Seri deprem etkisi altında düzensiz betonarme yapıların sismik performans ve kırılganlık değerlendirmesi

Abstract

En yıkıcı doğal afetlerden biri olan depremler, insanlık tarihinde hem maddi anlamda hem de manevi anlamda sürekli büyük yıkımlar yaratmış, derin izler bırakmış ve ilerleyen zamanlarda da bu yıkıcı etkilerini sürdürmesi beklenen kaçınılmaz bir gerçektir. Depremler, yalnızca can kayıplarına yol açmamakta olup aynı zamanda ciddi ekonomik krizlere ve toplumun sosyal düzeninin bozulmasına da yol açmaktadır; bu durum depremin etkisinin gelecekte de önemini yitirmeyeceğini açıkça göstermektedir. Geçmişten günümüze kadar geçen sürede, deprem-yapı-zemin etkileşimi konusunda yapılan sismik performansa yönelik bilimsel ve mühendislik temelli yaklaşımlar, tarihsel süreçte sürekli geliştirilmiş; bu da deprem mühendisliği alanında ciddi gelişmelere yol açmıştır. Tarihsel süreçte, hem deprem yönetmeliklerinde ciddi gelişmeler sağlanmış hem de depreme dayanıklı yapı tasarımı üzerine çok sayıda akademik çalışma gerçekleştirilmiştir. Depreme dayanıklı yapı tasarımı kavramının temel felsefesi; yapıların sık meydana gelen küçük ölçekli depremlerde yapının hiç ya da çok az hasar görmesi, orta şiddetteki depremlerde onarılabilir düzeyde hasar alması, nadir gerçekleşen büyük ölçekli depremlerde ise yapının içerisindeki insanların can güvenliğini sağlayacak şekilde göçmeden ayakta kalması prensibine dayanmaktadır. 1994 yılında meydana gelen Northridge ve 1995 yılında meydana gelen Kobe depremleri, yalnızca büyük yıkımlara yol açmakla kalmamış; aynı zamanda performansa dayalı deprem mühendisliği anlayışının temellerinin ortaya çıkmasına sebep olarak, yapıların farklı deprem seviyelerindeki belirli performans kriterlerini karşılaması gerektiği düşüncesini ortaya çıkarmıştır. Bu bağlamda, performansa dayalı deprem mühendisliğinin geçerliliğinin ancak doğrusal olmayan analizler vasıtasıyla sağlanabileceği açıktır. Doğrusal olmayan analiz yöntemlerinin, yapıların deprem etkisi altındaki davranışını daha doğru ve gerçeğe yakın bir şekilde yansıtması, geleneksel doğrusal analiz yöntemlerinin yetersizliklerini ortaya koymuş ve performansa dayalı tasarım yaklaşımının kaçınılmazlığını açıkça gözler önüne sermiştir. Ancak doğrusal olmayan analiz yöntemleri, hesap karmaşıklığı ve analiz süresinin uzunluğu sebebiyle bazı tereddütlere yol açmıştır. Yapıların gerçeğe yakın deprem tasarımı için; bir yandan yapıların rijitlik, dayanım ve süneklik kapasiteleri ile beklenen süneklik taleplerini doğru tahmin edebilen, diğer yandan aşırı karmaşık olmayan bir analiz yöntemine duyulan ihtiyaç ortaya çıkmıştır. Bu tez kapsamında kullanılacak olan yöntemlerden biri olan ve yukarıda bahsedilen iki temel ihtiyacı karşılayan N2 yöntemi ile ilgili çalışmalar 1980'li yıllarda başlamıştır. N2 yönteminin fikri, Saaidi ve Sozen tarafından yayımlanan bir makaleden (1981) ortaya çıkmıştır. Metodun son hali 1996 yılına kadar yapılan bir dizi çalışmalar sonucunda Fajfar ve Gašperšič tarafından ortaya çıkmıştır. N2 yönteminin geliştirilmesindeki temel amaç; özellikle deprem yönetmeliklerinde kullanılan, yapıların doğrusal davranış sergileyeceğini varsayan ancak yapıların gerçek sismik performansını doğru yansıtmayan geleneksel yöntemlerdeki pratikliği ve yapıların gerçek sismik davranışını ancak gündelik kullanımda karmaşık ve zaman alıcı bir yöntem olan doğrusal olmayan zaman tanım alanında analiz yöntemlerinin doğruluğu arasında bir denge kurarak yeterli doğruluk ve pratiklik sağlayan bir yöntemi uygulanabilir kılmaktır. Ancak N2 yöntemi, yüksek mod etkilerinin ihmal edilebilir olduğu yani yalnızca birinci modda titreşen yapıların analizinde güvenilir sonuçlar vermektedir. Bu sebepten ötürü yüksek mod etkilerinin önemli olduğu düzensiz, yüksek, asimetrik yapılarda yeterli doğruluk sağlamayabilir. Bu sınırlamaları aşmak amacıyla, Fajfar ve arkadaşları (2005) tarafından, planda yüksek mod etkilerini dikkate alan ve asimetrik yapılara uygulanabilen genişletilmiş N2 yöntemi önerilmiştir. Daha yakın dönemde ise Kreslin ve Fajfar (2012), yöntemi düşey doğrultudaki yüksek mod etkilerini de dikkate alacak şekilde geliştirmiştir. Yeni ortaya çıkan bu yaklaşımın N2 yöntemine göre farkı hem planda hem de düşeyde üst mod etkilerini dikkate alarak elastik modal analiz ve doğrusal olmayan statik analiz aracılığıyla bulunan düzeltme katsayıları yardımıyla, yüksek mod etkilerinin önemli olduğu yapılarda daha tutarlı sonuç elde edilmesidir. Bu tez kapsamında kullanılacak diğer bir yöntem ise artımsal dinamik analiz yöntemidir. Bu yöntemde, çeşitli ölçeklendirme seviyeleri kullanılarak artırılan deprem yer hareketlerinin, yapının elastik davranışından itibaren göçme aşamasına kadar olan süreçteki yapısal tepkiye olan etkisinin ayrıntılı biçimde incelendiği bir analiz çeşididir. Yöntem kapsamında kullanılan deprem ivme kayıtları çeşitli ölçeklendirme kriterleri kullanılarak kademeli bir şekilde artırılırken deprem kaydının karakteristiği değiştirilmeden genliği büyütülerek depremin şiddet etkisi artırılmıştır. Böylelikle, yapısal performansın farklı deprem yer hareketleri altındaki davranışının değerlendirilmesine olanak sağlanmıştır. Bu tez kapsamında daha önce birçok çalışmaya konu olan düzensiz bir yapı olan Spear yapısına, N2 metodu kullanılarak çatı yer değiştirmeleri ve kat öteleme değerleri elde edilmesi amacıyla statik itme analizi uygulanmış sonrasında ise N2 ve genişletilmiş N2 metodu uygulanmıştır. Spear yapısının kullanılmasındaki temel amaç analizler esnasında kullanılan SeismoStruct programıyla model doğrulamasını sağlamaktır. Daha sonra ise EuroCode 8'e göre farklı düzensizliklere sahip 3 adet yapı için N2 ve genişletilmiş N2 yöntemleri uygulanarak elde edilen sonuçlar, artımsal dinamik analiz yöntemi sonuçlarının verileriyle karşılaştırılmıştır. Spear yapısı 3 katlı olup beton için C16 ve donatı çeliği için S420 malzeme dayanım değerleri seçilmiştir. Spear yapısına ait düzensizlik değerleri Eurocode 8 standartları baz alınarak hesaplanmıştır. Diğer 3 yapı ise 4 katlı olup beton için C16 ve donatı çeliği için S420 malzeme dayanım değerleri seçilmiş olup geleneksel beton modellerinin dışında hem rijitlik hem de dayanımın azaldığı bozulmalı malzeme modelleriyle modellenmiştir. Buradaki temel amaç öncü şok, ana şok ve artçı şokun yer aldığı deprem serilerinde elemanlarda meydana gelen rijitlik ve dayanım bozulumunu doğru bir şekilde modellemektir. Yapıların X ve Y yönündeki düzensizlik parametreleri, EuroCode 8 standartları temel alınarak; her iki yöndeki eksantrisiteler, burulma ve atalet yarıçapları hesaplanarak belirlenmiştir. Yapılara uygulanan artımsal dinamik analizler, yapıların zayıf doğrultusunda gerçekleştirilmiş olup bu analizler sonucunda çatı yer değiştirmeleri, kat ötelemeleri, ana şok ve artçı şok sonrası meydana gelen kalıcı yer değiştirme değerleri belirlenmiş aynı zamanda hem artımsal dinamik analiz eğrileri hem de yapıların kırılganlık eğrileri elde edilmiştir. N2 ve genişletilmiş N2 yöntemi ile elde edilen çatı yer değiştirmeleri ve kat öteleme değerleri ise doğrusal olmayan zaman tanım alanında analiz sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Farklı düzensizliklere sahip yapılara uygulanan artımsal dinamik analizde ise, 11 Mart 2011 tarihinde Japonya'da gerçekleşen, moment büyüklüğü (Mw) 9.0 olan Tohoku depremi ve aynı zamanda bu depremin artçıları olarak değerlendirilen 11 Mart 2011 tarihli moment büyüklüğü (Mw) 7.7 olan deprem, 7 Nisan 2011 tarihli moment büyüklüğü (Mw) 7.1 olan deprem ve 11 Nisan 2011 tarihli moment büyüklüğü (Mw) 7.0 olan depremler kullanılmıştır. Tohoku depremi modern dünya tarihinin en büyük deprem yer hareketlerinden biri olarak kalmayıp aynı zamanda öncü depremler ve artçı depremler olarak bakıldığında oldukça eşsiz bir deprem serisidir. Deprem kayıtlarının seçilmesinde, darbe etkileri, yakın fay etkileri, zemin sıvılaşması gibi parametreler göz ardı edilmiştir. Ayrıca yüzeyden itibaren ilk 30 metrelik zemin profili için kayma dalgası hızı (Vs,30) değeri 360-800 m/s aralığında olan kayıtlar seçilmiştir. Ayrıca tez kapsamında kullanılacak olan kayıtları sınırlandırmak amacıyla maksimum tepe yer ivmesi değerleri (PGA) 0.2g-0.8g arasında seçilmiştir. Tohoku depremine ait ilgili kayıtlar Japonya Meteoroloji Ajansından elde edilmiştir. Kullanılan bu deprem serileriyle beraber, artçı şok ve ana şok sonrası oluşan birikimli hasarın farklı düzensizliğe sahip yapılar üzerindeki etkisi değerlendirilmiştir. Yapı modelleri, SeismoStruct yazılımı kullanılarak modellenmiş olup tezde kullanılan tüm yapısal analizler de bu program aracılığıyla yapılmıştır. Bu analizlerden elde edilen sonuçlar Excel programı ile görsel hale getirilerek değerlendirilmiştir. Tez hakkında genel bir değerlendirme yapıldığında farklı düzensizliklere sahip yapılarda, öncelikle yapının birinci modunu dikkate alan geleneksel N2 yöntemi, ardından yüksek mod etkilerini de dikkate alan genişletilmiş N2 yöntemi yapılara uygulanmıştır. Yapı rijitlik ve dayanımın azaldığı malzeme modeliyle modellenerek, yapının doğrusal davranış aşamasından başlayarak göçmeye kadar tüm yapı tepkisini kesintisiz bir biçimde ortaya koyan artımsal dinamik analiz yöntemi uygulanmış ve yapısal tepkiler, artımsal dinamik analiz eğrileri ve kırılganlık eğrileri elde edilmiştir. Böylece farklı spektral ivme değerlerinde, farklı düzensizliğe sahip yapıların davranışı olasılıksal olarak bulunmuştur. Son olarak, geleneksel N2 ve genişletilmiş N2 yönteminden elde edilen değerler hem zaman tanım alanında analiz hem de artımsal dinamik analiz yöntemlerinde elde edilen değerlerle karşılaştırılmış olup yöntemlerin doğrulukları değerlendirilmiştir.