Düzenli betonarme çerçevelerle teşkil edilen yapılarda düşey deprem bileşeninin hesaplara dahil edilmesi yönteminin yapısal tasarıma etkisi

Abstract

Son yıllarda yapılan akademik çalışmalar ve deprem sonrası gözlemler, depremin düşey bileşen etkisinin tasarımda dikkate alınması gerektiğini göstermektedir. Literatürde özellikle depremselliği yüksek bölgeler olarak adlandırılan faya yakın bölgelerde inşa edilmiş, planda ve düşeyde belli düzensizlikleri bulunduran yapılarda depremin düşey bileşeninin etkileri artmaktadır. Ülkemizde, depremin düşey bileşen etkisinin tasarım aşamasında kapsamlı olarak ilk defa Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (TBDY-2018)'de dikkate alındığı görülmektedir. Düşey bileşen etkisini yapısal analiz hesaplarına dahil etmek için TBDY-2018'de üç ayrı yaklaşım sunulmaktadır. Birincisi uygun deprem ivme kayıtlarının seçilmesi ve bu kayıtların düşey elastik tasarım spektrumuna göre spektral uyuşum sağlanacak şekilde dönüştürülerek zaman tanım alanında hesap yöntemi ile yapısal analizlerin gerçekleştirilmesidir. İkinci yaklaşım, düşey elastik tasarım ivme spektrumuna göre mod birleştirme yöntemi ile düşey titreşim modlarının dikkate alınarak yapısal analizlerin yapılmasıdır. Üçüncü yaklaşım ise TBDY-2018, Madde 4.4.3.2'de E_d^((Z))≈(2⁄3) S_DS G bağıntısı ile tanımlanan düşey deprem etkisinin dikkate alınmasını öngörmektedir. Tez çalışmasında TBDY-2018'in önerdiği ikinci ve üçüncü yaklaşımın yapı tasarımına etkisini anlamak üzere iki yapının ön boyutlandırılması yapılmış ve sonlu eleman programı SAP2000 kullanılarak farklı deprem seviyeleri için analizleri gerçekleştirilmiştir. Birinci yapının taşıyıcı elemanları, standart tasarım deprem yer hareketi altında etkin göreli kat öteleme oranı için 0.008 sınırını gerçekleştirmek üzere tasarlanmıştır. İkinci yapının taşıyıcı eleman tasarımı için 0.016 sınırı esas alınmıştır. Dolayısıyla birinci yapı "gevrek malzemeden yapılmış boşluklu (veya boşluksuz) dolgu duvarlarının ve cephe elemanlarının çerçeve elemanlarına, aralarında herhangi bir esnek derz veya bağlantı olmaksızın, tamamen bitişik olması durumunu (TBDY-2018)" temsil etmek üzere tasarlanmıştır. İkinci yapı ise "gevrek malzemeden yapılmış dolgu duvarları ile çerçeve elemanlarının aralarında esnek derzler yapılması, cephe elemanlarının dış çerçevelere esnek bağlantılarla bağlanması veya dolgu duvar elemanının çerçeveden bağımsız olması durumunu (TBDY-2018)" temsil etmektedir. İncelenen iki binanın kat sayıları, döşeme kalınlıkları ve kiriş boyutları aynı olup kolon boyutları farklı seçilmiştir. Bu çalışmada, deprem seviyesi ve düşey deprem bileşenin dikkate alınması ve ele alınış yaklaşımının, zemin kat taşıyıcı eleman tasarımına esas iç kuvvetler ve donatı alanları üzerindeki etkisinin araştırılması amaçlanmıştır. Bu amacı gerçekleştirmek üzere düzenli betonarme çerçevelerden oluşan iki yapı ve kısa periyot tasarım spektral ivme katsayıları (SDS) 0.75 değerinden büyük olan üç farklı yüksek depremsellik düzeyi kullanılmıştır (DS-1, DS-2, DS-3). Literatürde son yıllarda yapılan çalışmalar, faya yakın olan bölgelerde daha yüksek yer ivmesi değerleri oluştuğunu ve düşey ivmenin yatay ivmenin 2/3 katından daha fazla olabileceğini göstermektedir. Bu nedenle, bu çalışmada üç farklı yüksek depremsellik düzeyi değişken olarak seçilmiştir. Yapısal analizlerden elde edilen tasarıma esas iç kuvvetleri karşılamak üzere konstrüktif kurallar dikkate alınarak betonarme kesit tasarımı yapılmıştır. TS 500-2000 ve TBDY-2018 deprem yönetmeliklerine uygun olarak süneklik düzeyi yüksek çerçeve taşıyıcı elemanlardan teşkil edilen yapılar, uzun doğrultuda (X) ve kısa doğrultuda (Y) üçer açıklık içermektedir. Karşılaştırmaların yapılabilmesi için yükler ve düşey deprem etkisinin ele alınış yöntemi açısından farklılık gösteren üç yapısal yükleme durumu dikkate alınmıştır. Birinci yükleme durumu düşey yükler ve yatay deprem bileşenlerini (DY-YD) içermektedir. İkinci yükleme durumu, birinci durumdaki dış yüklere ilave olarak düşey deprem etkilerini yönetmeliğe uygun, yaklaşık (E_d^((Z) )=(2⁄3) S_DS G) olarak ele almaktadır, DY-YD-DD(2/3). Üçüncü yükleme durumu ise birinci durumdaki dış yüklere ilave olarak düşey elastik tasarım spektrumu kullanılarak elde edilmiş düşey deprem etkilerini içermektedir, DY-YD-DD(S). Farklı yükleme durumları ve deprem seviyeleri altında toplam 9 yapısal analiz mod birleştirme yöntemine göre yapılmıştır. Yanal ötelenme rijitliği görece olarak büyük olan birinci yapıda düşey deprem etkisinin hesaba dahil edilmesinin düşey kolonların tasarıma esas eksenel kuvvetlerinde önemli oranda azalmaya neden olduğu tespit edilmiş olup bununla birlikte E_d^((Z))=(2⁄3) S_DS G bağıntısının kullanıldığı yaklaşımda ise kolonlardaki normal kuvvet azalımı daha fazla gerçekleşmiştir. Normal kuvvetteki bu azalışın bina kısa kenar aksı üzerinde yer alan kolonlarda (köşe kolonlar hariç) gerekli boyuna donatı oranının artmasına neden olduğu, ayrıca E_d^((Z))=(2⁄3) S_DS G yaklaşımının kullanılması durumunda kolon boyuna donatı oranlarında daha fazla artış tespit edilmiştir. Diğer kolonlarda ise minimum boyuna donatı oranı yeterli olmuştur. Kısa kenar aksı üzerinde yer alan (köşeler hariç) kolonlarda her iki yaklaşımın kullanılması durumunda da benzer olarak %50 ye varan tasarım eğilme momenti artışları tespit edilmiştir. Diğer kolonların tasarım eğilme momenti değerlerini her iki yöntemde de ihmal edilebilir benzer düzeyde artırdığı tespit edilmiştir. 3 metre kısa açıklıklı kiriş elemanların hem mesnet hem de açıklık tasarım eğilme momentlerinde belirgin bir artış gözlemlenmemiş olup her iki yöntemde de benzer sonuçlar elde edilmiştir. 8 metre uzun açıklıklı kiriş elemanların mesnet kesitlerinde ise eğilme momenti bakımından %15'e varan artışlar oluşturduğu tespit edilmiştir. Açıklık kesitlerinde ise belirgin bir fark oluşmamıştır. Her iki yöntem de kirişlerin tasarım eğilme momenti değerleri bakımından son derece yakın değerler vermiştir. Yanal ötelenme rijitliği az olan göreli kat ötelemeleri standart tasarım depremi etkisi altında TBDY 2018 Madde 4.9.1.3 (b)'ye uygun olacak şekilde 0,016 değerinden fazla olmayan yapının analiz ve tasarım sonuçlarının karşılaştırılmasına göre düşey deprem etkisinin hesaba dahil edilmesinin kolonların tasarıma esas eksenel kuvvetlerinde lokasyona bağlı olarak önemli derecede artış ve azalışlara neden olduğu, ayrıca (E_d^((Z) )=(2⁄3) S_DS G) yönteminin lokasyona bağlı azalış ve artışlarda daha etkili olduğu tespit edilmiştir. (E_d^((Z) )=(2⁄3) S_DS G) yaklaşımında kolon boyuna donatı oranları düşey spektrum yaklaşımından elde edilenlerden daha fazladır. Depremselliğin artışına bağlı olarak tasarım eğilme momentlerinde lokasyona göre yüzde %55'e varan azalışlar ve de %330'a varan artışlar tespit edilmiştir. En düşük depremsellik durumunda lokasyona bağlı eğilme momentindeki azalış-artış farkı ihmal edilebilecek düzeye inmektedir. Düşey ivme kabülü için kullanılan yöntemler arasında zemin kat kolonlarının tasarım eğilme momenti değerlerinde oluşan azalış ve artışlar bakımından belirgin bir fark ortaya çıkmamıştır. Düşey deprem etkisini ele almak için kullanılan iki yaklaşım zemin kat kirişleri için benzer sonuçlar vermiştir. Düşey deprem etkisinin yapısal hesaplara dahil edilmesi, 3 metre açıklı kısa kirişlerde hem mesnette hem de açıklıkta dikkate değer bir tasarım eğilme momenti farkı oluşturmamıştır ve 8 metre açıklı uzun kirişlerde mesnetlerde ise %10'a varan tasarım eğilme momenti artışı kaydedilmiştir. Açıklık tasarım eğilme momentlerinde ise bir değişiklik olmamıştır.