Yapısal Tasarımda Düzensizlik Kavramına Giriş
Deprem mühendisleri, depreme dayanıklı binalar tasarlarken belirli ilkeleri izler. Bu ilkelerin en temel olanı, yapının düzenli bir geometriye sahip olmasıdır. Düzenli yapılar, deprem sırasında sismik enerjiyi daha homojen bir şekilde dağıtır. Bu nedenle, simetrik kat planlarına ve sürekli taşıyıcı sistemlere sahip binalar daha güvenli kabul edilir. Ancak, mimari veya fonksiyonel sebeplerle bazen bu ideal durumdan sapmalar yaşanabilir. Mühendisler, bu sapmaları “yapısal düzensizlikler” olarak adlandırır. Bu düzensizlikler, bir binanın deprem davranışını olumsuz yönde etkileyebilir. Yapısal düzensizliklerin birçok türü bulunmaktadır. Bunlar arasında burulma düzensizliği ve döşeme süreksizlikleri yer alıyor. Taşıyıcı sistem düzensizlikleri de bu gruba dahildir. Ancak, bu düzensizliklerin en tehlikelilerinden biri zayıf kat düzensizliği olarak bilinmektedir. Bu durum, özellikle deprem riski yüksek bölgelerde ciddi bir tehdit oluşturur.
Zayıf Kat Düzensizliği Olgusunu Anlamak
Zayıf kat düzensizliği, bir binanın belirli bir katının diğer katlara göre davranışsal olarak farklılık göstermesi durumudur. Genellikle bu durum, binaların giriş katlarında meydana gelir. Temelde, bu düzensizlik yanal rijitlikteki ani bir azalmayı ifade eder. Bir katın yanal rijitliği, o katın deprem gibi yatay kuvvetlere karşı direncini gösterir. Rijit bir kat, yatay kuvvetler altında çok az yer değiştirir. Esnek bir kat ise daha fazla yer değiştirir.
Bir binanın tüm katlarının benzer rijitlik değerlerine sahip olması gerekir. Eğer bir kat, üstündeki kattan önemli ölçüde daha esnek ise, bu katta zayıf kat düzensizliği oluşuyor. Bu durum, deprem sırasında tüm sismik enerjinin bu esnek katta toplanmasına neden oluyor. Deformasyon da bu katta yoğunlaşıyor. Bu da binanın o kattan ağır hasar almasına veya tamamen çökmesine yol açar.
Rijitlik Nedir ve Zayıf Kat Düzensizliği Nasıl Oluşur?
Yapısal rijitlik, bir elemanın veya sistemin kendisine uygulanan kuvvetler altında şekil değiştirme direncidir. Ayrıca bir binanın her katı için bu rijitliği hesaplamak mümkündür. Bir katın yanal rijitliği, o kattaki tüm taşıyıcı elemanların toplam direncinden oluşuyor. Bu taşıyıcı elemanlar şunları içeriyor:
- Kolonlar: Dikey taşıyıcı elemanlardır ve yatay kuvvetlere karşı direnç gösteriyorlar. Kolonların boyu kısaldıkça ve kesiti büyüdükçe rijitlikleri artıyor.
- Perde Duvarlar: Betonarmeden yapılan geniş ve sürekli duvarlardır. Yanal rijitliğe en büyük katkıyı bu elemanlar sağlar. Bir kattaki perde duvarların varlığı, o katın oldukça rijit olmasını sağlıyor.
- Dış Cephe Duvarları ve Bölme Duvarlar: Taşıyıcı olmasalar bile, dolgu duvarlar da bir miktar rijitlik katıyor.
Bir kattaki bu elemanların sayısı azaldığında veya boyutları küçüldüğünde, o katın toplam yanal rijitliği düşüyor. Bu durum, zayıf kat düzensizliği riskini ortaya çıkarıyor.
Zayıf Kat Düzensizliği Neden Oluşur?
Zayıf kat düzensizliği, genellikle mühendislik hatalarından ziyade mimari tasarım tercihleri nedeniyle ortaya çıkıyor. Binaların özellikle giriş katları, ticari veya sosyal amaçlarla daha açık ve geniş alanlara ihtiyaç duyar. Bu durum, o katın taşıyıcı sisteminin üst katlardan farklılaşmasına neden oluyor. Üst katlar, daha küçük odalara ayrıldığı için çok sayıda bölme duvara sahiptir. Bu duvarlar, yapıya ek bir rijitlik katıyor. Ancak, zemin katta bu duvarların olmaması, rijitlikte ani bir düşüşe yol açıyor. Bu tehlikeli durumun arkasında yatan yaygın nedenleri anlamak, sorunu çözmek için ilk adımdır. Mühendisler, bu nedenleri bilerek tasarım aşamasında gerekli önlemleri alıyor. Zayıf kat düzensizliği, bu önlemler alınmadığında kaçınılmaz bir sorun haline gelmektedir.
Mimari Tasarımdan Kaynaklanan Nedenler
Zayıf kat düzensizliğinin en sık karşılaşılan nedenleri, binaların fonksiyonel kullanımıyla ilgili mimari kararlardır. Bu kararlar genellikle binaların giriş katlarında yoğunlaşıyor. Yaygın mimari nedenler şunlardır:
- Dükkan ve Mağaza Alanları: Binaların zemin katları, genellikle dükkan, banka veya restoran gibi ticari işletmeler için kullanılıyor. Bu işletmeler, vitrin oluşturmak için dış duvarları ve iç bölme duvarlarını kaldırıyor.
- Yüksek Tavanlar: Ticari veya estetik nedenlerle, giriş katlarının tavan yüksekliği konut katlarına göre daha fazla yapılıyor. Daha uzun kolonlar, daha kısa kolonlara göre daha esnek olduğundan kat rijitliğini azaltıyor.
- Otoparklar: Binaların altına yapılan açık veya kapalı otopark katları, duvar içermeyen geniş alanlardır. Bu durum, otopark katının üstündeki konut katlarına göre çok daha esnek olmasına yol açıyor.
- Bina Lobileri ve Giriş Holleri: Otel veya büyük ofis binalarının girişlerindeki geniş ve duvarlarla bölünmemiş lobiler de tipik bir zayıf kat düzensizliği örneği oluşturuyor.
Yapısal Sistemdeki Hatalar ve Ani Değişimler
Mimari nedenlerin yanı sıra, yapısal sistem tasarımındaki bazı hatalar da zayıf kat düzensizliği sorununa yol açabiliyor. Bu hatalar, genellikle taşıyıcı sistemin katlar arasında süreklilik göstermemesi durumunda ortaya çıkıyor. Mühendislik açısından bu tür ani değişimlerden kaçınılması gerekiyor. Yapısal sistemden kaynaklanan bazı hatalar şunlardır:
- Perde Duvarların Süreksizliği: Üst katlarda devam eden betonarme perde duvarların, zemin katta mimari nedenlerle aniden sonlandırılması en tehlikeli durumlardan biridir. Bu durum, rijitlikte çok büyük bir düşüşe neden oluyor.
- Kolon Boyutlarının Değişmesi: Üst katlardaki daha büyük kesitli kolonların, alt katlarda daha küçük kesitli kolonlara dönüştürülmesi kat rijitliğini azaltıyor.
- Taşıyıcı Sistem Tipinin Değişmesi: Bir katın perde-çerçeve sistemi ile tasarlanıp altındaki katın sadece çerçeve sistemi ile tasarlanması gibi ani sistem değişiklikleri de bu riski artırır. Altındaki katın ise sadece çerçeve sistemi ile tasarlanması gibi ani sistem değişiklikleri de bu riski artırır.
Bu tür yapısal hatalar, binanın deprem kuvvetlerini düzenli bir şekilde temele aktarmasını engelliyor. Bu da zayıf kat düzensizliği etkisini daha da artırıyor.
Deprem Sırasında Zayıf Katın Davranışı
Bir deprem meydana geldiğinde, yer hareketi binanın temeline etki ediyor. Bu hareket, binanın üst katlarının ileri geri sallanmasına neden olan atalet kuvvetleri oluşturuyor. Düzenli bir binada, bu sallanma hareketi ve deformasyon katlar arasında nispeten dengeli bir şekilde dağılıyor. Her kat, kendi rijitliği oranında bu yatay yüklere direnmektedir. Ancak, yapıda zayıf kat düzensizliği varsa, bu denge tamamen bozuluyor. Deprem enerjisi, en kolay yolu seçerek en esnek olan bu zayıf katta toplanıyor. Üst katlar, adeta tek bir rijit blok gibi davranarak zayıf katın üzerinde ileri geri sallanıyor. Bu durum, tüm deformasyonun bu tek bir katta yoğunlaşmasına yol açıyor. Bu aşırı deformasyon, zayıf kattaki kolonların taşıma kapasitesini aşabilmektedir. Sonuç olarak binanın göçmesine neden olabilir.
“Pankek Göçmesi” Riski ve Zayıf Kat Düzensizliği
Zayıf kat düzensizliğinin en trajik sonucu, “pankek göçmesi” olarak adlandırılan yıkılma şeklidir. Bu senaryoda, deprem sırasında tüm yanal deformasyon zayıf katta birikiyor. Bu katın kolonları, hem dikey yükleri taşırken hem de aşırı yatay yer değiştirmeye zorlanıyor. Bu birleşik etki altında, kolonlar taşıma güçlerini kaybederek aniden kırılıyor veya eziliyor. Zayıf katın taşıyıcı sistemi tamamen devre dışı kaldığında, üst katlar yerçekimi etkisiyle doğrudan bu katın üzerine çöküyor. Bu çökme, o kadar hızlı ve şiddetli oluyor ki, her bir kat döşemesi birbiri üzerine yığılıyor. Bu yıkılma şekli, bir pankek yığınını andırdığı için bu ismi alıyor. Pankek göçmesi, katlar arasında yaşam boşluğu bırakmadığı için en ölümcül göçme türlerinden biridir. Bu nedenle zayıf kat düzensizliği tespiti ve önlenmesi büyük önem taşıyor.
Tarihsel Depremlerden Zayıf Kat Örnekleri
Tarih boyunca yaşanan birçok yıkıcı deprem, zayıf kat düzensizliği sorununu acı bir şekilde gözler önüne seriyor. Bu depremlerde yıkılan binaların önemli bir kısmının bu yapısal kusura sahip olduğu gözlemleniyor. Bu trajediler, deprem yönetmeliklerinin gelişmesinde ve bu konudaki farkındalığın artmasında önemli bir rol oynuyor. Tarihten bazı önemli örnekler şunlardır:
- 1999 Kocaeli (Marmara) Depremi, Türkiye: Bu deprem, Türkiye’deki yapı stokunun en büyük zayıflıklarından birinin zayıf kat olduğunu gösteriyor. Özellikle zemin katları dükkan veya işyeri olarak kullanılan binaların birçoğu bu nedenle yıkılıyor.
- 1994 Northridge Depremi, ABD: Los Angeles’ta meydana gelen bu depremde, zemin katları açık otopark olan birçok apartman binası zayıf kat mekanizması ile göçüyor.
- 1985 Mexico City Depremi, Meksika: Bu depremde de, özellikle yüksek tavanlı lobilere sahip otel ve ofis binalarının zayıf katlar nedeniyle yıkıldığı görülüyor.
Böylece bu örnekler, zayıf kat düzensizliği probleminin coğrafyadan bağımsız, evrensel bir mühendislik sorunu olduğunu kanıtlıyor.
Zayıf Kat Düzensizliği Nasıl Tespit Edilmektedir? (TBDY-2018)
Bir katta zayıf kat düzensizliğinin olup olmadığını belirlemek, sadece görsel bir incelemeye dayanmamaktadır. Bu durum, mühendislik hesaplamaları gerektiren teknik bir tespittir. Türkiye’de yürürlükte olan “Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği” (TBDY-2018), bu düzensizliğin nasıl hesaplanacağını net bir şekilde tanımlıyor. Mühendisler, bu yönetmelikte belirtilen kurallara göre binanın yapısal analizini yapıyor. Analiz sonucunda, her bir katın yanal rijitliğini hesaplıyorlar. Yönetmelik, bir katın rijitliğinin, bir üstündeki katın rijitliğine oranını kontrol ediyor. Eğer bu oran, yönetmelikte izin verilen sınır değerinin altına düşüyorsa, o katta zayıf kat düzensizliği olduğu kabul ediliyor. Bu tespit, hem yeni tasarlanan binalar için hem de mevcut binaların deprem performansını değerlendirmek için gerçekleştiriliyor.
Rijitlik Düzensizliği Katsayısı (ηki) Hesabı
TBDY-2018’e göre, zayıf kat düzensizliğini kontrol etmek için “Rijitlik Düzensizliği Katsayısı (ηki)” adı verilen bir parametre hesaplanıyor. Bu katsayı, ardışık iki katın ortalama göreli kat öteleme oranlarının birbirine bölünmesiyle bulunmaktadır. Göreli kat ötelemesi, bir katın üst döşemesi ile alt döşemesi arasındaki yatay yer değiştirme farkını ifade ediyor. Rijitlik Düzensizliği Katsayısı’nın (ηki) hesabı şu adımları içeriyor:
- Yapısal Analiz: Öncelikle, bina modeli bir bilgisayar programı yardımıyla oluşturuluyor. Modele, yönetmelikte belirtilen deprem yükleri etki ettiriliyor.
- Kat Ötelemelerinin Belirlenmesi: Analiz sonucunda, her bir katın her iki ana deprem doğrultusu için yaptığı maksimum yer değiştirmeler (ötelemeler) elde ediliyor.
- Ortalama Göreli Kat Ötelemesinin Hesaplanması: Her kat için, o katın ötelemesinin kat yüksekliğine bölünmesiyle “ortalama göreli kat ötelemesi oranı” bulunmaktadır.
- ηki Katsayısının Hesaplanması: Herhangi bir “i” katı için, ηki = (Δi)ort / (Δi+1)ort formülü kullanılıyor. Yani, “i” katının oranı, bir üstündeki “(i+1)” katının oranına bölünüyor.
Yönetmelik, ηki katsayısının 2.0 değerini aşmasına izin vermez. Eğer ηki > 2.0 ise, binada zayıf kat düzensizliği var demektir.
Mevcut Binalarda Zayıf Kat Düzensizliği İçin Çözümler
Mevcut bir binada yapılan analizler sonucunda zayıf kat düzensizliği tespit edilirse, bu durumun mutlaka giderilmesi gerekiyor. Çünkü binayı bu kusurlu haliyle bırakmak, olası bir depremde büyük bir risk almak anlamına geliyor. Neyse ki mühendislikte bu sorunu çözmek için geliştirilmiş birçok etkili güçlendirme yöntemi mevcuttur. Bu yöntemlerin temel amacı ise zayıf olan katın yanal rijitliğini artırmaktır. Böylece kat, üst katlarla uyumlu hale getirilmektedir. Ancak hangi yöntemin seçileceği, binanın mevcut durumuna ve mimari kısıtlamalara bağlıdır. Ayrıca projenin bütçesi de bu seçimde rol oynar. Bu nedenle güçlendirme projesini, bu alanda uzmanlaşmış bir inşaat mühendisi hazırlıyor. Hazırlanan bu proje, binanın deprem güvenliğini önemli ölçüde artırıyor. Sonuç olarak zayıf kat düzensizliği güçlendirmesi, can güvenliği için yapılan en önemli yatırımlardan biridir.
Rijitliği Artırmaya Yönelik Yapısal Güçlendirme Yöntemleri
Zayıf katın rijitliğini artırmak için uygulanan en yaygın ve etkili yapısal güçlendirme yöntemleri şunlardır:
- Betonarme Perde Duvar Eklenmesi: Bu, en etkili ve en çok tercih edilen yöntemdir. Zayıf katın uygun akslarına, temelden başlayarak yeni betonarme duvarlar inşa ediliyor. Bu perdeler, katın yatay kuvvetlere karşı direncini önemli ölçüde artırıyor.
- Çelik Çapraz (Payanda) Eklenmesi: Mevcut kolonların arasına çelik profillerden oluşan çapraz bağlantılar ekleniyor. Bu çelik çaprazlar, bir kafes sistemi oluşturarak katın rijitliğini önemli ölçüde artırıyor. Bu yöntem, perde duvara göre daha hafif ve hızlı bir uygulamadır.
- Kolonların Güçlendirilmesi (Manto Uygulaması): Zayıf kattaki mevcut kolonların kesitleri büyütülüyor. Bu işlem, kolonların etrafına yeni donatılar eklenip beton dökülerek (betonarme manto) yapılıyor. Kolonun etrafı çelik plakalarla sarılarak (çelik manto) da yapılabilir.
- FRP (Fiber Takviyeli Polimer) Sargılama: Kolonların etrafı, yüksek mukavemetli karbon veya cam elyaf kumaşlarla sarılıyor. Bu yöntem, kolonların sünekliğini ve kesme kapasitesini artırarak ani bir şekilde kırılmalarını önlüyor.
Bu yöntemler, zayıf kat düzensizliği sorununu etkili bir şekilde çözüyor.
Youtube videolarımızı izlemek için buraya tıklayabilirsiniz.
Daha fazla bilgi almak ve bizimle iletişim kurmak için buraya tıklayabilirsiniz.
