215

MEVCUT YAPILARIN DEPREM GÜVENLİĞİNİN

DEĞERLENDİRİLMESİ VE GÜÇLENDİRME

Prof. Dr. Alper İLKİAraş. Gör. Erkan TÖRE

Prof. Dr. Alper İLKİ

216 217

MEVCUT YAPILARIN DEPREM GÜVENLİĞİNİN DEĞERLENDİRİLMESİ VE GÜÇLENDİRME

A. İlki1 ve E. Töre2

1Profesör, İnşaat Müh. Bölümü, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul, e-mail: ailki@itu.edu.tr2Araştırma Görevlisi, İnşaat Müh. Bölümü, Balıkesir Üniversitesi, Balıkesir, e-mail: tore@balikesir.edu.tr

ÖzetMevcut yapıların deprem güvenliğinin belirlenmesi ve yetersizliklerine göre güçlendirilmesi modern deprem yönetmeliklerinde performansa dayalı değerlendirilme ile gerçekleştirilmektedir. Deprem etkisi altında binada oluşması öngörülen hasar ve bu hasarın yapı içindeki dağılımı performans esaslı yaklaşım ile nicel olarak tanımlanmaktadır. Binanın deprem performans hedefini sağlamaması durumunda yapısal yetersizlikler analiz ve performans değerlendirme sonuçlarından ayrıntılı bir şekilde ortaya konulduğundan binanın güçlendirme gereksinimleri de belirlenmektedir. Deprem davranışı açısından belirlenen buyapısal yetersizlikler güçlendirme teknikleri ile giderilmekte ve mevcut yapının hedeflenen performans düzeyini sağlaması için davranış iyileştirilmektedir. Deprem Yönetmeliği’nde mevcut binaların deprem güvenliğinin belirlenmesi için yer alan performansa dayalı doğrusal elastik olmayan değerlendirme yöntemi burada temel hatları ile anlatılarak performans esaslı yaklaşımların günümüz yapı mühendisliğindeki önemi bu çerçevede açıklanmıştır. Ayrıca yapısal güçlendirme kavramı ana hatları ile aktarılmaya çalışmış, eleman güçlendirilmesi ve sistem iyileştirilme tekniklerine örnekler verilmiştir.

1.Giriş1990’lı yılların ortalarında dünyada meydana gelen büyük depremler (Northridge 1994, Kobe 1995) sonrasında kuvvete dayalı yaklaşımlar ile uygun şekilde tasarlanmış binaların can güvenliğini sağladığı, fakat meydana gelen hasar sonucu onarım-yenileme maliyetleri ve ekonomik faaliyetlerde yaşanan duraksamanın büyük ekonomik kayıplara neden olduğu görülmüştür. Bu durum sonucunda yapı mühendisliğinde yeni tasarım ve değerlendirme felsefelerinin geliştirilmesi ihtiyacı duyulmuş ve bu amaçla öngörülen deprem tehlikesi altında yapıda oluşması beklenen hasarın nicel olarak tanımlanmasına imkan sunan “Performansa dayalı deprem mühendisliği” yaklaşımı Amerika Birleşik Devletlerinde gerçekleştirilen öncü çalışmalar (FEMA 273, Vision 2000, ATC 40) ile ortaya konmuştur(Lee ve Mosallam 2006). Bu yaklaşım ilerleyen yıllarda gerçekleştirilen çok sayıda deneysel ve teorik bilimsel çalışma ile hızlı bir gelişim göstermiş ve özellikle mevcut binaların değerlendirilmesi ile birlikte önemli yapıların tasarımında da tercih edilmeye başlanmıştır.Ülkemizde ise Marmara 1999 ve Düzce 1999 depremleri sonucunda ortaya çıkan büyük can ve mal kayıpları mevcut binaların deprem güvenliklerinin güvenilir bir şekilde belirlenmesi ihtiyacını ortaya koymuştur. Dünyadaki yapı mühendisliğindeki gelişmelere paralel olarak mevcut binaların değerlendirilmesi ve güçlendirilmesinde performansa dayalı yaklaşım Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmeliği’nde (2007) yerini almıştır. Uygulamada yaklaşık on senedir kullanılan bu yaklaşımın binalarda deprem etkisi altında oluşacak elastik ötesi şekildeğiştirmelerin, yani hasarın yapı içindeki dağılımını belirlemesi ve nicel olarak tanımlaması binaların gerçek deprem davranışları hakkında çok daha ayrıntılı bilgi sağlamaktadır. Mevcut binaların performans değerlendirilmesi sonucu deprem davranışı açısından dayanım, rijitlik ve süneklik karakteristiklerindeki yetersizlikler ayrıntılı olarak belirlenebilmekte ve buna uygun güçlendirme tasarımı binadan beklenen performansı

217

MEVCUT YAPILARIN DEPREM GÜVENLİĞİNİN DEĞERLENDİRİLMESİ VE GÜÇLENDİRME

A. İlki1 ve E. Töre2

1Profesör, İnşaat Müh. Bölümü, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul, e-mail: ailki@itu.edu.tr2Araştırma Görevlisi, İnşaat Müh. Bölümü, Balıkesir Üniversitesi, Balıkesir, e-mail: tore@balikesir.edu.tr

ÖzetMevcut yapıların deprem güvenliğinin belirlenmesi ve yetersizliklerine göre güçlendirilmesi modern deprem yönetmeliklerinde performansa dayalı değerlendirilme ile gerçekleştirilmektedir. Deprem etkisi altında binada oluşması öngörülen hasar ve bu hasarın yapı içindeki dağılımı performans esaslı yaklaşım ile nicel olarak tanımlanmaktadır. Binanın deprem performans hedefini sağlamaması durumunda yapısal yetersizlikler analiz ve performans değerlendirme sonuçlarından ayrıntılı bir şekilde ortaya konulduğundan binanın güçlendirme gereksinimleri de belirlenmektedir. Deprem davranışı açısından belirlenen buyapısal yetersizlikler güçlendirme teknikleri ile giderilmekte ve mevcut yapının hedeflenen performans düzeyini sağlaması için davranış iyileştirilmektedir. Deprem Yönetmeliği’nde mevcut binaların deprem güvenliğinin belirlenmesi için yer alan performansa dayalı doğrusal elastik olmayan değerlendirme yöntemi burada temel hatları ile anlatılarak performans esaslı yaklaşımların günümüz yapı mühendisliğindeki önemi bu çerçevede açıklanmıştır. Ayrıca yapısal güçlendirme kavramı ana hatları ile aktarılmaya çalışmış, eleman güçlendirilmesi ve sistem iyileştirilme tekniklerine örnekler verilmiştir.

1.Giriş1990’lı yılların ortalarında dünyada meydana gelen büyük depremler (Northridge 1994, Kobe 1995) sonrasında kuvvete dayalı yaklaşımlar ile uygun şekilde tasarlanmış binaların can güvenliğini sağladığı, fakat meydana gelen hasar sonucu onarım-yenileme maliyetleri ve ekonomik faaliyetlerde yaşanan duraksamanın büyük ekonomik kayıplara neden olduğu görülmüştür. Bu durum sonucunda yapı mühendisliğinde yeni tasarım ve değerlendirme felsefelerinin geliştirilmesi ihtiyacı duyulmuş ve bu amaçla öngörülen deprem tehlikesi altında yapıda oluşması beklenen hasarın nicel olarak tanımlanmasına imkan sunan “Performansa dayalı deprem mühendisliği” yaklaşımı Amerika Birleşik Devletlerinde gerçekleştirilen öncü çalışmalar (FEMA 273, Vision 2000, ATC 40) ile ortaya konmuştur(Lee ve Mosallam 2006). Bu yaklaşım ilerleyen yıllarda gerçekleştirilen çok sayıda deneysel ve teorik bilimsel çalışma ile hızlı bir gelişim göstermiş ve özellikle mevcut binaların değerlendirilmesi ile birlikte önemli yapıların tasarımında da tercih edilmeye başlanmıştır.Ülkemizde ise Marmara 1999 ve Düzce 1999 depremleri sonucunda ortaya çıkan büyük can ve mal kayıpları mevcut binaların deprem güvenliklerinin güvenilir bir şekilde belirlenmesi ihtiyacını ortaya koymuştur. Dünyadaki yapı mühendisliğindeki gelişmelere paralel olarak mevcut binaların değerlendirilmesi ve güçlendirilmesinde performansa dayalı yaklaşım Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmeliği’nde (2007) yerini almıştır. Uygulamada yaklaşık on senedir kullanılan bu yaklaşımın binalarda deprem etkisi altında oluşacak elastik ötesi şekildeğiştirmelerin, yani hasarın yapı içindeki dağılımını belirlemesi ve nicel olarak tanımlaması binaların gerçek deprem davranışları hakkında çok daha ayrıntılı bilgi sağlamaktadır. Mevcut binaların performans değerlendirilmesi sonucu deprem davranışı açısından dayanım, rijitlik ve süneklik karakteristiklerindeki yetersizlikler ayrıntılı olarak belirlenebilmekte ve buna uygun güçlendirme tasarımı binadan beklenen performansı

sağlayacak şekilde gerçekleştirilebilmektedir. Mevcut binaların değerlendirilmesi ve güçlendirilmesinin yanı sıra farklı deprem tehlike seviyeleri için farklı performans hedeflerinin belirlenebildiği bu yaklaşımla deprem sonrası hizmetine devam etmesi beklenen hastane ve enerji yapıları gibi önemli binalar ile uzun periyotlu yüksek binaların tasarımları da günümüzde etkin olarak gerçekleştirilmektedir.

2. Performansa Dayalı Tasarım ve DeğerlendirmeYapı mühendisliğinde depreme dayanıklı yapı tasarımın ana ilkesi “hafif şiddetli depremlerde yapıda hasar meydana gelmemesi, orta şiddetli depremlerde onarılabilir seviyede hasara izin verilmesi, çok şiddetli depremlerde ise göçmenin önlenerek can güvenliğinin sağlanması” olarak modern deprem yönetmeliklerinde yer almaktadır. Farklı deprem seviyeleri için yapıların sağlaması gereken koşulların tanımlandığı bu ilkede aslında bir performans hedefi tanımlaması yapılmaktadır. Dayanım esaslı tasarımda yapının doğrusal elastik ötesi davranışı taşıyıcı sistem davranış katsayısı kullanılarak deprem kuvvetinin azaltılması yolu ile dikkate alınmaktadır. Doğrusal elastik hesap yöntemleri ile yapılan analizde bu deprem yükü azaltma katsayısı ile öngörülen yapının deprem etkisi altında sergileyeceği sünek davranış kapasite tasarım ilkeleri ve sargılama gibi yapısal elemanların sünekliğini arttıracak özel tasarım detayları ile yapıya kazandırılmaktadır. Belirli bir tasarım depremi etkisi göz önüne alınarak yapılan bu hesaplamalarda yapının yukarıda belirtilen deprem performans hedeflerini sağlayıp sağlamadığı kontrol edilememektedir. Yapıya niteliksel olarak kazandırılan süneklik özelliğinin dayanım (kuvvet) esaslı tasarım ile nicel olarak tanımlanması söz konusu değildir.Performans esaslı diğer bir tanımla şekildeğiştirmeye dayalı tasarımda ise yapının öncelikle servis yükleri altında doğrusal elastik hesap ile bir ön tasarım gerçekleştirilir. Daha sonra yapının farklı deprem tehlike seviyeleri için sağlaması gereken performans hedefleri belirlenir. Yapının bu farklı deprem tehlike seviyeleri altında doğrusal elastik olmayan hesap yöntemleri ile analizi gerçekleştirilerek ilgili deprem seviyesinde performans noktalarına karşılık gelen iç kuvvet ve şekildeğiştirme istemleri hesaplanır. Bu istemlerin sünek davranış sergileyen kesitlerde mevcut malzeme şekildeğiştirme sınırları ile karşılaştırılarak sağlanıp sağlanmadığı kontrol edilir. Hedeflenen performans seviyesinin sağlanmaması durumunda tasarım yenilenerek tekrar analiz gerçekleştirilir. Mevcut bir yapının deprem güvenliğinin belirlenmesinde de benzer bir yol izlenilir. Tek fark yeni yapı için yapılan ön tasarım yerine mevcut yapı hakkında gerekli bilgilerin (mevcut malzeme dayanımları, taşıyıcı sistem geometrisi, tasarım detayları vb.) toplanması aşaması yer almaktadır. Yürürlükteki deprem yönetmeliğinde (DBYBHY 2007) performans esaslı yaklaşım mevcut binaların değerlendirilmesi ve güçlendirilmesi için dikkate alındığından ilerleyen bölümlerdeki tanımlamalar bu kapsamda verilmiştir. Yürürlüğe girecek yeni deprem yönetmeliğinde performans esaslı yaklaşım “şekildeğiştirmeye dayalı tasarım” adıyla yeni binalarında tasarımını kapsayacak şekilde daha geniş kapsamlı yer alacaktır.

2.1. Deprem tehlike düzeyiMevcut deprem yönetmeliğinde (DBYBHY 2007) tasarım depremi 50 yılda aşılma olasılığı %10 olan deprem olarak tanımlanmaktadır. Tasarım depreminin etkisi hesaplamalardadeprem bölgeleri haritasında belirtilen bölgelere bağlı olarak etkin yer ivmesi ve özellikleri yönetmelikte verilen zemin sınıfına bağlı elastik tasarım spekturumu ile göz önüne alınmaktadır. Performans esaslı mevcut binaların değerlendirilmesinde farklı performans hedefleri için ihtiyaç duyulan farklı deprem tehlike düzeyleri; tasarım depreminin 0.5 katı olarak 50 yılda aşılma olasılığı %50 olan “kullanım depremi” ve 1.5 katı olarak 50 yılda

218 219

aşılma olasılığı %2 olan “en büyük deprem” olarak tanımlanmaktadır (İlki ve Celep 2011).Eğer analizlerde zaman tanım alanında doğrusal elastik olmayan hesap kullanılacaksa yönetmelikte tanımlanan özelliklerde ve tasarım spektrumuna uygun yer ivmesi kayıtlarının kullanılması gerekmektedir.Son yıllarda yeni deprem yönetmeliği çalışmaları ile paralel olarak yürütülen çalışmalarla deprem etkisinin coğrafi konuma ve zemin özelliklerine bağlı olarak tanımlanan özel deprem spektrumları ile farklı deprem tehlike düzeyleri için belirlenmesi mümkün olacaktır (Sucuoğlu 2015). Çok yakın bir gelecekte yeni deprem yönetmeliği ile birlikte deprem etkisini daha ayrıntılı olarak sunan bu deprem tehlike haritalarının kullanımına geçilecektir.

2.2. Performans HedefleriPerformans esaslı değerlendirmede öncelikle deprem tehlike düzeyine ve binanın kullanım önemine göre bir performans hedefi belirlenir. DBYBHY (2007) de binalar için performans hedefleri minimum performans düzeyleri olarak verilmektedir (Tablo 1.). Bu performans hedefi doğrusal elastik olmayan analiz sonrası deprem talepleri ile eleman kapasitelerinin karşılaştırması sonucu belirlenen bina performans düzeyi ile karşılaştırılarak deprem performans hedefinin sağlandığı kontrol edilmektedir.

Tablo 1. Binalar için öngörülen minimum performans hedefleri (DBYBH 2007)

Binanın kullanım amacı ve türüDepremin 50 yıldaaşılma olasılığı

% 50 % 10 % 2

Deprem sonrası hemen kullanımı gereken binalarHastaneler, sağlık tesisleri, itfaiye binaları, haberleşme ve enerji tesisleri, ulaşım istasyonları, vilayet, kaymakamlık, belediye binaları, afet yönetim merkezleri, vb

– HK CG

İnsanların uzun süreli ve yoğun olarak bulunduğu binalar ve müzelerOkullar, yatakhaneler, yurtlar, pansiyonlar, askeri kışlalar, cezaevleri, müzeler, vb - HK CG

İnsanların kısa süreli ve yoğun olarak bulunduğu binalarSinema, tiyatro, konser salonları, kültür merkezleri, spor tesisleri, vb. HK CG -

Tehlikeli madde içeren binalarToksik, parlayıcı ve patlayıcı özellikleri olan maddelerin bulunduğu ve depolandığı binalar, vb

– HK GÖ

Diğer binalarYukarıdaki tanımlara girmeyen diğer binalar (konutlar, işyerleri, oteller, turistik tesisler, bina türü endüstri yapıları, vb)

– CG –

2.3. Yapısal Modelleme ve Doğrusal Elastik Olmayan AnalizPerformans esaslı tasarım ve değerlendirmede yapının deprem davranışının gerçeğe yakın bir şekilde belirlenmesi elastik ötesi şekildeğiştirmelerin meydana gelmesi beklenen bölgelerde doğrusal olmayan davranışın doğru bir şekilde modellenmesine bağlıdır. Yapısal elemanların doğrusal olmayan davranışı belirleyen parametre sayısının çok fazla olması (plastik mafsal boyu, sargı donatısının özellikleri, bindirme eklerinde detaylar vb.) davranışın modellenmesini karmaşıklaştırmakta ve yeterli seviyede bilgi birikimi ile tecrübe gerektirmektedir. Yönetmelikte tanımlanan yığılı plastik kesit (plastik mafsal) modellemede kullanılabileceği gibi, her bir fiber elemanına malzeme modeli tanımlaması yapılabilen fiber kesitler gibi günümüzde daha gelişmiş davranış modelleme teknikleri de kullanılabilmektedir. Doğrusal elastik olmayan analizde zaman tanım alanında hesap yöntemi kullanılacak ise

219

aşılma olasılığı %2 olan “en büyük deprem” olarak tanımlanmaktadır (İlki ve Celep 2011).Eğer analizlerde zaman tanım alanında doğrusal elastik olmayan hesap kullanılacaksa yönetmelikte tanımlanan özelliklerde ve tasarım spektrumuna uygun yer ivmesi kayıtlarının kullanılması gerekmektedir.Son yıllarda yeni deprem yönetmeliği çalışmaları ile paralel olarak yürütülen çalışmalarla deprem etkisinin coğrafi konuma ve zemin özelliklerine bağlı olarak tanımlanan özel deprem spektrumları ile farklı deprem tehlike düzeyleri için belirlenmesi mümkün olacaktır (Sucuoğlu 2015). Çok yakın bir gelecekte yeni deprem yönetmeliği ile birlikte deprem etkisini daha ayrıntılı olarak sunan bu deprem tehlike haritalarının kullanımına geçilecektir.

2.2. Performans HedefleriPerformans esaslı değerlendirmede öncelikle deprem tehlike düzeyine ve binanın kullanım önemine göre bir performans hedefi belirlenir. DBYBHY (2007) de binalar için performans hedefleri minimum performans düzeyleri olarak verilmektedir (Tablo 1.). Bu performans hedefi doğrusal elastik olmayan analiz sonrası deprem talepleri ile eleman kapasitelerinin karşılaştırması sonucu belirlenen bina performans düzeyi ile karşılaştırılarak deprem performans hedefinin sağlandığı kontrol edilmektedir.

Tablo 1. Binalar için öngörülen minimum performans hedefleri (DBYBH 2007)

Binanın kullanım amacı ve türüDepremin 50 yıldaaşılma olasılığı

% 50 % 10 % 2

Deprem sonrası hemen kullanımı gereken binalarHastaneler, sağlık tesisleri, itfaiye binaları, haberleşme ve enerji tesisleri, ulaşım istasyonları, vilayet, kaymakamlık, belediye binaları, afet yönetim merkezleri, vb

– HK CG

İnsanların uzun süreli ve yoğun olarak bulunduğu binalar ve müzelerOkullar, yatakhaneler, yurtlar, pansiyonlar, askeri kışlalar, cezaevleri, müzeler, vb - HK CG

İnsanların kısa süreli ve yoğun olarak bulunduğu binalarSinema, tiyatro, konser salonları, kültür merkezleri, spor tesisleri, vb. HK CG -

Tehlikeli madde içeren binalarToksik, parlayıcı ve patlayıcı özellikleri olan maddelerin bulunduğu ve depolandığı binalar, vb

– HK GÖ

Diğer binalarYukarıdaki tanımlara girmeyen diğer binalar (konutlar, işyerleri, oteller, turistik tesisler, bina türü endüstri yapıları, vb)

– CG –

2.3. Yapısal Modelleme ve Doğrusal Elastik Olmayan AnalizPerformans esaslı tasarım ve değerlendirmede yapının deprem davranışının gerçeğe yakın bir şekilde belirlenmesi elastik ötesi şekildeğiştirmelerin meydana gelmesi beklenen bölgelerde doğrusal olmayan davranışın doğru bir şekilde modellenmesine bağlıdır. Yapısal elemanların doğrusal olmayan davranışı belirleyen parametre sayısının çok fazla olması (plastik mafsal boyu, sargı donatısının özellikleri, bindirme eklerinde detaylar vb.) davranışın modellenmesini karmaşıklaştırmakta ve yeterli seviyede bilgi birikimi ile tecrübe gerektirmektedir. Yönetmelikte tanımlanan yığılı plastik kesit (plastik mafsal) modellemede kullanılabileceği gibi, her bir fiber elemanına malzeme modeli tanımlaması yapılabilen fiber kesitler gibi günümüzde daha gelişmiş davranış modelleme teknikleri de kullanılabilmektedir. Doğrusal elastik olmayan analizde zaman tanım alanında hesap yöntemi kullanılacak ise

tersinir ve tekrarlı davranış karakteristikleri içeren modellerin kullanılması gerekmektedir. Doğrusal olmayan davranışa ait daha fazla ayrıntı içeren modellerin kullanılması analizlerde kullanılacak analiz programlarının çözümleme kapasitelerine bağlı olduğu gibi daha fazla çözüm süresi gerektireceği de bilinmelidir. Yapısal modellemede eğilme elemanlarının elastik ötesi şekilideğiştirmelerin beklendiği bölgeler dışındaki kısımları çatlamış kesit etkin eğilme rijitlikleri dikkate alınacak şekilde doğrusal olarak modellenmektedir.Doğrusal elastik olmayan analiz için deprem yönetmeliğinde üç hesap yöntemi bulunmaktadır. Davranışında birinci doğal titreşim modunun hakim olduğu binalar için kullanılabilen ve deprem etkisinin birinci mod şekli göz önüne alınarak eşdeğer statik yük olarak kabul edildiği “Artımsal Eşdeğer Deprem Yükü Yöntemi ile İtme Analizi”; daha fazla titreşim modlarının yapı davranışında etkin olduğu binalar için “Artımsal Mod Birleştirme Yöntemi ile İtme Analizi” ve deprem etkisinin yapay veya kaydedilmiş yer hareketleri olarak uygulandığı “Zaman Tanım Alanında Doğrusal Olmayan Hesap Yöntemi”. Bu yöntemlerle gerçekleştirilen doğrusal elastik olmayan analizden elde edilen yapısal elemanlara ait iç kuvvet dağılımları ve doğrusal olmayan şekildeğiştirme değerleri eleman hasar düzeyinin belirlenmesine ve performansın değerlendirilmesinde kullanılır.

2.4. Performans Düzeyinin belirlenmesi ve Performans DeğerlendirilmesiDoğrusal elastik olmayan statik itme analizleri sonucunda yapı davranışı taban kesme kuvvetine karşılık tepe yerdeğiştirmesi olarak elde edilen “kapasite eğrisi” ile temsil edilmektedir. Kapasite eğrisinin her bir itme adımına karşılık gelen koordinatları yönetmelikte tanımlandığı şekli ile modal ivme ve yerdeğiştirmeye dönüştürülerek “modal kapasite eğrisi”elde edilmektedir. Binanın birinci doğal titreşim periyoduna bağlı olarak ilgili deprem tehlike düzeyini temsil eden spektrumdan “eşit yerdeğiştirme” veya “eşit enerji” kurallarına göre binanın deprem etkisinde yapacağı modal yerdeğiştirme değeri hesaplanmaktadır (Şekil 1.).Bu deprem etkisi altındaki öngörülen yerdeğiştirmenin hesaplamalarına ilşikin ayrıntılı bilgiler Deprem Yönetmeliği’nde verilmektedir. Bulunan modal yerdeğiştirme değerinde gerekli dönüşümler yapılarak binanın performans noktası olarak tanımlanan tepe yerdeğiştirme değeri bulunmaktadır. Doğrusal elastik olmayan itme analizinde bu tepe yerdeğiştirmesine karşılık gelen iç kuvvet dağılımları ve şekildeğiştirme değerleri depremin yapıdan doğrusal olmayan davranış istemlerini oluşturmaktadır. Analiz yöntemi olarak zaman tanım alanında hesap kullanılması durumunda deprem etkisi binaya yer hareketi olarak uygulandığı için analiz sonucunda elde edilen en büyük iç kuvvet ve şekildeğiştirme değerleri ilgili yer hareketi kaydına bağlı depremin istemini vermektedir.

Şekil 1. Elastik spektrum eğrisi ile kapasite eğrisinin kesiştirilerek performans noktasının bulunması (Ilki ve

Celep 2011)

Sae1

S =de1

Sae1

ω12

ay1

T > T1 B(a) T < T1 B(b)

Sa Sa

Sdd1Sdd1

ω12

1

(p)d = Sdi11

(p)d = S =di1S

de1

ay1Performansnoktası

Performansnoktası

220 221

Doğrusal elastik olmayan analizden elde edilen kesme kuvveti istemleri öncelikle yapısal elemanların ve kolon-kiriş birleşim bölgelerinin kesme kapasiteleri ile karşılaştırarak sistemde gevrek güç tükenmesi kontrolü yapılmaktadır. Yapısal modellemede doğrusal olmayan davranış için plastik mafsal modeli kullanıldı ise analiz sonucunda plastik deformasyonlar plastik dönme olarak elde edilecektir. Bu durumda öncelikle plastik dönmelerden plastik eğrilik istemine dönüşüm gerçekleştirilmektedir. Bulunan plastik eğrilik istemi akma eğriliği ile toplanarak toplam eğrilik istemi hesaplanabilmekte ve toplam eğriliğe karşılık gelen malzemelere ait şekildeğiştirme istemleri elde edilebilmektedir. Gevrek güç tükenmesinin söz konusu olmadığı elemanlarda malzemelere ait şekildeğiştirme istemleri yönetmelikte verilen yapısal eleman hasar sınırları (Şekil 2.) ile karşılaştırılarak, doğrusal elastik olmayan davranışın söz konusu olduğu her bir kesit için hasar düzeyi bulunduğu hasar bölgesine göre belirlenmektedir (Şekil 3.).

Şekil 2. Malzemeler için şekildeğiştirme hasar sınırları (İlki ve Celep 2011)

Şekil 3. Kesit hasar sınırları ve bölgeleri (İlki ve Celep 2011)

Yapısal elemanlarda doğrusal elastik ötesi şekildeğiştirmelerin gerçekleştiği bölgelerde hasar düzeylerinin belirlenmesi ile deprem etkisi altında oluşacak hasarın dağılımı belirlenmekte ve hasar durumu nicel olarak tanımlanmaktadır. Binada belirlenen hasar durumuna bağlı deprem yönetmeliğinde performans düzeyleri; Hemen Kullanım, Can Güvenliği ve Göçme Öncesi olarak verilmektedir. Analizler sonucu belirlenen hasar durumu yönetmelikteki performans düzeylerini tanımlayan hasar durumlarına göre karşılaştırılarak ilgili deprem tehlike düzeyinde binanın performans düzeyi belirlenir. Eğer binanın hasar durumu Göçme Öncesi performans düzeyini sağlamıyorsa bina Göçme durumundadır. Bina için ilgili deprem tehlikesi düzeyinde belirlenen performans düzeyi bina için önceden belirlenen performans hedefini sağlamıyor ise binanın güçlendirilmesi veya yıkılması konusunda değerlendirme yapılması gerekmektedir.

0 4 8 12 16

200

400

S420b

S220

s

s(M

Pa)

σ

ε (%)

MN GV GÇ

Belirgin hasar bölgesi

İleri hasarbölgesi

Minimumhasar bölgesi

1.0

4.0

6.0

Göçmebölgesi

0 2 4

σ /

f c

ε (%o)c

c

6 8 10 12 14 16 18

0.5

1.0

3.5

4.0

13.5

18.0

GV GÇ

MN; GV

GÇ

Belirgin hasar bölgesiİleri hasarbölgesi

Minimumhasar bölgesi

Sargısız

Sargılı

Göçmebölgesi

(a) Beton (b) Donatı

MN

Minimumhasarsınırı(MN)

Güvenliksınırı(GV)

Göçmesınırı(GÇ)

Minimumhasarbölgesi

Belirginhasarbölgesi

İlerihasarbölgesi

Göçmebölgesi

Şekildeğiştirme

İç k

uvve

t

221

Doğrusal elastik olmayan analizden elde edilen kesme kuvveti istemleri öncelikle yapısal elemanların ve kolon-kiriş birleşim bölgelerinin kesme kapasiteleri ile karşılaştırarak sistemde gevrek güç tükenmesi kontrolü yapılmaktadır. Yapısal modellemede doğrusal olmayan davranış için plastik mafsal modeli kullanıldı ise analiz sonucunda plastik deformasyonlar plastik dönme olarak elde edilecektir. Bu durumda öncelikle plastik dönmelerden plastik eğrilik istemine dönüşüm gerçekleştirilmektedir. Bulunan plastik eğrilik istemi akma eğriliği ile toplanarak toplam eğrilik istemi hesaplanabilmekte ve toplam eğriliğe karşılık gelen malzemelere ait şekildeğiştirme istemleri elde edilebilmektedir. Gevrek güç tükenmesinin söz konusu olmadığı elemanlarda malzemelere ait şekildeğiştirme istemleri yönetmelikte verilen yapısal eleman hasar sınırları (Şekil 2.) ile karşılaştırılarak, doğrusal elastik olmayan davranışın söz konusu olduğu her bir kesit için hasar düzeyi bulunduğu hasar bölgesine göre belirlenmektedir (Şekil 3.).

Şekil 2. Malzemeler için şekildeğiştirme hasar sınırları (İlki ve Celep 2011)

Şekil 3. Kesit hasar sınırları ve bölgeleri (İlki ve Celep 2011)

Yapısal elemanlarda doğrusal elastik ötesi şekildeğiştirmelerin gerçekleştiği bölgelerde hasar düzeylerinin belirlenmesi ile deprem etkisi altında oluşacak hasarın dağılımı belirlenmekte ve hasar durumu nicel olarak tanımlanmaktadır. Binada belirlenen hasar durumuna bağlı deprem yönetmeliğinde performans düzeyleri; Hemen Kullanım, Can Güvenliği ve Göçme Öncesi olarak verilmektedir. Analizler sonucu belirlenen hasar durumu yönetmelikteki performans düzeylerini tanımlayan hasar durumlarına göre karşılaştırılarak ilgili deprem tehlike düzeyinde binanın performans düzeyi belirlenir. Eğer binanın hasar durumu Göçme Öncesi performans düzeyini sağlamıyorsa bina Göçme durumundadır. Bina için ilgili deprem tehlikesi düzeyinde belirlenen performans düzeyi bina için önceden belirlenen performans hedefini sağlamıyor ise binanın güçlendirilmesi veya yıkılması konusunda değerlendirme yapılması gerekmektedir.

0 4 8 12 16

200

400

S420b

S220

s

s(M

Pa)

σ

ε (%)

MN GV GÇ

Belirgin hasar bölgesi

İleri hasarbölgesi

Minimumhasar bölgesi

1.0

4.0

6.0

Göçmebölgesi

0 2 4

σ /

f c

ε (%o)c

c

6 8 10 12 14 16 18

0.5

1.0

3.5

4.0

13.5

18.0

GV GÇ

MN; GV

GÇ

Belirgin hasar bölgesiİleri hasarbölgesi

Minimumhasar bölgesi

Sargısız

Sargılı

Göçmebölgesi

(a) Beton (b) Donatı

MN

Minimumhasarsınırı(MN)

Güvenliksınırı(GV)

Göçmesınırı(GÇ)

Minimumhasarbölgesi

Belirginhasarbölgesi

İlerihasarbölgesi

Göçmebölgesi

Şekildeğiştirme

İç k

uvve

t

3. GüçlendirmeMevcut yapıların büyük bir çoğunluğu yeterli mühendislik hizmeti alınmadan gerçekleştirilen tasarım ve uygulama sonucunda deprem davranışını olumsuz etkileyecek çok sayıda yapısal kusura sahiptir. Düşük malzeme kalitesi, geniş etriye aralıkları, uygun olmayan donatı detayları ve taşıyıcı sistemde eleman süreksizlikleri bu yapısal kusurlara örnek olarak verilebilir. Bu yapılar deprem etkisi altında yeterli dayanım, rijitlik ve süneklik özelliklerini sergileyemez ve yapıda can kaybına neden olabilecek kısmi veya toptan göçme durumu gözlenir. Meydana gelecek depremlerdeki söz konusu can ve mal kayıpları riskinin azaltılması için bu tür yapıların acil olarak güçlendirilmesi veya yenilenmesi gerekmektedir. Sahip oldukları yapısal kusurlara bağlı davranış karakteristiklerinde yetersizlik olan binaların dışında yapıldıkları zamandaki yönetmeliklere göre uygun yapılmış fakat günümüz modern yönetmeliklerinin deprem güvenliği gereksinimlerini tam olarak karşılayamayan yapılar ve kullanım amacının değişmesine bağlı olarak farklı deprem tehlike düzeyleri altında farklı performans hedeflerini sağlaması beklenen yapılarında güçlendirme ihtiyacı bulunmaktadır. Zamana bağlı çevresel koşullar altında yapı davranışını etkileyecek seviyede hasarın söz konusu olduğu binalarda ise öncelikle onarım sonrasında ise hasarın sebep olduğu olumsuz etkilerin ortadan kaldırılması için güçlendirme faaliyetlerinin gerçekleştirilmesi gerekmektedir.Günümüzün önemli mühendislik faaliyetlerinden olan deprem etkilerine karşı güçlendirme genel anlamda yapının dayanım, rijitlik ve süneklik karakteristiklerindeki yetersizliklerin ortadan kaldırılarak yapının belirli deprem tehlikesi altında hedeflenen performans düzeyini sağlaması amacıyla gerçekleştirilen tasarım ve uygulama faaliyetleri olarak tanımlanabilmektedir. Dayanım, rijitlik ve süneklik özelliklerinin birisinde olan yetersizliğin giderilmesi için yapılacak güçlendirme tasarımı diğerlerini de etkileyebileceği için güçlendirme problemleri üç özelliğinde bir arada düşünülmesinin gerektiği, ileri seviyede bilgi ve tecrübe gereksinimi duyulan mühendislik problemleridir. Farklı yapıların birbirinden farklı nedenlere bağlı yetersizliklerinin bulunması güçlendirme tasarımının yapıya özel gerçekleştirilmesini ve probleme uygun alternatif tasarımların oluşturulmasını gerektirmektedir. Ekonomiklik ve kullanılabilirlik kriterleri açısından değerlendirme yapılarak alternatifler arasından en uygun tasarım uygulama için seçilmektedir. Güçlendirme tasarımının gerçekleştirilmesi için öncelikle söz konusu yetersizlikler hakkında ayrıntılı bilgi sağlanması ve deprem güvenliğinin belirlenmesi gerekmektedir. İlgili yapı için gerçekleştirilen performansa dayalı değerlendirme ile yapı elemanlarındaki hasarın seviyesi ve yapı içindeki dağılımı belirlenebildiğinden, deprem davranışı açısından söz konusu yetersizlikler eleman ve taşıyıcı sistem seviyesinde belirlenebilmektedir. Buna bağlı olarak yapılacak güçlendirme tasarımı eleman güçlendirmesi ve sistem iyileştirmesi olarak iki ana gruba ayrılmaktadır. Yapı ağırlığının azaltılarak deprem davranışında iyileşmenin sağlanması ve sismik izolatörlerin sisteme dahil edilmesi ile depremin yapıya olan etkisinin azaltılması güçlendirme tasarımlarına alternatif yöntemler olarak karşımıza çıkmaktadır.

3.1. Eleman GüçlendirmesiMevcut yapının deprem güvenliğinin belirlenmesi amacı ile gerçekleştirilen performansa dayalı değerlendirme sonucunda yapısal elemanların dayanım ve şekildeğiştirme kapasitelerinin deprem istemine göre durumu belirlenebilmektedir. Dayanım ve süneklik açısından yetersizlikleri bulunan yapısal elemanlara gerçekleştirilecek güçlendirme ile sağlanan davranıştaki eleman seviyesindeki iyileşme yapının deprem davranışının da iyileşmesine neden olmaktadır. Eleman güçlendirme yöntemleri olarak kirişlerde kesme kapasitesini arttırmak ve şekildeğiştirme kapasitesini kısmi iyileştirmek için dıştan etriye

222 223

ekleme, çelik levhalar ile güçlendirme ve lifli polimer kompozitler ile sargılama uygulanmaktadır (Şekil 4.). Kirişlerin eğilme kapasitesinin veya rijitliğinin arttırılması gereken durumlarda betonarme mantolama ile kesit boyutlarının arttırılması gerçekleştirilebilmektedir. Yapıların deprem davranışında düşey taşıyıcı olarak daha etkin olan kolonlar ise betonarme mantolama, çelik ve lifli polimer sargılama yöntemleri ilegüçlendirilmektedir (Şekil 5.). Çelik ve lifli polimer sargılama ile eleman eksenel yük ve kesme kapasitesi ile şekildeğiştirme kapasitesinde artışı hedeflenmekte iken, betonarme mantolama ile bunlara ek olarak eğilme kapasitesinde de artış sağlanmaktadır.

a)

b)Şekil 4. Kiriş güçlendirme türleri; a) dıştan etriye ekleme b) Lifli polimer ile sargılama (DBYBHY 2007)

a) b) c)

Şekil 5. Kolon güçlendirme uygulamaları; a) betonarme mantolama b) çelik sargılama (http://buildingresearch.com.np)

c) Lifli polimer ile sargılama

223

ekleme, çelik levhalar ile güçlendirme ve lifli polimer kompozitler ile sargılama uygulanmaktadır (Şekil 4.). Kirişlerin eğilme kapasitesinin veya rijitliğinin arttırılması gereken durumlarda betonarme mantolama ile kesit boyutlarının arttırılması gerçekleştirilebilmektedir. Yapıların deprem davranışında düşey taşıyıcı olarak daha etkin olan kolonlar ise betonarme mantolama, çelik ve lifli polimer sargılama yöntemleri ilegüçlendirilmektedir (Şekil 5.). Çelik ve lifli polimer sargılama ile eleman eksenel yük ve kesme kapasitesi ile şekildeğiştirme kapasitesinde artışı hedeflenmekte iken, betonarme mantolama ile bunlara ek olarak eğilme kapasitesinde de artış sağlanmaktadır.

a)

b)Şekil 4. Kiriş güçlendirme türleri; a) dıştan etriye ekleme b) Lifli polimer ile sargılama (DBYBHY 2007)

a) b) c)

Şekil 5. Kolon güçlendirme uygulamaları; a) betonarme mantolama b) çelik sargılama (http://buildingresearch.com.np)

c) Lifli polimer ile sargılama

3.2. Sistem İyileştirmesiPerformans değerlendirmesi sonucu yapının deprem davranışında taşıyıcı sistem açısından dayanım, rijitlik ve süneklik yetersizlikleri söz konusu ise sistem davranışının iyileştirilmesi yönünde güçlendirme teknikleri uygulanmaktadır. Sistem iyileştirmesi için en yaygın olarak tercih edilen yöntem yapıya içeriden veya dışarıdan uygun şekilde betonarme perde duvar eklenmesidir (Şekil 6.). Yapının uygunluğuna ve güçlendirme gereksinimlerine bağlı olarak çelik çapraz sistemler kullanılarak da sistem davranışının iyileştirilmesi gerçekleştirilebilmektedir (Şekil 7.). Betonarme perde ve çelik çaprazlara görece daha yeni bir teknik olarak kabul edilebilecek dolgu duvarların hasır çelik donatılı sıva veya lifli polimer kompozitler ile güçlendirilerek taşıyıcı sisteme dahil edilmesi diğer bir sistem iyileştirme tekniğini oluşturmaktadır (Şekil 9.). Sistem iyileştirilmesi bütün yapıda uygulanabileceği gibi sadece zayıflığın olduğu bölgelerde de gerçekleştirilebilmektedir. Yapıda bulunan yumuşak katın çeşitli yöntemler ile güçlendirilmesi (Şekil 8.) ve kısa kolonların oluşumuna neden olan durumların kaldırılması bölgesel olarak gerçekleştirilen sistem iyileştirilmesi örneklerindendir.

a) b)

Şekil 6. Sisteme a) dışarıdan b) içeriden betonarme perde eklenmesi (Wenk 2008)

a) b)

Şekil 7. Farklı çelik çapraz sistemler ile sistem iyileştirmesi (Wenk 2008)

224 225

Şekil 8. Boru kesitli çelik çapraz sistemler ile yumuşak katın güçlendirilmesi (Wenk 2008)

a)

b)

Şekil 9. a) hasır çelik donatılı özel sıva b) lifli polimer kompozitler ile dolgu duvarların güçlendirilerek taşıyıcı sisteme dahil edilmesi (DBYBHY 2007)

225

Şekil 8. Boru kesitli çelik çapraz sistemler ile yumuşak katın güçlendirilmesi (Wenk 2008)

a)

b)

Şekil 9. a) hasır çelik donatılı özel sıva b) lifli polimer kompozitler ile dolgu duvarların güçlendirilerek taşıyıcı sisteme dahil edilmesi (DBYBHY 2007)

3.3. Güçlendirme Stratejisinin GeliştirilmesiYapıda söz konusu olan yetersizliklere bağlı belirtilen eleman güçlendirme ve sistem iyileştirme tekniklerinden biri veya birkaçı birlikte kullanılarak güçlendirme tasarımı gerçekleştirilmektedir. Güçlendirme tekniklerinin üstün özellikleri ile birlikte zayıflıkları da söz konusu olmaktadır. Betonarme mantolama ile dayanım, rijitlik ve süneklikte artış sağlanmakta iken yapısal eleman boyutlarının arttırılması nedeni kullanım alanı azalmakta ve mimari görünüm etkilenmektedir. Lifli polimer kompozitler ile eleman boyutlarında değişim olmamakta ve güçlendirme diğer yöntemlere göre daha kısa sürelerde tamamlanabilmekte iken lifli polimer malzemenin maaliyeti daha yüksek olmaktadır. Verilen örneklerde görüldüğü gibi güçlendirme tasarımının gerçekleştirilmesi, deprem güvenliğinin iyileştirilmesi için yapısal davranış parametrelerinin yanı sıra kullanılabilirlik, maaliyet ve tamamlanma süresi gibi birçok parametrenin dikkate alınmasının gerektiği deneyim gerektiren mühendislik problemleridir. Yapılan güçlendirme tasarımı sonrasında yapının deprem güvenliğinin tekrar değerlendirilmesi ve hedeflenen performans seviyesinin sağlandığının kontrol edilmesi gerekmektedir. Yapılan çok sayıda güçlendirme tasarımı alternatifleri arasından mal sahibi ile davranış parametreleri dışındaki parametreler (kullanılabilirlik, maliyet, uygulama süresi vb.) açısından değerlendirme yapılarak uygulanacak güçlendirme tasarımına karar verilmektedir.

4. SonuçlarPerformansa dayalı değerlendirme ile deprem etkisi altında yapıda meydana gelmesi beklenen hasar düzeyi ve hasarın yapı içindeki dağılımı nicel olarak belirlenebilmekte ve yapının deprem davranışı hakkında ayrıntılı bilgi sağlanmaktadır. Ayrıca binanın kullanım amacına bağlı farklı deprem tehlike düzeylerine göre farklı performans hedefleri tanımlanabilmektedir. Bina için belirlenen performans hedefinin sağlanmaması durumunda yapısal elemanlardaki şekildeğiştirme ve dayanım kapasiteleri yetersizlikleri ile taşıyıcı sistemin deprem davranışı açısından yetersizlikleri doğrusal elastik olmayan analiz sonuçlarından belirlenebilmekte ve uygun eleman veya sistem güçlendirilmesine karar verilebilmektedir. Çok yakın bir gelecekte performans esaslı yaklaşımlar önemli yapıların tasarımında zorunluluk olarak, diğer yapıların tasarımında ise deprem güvenliğinin performans kavramı ile ayrıntılı bir şekilde tanımlanmasıiçin alternatif olarak yönetmeliklerde yerini alacaktır.

KaynaklarApplied Technology Council (1996). ATC-40, Seismic Evaluation and Retrofit of Concrete

Buildings, California.Bayındırlık ve İskan Bakanlığı (2007). DBYBHY 2007, Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar

Hakkında Yönetmelik, Ankara.FEMA 273 (1997). NEHRP Guidelines for the seismic rehabilitation of buildings, Washington,

DC, USAİlki, A. ve Celep, Z. (2011). Betonarme Yapıların Deprem Güvenliği, 1. Türkiye Deprem

Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı, 11-14 Ekim 2011, ODTÜ, AnkaraLee, H. ve Mosallam, K.M. (2006). Probabilistic Seismic Evaluation of Reinforced Concrete

Structural Components and Systems, PEER Report 2006/04, University of California, BerkeleyStructural Engineers Association of California (SEAOC) (1995). Vision 2000, Performance-based

seismic engineering. Sacramento, CA: SEAOCSucuoğlu, H. (2015). Performans Esaslı Deprem Mühendisliği, 3. Türkiye Deprem Mühendisliği

ve Sismoloji Konferansı, 14-16 Ekim 2015, DEÜ, İzmirWenk, T. (2008). Seismic retrofitting of structures strategies and collection of examples in

Switzerland. ETH Zurich Research Collection, the Federal Office for the Environment FOEN, Bern

226 227