Serin ve güneşli bir sonbahar sabahında İstanbul yine baş döndürücü derecede hareketli, her şey bir akım halinde, bunaltan trafiğin dışında şehirde seslerin ritmi her şeyin yolunda olduğunun kanıtı. Birden hafif bir sallantı hissedildi, herkes ve her şey bir an için durdu ve sustu.
Sonra şiddetli bir çalkalanma ve yüksek sesli bir uğultu kapladı her yanı. Saniyeler saatlere dönüşmüştü, bir dakikadan kısa bir süre bütün şehri allak bullak etti. Kuzey Anadolu fay hattı tekrar kırılmıştı. O hep olacağı öngörülen ama hesaplanamayan deprem olmuştu.
Görünen o ki yıkılan binaların yanında ayakta kalanlar da vardı ama bina içlerinde mahsur kalanların çığlıkları... etrafa yayılan gaz ve elektrik kaçağı kaynaklı yangının, yarattığı dumanlar...Su depolarının zarar görmesi sebebiyle suya ulaşamayan itfaiyeciler...
Çöken iletişim hatları ve sistemleri nedeniyle hiçbir planlama ve yönlendirme yapamayan yetkililer. Hasar gördüğü için kullanılamayıp kapanan yollar ve patlayan boru hatlarından yayılan ne olduğu bilinmeyen gazlar... Devrilen kazanlardan dökülen kimyasallara maruz kalan işçiler... Cihazları zarar gördüğü için yaralılara müdahale edemeyen hastaneler... Yüksek katlı plazanın enerji santralinin hasarı sebebiyle tahliye edilemeyen binlerce ofis çalışanı... Okul dolaplarının devrilmesiyle yaralanmış çocuklar... Tüm bunların hepsi gelecekte olası bir depremin senaryosu.
Dikkat ederseniz yukarıda bahsedilen durumların çoğu yapısal bir eleman hasarından çok yapısal olmayanların yarattığı sonuçlar. Yapısal olan elemanın hasarını önlemeden başlayamazsınız fakat, yapısal olmayanın hasarını dikkate almazsanız aynı noktaya geri dönebilirsiniz. İşte tam da bu noktada herkesin sorduğu veya sormak istediği soruya geliyoruz; benim yapım depreme ne kadar dayanıklı sorusundan çok ben bu yapıyı depremden sonra ne kadar süre sonra ve ne kadar maliyetle tekrar kullanabilirim.
Ülkemizde yüksek binalar giderek yaygın bir şekilde tasarlanmakta ve inşa edilmektedir. Yüksek yapıların sayılarının artmasıyla birlikte bu yapıların analizinde ve binanın olası bir deprem sonrasında bize nasıl hizmet vermeye devam edeceği sorunu son zamanlarda sürekli karşımıza çıkan bir sorudur. Tasarımda birçok sorunla karşılaşılmaktadır. Binalar yükseldikçe taşıyıcı sistemin 2 önemli unsurla baş etmesi gerekmektedir. Bunlardan biri rüzgâr diğeri ise depremdir. Tasarım mühendisleri binalarımızın bu iki unsurla olan savaşını, gerek yalıtım teknolojisinin gelişmesiyle gerekse yapılan gerçek bina testleriyle bir nebze de olsa kazanmayı başardılar. Ancak deprem sonrasında binaların nasıl hizmet vermeye devam edeceği bunların yatırımcıya nasıl ve ne şekilde yansıyacağı pek düşünülmedi. Deprem sonrası, bina kullanım performans çalışmaları ile ilgili literatürde özellikle son yıllarda yapılan çalışmalar az da olsa bulunmaktadır.
Geleneksel olarak ülkemizdeki tüm yüksek veya yüksek olmayan binaların taşıyıcı sistemi betonarme perde ve çerçevelerden oluşturulmaktadır. Olası deprem altında yüksek binaların tasarımı için ülkemizde 1 Ocak 2018 de yürürlüğe giren yeni deprem yönetmeliği bulunmaktadır (TBDY 2018). Bunun yanında uluslararası kaynak olan Tall Buildings Initiative (TBI, 2010) dan da yararlanılmaktadır. Bu yönetmelikler yüksek binalar için performansa dayalı tasarım ilkelerinin uygulanmasını gerektirmekte ve taşıyıcı sistem tasarımının doğrusal olmayan dinamik zaman tanım alanında analizleri ile yapılmasını gerektirmektedir.
Ülkemizdeki yapı stokuna ve yapılmakta olan yeni binalara baktığımızda oldukça yoğun bir yapılaşma olduğunu gözlemlemekteyiz. Yönetmeliklere uygun binaların çoğu, yaralanmaları önlemek, hasarı sınırlamak veya hızlı yenilenmeyi sağlamak için değil, can güvenliği sağlamak için tasarlanmıştır. Örneğin yeni deprem yönetmeliğinde, “tasarım depremi” olarak da adlandırılan DD-2 seviyesinde “Kontrollü Hasar” performans düzeyinin sağlanması şart koşulmuştur. Kontrollü Hasar tanımı ise yönetmelikte can güvenliğini sağlamak üzere bina taşıyıcı elemanlarında çok ağır olmayan ve çoğunlukla onarılması mümkün olan hasar düzeyi olarak belirtilmiştir. Tasarım mühendisinin ana görevi yapıda can güvenliğini sağlamaktır. Oysa İnsanların bir mühendisten beklentisi bunların çok üzerindedir. Dayanıklılık, planlama ve hazırlık, afet sonrası kullanım gibi terimler yapıyı kullanan ve yapı sahipleri için giderek daha önemli unsurlar haline geliyor. Bu nedenle deprem sonrası binaların durumunu analiz etmek için yönetmelik çalışmaları yapılmıştır.
Bu çalışmalardan biri olan USRC (US Resiliency Council, 2016) Derecelendirme Sistemi yapı resiliyans derecesini hesaplayarak yapıyı kullananlara, planlamacılarına, bina sahiplerine ve sigortacılarına yardımcı olmak için önemli eksik bilgileri gidermeyi sağlar.
Bu çalışmada, taşıyıcı sistem özellikleri verilen örnek bir yüksek katlı binanın sayısal analizi ve olası bir deprem sonrası binanın yapısal performansının yanı sıra, binada yapısal olmayan elemanların performansı, binanın hizmet vermesi için gereken zaman ve mali kayıp bilgileri bina performans derecelendirme yöntemi üzerinden sunulmuştur.
Mimari ve mekanik bileşenler bir binanın mülk zararlarının %70'inden fazlasını oluşturabilir. Kayıp giderleri ve iş kesintisi maliyetleri binanın değerini aşabilir.
YÖNTEM
Günümüzde çeşitli tasarım yöntemleri ve tercihleri bulunmaktadır. Betonarme binalar, çelik sistemin kullanıldığı yüksek yapılar ve kompozit (karma) yapılar gibi. Çeliğin hızlı yapım süreci ve mukavemeti, betonun ekonomik oluşu ve yangına karşı direnci, kompozit yapıların ise, özellikle yüksek yapılarda birçok sorunu aynı anda çözebilmesi nedeniyle kullanılması tasarım tercihlerini şekillendirmede önemli rol oynamaktadır.
Yukarıda belirtilen sistemlerdeki binalar ileri analiz yöntemler ile analiz edilir ve yapıyı oluşturan taşıyıcı sistem; örneğin betonarme perde, çevre kirişli ve çerçeve sistemli elemanlarla tasarlanır. Binanın hesap modeli oluşturulmadan önce, yapıda betonarme bir perde, kiriş ve kolonların sistem bazında nasıl modelleneceği ayrıntılı bir şekilde araştırılır.Bunu geleneksel yöntem olarak adlandırabiliriz ve iki grupta inceleyebiliriz.
Geleneksel Yöntemlerle Tasarım Klasik Hesap Yöntemi
Mühendis, yönetmelikteki kriterleri yerine getirmek için taşıyıcı elemanları ön hesaplarla belirler, boyutlandırır, detaylandırır. Yönetmelikteki kriterlerin çoğu bir seviyede deprem performansını sağlama amacıyla geliştirilmiştir. Fakat hedeflenen performans çoğu zaman açık ve anlaşılır değildir. Performansa Dayalı Tasarım ve Değerlendirme Yöntemi Amaç tanımlanmış performans hedeflerinin gereksinimlerini sağlamak ve kontrol etmektir. Performans, bir binanın deprem sırasında göstereceği davranışta alacağı hasar miktarına bağlıdır. Kullanılan yönetmeliklerden bazıları şunlardır;
• 1997 - FEMA 273, NEHRP Guidelines for the Seismic Rehabilitation of Buildings
2000 - FEMA 356, Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings
2007 ASCE /SEI 41-06, Seismic Rehabilitation of Existing Building 13-17
• 2007 Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik
• 2018 Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği
Performansa Göre Tasarım ve Değerlendirme (mevcut durum değerlendirmesi) Kesintisiz Kullanım; Sınırlı Hasar; Kontrollü Hasar; Göçmenin Önlenmesi gibi seviye hedefleriyle inceleme yapar (Şekil 3).
Yeni Nesil Yöntemlerle Tasarım
Yeni gereksinimler yeni çözüm arayışları getirdiğinden son yıllarda; Bir yapının deprem sırası ve sonrasında çevresini bile ele almak kaydıyla farklı hesap yöntemleri geliştirme ve sonuçları derecelendirme sistemleri üzerinde çalışılmaktadır. Bunlardan FEMA P58 (2018), aracı, yapısal olmayan elemanları da analize dahil ederek hesaplaması ve bu sonuçların USRC gibi derecelendirme programlarıyla yorumlayarak bir yapıyı ve süreci bütünüyle simule etmeyi amaçlamaktadır.
Resilyansa göre tasarımın ilk aşaması Bilgi kütüphanesinin ve Veri kümesinin oluşturulmasıdır. Bu analizler yapılmadan önce
şantiyeye gidilip bilgi toplanılması gibi düşünülebilir. Veri kümesini oluşturan ana bileşenler aşağıda verilmiştir:
Yapısal bileşenler (düşey ve yatay taşıyıcı elemanlar); Yapısal olmayan bileşenler (Soğutma kuleleri, jeneratörler, raflar gibi bina için önemli olan bileşenler); Kırılganlık eğrileri (Her tip yapısal ve yapısal olmayan eleman için); Binadaki kişi sayısı (hangi katta kaç kişi çalışıyor,m2 ye kaç kişi düşüyor, gece/ gündüz kişi sayısı vb bilgiler); Deprem talebi, Bina davranışı,(-yapısal model kurulup oradaki kat ivmeleri ve deplasmanları gibi veriler, ilgili kırılganlık eğrileri ve Monte Carlo simülasyonu kullanılarak elde edilir).
Şekil 6’da örnek bir binanın deprem sonrası onarım süresi ve onarım maliyet olasıksal sonuçları gösterilmiş, %50 olasılıkla tekrar kullanım için gereken süre 15 gün olarak hesaplanmıştır. Bu sürede yapısal ve yapısal olmayan elemanların katlara göre süre kayıp verilerini hangi katta hangi yapı elamanında ne kadar süre gerektiği tespit edilebilmektedir.
Elde edilen sonuçlar USRC (U.S. Resiliency Council) ve REDİ (Resilience-based Earthquake Design Initiative) gibi derecelendirme yöntemleri (Şekil 7) ile yorumlanabilir ve kullanılabilir hale getirebilir. USRC derecelendirme ölçeğinde bina performansı 3 farklı grupta (güvenlik, hasar ve yeniden kullanım) 5 farklı seviyede değerlendirilmiştir. REDİ derecelendirme sisteminde ise Onarım süresi, onarım maliyeti ve yaralanmalara bağlı olarak gümüş, altın ve platinyum olmak üzere 3 ana seviyede derecelendirme yapılmıştır.
ÇALIŞMADA KULLANILAN YAPININ DOĞRUSAL OLMAYAN ZAMAN TANIM ALANINDA ANALİZİ, MODELLEME VE PERFORMANS SONUÇLARININ BULUNMASI
Örnek Bir Yapı Özelliklerinin Belirtilmesi,
Bu çalışma 28 katlı binanın doğrusal olmayan performansa dayalı tasarım gerçelleme hesaplarını içermektedir. Yapının 2 bodrum katının üzerinde zemin ve çatı katları da dahil olmak üzere 28 kattan oluşmaktadır. Çatının zeminden yüksekliği 80.85 metredir. Tipik kat yüksekliği normal katlarda 3.20, bodrum katlarında 4.00, 3.50 ve 3.80 metredir (Şekil 8)
Doğrusal olmayan yapısal modellemede malzeme özellikleri beton için Mander,et al. makalesi TBDY 2018 Ek 5A'da tanımlanan sargılı ve sargısız beton modelleri (Şekil 9), çelik için ise TBDY 2018 Ek 5A'da tanımlanan gerilme-şekildeğiştirme bağıntıları kullanılmıştır. Yüksek bina türü olan bu yapıda kullanılan beton ve çelik, beklenen dayanım özellikleri aşağıda Tablo 1'de verilmiştir.
Deprem Düzeyleri
Deprem düzeyleri (DD1, DD2, DD3 ve DD4) Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği TBDY2018 Bölüm 3’den alınmıştır.
Analizlerde Kullanılacak Ölçeklendirilmiş Yer Hareketleri; Deprem Etkisinin Tanımlanması; Yapının zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizlerinde kullanılmak için sahaya özel deprem tehlike analizi çalışması yapılmıştır. DD1 deprem düzeyi için kullanılan ölçeklendirilmiş yer hareketi kayıtları şunlardır: RSN4841_Chuetsu-oki Japan, RSN4843_Chuetsu-oki Japan, RSN4872_Chuetsu-oki Japan, RSN5478_Iwate Japan, RSN5623_
Doğrusal olmayan analizler için sahaya özel deprem kayıtları Şekil 10'da gösterildiği gibi ölçeklendirilmiştir.
Çalışmada örnek binanın ön tasarım ve analiz modeli CSI ETABS ile zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizi ise CSI Perform3D programı kullanılarak elde edilmiştir.
DOĞRUSAL OLMAYAN ANALİZ SONUÇLARI VE DEĞERLENDİRME
Çalışmaya konu örnek yapının doğrusal olmayan analizinde katlara göre göreli kat ötelemeleri kontrolü, perdeler için şekil değiştirme kontrolü, perde duvarların kesme kapasite kontrolü, kolon elemanlarının uç bölgelerinde oluşan plastik mafsal dönme kontrolü yapılmış ve aşağıdaki sonuçlara ulaşılmıştır:
• Yapıda oluşan göreli kat ötelemeleri Göçmenin Önlenmesi performans seviyesini sağlamaktadır.
• Yapıdaki Perde duvarlarda oluşan birim şekildeğiştirmeler izin verilen sınır değerlerin altındadır.
• Yapıdaki Perde duvarların kesme dayanımları yeterlidir. • Yapıda Kolon ve Kirişlerde oluşan deformasyon talepleri yönetmeliğin izin verdiği sınırların altında kalmaktadır.
• Yapıdaki Bağ kirişleri Göçmenin Önlenmesi performans seviyesini sağlamaktadır.
Çalışma kapsamında zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz sonuçları, bina bilgileri, binadaki insanların zamana bağlı günlük yoğunluk bilgisi, bina yapısal ve yapısal olmayan bileşenleri, Performans Değerlendirme Hesap Aracı (PACT, 2018 ver. 3.1.2) tarafından sağlanan kırılganlık eğrileri ile kullanılarak çalışmaya konu ofis binası için 50 yılda %10 aşılma olasılığı ile onarım maliyeti ve onarım süresi değerlendirmesi yapılmıştır.
Performans tabanlı risk değerlendirmesinde Şekil 11'de onarım maliyetinin yıllık aşılma olasılığı verilmiştir. Şekil 11’de, Yıllık ortalama göçme olasılığı % 0.65 olarak bıulunmuştur. Bu da 1544 yıllık ortalama tekrarlama periyodu süresine denk gelmektedir. Benzer şekilde, binada mevcut güvenli olmayan bir yapısal olmayan elemanın göçme olasılığı yaklaşık 85 yıllık ortalama tekrarlama periyodu süresine ve yıllık ortalama %1.2 aşılma olasılığına eşit olduğunu göstermektedir. Şekil 11’de tahmin edilen zararın yıllık aşılma olasılığı %0.21 ve ilgili onarım maliyeti 8,75 milyon dolar olarak bulunmuştur. Bu da, binanın toplam yenileme maliyetinin% 91.6'sını temsil etmektedir. Benzer şekilde, yıllık ortalama onarım maliyeti 85,210.27 $ olarak bulunmuştur.
Elde edilen sonuçlar USRC ve REDI derecelendirme sistemleri
ile değerlendirilmiştir. USRC değerlendirme yönetiminde bina
performansı 5 seviye içerisinde 3.seviyede, REDİ derecelendirme sisteminde ise Silver (Gümüş) seviyesinde (Şekil 7) derecelendirilmiştir.
