Binalarda Depreme Karşı "Enerji Esaslı" Tasarım

MIT İnşaat Mühendisliği bölümünden Prof. Dr. Oral Büyüköztürk ve Boğaziçi Üniversitesi İnşaat Mühendisliği bölümünden Doç. Dr. Cem Yalçın’ın “Sarsma Masası Deneyleri ile Tek Serbestlik Dereceli Sistemlerin Enerji Bazlı Yapısal Analizi ”projesi MISTI programı kapsamında ilerliyor.

Boğaziçi Üniversitesi öğretim üyesi Doç. Dr. Cem Yalçın, “Sarsma Masası Deneyleri ile Tek Serbestlik Dereceli Sistemlerin Enerji Bazlı Yapısal Analizi” projesi hakkında şu bilgileri verdi.

Yalçın, MIT-BÜ ortaklığıyla sürdürülmekte olan projenin, depreme dayanıklı yapı tasarımı kapsamında yeni yapılacak yapıların daha iyi deprem performansı göstermesini sağlayacak doğrultuda, ‘’Enerji Esaslı Tasarım’’ yaklaşımını içerdiğini belirtti.

Bu çerçevede projenin temellerinin yaklaşık 10 yıl önce Prof. Dr. Oral Büyüköztürk’ün önerisiyle atıldığını ifade eden Cem Yalçın, binalarda veri toplama ve işleme teknikleri kullanarak ve nitelikli deneysel çalışmalar gerçekleştirerek bina tasarımlarında yeni bir yöntem olan Enerji Esaslı Tasarım (EET) yaklaşımını geliştirdiklerini ifade etti.

Depremin süresi ve frekansını da hesaplamalara katmak suretiyle depreme daha dayanıklı binalar tasarlamak mümkün

Yalçın, binaların yapısal analizinde bugüne dek hiç kullanılmamış olan bu yöntem hakkında şu bilgileri verdi;

‘’Şu anda kullanılmakta olan yöntemler, statik eşdeğer deprem yükü yönteminden frekans spektrumu yöntemine ve yer değiştirme esaslı yöntemlerden performans esaslı analizlere kadar farklılıklar göstermektedir. Ancak, deprem süresi ve frekans içeriği bu tip yöntemlerde dikkate alınmamaktadır. Enerji esaslı analiz yönteminde yapıya aktarılan deprem giriş enerjisi, hareket denge denkleminin deprem süresince yapının yer değiştirmesine bağlı olarak kümülatif olarak hesaplanmaktadır. Deprem giriş enerjisi; elastik, plastik, sönüm ve kinetik enerji gibi birtakım bileşenlere ayrışmaktadır. Yapı tasarımının temeli olarak yapıdaki hasar seviyesinin belirlenmesi, yapıya aktarılan enerjinin ne kadarlık kısmının tüketildiğinin bir fonksiyonudur. Enerji bileşenlerinin ve sismik enerji talep dağılımlarının doğru hesaplanması, enerji tabanlı tasarım yöntemleri için vazgeçilmezdir. Bu hesaplamalar; yapı sisteminin enerji özelliklerinin doğru olarak belirlenmesi için geliştirilen yönteme ve de yapı davranışı parametrelerinin güvenilir olarak ölçülmesine ihtiyaç duymaktadır.’’

Söz konusu yaklaşımın başarıyla geliştirilmesi ve uygulanması halinde araştırmacılar ile uygulamadaki mühendisler için yeni ve uygun maliyetli bir çözüm alternatifi sağlanacağının altını çizen Cem Yalçın, Enerji Esaslı Tasarım yaklaşımının hali hazırdaki uygulamalara kıyasla sıra dışı olduğunu ancak bu yöntemin gelecek 10 yıl içerisinde günlük tasarım uygulamalarında görülebileceğini vurguladı.

Yalçın, çalışmanın içeriği hakkında şu bilgileri verdi: ‘’Biz binaya giren enerjiyi buluyoruz, bunu yaparken binanın dinamik karakteristiklerini bilmemiz gerekiyor. Bu bilgiler üzerine binayı tasarlayabiliyoruz. Ayrıca tasarım aşamasından önce geriye gidip binayı inşa etmeden ne gibi özellikler istediğimizi de belirleyebiliyoruz. Örneğin, binada deprem esnasında hiçbir hasar oluşsun istemeyebiliriz veya az hasarlı da olabilir, önemli olan insan hayatı. Veya, bazı deplasman sınırları da belirleyebiliyoruz, bina filanca deplasmandan fazla hareket etmesin diyebiliyoruz. Neticede, Enerji Esaslı Tasarım yöntemiyle deprem enerjisini binanın tüm yapı elemanlarına dağıtabiliyoruz ve de elemanların en az girdi enerjisi kadar enerji tüketmesi yönünde tasarım yapıyoruz.

En önemli amacımız, binanın girdi enerjisini bulmak. İTÜ’de Deprem Mühendisliği Laboratuvarı’nda yaptığımız deneylerde, sarsma masasında tek serbestli kolon üzerinde değişik ağırlıklar koymak suretiyle değişik periyotlarda depremin enerjisini ölçtük ve elimizdeki verilerle kıyasladık. Bu aynı zamanda bu alandaki ilk deneysel çalışma oldu. Bugüne dek genellikle hep analitik çalışmalar yürütülmüş ancak deneysel olarak mukayeseli bir çalışma yapılmamış.’’

Binalarda kullanılan malzemelerin sağlamlığı çok önemli

Cem Yalçın, İstanbul’da Kentsel Dönüşüm kapsamında yapılan yeni binaların, kullanılan malzeme ve standartlar açısından geçmişe kıyasla çok daha güvenli olduğunu belirterek şu değerlendirmeyi yaptı: ‘’Eski yapılarda malzeme kalitesi çok kötüydü, örneğin normal olarak 16 MPa (megapaskal, N/mm2) basınç dayanımına sahip olması gereken betonların ortalama 6-8 MPa seviyelerinde olduğunu gördük. Donatılar tamamıyla paslanmıştı, kullanılan malzeme çok kötüydü. Deniz kumuyla, midye kabuklu betonların döküldüğünü sıklıkla gördük. 1999 depreminden sonra ise en azından malzeme açısından büyük bir ders alındı. Şu anda bütün yeni yapılarda hazır beton ve nervürlü donatı kullanılıyor, kalite kontrolü yapılıyor. 16 MPa’lık beton dayanımı günümüzde iki misline çıktı. Günümüz dünya şartlarına uyan, performans bazlı tasarımlar ortaya çıktı.

Ancak bizim önerdiğimiz enerji bazlı yöntemler daha deterministik ve daha akla yatan bir yöntem. Depremin şiddetini tarihsel bilgilere dayanaraktan tahmin edebilsek de ne zaman meydana geleceğini elbette bilemiyoruz. Ancak, öngörülen depremin şiddetine göre bina elemanlarının o enerjiyi tüketip tüketmediğini bulabiliyoruz. Şu anda kullanılmakta olan mevcut yöntemlerde ise depremin süresi ve frekansı hesap edilmediği için bazı durumlarda yanlış yük tahminlerinde bulunma riski söz konusu olabiliyor. Bu açıdan bizim yöntemimiz bina yüklerini daha iyi tahmin edebiliyor ve bina elemanlarına daha iyi dağıtıyor.’’