performans esasli deprem mÜhendİslİĞİçözümleri, doğrusal olmayan sonlu elemanlar...
TRANSCRIPT
3. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı
14-16 Ekim 2015 – DEÜ – İZMİR
PERFORMANS ESASLI DEPREM MÜHENDİSLİĞİ
H. Sucuoğlu1
1
Profesör, İnşaat Müh. Bölümü, ODTÜ, Ankara
Email: [email protected]
ÖZET:
Günümüz deprem mühendisliğinde yapıların dayanım özelliklerinden ziyade deprem performansı özellikleri ön
plana çıkmaya başlamıştır. Bir yapının deprem performansı, belirli bir deprem etkisi altında ne düzeyde hasar
göreceği ve bu hasarın yapının güvenliğini ve kullanımını nasıl etkileyeceği ile ilişkilidir. Dolayısıyla deprem
performansının belirlenmesinde deprem etkisi altında yapı elemanlarında oluşan iç kuvvetlerden çok şekil
değiştirmelerin (iç deformasyonlar) hesaplanması önem kazanmaktadır. Zira yapı elemanlarında doğrusal elastik
sınırlar ötesine geçen bölgelerde hesaplanan deformasyonların bu bölgelerde meydana gelen hasarlarla ilişkisini
kurmak çok daha gerçekçi sonuçlar vermektedir. Bir yapıda deprem etkisi altında eğer doğrusal elastik sınırların
ötesinde doğrusal olmayan davranış meydana geliyorsa, bu yapıda eleman deformasyonlarının ve iç
kuvvetlerinin gerçekçi biçimde hesaplanabilmesi için doğrusal olmayan (nonlineer) hesap yöntemlerini
kullanmak gerekir. Ancak doğrusal olmayan hesap yöntemleri doğrusal elastik yöntemler kadar basit değildir.
Bu nedenle doğrusal olmayan hesap yöntemleri normal değil kritik öneme sahip binaların tasarımında
kullanılmaktadır. Bu makalede önce yeni nesil deprem yönetmeliklerinde yer alan performansa dayalı tasarım
ilkeleri değerlendirilecektir. Bu kapsamda gerek yapısal sistem elemanlarının, gerekse yapısal olmayan
elemanların tasarımında dikkate alınan performans ilkeleri irdelenecektir. Hesap yöntemlerinin uygulamasındaki
zorluklar ve gerekli mühendislik altyapısı tartışılacaktır. Performand esaslı tasarım uygulamaları çeşitli örnekler
üzerinde irdelenecektir.
ANAHTAR KELİMELER : Deprem performansı, Doğrusal olmayan yöntem, Şekil değiştirme.
1. GİRİŞ
Performans Esaslı Deprem Mühendisliği’nin genel bir tanımı aşağıdaki gibi yapılabilir:
“Tasarlanan yapı belirli bir deprem etkisi altında, gerek şekil değiştirme, gerekse iç kuvvet dağılımı bakımından
bizim ön gördüğümüz davranışı göstermeli, eğer hasar oluşacaksa, bu hasarlar bizim tanımladığımız bölgelerde,
bizim izin verdiğimiz miktarlarda olmalıdır.”
Esasında bu hedefler klasik deprem tasarımında da dolaylı olarak vardır. Ancak kullanılan hesap yöntemleri ile
şekil değiştirme ve kuvvet dağılımlarının gerçekçi olarak hesaplanması (davranışın kontrol edilmesi) mümkün
değildir. Son yıllarda gerek deprem tehlikesinin hesabında, gerek yapı malzemelerinin mekanik özelliklerinin
modellenmesinde, gerekse yapı analizi yöntemlerinde önemli gelişmeler olmuştur. Deprem tehlikesi, deprem yer
hareketi veri tabanının zenginleşmesine paralel olarak azalım ilişkisi modelleri ve istatistiksel hesap
yöntemlerindeki gelişmeler sonucunda spektral ivme haritaları ile ifade edilebilmektedir. Diğer bir deyişle her
coğrafi noktanın kendine ait bir deprem tasarım spektrumu olabilmektedir. Bir inşaat sahası için deprem
tehlikesini 50 yılda yüzde 70, 50, 10 ve 2 aşılma olasılıkları için oldukça güvenilir biçimde tanımlamak
mümkündür. Böylece farklı deprem şiddetleri için farklı yapı performansları tanımlama imkanı ortaya çıkmıştır.
Diğer yandan yapı malzemelerinin ve bileşenlerinin doğrusal olmayan davranışının gerçekçi olarak
modellenmesi konusundaki çalışmalar ve bu modellerin etkin hesaplama yöntemleri ile simülasyonlarının
geliştirilmesi daha kapsamlı yapı modellerinin hazırlanmasına olanak sağlamaktadır. Örneğin fiber model
3. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı
14-16 Ekim 2015 – DEÜ – İZMİR
tekniğinin betonarme perdeler için uygulanması sonucunda perdeli yapı modellerinin doğrusal olmayan dinamik
çözümleri, doğrusal olmayan sonlu elemanlar modellerine göre çok daha kolay ve hızlı yapılabilmektedir.
Betonarme ve çelik birleşim bölgelerinin ve eğilme-kesme etkisi altındaki betonarme elemanların doğrusal
olmayan davranışını temsil eden modeller de geliştirilmektedir. Nihayet, zaman alanında doğrusal olmayan
dinamik çözüm yöntemleri ve bu yöntemlerin daha basit uygulamalarını temsil eden çok modlu doğrusal
olmayan statik analiz yöntemleri gittikçe daha çok geliştirilmeye ve kullanılmaya başlanmıştır. Sonuç olarak tüm
bu gelişmelerin tasarım pratiğine aktarılması durumunda, yapıların deprem performansları önceye oranla çok
daha güvenilir olarak ‘hesaplanabilir’ duruma gelmiştir.
Yapıların deprem etkisi altındaki davranışının gerçekçi olarak hesaplanabilmesi için çoğunlukla doğrusal
olmayan (nonlinear) hesap yöntemlerinin kullanılması gereklidir. Doğrusal elastik yöntemler ancak eşdeğer kesit
rijitlikleri kullanarak ve sadece şekildeğiştirmelerin hesabında, belirli sınırlar içerisinde geçerlidir. Ancak
doğrusal olmayan hesap yöntemleri doğrusal yöntemler kadar basit değildir. Ayrıca bu yöntemler halen lisans
düzeyindeki inşaat mühendisliği eğitim programı içerisinde yer almamaktadır. Dolayısıyla performans esaslı
tasarım ve değerlendirme yöntemlerinin olağan yapılar (normal yükseklikteki konut ve işyeri binaları) için
uygulanması henüz pek gerçekçi değildir ve yeni nesil deprem yönetmeliklerinde de bu binaların tasarımı
konvansiyonel kuvvet esaslı yöntemlerle yapılmaktadır. Yeni nesil deprem yönetmeliklerinde performans esaslı
deprem mühendisliği uygulamaları günümüzde yüksek binaların tasarımı (TBI, 2010; LATBDC, 2014), sismik
yalıtımlı binaların tasarımı (Eurocode 8, 2004; ASCE 7-10, 2010), mevcut binaların güçlendirilmesi (ASCE 41,
2007) ile mevcut binaların deprem performanslarının, güvenliklerinin ve risklerinin beirlenmesi (FEMA P-58-1,
2012) konularını kapsamaktadır. Ancak zaman içerisinde uygulama kapsamının genişleyeceği şüphesizdir.
Örneğin yapıların deprem performanslarını önemli ölçüde etkileyen, ancak tasarımda dikkate alınmayan bölme
duvarların da yapısal elemanlar gibi değerlendirilmesi ve yapı modeline dahil edilmesi yeni nesil deprem
yönetmeliklerinin öncelikli hedefleri arasındadır.
Ülkemizde halen yürürlükte olan 2007 Deprem Yönetmeliği’nde (TDY, 2007) yer alan “Mevcut Binaların
Değerlendirmesi ve Güçlendirmesi” bölümü esasında ağırlıklı olarak performans esaslı deprem mühendisliği
yöntemlerini içermektedir. Muhtemelen 2015 sonunda yürürlüğe girecek olan yeni Türkiye Deprem
Yönetmeliği’nde yer alacak “Yüksek Binaların Deprem Tasarımı” ve “Deprem Yalıtımı” bölümleri ise
performans esaslı deprem mühendisliğini kapsayan yeni bölümler olacaktır. Bunların yanında doğrusal elastik
hesap yöntemlerine dayalı kuvvet esaslı tasarımın uygulandığı yapılarda yapının deprem performansını
belirleyen ana unsur olan şekildeğiştirmelerin daha gerçekçi biçimde hesaplanmasına ve kontrol edilmesine
olanak veren bazı yenilikler olabilecektir.
2. DAYANIM VE PERFORMANS ESASLI DEPREM MÜHENDİSLİĞİ TASARIM
YAKLAŞIMLARININ KARŞILIKLI DEĞERLENDİRİLMESİ
Dayanım esaslı deprem mühendisliği tasarımı kuvvet hesabını temel alır. Performans esaslı tasarım ise temel
olarak şekildeğiştirme (deformasyon) hesabına dayanır.
Mevcut deprem yönetmeliklerinde yer alan dayanım esaslı tasarımda tasarım kuvvetleri, doğrusal elastik hesap
yöntemiyle bulunan iç kuvvetlerin belirli bir deprem yükü azaltma katsayısı ile azaltılmasıyla hesaplanır. Bu
azaltma yapının tasarım depremi altında elastik ötesi doğrusal olmayan davranış göstereceği varsayımıyla
yapılır. Genel olarak sünek davranış olarak adlandırılan deprem davranışında süneklik kapasitesi sisteme
kapasite tasarımı ilkeleri ile kazandırılır. Doğrusal olmayan davranışın önce düşey stabilite bakımından kritik
olmayan kirişlerde, daha sonra kolonlarda oluşmasını sağlayan kuvvetli kolon-zayıf kiriş ilkesi ve gevrek kesme
göçmesini önleyen aşırı güvenli kapasite kesmesi yaklaşımı kapasite tasarımının temel ilkeleridir. Bunun
yanında betonarme elemanlarda betonun yüksek basınç altında birim şekil değiştirme kapasitesini arttıran özel
sargılama detayları ile kritik eleman kesitlerine yüksek plastik dönme kapasitesi kazandırılır. Kapasite
3. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı
14-16 Ekim 2015 – DEÜ – İZMİR
tasarımının sisteme kazandırdığı süneklik kapasitesi ile sistemin malzeme ve yapısal özelliklerinden
kaynaklanan şekil değiştirme kapasitesi bütünleşik olarak tek bir R katsayısı ile ifade edilir. Eğer yapının yatay
davranışı Şekil 1’de gösterilen tek dereceli bir elasto-plastik sistem ile ifade edilirse, R katsayısı doğrusal elastik
yapıya etkiyen maksimum deprem kuvvetinin (Fe) elasto-platik sistemin akma kapasitesine (Fy) oranıdır.
Buradaki diğer dolaylı varsayım doğrusal elastik sistemin ve doğrusal olmayan sistemin ayni deprem etkisi
altında eşit yerdeğiştirme prensibine uygun olarak yaklaşık ayni yer değiştirmeyi yapacağıdır (ue ≈ umax).
Dayanım esaslı tasarımın temel zayıflığı doğrusal olmayan davranışın doğrusal davranış ile temsil edilmesine
dayanan varsayımların tasarım sonrasında hiçbir şekilde doğrulanmamasıdır. Azaltılmış deprem kuvvetleri
altında elemanlarda sağlanan eğilme kapasiteleri aşıldığında yapı elemanlarında gerçekte ne kadar elastik ötesi
şekil değiştirme (hasar) olacağı doğrusal elastik yöntemlerle hesaplanamaz. Diğer bir deyişle, dayanım esaslı
tasarım şeffaf değildir. Başlangıçta yapılan varsayımlarla sonuçta elde edilenlerin tutarlılığı bilinemez. Aradaki
farkların yaratacağı riskler aşırı güvenli tasarım ile giderilmeye çalışılır. Ancak bu türlü dayanım esaslı
yaklaşımın özellikle uzun peryodlu yapılarda (yüksek binalar, deprem yalıtımlı binalar) son derece ekonomik
olmayan tasarımlara yol açması kullanımını sınırlandırmaktadır. Performans esaslı tasarımın temel
gerekçelerinden birisi de budur.
Şekil 1. Eşdeğer tek serbestlik dereceli elastik ve elasto-plastik sistemlerin yatay yük-yatay şekil değiştirme
özellikleri ve deprem yükü azaltma katsayısı
Performans esaslı tasarımda öncelikle servis yükleri altında (düşey yükler ile rüzgâr yükleri veya hafif şiddetli,
sık tekrarlanan deprem yükleri) altında bir ön tasarım yapılır. Daha sonra bu tasarım çeşitli deprem şiddetleri
altında performans bakımından kontrol edilir. Tasarlanan yapıdan hafif, orta ve şiddetli deprem etkileri altında
beklenen performans (hasar dağılımı) açık olarak ifade edilir. Her performans hedefi için tasarımda öngörülen
hedeflerin gerçek deprem etkisi altında ayrı ayrı doğrulaması yapılır. Eğer performans hedefleri sağlanmazsa
tasarım yenilenir. Konvansiyonel yapı sistemleri ve yapım yöntemleri ile hedeflenen performansları sağlamak
mümkün olmuyorsa yeni teknolojilerden yararlanılabilir (deprem yalıtımı, sönüm cihazları, vb.).
Dayanım esaslı (klasik) ve performans esaslı (yeni nesil) deprem mühendisliği tasarımı izleyen bölümlerde
deprem tehlikesi, performans hedefleri, tasarım yaklaşımı ve hesap yöntemlerinin karşılaştırılması ile
değerlendirilecektir.
2.1. Deprem tehlikesi
Dayanım esaslı tasarımda deprem tehlikesi tek düzeyde, 50 yılda aşılma olasılığı %10 (tekrarlanma süresi 475
yıl) olan deprem şiddeti olarak tanımlanır. Mevcut Yönetmelikte 50 / %10 depremini ifade eden deprem şiddeti
𝑅𝜇 = 𝐹𝑒
𝐹𝑦⁄
3. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı
14-16 Ekim 2015 – DEÜ – İZMİR
etkin yer ivmesi Ao ile tanımlanır. Bu değer Türkiye Deprem Bölgeleri Haritası’ndan alınır ve Yönetmelik’te
belirtilen yöntemle zemin özeliklerine bağlı olarak deprem tasarım spektrumu elde edilir (Şekil 2).
Şekil 2. Türkiye Deprem Bölgeleri Haritası ve tasarım spektrumu (50 yılda %10 aşılma olasılığı)
Yeni nesil deprem yönetmeliklerinde deprem spektrumları inşaat sahasının coğrafi koordinatları için tanımlanan
spekral ivmelerden doğrudan elde edilmektedir. Deprem tasarım spektrumları, kısa (0.2 saniye) ve uzun (1
saniye) peryot değerlerinde tanımlanan spektral ivmeleri kullanan ve zemin özelliklerini dikkate alan bir
yöntemle oluşturulmaktadır (Şekil 3).
Şekil 3. Türkiye Spektral İvme Haritaları. (a) 0.2 s, (b) 1.0 s spektral ivme haritaları, (c) tasarım spektrumu. Tüm
değerler 50 yılda %10 aşılma olasılığı için verilmiştir (Kaynak: Sinan Akkar).
Burada dayanım ve performans esaslı deprem tasarımının karşılıklı değerlendirilmesi bakımından iki önemli
husus vardır. Birincisi, Şekil 2’deki mevcut yöntem ayni deprem etkin ivmesi için uzun peryotlarda (T >TB)
Şekil 3’deki spektruma göre daha yüksek değerler vermektedir. Bunun nedeni, dayanım esaslı tasarımda uzun
peryotlu yapılarda düşük tasarım kuvvetlerinin elde edilmesini engellemektir. Ancak bu durum uzun pertotlu
yapılarda gerçekçi olmayan mertebelerde yer değiştirmelerin hesaplanmasına neden olmaktadır. Bu değerlerle
(a)
(b)
(c)
3. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı
14-16 Ekim 2015 – DEÜ – İZMİR
yer değiştirmelere dayalı performans esaslı bir tasarım yapmak mümkün ve gerçekçi değildir. Dolayısıyla yeni
nesil deprem yönetmeliklerinde spektrumun azalan eğrisi (1/T0.8) yerine (1/T) ile ifade edilmiştir.
İkinci husus ise farklı deprem şiddetlerinin tanımıdır. Şekil 2’deki 475 yıllık deprem spektrumu önemli yapılar
için I=1.5 ile çarpıldığında yaklaşık olarak 2475 yıllık deprem spektrumu elde edilir. Zira I=1.5 tanımı esasında
bir performans beklentisi ile ilgilidir. Dayanım esaslı tasarımda normal bir yapıdan 475 yıllık depremde
beklenen can güvenliği performansı, önemi bir yapıdan 2475 yıllık maksimum deprem altında beklenir. Dolaylı
olarak bu yapının 475 yıllık deprem altında da minimum hasar göstereceği beklenir. Çoğunlukla bu beklentinin
gerçeği yansıtmadığı ilerideki bir örnekle gösterilecektir. Ancak 475 yıllık deprem spektrumunun 1.5 ile
çarpılarak 2475 yıllık deprem spektrumu elde edilmesi de gerçeği yansıtmaz. Şekil 4’de yeni Türkiye Spekral
İvme Haritası’na göre uzun pertotlu yapıları ilgilendiren 1.0 saniye peryodunda 2475/475 yıllık spektral ivme
oranlarının coğrafi dağılımı verilmektedir. Görüldüğü gibi oran genellikle 1.5’den yüksektir. Özellikle deprem
şiddetinin düşük olduğu bölgelerde bu oran 3 civarındadır. Dolayısıyla I=1.5 varsayımı ile önemli binaların
tasarımında 2475 yıllık deprem altında can güvenliği performansı elde etmek bu durumda gerçekçi bir beklenti
değildir.
Şekil 4. Türkiye Spektral İvme Haritalarına göre 1.0 saniye peryodunda 2475 ve 475 yıllık depremlerin spektral
ivme oranları (Kaynak: Sinan Akkar).
Performans esaslı deprem tasarımında farklı deprem şiddetleri spektral ivmelerin aşılma olasılıkları cinsinden
ifade edilmiştir. Bu şiddetler genel olarak 50 yılda aşılma olasılıkları %70 (43 yıl) ve %50 (72 yıl) olan sık
tekrarlanan depremler, 50 yılda aşılma olasılığı %10 (475 yıl) olan şiddetli deprem ve %2 (2475 yıl) olan
maksimum deprem olarak adlandırılmaktadır. Yeni nesil deprem yönetmeliklerinde yukarıda verilen spektral
ivmelerin aşılma olasılıkları tüm peryodlar için aynidir (uniform hazard spectrum; Sucuoğlu ve Akkar, 2014).
2.2. Performans hedefleri
Dayanım esaslı deprem tasarımında performans hedeflerini niteliksel olarak tanımlamak mümkün değildir.
Ancak niceliksel olarak tanımlanabilir. 2007 Türkiye Deprem Yönetmeliğindeki performans hedefleri tanımı şu
şekilde verilmiştir: “Hafif şiddette deprem altında hasarsızlık; orta şiddette deprem altında sınırlı hasar; şiddetli
deprem altında kalıcı hasar, ancak can güvenliğinin sağlanması”. Birincisi, hafif, orta ve şiddetli depremin ne
olduğu belirtilmemiştir. Tasarım depreminin şiddetli deprem olduğu kabul edilmektedir. Tasarım depremi
altında can güvenliği (göçmenin olmaması) hedefi sağlanırsa diğer performans hedeflerinin de sağlanacağı
varsayılmaktadır. Bu değerlendirmeler halen yürürlükte olan tüm dayanım esaslı deprem yönetmelikleri için
geçerlidir. İkincisi, tanımlanan performans hedefleri ölçülebilir değildir, zira doğrusal elastik analiz yöntemleri
bu imkanı vermez. Ancak saha gözlemlerine dayanarak doğrulaması yapılabilir.
3. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı
14-16 Ekim 2015 – DEÜ – İZMİR
Performans esaslı deprem tasarımında ise deprem performans hedefleri niceliksel olarak eleman veya kritik
kesitler düzeyinde yapılmakta ve her performans seviyesinde yapılan analizlerle doğrulanmaktadır. Dolayısıyla
performans esaslı deprem tasarımı şeffaf bir yöntemdir.
İki yöntemin performans hedeflerinin karşılaştırmalı değerlendirmesini Şekil 5’deki tipik bir kesitin moment-
eğrilik ilişkisi üzerinde yapmak aydınlatıcı olacaktır.
Şekil 5. Tipik bir betonarme kesitin moment-eğrilik ilişkisi. Md tasarım dayanımı, Mn nominal dayanım, Me
doğrusal elastik analizden elde edilen dayanım talebi, ϕy akma eğriliği, ϕu eğrilik kapasitesi.
Dayanım esaslı tasarımda sadece dayanım kontrolu yapılır:
𝑀𝑛 > 𝑀𝑑 =𝑀𝑒
𝑅 ; 𝑅 =
𝑀𝑒
𝑀𝑑 (1)
Burada 𝑅 yük azaltma katsayısıdır ve iki ana bileşenden oluşur:
𝑅 = 𝑅𝜇 × 𝑅𝛺 ; 𝑅𝜇 = 𝑀𝑒
𝑀𝑛 ; 𝑅𝛺 =
𝑀𝑛
𝑀𝑑 (2)
𝑅𝜇 𝑠üneklik azalım faktörü olarak adlandırılır ve süneklik oranı μ ile yakından ilişkilidir. 𝑅𝛺 ise dayanım
fazlalığı faktörüdür. 𝛺 dayanım fazlalığını ifade eder ve dayanım esaslı tasarımda kontrol dışı olarak ortaya
çıkar. Tasarım Md için yapılır, dayanım fazlalığı ile nominal dayanım oluşur. Eğer nominal (mevcut) dayanım
tasarım dayanımı talebini sağlıyorsa (Denk. 1), tasarım hedefine ulaşılmış sayılır. Ancak kesitin tasarım depremi
altında gerçekte hangi eğriliğe ulaştığı (ϕEQ ) ve bu eğriliğin hangi performansa ve hasara tekabül ettiği
hesaplanmaz. Dolayısıyla bir performans kontrolu yapılması mümkün değildir.
Performans esaslı tasarımda şekildeğiştirme kontrolü yapılır. Herhangi bir deprem seviyesinde, örneğin 475
yıllık deprem etkisi altında kesitte meydana gelen eğrilik talebi ϕEQ performans sınırları ile karşılaştırılarak
kesitin performans düzeyine kolayca karar verilir.
3. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı
14-16 Ekim 2015 – DEÜ – İZMİR
ϕEQ < ϕy : Hasarsızlık (3.a)
ϕy < ϕEQ < 0.75 ϕmax : Sınırlı hasar (Can Güvenliği Performansı) (3.b)
0.75 ϕmax < ϕEQ < ϕmax : Stabilite (Göçme Öncesi Performansı) (3.c)
Performans parametresi olarak eğrilik yerine eleman uç dönmeleri de kullanılabilir. Bu durumda kesitin plastik
eğrilik (ϕEQ - ϕy) ile plastik dönme talebi arasında plastik mafsal bölgesi uzunluğu Lp cinsinden bir ilişki kurmak
gerekir. Lp genellikle kesit derinliğinin yarısı kadar alınabilir.
𝜃𝑝,𝐸𝑄 = (𝜙𝐸𝑄 − 𝜙𝑦)𝐿𝑝 (4)
Eurocode 8 ve ASCE 41 performans sınırlarını plastik dönmeler cinsinden tanımlamaktadır. Plastik dönme
sınırları deneylerden elde edilen değerlerlerden oluşmaktadır. Betonarme elemanlarda bu sınırlar eksenel yük,
kesme kuvveti, donatı türü ve detaylandırma özellikleri gibi birçok değişkene bağlıdır.
Benzer bir yaklaşımla kesit eğriliklerinden kesit birim şekil değiştirmelerine geçmek de mümkündür. Şekil 6’da
gösterilen düzlem kesitlerin eğilme etkisi altında düzlem kalacağı temel varsayımı ile sargılı ve sargısız betonun
en dış liflerindeki beton gerilmeleri ve kesitin en dış donatısındaki çelik gerilmeleri temel mekanik ilişkileri ile
hesaplanır.
Şekil 6. Eğilme altındaki tipik bir betonarme kesitin eğriliği ile malzeme liflerinin birim şekil değiştirmelerinin
ilişkisi.
Malzemelerin birim şekil değiştirme performans sınırları, malzemenin akma ve kopma sınırları dikkate alınarak
belirlenebilir. 2007 Türkiye Deprem Yönetmeliği’nde bu yaklaşım kullanılmıştır.
(𝜀𝑐
𝑢)𝑀𝑁 = 0.0035 ; (𝜀𝑠)𝑀𝑁 = 0.010 (5.a)
(𝜀𝑐𝑐)𝐺𝑉 = 0.0035 + 0.01(
𝜌𝑠𝜌𝑠𝑚
⁄ ) < 0.0135; (𝜀𝑠)𝐺𝑉 = 0.040 (5.b)
(𝜀𝑐𝑐)𝐺𝐶 = 0.004 + 0.014(
𝜌𝑠𝜌𝑠𝑚
⁄ ) < 0.018 ; (𝜀𝑠)𝐺𝑉 = 0.060 (5.c)
Ancak bu sınırların belirlenmesinde tam eğilme davranışı ve donatının betonla olan aderansının tam olduğu
varsayıldığından kesitteki kesme kuvveti oranı ve düz donatı kullanılması durumları için bazı azaltmalar
yapılması mümkündür. Bu azaltmaların deneysel gözlemlerle tutarlı olması gereklidir.
Şekil 7’de yönetmelik kurallarına uygun olarak tasarlanmış bir kolonun deney performansı ile TDY 2007, ASCE
41 ve Eurocode 8 performans sınırları karşılaştırılmaktadır (Acun ve Sucuoğlu, 2010).
3. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı
14-16 Ekim 2015 – DEÜ – İZMİR
Şekil 7. Eğilme altındaki betonarme kolonun TDY, ASCE 41 ve Eurocode 8 performans sınırları
Şekilde, artan yatay ötelenmeler altında test edilen prototip kolonun taban momenti-taban kord dönmesi ilişkisi
üzerine üç farklı yönetmeliğin önerdiği minimum hasar, can güvenliği ve göçme öncesi performans sınırları
sırasıyla üç ayrı kutuda işlenmiştir. Denklem (5)’de verilen TDY birim şekildeğiştirme sınırları, Şekil 6 ve
Denklem (4) yardımıyla toplam kord dönmesine dönüştürülmüştür. Test edilen kolon için kord dönmesi uç
dönmesine eşittir. Şekil 7’deki birinci kutudan görüldüğü gibi üç yönetmeliğin minimum hasar veya hemen
kullanım sınırları son derece tutarlıdır. İkinci kutudaki can güvenliği sınırları da oldukça tutarlıdır. Üçüncü
kutudaki göçme sınırları ise biraz farklıdır. TDY sınırı, ASCE ve Eurocode sınırları arasında güvenilir bir değer
almaktadır.
2.3. Tasarım yaklaşımı ve hesap yöntemleri
Dayanım esaslı tasarımda, yukarıda önceden de belirtildiği gibi, 50 yılda aşılma olasılığı yüzde 10 olan (475 yıl
tekrar süreli) tasarım depremi altında önce doğrusal olmayan davranış varsayımı ile bir yük azaltma katsayısı (R)
seçilir. Daha sonra doğrusal elastik yöntemi ile bulunan iç kuvvetler R katsayısı ile bölünerek tasarım kuvvetleri
hesaplanır. Bu tasarım kuvvetleri altında sistem elemanlarının dayanımları tasarlanır. Tasarımın yeterli olması
için (Dayanım>Tasarım iç kuvveti) eşitsizliğinin sağlanması gerekir. R katsayısının seçiminde varsayılan sistem
süneklik kapasitesinin yapı sistemine kazandırılması için kapasite tasarımı ilkeleri ve özel deprem donatı
detaylandırması uygulanır. Ancak sistemin süneklik (şekil değiştirme) kapasitesinin deprem şekil değiştirme
talebini karşılayıp karşılamadığı kontrol edilmez. Diğer bir tanımla, sistemden beklenen deprem performansı
tasarım sonrasında hesaplanmaz, doğrulanmaz. Sadece azaltılmamış deprem kuvvetleri altında eşit deplasman
varsayımı ile ötelenme kontrolu yapılır. Dolayısıyla yöntem şeffaf değildir. Bu kontrolun yapılabilmesi, farklı
şiddette (hafif, orta ve şiddetli) deprem etkileri altında ancak doğrusal olmayan hesap yapmakla mümkün
olabilir. Halbuki dayanım esaslı tasarımda, sadece tek kademede, doğrusal elastik hesap yöntemi ile tasarım
kuvvetleri hesaplanmaktadır.
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08
Kord Dönmesi (rad)
Ta
ba
n M
om
en
ti (
kN
-m)
.
5DV1
Analitik Mom. Dön.
Belirgin Hsr. (EC8)
Can Güv. (ASCE41)
Güv. Snr. (TDY2007)
0.8 My
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08
Kord Dönmesi (rad)
Ta
ba
n M
om
en
ti (
kN
-m)
.
5DV1
Analitik Mom. Dön.
Akma (EC8)
Akma (ASCE41)
Min. Hsr. (TDY2007)
0.8 My
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08
Kord Dönmesi (rad)
Tab
an
Mo
men
ti (
kN
-m)
.
5DV1
Analitik Mom. Dön.
Göçme Snr. (EC8)
Göçme Snr. (ASCE41)
Göçme Snr. (TDY2007)
0.8 My
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08
Kord Dönmesi (rad)
Tab
an
Mo
men
ti (
kN
-m)
.
5DV1
Analitik Mom. Dön.
Göçme Snr. (EC8)
Göçme Snr. (ASCE41)
Göçme Snr. (TDY2007)
0.8 My
3. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı
14-16 Ekim 2015 – DEÜ – İZMİR
Performans esaslı tasarımda önce düşey yükler ve hafif şiddetli deprem altında (50 yılda aşılma olasılığı %50
veya %70 olan deprem; 72 veya 43 yıl tekrar süreli) bir ön tasarım yapılır. Daha sonra tasarım depremi altında
(475 yıl) sınırlı hasar performansının, ve en büyük deprem altında (2475 yıl) yapı stabilitesinin doğrulaması
yapılır. Bu doğrulamalarda gerçekçi deprem yer hareketleri kullanılarak doğrusal olmayan hesap yöntemleri
kullanarak yapılır. Yapı modelinde malzemelerin tasarım dayanımları değil mevcut dayanımları kullanılır.
Tasarlanan yapının istenen deprem performansını sağlaması için her deprem seviyesinde eleman kritik
bölgelerinde hesaplanan şekil değiştirme talebinin şekil değiştirme performans sınırının altında kalması
gereklidir. Eğer herhangi bir deprem seviyesinde gerekli performans sağlanamıyorsa, diğer bir tanımla elastik
ötesi şekil değiştirmeler istenen sınırların altında tutulamıyorsa tasarım yenilenir.
Olağan yapıların tasarımında yönetmelik kuralarına uyulursa dayanım esaslı tasarım genel olarak yeterli bir yapı
performansı sağlar. Örneğin Şekil 8’deki 5 katlı betonarme çerçeve iki farklı şekilde tasarlanmıştır. Kapasite
tasarımının tam olarak uygulandığı durum 5CD, kolon donatı oranının yarıya indirildiği durum ise 5R’dir. Her
iki tasarımın kolon-kiriş kapasite oranları Tablo 1’de verilmektedir. Çerçevelerin ilk üç titreşim modundaki
peryotları 1.13, 0.36 ve 0.20 saniyedir. Tasarımda R=8 kullanılmıştır. Tasarlanan yapıların üç farklı deprem
şiddeti altında performans analizleri yapılmıştır. Dört farklı şiddette uygulana yer hareketinin spektrumları ve
azaltılmamış tasarım spektrumu Şekil 9’da gösterilmektedir. Şekil 8’de görüldüğü gibi 5CD ilk üç şiddet
seviyesinde kuvveti kolon-zayıf kiriş ilkesini sağlamakta, sadece en yüksek şiddet seviyesinde kolonlarda hafif
hasar olmaktadır. 5R’nin kolonları kirişlerden kuvvetli olmasına karşın yeterince kuvvetli olmadığı için
kolonlarda plastik dönmeler erken başlamakta, en yüksek deprem şiddetinde ise göçme durumuna gelmektedir.
Bu kadar kapsamlı bir performans irdelemesi ancak performans esaslı bir yaklaşımla ortaya konabilmektedir.
Şekil 8. Kapasite tasarımının tam uygulandığı (5CD) ve gevşek olarak uygulandığı (5R) benzer iki çerçevenin
deprem performansı
3. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı
14-16 Ekim 2015 – DEÜ – İZMİR
Tablo 1. Kolon-Kiriş Eğilme Kapasitesi Oranları
Kat # Dış Birleşimler İç Birleşimler Dış Birleşimler İç Birleşimler
5CD 5R
1 2,84 1,59 2,25 1,27
2 2,68 1,48 2,08 1,17
3 2,46 1,34 1,91 1,05
4 2,25 1,19 1,73 0,91
Şekil 9. Tasarım spektrumu ve ölçeklenerek uygulanan deprem yer hareketi spektrumları
Performans esaslı deprem mühendisliğinde doğrusal olmayan hesap yöntemlerinin kullanılması esastır. Bu
yöntemler zaman alanında entegrasyon ve çok modlu doğrusal olmayan itme analizidir. İtme analizi entegrasyon
yöntemine göre daha basit olduğu gibi sonuçların derlenmesi açısından da kolaylık sağlar. Doğrusal elastik
hesap yöntemi ise doğrusal olmayan davranışa ait şekil değiştirmelerin hesaplanmasında bir miktar yaklaşım
sağlar, ama hassasiyeti genellikle düşüktür. İç kuvvetleri doğru hesaplaması ise mümkün değildir. Şekil 10’da
gösterilen çok katlı çerçeve sistemi şekilde verilen tasarım spektrumunun R=8 ile azaltılmasından elde edilen iç
kuvvetler için ve kapasite tasarımına uygun olarak tasarlanmıştır.
Şekil 10. 12 katlı çerçeve, tasarım spektrumu ve spektrum uyumlu deprem yer hareketleri
3. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı
14-16 Ekim 2015 – DEÜ – İZMİR
Şekil 10’da verilen spektrum uyumlu yer hareketi altında çerçeve sistemi zaman entegrasyonu, çok modlu itme
analizi ve çatlamış kesit rijitlikleri kullanarak doğrusal elastik mod birleştirme yöntemi ile analiz edilmiştir. Kat
ötelenmeleri ve kiriş uçlarının her kattaki kord dönmesi ortalamaları Şekil 11’de karşılaştırmalı olarak
sunulmaktadır. Şekilde görüldüğü gibi doğrusal olmayan iki yöntem oldukça uyumlu sonuç vermekte, ancak
doğrusal yöntem sonuçları özellikle üst katlarda doğrusal olmayan yöntemlere göre önemli sapmalar
yapmaktadır.
Şekil 11. Spektrum uyumlu deprem hareketi altında zaman entegrasyonu (NTHA), itme analizi (GPA) ve
doğrusal elastik mod birleştirme yöntemi (RSA- çatlamış kesit) ile hesaplanan kat ötelenmeleri ve kiriş uçları
kord dönmelerinin kat ortalamaları
3. PERFORMANS ESASLI TASARIM UYGULAMASI: 34 KATLI YÜKSEK BİNA
Birinci derece deprem bölgesinde performans esaslı tasarım yaklaşımı ile tasarlanan 115 metre yüksekliğinde bir
betonarme binanın görünüşü, tipik kesiti ve kat planı Şekil 12’de verilmektedir. Beton karakteristik dayanımı
olarak 40 MPa kullanılmıştır.
Önce R=6 alınarak bir ön tasarım yapılmış, kesit boyutları ve donatı detayları belirlenmiştir. Daha sonra Şekil
13’de verilen 43 yıllık spektrum uyumlu 7 çift deprem hareketi altında zaman entegrasyonu ile doğrusal olmayan
analiz yapılmıştır. Seçilmiş sonuçlar Şekil 14’de sunulmaktadır. Bina düşey yükler ve 43 yıllık yer hareketleri
altında hedeflenen performansı sınırlarını sağlamaktadır (kolon eksenel yükü < 0.4 Ag (f’c) ve kat ötelenme oranı
<0.5%).
Daha sonra ayni hesaplar 2475 yıllık “en büyük deprem” spektrumu (%2.5 sönüm) ile uyumlu 7 çift yer hareketi
altında tekrarlanmıştır. Benzer örnek sonuçlar Şekil 15’de verilmektedir. Bu kez kolonda çekme donatısı akma
sınırını aşmaktadır. Dolayısıyla alttaki 5 katta donatı artımı gereklidir. Ancak kat ötelenmeleri gerekli
performans sınırlarını (%3) rahatlıkla sağlamaktadır.
3. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı
14-16 Ekim 2015 – DEÜ – İZMİR
Şekil 12. 34 Katlı betonarme binanın görünüşü ve tipik kat planı
Şekil 13. 43 yıllık %2.5 sönümlü spektrum uyumlu yer hareketleri ve %5 sönümlü tasarım spektrumu
Şekil 14. 43 yıllık yer hareketleri altında kolon eksenel yükleri ve kat ötelenme oranları
0
5
10
15
20
25
30
35
0
20
40
60
80
100
120
-0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Sto
ry
Nd/f'c*Ag
C80*150
GMave+
Comp. Limit State0.4 %Tension Capacity
Gravity
3. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı
14-16 Ekim 2015 – DEÜ – İZMİR
Şekil 15. 2475 yıllık yer hareketleri altında kolon eksenel yükleri ve kat ötelenme oranları
4. SONUÇ
Performans esaslı deprem mühendisliği, yapıların depreme dayanıklı tasarımında konvansiyonel dayanım esaslı
tasarıma göre çok daha şeffaf bir yöntem sunmaktadır. Performans esaslı deprem mühendisliğinde kullanılan
doğrusal olmayan hesap yöntemleri, gerek yapısal modelleme, gerek doğrusal olmayan davranışa ait verilerin
hazırlanması, gerekse sonuçların derlenmesi ve yorumu aşamalarında standart mühendislik pratiğine göre daha
yüksek bir mühendislik bilgi düzeyi gerektirmektedir. Bu nedenle, bu yöntemlerin uygulandığı önemli yapıların
tasarımında: (yüksek binalar, deprem yalıtımlı binalar), önemli binaların güçlendirilmesinde: (hastaneler, kültür
varlıkları, vb.) bağımsız bir kontrol sistemi oluşturulmalıdır.
Yeni Türkiye Deprem Yönetmeliği’nde de önemli yapıların deprem hesabında zorunlu olarak, diğer yapıların
deprem hesabında ise tercihe bağlı olarak doğrusal olmayan yöntemlerin kullanılması gerekli olacaktır. Bu
gereklilik gerek ülkemizde, gerekse dünyada depreme dayanıklı yapı tasarımında daha yüksek kaliteli
mühendislik talebi oluşturacaktır. Bu talebi sağlamanın tek yolu daha yüksek düzeyde bir mühendislik
eğitiminden geçmektedir.
KAYNAKLAR
American Society of Civil Engineers (2007). Seismic Rehabilitation of Existing Buildings. ASCE Standard
ASCE/SEI 41-06, Reston, VA, USA
American Society of Civil Engineers (2010). Minimum design loads for buildings and other structures. ASCE
Standard ASCE/SEI 7-10, Reston, VA.
Eurocode 8 (2005). European Standard EN 1998–1: Design of Structures for earthquake resistance - Part 1:
General rules, seismic actions and rules for buildings, European Committee for Standardization, Brussels.
FEMA P-58-1 (2012). Seismic Performance Assessment of Buildings, Federal Emergency Management Agency,
Washington, DC, USA
3. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı
14-16 Ekim 2015 – DEÜ – İZMİR
LATBDC (2014). An Alternative Procedure for Seismic Analysis and Design of Tall Buildings Located in the
Los Angeles Region, Los Angeles Tall Building Structural Design Council, Los Angeles, CA, USA
PEER 2010/05 (2010). Seismic Design Guidelines for Tall Buildings, Pacific Earthquake Engineering Research
Center, Berkeley, CA, USA
Sucuoğlu, H ve Acun, B (2011). Evaluation of the Performance Limit States of Reinforced Concrete Columns in
View of Experimental Observations (in Turkish), IMO Technical Bulletin, 22(3), 5523-5542
Sucuoğlu, H ve Akkar, S (2014). Basic Earthquake Engineering, Springer International Publishing, Switzerland
TDY (2007). Türkiye Deprem Yönetmeliği, Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, Ankara.