Dışmerkez çaprazlı çelik çerçeveler için kapasite tasarımı yaklaşımının ve deprem performansının zaman tanım alanında doğrusal olmayan hesap yöntemi ile değerlendirilmesi

Abstract

Düşey ve yatay yükleri taşıyan yapı taşıyıcı sistemleri ahşap, betonarme, yığma ve çelik gibi çeşitli yapısal malzemeler ile üretilebilmektedir. Çelik, yüksek sünekliğe ve karbon içeriğine bağlı olarak yüksek dayanıma sahip yapısal bir malzemedir. Süneklik, yük taşıma kapasitesinin önemli ölçüde korunduğu, taşıyıcı yapı elemanlarının şekildeğiştirme ve taşıyıcı sistemin yerdeğiştirme kabiliyetidir. Çelik malzemenin yüksek sünek ve dayanımlı bir malzeme olması, hafif ve dayanıklı yapılar imal edilmesine, yer hareketleri sonucu yapıda kütlesi oranında meydana gelen deprem yüklerinin de az olmasına olanak tanımaktadır. Deprem, her an meydana gelebilecek, önlem gerektiren ve sürekli riskler içeren bir doğal afettir. Türkiye, yüzey alanı olarak büyük oranda Anadolu levhası üzerinde konumlanmıştır. Türkiye'de aktif 3 adet büyük fay hattı bulunmaktadır. Bahsi geçen fay hatları; Kuzey Anadolu Fay Hattı, Doğu Anadolu Fay hattı ve Batı Anadolu Fay Hattı'dır. Türkiye nüfusunun %90'dan fazlası deprem tehlikesi altında yaşamaktadır. Bu sebeple, günümüzde yeni yapılacak yapılar bu etkiler göz önünde bulundurularak ve yetkin mühendislik hizmetleri çerçevesinde, yürürlükteki Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği ışığında üretilmektedir. Bu çalışma kapsamında, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği-2018 (TBDY 2018)'de belirtilen boyutlandırma esaslarına uygun olarak tasarımı yapılan, her iki asal doğrultusunda yatay yüklerin süneklik düzeyi yüksek dışmerkez çaprazlı çelik çerçeveler tarafından karşılandığı yedi katlı bir ofis binasının deprem performansı, zaman tanım alanında doğrusal olmayan hesap yöntemi kullanılarak değerlendirilmiştir. Taşıyıcı sistemi oluşturan elemanların doğrusal olmayan davranışları için yığılı plastik davranış (plastik mafsal) modeli esas alınmıştır. Çalışmada, on bir farklı deprem yer hareketi kullanılarak toplam yirmi iki adet zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz gerçekleştirilmiştir. Değerlendirmede taban ve kat kesme kuvvetleri, göreli kat ötelenmeleri, çapraz ve kolonlarda oluşan iç kuvvet talepleri, bağ kirişlerindeki kesme kuvveti – yer değiştirme ve moment – dönme talepleri dikkate alınmıştır. Zaman tanım alanında doğrusal olmayan yirmi iki adet analiz sonucu elde edilen taleplerin ortalama değerleri esas alınarak, TBDY 2018'de dış merkez çaprazlı çelik çerçeveler için öngörülen kapasite tasarımı yaklaşımının yeterliliği araştırılmış ve bina taşıyıcı sisteminin deprem performansı değerlendirilmiştir. Çalışmanın sonunda, gerçek deprem kayıtları ile yürütülen zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizlere bağlı olarak elde edilen sonuçlar ışığında; bina taşıyıcı sisteminin doğrusal olmayan davranışı tasarım prensibi ile uyumlu olarak sadece bağ kirişlerinin plastik şekildeğiştirme göstermesi ile gerçekleştiği, tasarımda öngörüldüğü gibi plastik şekildeğiştirmelerin kesme kuvveti etkisinde meydana geldiği, bağ kirişi dışında kalan çerçeve elemanlarında oluşan şekildeğiştirmelerin elastik bölge içinde kaldığı, bağ kirişlerinin kesme etkileri altında performans hedefini sağlayacak yeterli şekildeğiştirme kapasitesine sahip olduğu ve boyutlandırma esaslarına göre hesaplanan en büyük bağ kirişi dönme açısı 0.07 radyan iken ZTADOA ile hesaplanan en elverişsiz bağ kirişi dönme açısı 0.05 radyan olduğu, bağ kirişleri enkesitinde oluşan ortalama-en büyük kesme kuvveti etkisinin birinci katta ve 1.26V_p olduğu, bağ kirişi dışında kalan DMÇÇÇ elamanlarının boyutlandırılmasında bağ kirişinin plastikleşmesine neden olan yüklemenin pekleşmeli beklenen malzeme dayanımı katsayıları ile büyütülmesi esasına dayalı kullanılan (1.1R_y V_p/V_E) ve (1.25R_y V_p/V_E) büyütme katsayıları ZTADOA sonucu elde edilen ortalama-en büyük iç kuvvetler ile uyumlu olduğu, bağ kirişlerinin yapı yüksekliği boyunca herhangi bir katta bir yığılma göstermeksizin üniforma yakın bir şekilde plastikleştiği, taşıyıcı sistemi oluşturan elemanların hiç birinde ileri hasar düzeyinde olmadığı ve buna göre birleşim ve eklerin yeterli dayanıma sahip olduğu varsayıldığında TBDY 2018 15.8.4 uyarınca, bina taşıyıcı sisteminin mevcut çelik yapılar için DD-2 (50 yılda aşılma olasılığı 10% olan deprem) deprem yer hareketi düzeyinde Kontrollü Hasar performans düzeyini sağladığı sonuçlarına ulaşılmıştır. Bu çalışmanın ilk bölümünde; binaların maruz kaldıkları yükler, Türkiye depremselliği, yeryüzü levhaları, fay hatları, çelik yapılar hakkında bilgiler, çalışmanın amacı ve bu konu ile ilgili daha önce yapılan çalışmalara yer verilmiştir. İkinci bölümde, model bina bilgileri dikkate alınarak dışmerkez çaprazlı çelik çerçevelerin TBDY 2018 ışığında boyutlandırılmasına ilişkin hesap detayları sunulmuştur. Taşıyıcı sistem tanımı, eleman kesit ve malzeme bilgileri, kat planı, sistem enkesiti, yükler, depremsellik, sonlu elemanlar hesap modelinin kurulmasına ilişkin hesap ve modelleme kabulleri, taşıyıcı sistem kontrolleri, taşıyıcı sistem elemanlarının boyutlandırılmasına ilişkin mekanizma durumuna karşı gelen iç kuvvet talepleri, kapasite hesaplarına ilişkin detaylar ve talep/kapasite dağılımları bu bölümün konusunu oluşturmaktadır. Üçüncü bölümde çalışma kapsamında incelenen model binanın TBDY 2018 uyarınca deprem performansının belirlenmesine ilişkin detaylar sunulmuştur. Deprem performans hedefinin belirlenmesi, kesit hasar sınırları ve hasar bölgelerinin tayini, hesap yöntemi, taşıyıcı sistem modeli, plastik mafsal tanımları, dayanım kesiti tanımları, gerçek deprem yer hareketi kayıtlarının seçilmesi ve ölçeklendirilmesi gibi doğrusal olmayan hesap yöntemi ile model bina deprem performansının değerlendirilmesine ilişkin detaylardan bahsedilmiştir. Dördüncü bölümde kapasite tasarım ilkeleri doğrultusunda boyutlandırılan ve ZTADOA yöntemi ile doğrusal olmayan dinamik davranışı araştırılan incelemeye tabi binanın her iki analiz yöntemi ile elde edilen sonuçları verilmiş ve değerlendirilmiştir. Beşinci ve son bölümde ise TBDY 2018'de dışmerkez çaprazlı çelik çerçeveler için öngörülen kapasite tasarımı yaklaşımı, zaman tanım alanında doğrusal olmayan dinamik analiz yöntemi ile elde edilen sonuçlar ışığında yorumlanmış ve yaklaşımlar ile ilgili sonuçlar verilmiştir. Çalışmanın sonunda elde edilen sonuçlara göre, süneklik düzeyi yüksek dışmerkez çaprazlı çelik çerçevelerin tasarımında TBDY 2018'e göre uygulanan kapasite tasarımı esaslarının, elastik bölge içinde kalması istenen elemanların boyutlandırılması için gerekli olan deprem taleplerinin belirlenmesinde yeterli düzeyde bir yaklaşıklık sağladığı görülmüştür.