları yüksektir (frekansı düşük). Dolayısıyla bu söylemler birbirine yakın periyotlardaki zemin ve yapıların imal edilmemesi ve rezonansa uğramaması  hakkındadır. Tabi yapı periyodunun sadece yapı yüksekliğine bağlı olmadığı unutulmamaldır.

Rezonans Örnekleri

Aşağıda benzer durumu yaşayan “rezonans örnekleri” gösterilmiştir.

Deprem ve yapı frekansı arasındaki ilişki hakkında daha fazla bilgi almak için aşağıdaki bağlantıdan ilgili yazıya ulaşabilirsiniz.

                    Deprem ve Yapı Frekansı Arasındaki İlişki

Yapılarda meydana gelen rezonans olayını en iyi şekilde gösteren rezonans örnekleri videolarından bir tanesi;