Performansa dayalı sismik tasarım

PERFORMANSA DAYALI SİSMİK TASARIM
Bengi Arısoy 1
[email protected]
Öz: Performansa dayalı sismik tasarım, yapının deprem sırasında ve sonrasında göstereceği
davranışın, yapıdan beklenilen ölçütlerde olmasını sağlayan tasarımdır. Bu tasarım birden
fazla yer hareket seviyesi ve performans kriterleri seçilerek yapının bu kriterleri sağlayacak
şekilde tasarlanması esasına dayanmaktadır. Performans ölçütleri yapının kullanım
özellikleri ile doğrudan ilişkilidir. Depremden hemen sonra kullanım, can güvenliğin
sağlanması ve depremden sonra ekonomik kayıpların azaltılması temel ölçütlerdir.
Tanımlanan bu ölçütler çerçevesinde yapının en ekonomik şekilde tasarımı performansa
dayalı tasarımın diğer bir boyutudur. Bu bildiride performansa dayalı tasarım incelenmiş,
yapı performans ölçütleri, genel performans ve yer hareket seviyelerinin bir fonksiyonu
olarak ifade edilmiştir. Bu konu üzerinde yapılan çalışmalar yapı sistemi tasarımında
esneklikler getirdiği gibi daha güvenli tasarımlar oluşturulduğu görülmüştür. Bu tasarım
sisteminin yönetmeliklerde yer alması ülke genelinde uygulamaların standart hale
gelmesini sağlamaktadır. Böylece can ve mal varlığı kayıplarının önlenmesinde temel
emniyet oluşturulmuş olacaktır.
Anahtar Kelimeler: Performance Based Design, Earthquake Resistant Building, Performansa Dayalı Tasarım,
Depreme Yanaklı Yapı
Giriş
Birçok ülkede yürürlükte olan deprem yönetmelikleri, yapıların tespit edilen bir yer hareketi temel alınarak
tasarımlanması esasına dayanır. “Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik” (1998) yönetmeliğinde
yapılar 50 yıl içinde %10 olasılıkla olabilecek şiddetli bir deprem için tasarlanır. 50 yıl ise bir yapının ekonomik
ömrüdür. Bu durumda, yapı ekonomik ömrü içinde %10 olasılığı ile oluşabilecek şiddetli bir depremde hasar alabilecek
ancak yıkılmayacak şekilde tasarlanmak istenmektedir. Bununla beraber, depreme dayanıklı yapı tasarımı konusunda
son yıllarda ön plana çıkan ve yapı tasarımını yapıdan beklenilen performansa göre tanımlayan, performansa dayalı
tasarım adıyla anılan bir model geliştirilmiştir. Bu model, performans ölçütlerinin belirlenmesi ve bu ölçütlerde en
düşük maliyetli bir yapının tasarlanması esasına dayanır. Yapı tasarımındaki iki önemli boyut, güvenlik ve maliyet,
performansa dayalı tasarım modeli ile optimal olarak bir araya getirilir. Performansa dayalı sismik tasarım yaklaşımında
yapılmak istenen, yapı için uygun bir yerin seçimi de dahil olmak üzere yapıyı inşa edip, oluşabilecek bir deprem için
yapının davranışını ve performansını belirleyecek bir metot oluşturmaktır. Burada kullanılan yapı performansı yapının
deprem etkisi altında ne kadar bir hasarı karşılayacağının ve hasar boyutlarının ölçüsüdür. Konu bütün yapı tiplerini, bu
yapılardaki bütün taşıyıcı ve taşıyıcı olmayan elemanları kapsamaktadır. Kullanılan “performansa dayalı sismik
tasarım” tanımlaması yeni olmakla beraber, amacı şimdiye kadar uygulanan deprem yönetmeliklerinin amacıyla
aynıdır: yapının küçük depremlerde hiç hasar almadan, orta şiddetteki depremlerde onarılabilecek hasarlarda, şiddetli
depremlerde de büyük hasarlar olmasına rağmen yıkılmasını önlemek. Ancak geliştirilen yeni yapım teknikleri ve yapı
malzemeleri sayesinde ve yapı davranışını daha çok doğrulukla belirlenmesini sağlayan analiz yöntemleriyle yapı
performansının daha doğruya yakın bir şekilde belirlenmesi mümkün olabilmektedir. Böylece yapının performansı
başlangıçta belirlenen ölçütlerle örtüşebilmektedir.
Performansa Dayalı Sismik Tasarım Karakteristikleri
Performansa dayalı sismik tasarım karakteristikleri aşağıdaki şekilde belirlenebilir:
•
Yapı tasarımı için uygun yer hareketi ivme seviyesi belirlenir ve bu seviyedeki yer hareketini karşılayacak
tasarımlar belirlenir.
•
Çeşitli seviyelerdeki yer hareketi ivmeleri için yapı performansı belirlenir.
•
İstenilen performansa karşılık verecek yapı tasarımının ekonomik analizleri yapılıp, kıyaslanır.
İnşa edilecek olan yapı performans seviyeleri aşağıdaki gibi gruplanabilir:
481
A)
B)
C)
D)
yapı elemanlarında hiçbir hasar olmadığı, tamamen kullanılabilir
hasarlı ancak kullanılmaya devam edilebilir, kullanılabilir
hayati güvenliği sağlayıcı
yıkılması çnlenmiş
Yukarıda tanımlanan dört performans seviyesi niteliksel olarak yoruma açıktır. Bundan dolayı özellikle hayati güvenliği
sağlayıcı ve yıkılmaya yakın yapı tanımlamalarının daha net olarak açıklanmalıdır. NEHRP yönetmeliğinde hayati
güvenliği sağlayıcı performans seviyesi için yapının taşıyıcı sisteminin yanal yüklere karşı gerilmelerinin azalması
sonucu yapıda oluşacak deformasyonlarin % 75 kadarının oluşması, yıkılmaya yakın yapı performans seviyesi için
yapının düşey yüklere karşı gerilmelerinin azalması sonucu yapıda oluşacak deformasyonların %75 kadarının oluşması
ancak bu deformasyonların yanal yüklere karşı olan gerilme azalması sonucu oluşacak deformasyonların %75’inden az
olması şeklinde tanımlanmaktadır.
Buna karşılık olabilecek deprem hareketleri ise:
A)
hafif ancak sıklıkla görülen, 50 yıl içinde %50 olasılıkla görülen depremler
B)
orta şiddette nadir görülen, 50 yıl içinde %10 olasılıkla görülecek deprem
A)
şiddetli ancak çok nadir, 50 yıl içinde %0.2 olasılıkla görülecek deprem
olarak gruplanabilir. İnşa edilecek yapılar ise:
1.Grup Yapılar: deprem sonrası hemen kullanılması gereken yapılar, örneğin hastaneler, dispanserler, sağlık ocakları,
itfaiye bina ve tesisleri gibi yüksek seviyede dayanım beklenen
2. Grup Yapılar: insanların uzun süreli ve yoğun olarak bulunduğu ve değerli eşyaların saklandığı yapılar, örneğin
okullar, askeri kışlalar, müzeler
3.Grup Yapılar: diğer binalar örneğin konutlar, işyerleri gibi orta seviyede dayanım beklenen yapılar olarak
sınıflandırılabilir. Buna bağlı olarak, inşa edilecek yapı tipi, performans seviyesi ve deprem hareketlerinin bir
fonksiyonu olarak grafik şeklinde gösterilebilir. Şekil 1’de yer alan grafik tasarlanacak olan yapı tipi, performans
seviyesi (yatay eksen) ve yer hareketi seviyesinin (düşey eksen) fonksiyonu olarak gösterimidir.
Bununla beraber bu tasarım modeli bütün yapının genel performansını değerlendirmektedir. Bununda bazı sakıncaları
bulunmaktadır. Bir yapı bütün olarak istenilen performansı gösterdiği halde yapı içinde bazı kritik elemanlar istenilen
performansta olmayabilir. Bu durumda bu elemanların deprem etkisi altındayken beklenmeyen şekilde hasara uğraması
bütün yapıyı tehlikeye sokmaktadır. Böylece tasarım ölçütleri belirlenirken yapıdaki nazik elemanların da dikkate
alınması gereği ortaya çıkmaktadır. Bundan dolayı bu nazik elemanların performansı ile bütün yapının performansını
bir şekilde birbirleriyle ilişkili yada bağlantılı hale getirmek gerekmektedir. Bu sorun şimdiye kadar formülüze
edilememiş, sorun mühendisin algılamasına bırakılmıştır.
Performans Ölçütlerinin Belirlenmesi
Performans ölçütlerinin belirlenmesi için öncelikle bütün yapı elemanları için detaylı hasar tanımlamaları yapılmalıdır.
Hasar tanımlamalarına göre performans ölçütleri detaylı olarak belirlenebilir. Yapı hasarları hayati güvenliği sağlayıcı
be yapının yıkılmasını önleyici performans seviyeleri için çeşitli yapı elemanları için bazı örnekler aşağıda verilmiştir.
Bununla beraber bazı yönetmeliklerde bütün yapı elemanları için detaylı listeler oluşturulmuştur (FEMA 356).
Betonarme çerçevelerde hasarlar, kirişlerde sıvaların dökülüp, 3 mm kalınlığında çatlaklarının oluşması, birleşim
yerlerinde ezilmeler ve kalınlığı 3 mm den az çatlakların oluşması hasarın hayati güvenlik seviyesinde, 3 mm den daha
geniş çatlakların oluşması, birleşim yerlerinde mafsallaşmalar oluşması yıkılmaya yakın performans seviyesi kriterleri
arasındadır.
Çelik çerçeveler için, kirişlerde burkulma oluşması, birleşim yerlerinde şekil değiştirmelerin ve mafsallaşma oluşması
hayati güvenliği sağlayıcı, kolon ve kirişlerde büyük şekil değişikliklerinin ve burkulmaların oluşması yıkılmaya yakın
performans seviyesi kriterleri arasındadır.
Yapı malzeme özellikleri, inşa teknikleri ve inşa kalitesi faktörlerinin yapı elemanının üzerindeki etkileri de göz önüne
alındığında hasar tanımlamalarına göre belirlenen performans ölçütleri gerçeği yansıtmayabilir. Bu nedenle performans
ölçütlerinin tasarım açısından mümkün olup olmadığı da belirlenmelidir.
482
Yer Hareketi Seviyesi
Hasarsız
Hemen
Hayati
Yıkılması
Kullanıla Güvenliği
bilirlik
Sağlayabilirlik Önlenebilirlik
Sık
50 yıl -%50
3. Grup
Yapılar
Nadir
50 yıl-%10
Çok nadir
50 yıl- %2
1. Grup
Yapılar
2. Grup
Yapılar
Yapı Performans S eviyesi
Şekil 1. Yer Hareketi- Yapı performansı Seviyesi İlişkisi (SEAOC, Visison 2000 Project)
Yapı performansı
Yapı performansı seçilen bir yer hareketi seviyesine göre bir çok gelişmiş yöntemle belirlenebilir. Bunlar lineer statik,
lineer olmayan (non-lineer) statik, lineer dinamik, lineer olmayan (non-lineer) dinamik analiz yöntemler olarak
sıralanabilir. Lineer yöntemler beklenen non-lineerlik az olması halinde, statik analiz genellikle yüksek olmayan sıradan
yapılar için, dinamik analiz ise yüksek ve burulma etkileri çok olan yapılar için uydundur. Burada geçen lineer olma
hali lineer elastik olmayı ifade etmektedir. Lineer olmayan yöntemler ise bütün yapı tipleri için uygundur. Burada geçen
lineer olamam hali lineer olamayan malzeme ve geometrik non-lineer olmayı ifade etmektedir. Ancak bu yöntemler
arasında uygulanması diğerlerine göre daha basit olan lineer statik analizdir. Bu yöntem statik itme analizi olarak da
bilinir.
Sonuçlar
Performansa dayalı sismik tasarım yaklaşımı yapı tasarımı açısından seçilmiş olan ölçütlerde bir çok alternatif çözüm
sunmaktadır. Sunulan bütün alternatifler hem ekonomik hem istenilen dayanımda bir ürün elde etmek üzere
hazırlanmıştır. Yapının şiddetli bir depremden sonra hizmet görüyor olması, genel olarak çok az hasar alması, yapının
elastik yada elastikliğe yakın bir davranış için tasarlandığının göstergesidir ve bunu sağlamak için lineer elastik analiz
yöntemleri yeterlidir. Bununla beraber uygun yük seviyesinin belirlenmesi yada beklenenden daha büyük bir depremin
oluşma olasılığının belirlenmesi tasarım için analiz kadar önemlidir. Yapıların göçme halleri için güvenilir bir
değerlendirme yöntemi yada prosedür oluşturulması gerekmektedir. Böylece yapılarda uygun güvenlik sınırları tespit
edilip bu sınırlar çerçevesinde hareket edilmelidir.
KAYNAKLAR
Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik, 1998.
Federal Emergency Management Agency (FEMA 356), NEHRP Commentary on the Guidelines for the Seismic
Rehabilitation of the Buildings, (2000).
National Earthquake Hazards Reduction Program (NEHRP)
Structural Engineers Association of California (SEAOC), Vision 2000 report.
483