OSMAN KELLE
İnş. Yük. Müh.

Bu iki kurala geçmeden önce geleneksel yöntemin handikaplarından birini daha açıklamakta fayda var. F=m*a formülündeki a’nın depremin oluşturduğu yatay ivme olduğunu söylemiştik. Peki bir bölgedeki yıkıcı depremde olacak maksimum yer ivmesini nasıl bileceğiz? Farklı bir bilim dalına güvenerek. Deprem şartnameleri gibi deprem haritaları da neredeyse her büyük depremden sonra güncellenmektedir-güncellenecektir, çünkü bu haritalar olasılık yöntemine göre ya da kayda geçmiş eski depremlere göre şekillenmektedir. (İvme değerleri verilirken 50 yılda aşılma olasılığı %10 olan yani 475 yıllık depreme göre gibi olasılıksal ifadelerle değerler verilir). İşin doğası gereği daha önce deprem olmamış bölgede bir deprem olursa ya da olması düşünülen büyüklükten daha büyük bir deprem olduğunda mecburen bu haritalar da değişecektir. Binaları tasarladığımız "a" değeri de değişecektir. "Geleneksel" yöntem için en elzem veri olan "a" değeri işte bu kadar belirsizken sadece "Geleneksel" yönteme nasıl güvenebiliriz?

Şekil.2 1945 tarihli Türkiye’nin ilk deprem bölgeleri haritası

Şekil.3 2018 deprem tehlike haritası (kontur sistemi)

Bu kadar girizgahtan sonra Japonlar’ın uygulamaya geldikleri bu 2 ampirik formülü açıklayalım.

Beton Dayanımından Bağımsız Minimum Düşey Taşıyıcı Alanı

Çok basit tabirle binayı ayakta tutan kolonlardır. Kolonun uzun kenarının kısa kenarına oranı 6’dan büyük ise buna "perde" deriz. Deprem anında kolonlardan ziyade, perde diye tabir ettiğimiz taşıyıcı elemanlar çok daha aktif görev alır. Geleneksel hesap yönteminde yapıya ne kadar perde konacağına dair doğrudan bir kıstas yoktur. Hele ki her geçen gün yüksek dayanımlı betonların üretilmesiyle geleneksel yöntem bu kolon ve perdelerin küçülmesine izin vermektedir. Fakat Japonlar tecrübe etmişler ki binada her 2 yönde yeterince deprem perdesi yok ise o bina yıkıcı depremde ayakta kalamamaktadır. Bunun için beton dayanımından bağımsız yapının ağırlığına göre ne kadar kolon ve perde alanı olacağına dair amprik bir formül oluşturmuşlardır. (1.1)

250*Aw+70*Ac ≥ 0.75*Z*W*Ai           (1.1)

Aw= Hesaplanan deprem doğrultusundaki toplam perde alanı (m2)
Ac= Toplam kolon alanı (m2)
(Not: Hesap yapılan deprem doğrultusu dışındaki perde alanı; kolon gibi işleme dahil edilir.)
Z= Sismik bölge katsayısı (Tokyo:1,….. ,Okinawa adası:0.7)
Ai= Düşey dağıtma faktörü (bodrum kat için 1 alınır)
W= Hesap yapılan katın taşıdığı toplam düşey yük (ton)

Şekil.4 Japonya sismik bölge katsayıları

Şekil.5 475 yıllık depreme göre Japonya ve Türkiye’nin maksimum ivme değerleri konturü. (GEM Global Seismic Hazard Map)

Çok basit olan bu ampirik denklemi Türkiye’ye uygularken belirlememiz gereken tek değer, denklemin sağ tarafındaki sismik bölge katsayısıdır. Japonya’da bu değer Tokyo için 1 alınırken, en küçük değeri ise Okinawa adası için 0.7 alınmaktadır. Tokyo gibi doğu sahiline yakın yerlerde beklenen deprem ivmesi 1G’nin üzerinde iken içerilere doğru bu değer azalmaktadır. Fakat sismik bölge katsayılarına bakar isek iç bölgelerin dahi Tokyo’yla aynı değeri aldığını görebiliriz. Japonya ile Türkiye arasında korelasyon yapabilmek için aynı veri tabanını (Global Seismic Hazard Map) kullanarak, Türkiye için sismik bölge katsayı değerleri, yazarın önerisi doğrultusunda aşağıdaki gibidir.

“Geleneksel” yönteme (2018 Türk deprem yönetmeliği) göre uygun 5 katlı bir binanın planı. Yapıda perde yok, kolon ebatları 30/60, beton sınıfı C40)	819 tonluk Aynı yapının Japon deprem şartnamesindeki düşey taşıyıcı alan denklemi 1.1’e göre olması gereken düşey taşıyıcı alanı. (her 2 yönde 2 şer adet 25/175 cm perde konarak ve kolonlar 30/80 cm’ye çıkarılarak gerekli şart sağlanabildi. Z=0.7 için)
Düşey taşıyıcı alan kontrolü: Ac=0.3m*0.6m*13=2.34m2 (13 adet kolon) Aw=0m2 (perde yok) 250*0+70*2.34 << 0.75*0.7*1*819 164 << 430 (x ve y yönü aynı)	Düşey taşıyıcı alan kontrolü: Ac=0.3m*0.8m*9+2*0.25*1.75=3.04 m2 (x yönü hesaplanırken y yönündeki perdeler kolon alanına dahil edilir. Ya da tam tersi) Awx=2*0.25*1.75=0.89 (x yönündeki 2 perde) 250*0.89+70*3.04 << 0.75*0.7*1*819 433 ≈ 430 (x ve y yönü aynı)

Görüldüğü üzere iki sistem arasında düşey taşıyıcı elemanlar bakımından ciddi bir fark söz konusu. Formülde de dikkati çektiği üzere kolon alanı 70 ile çarpılırken, perde alanı 250 ile çarpılmakta, yani formül yapıda perde kullanımını zorlamaktadır. İlk başta dediğimiz gibi bu formül acı tecrübeler sonucu çıkmış amprik bir formüldür. Teorik altyapısı yoktur. Akademi çevresinde bu tür amprik formüller rağbet görmez. Fakat bu basit denklem Japon deprem şartnamesinin belkemiğidir.

Minimum Burulma Rijitliği Kontrolü

Japonlar’ın 1981 yılından beri uygulaya geldikleri ikinci formül ise ilkine nazaran daha karmaşık bir formül olup amacı deprem anında yapının burulma hareketi yapmasını engellemesidir. Yine Japonlar fark etmişlerdir ki yapıdaki kolon ve perdeler yapının dönmesine karşı koyacak şekilde yerleşmezler ise yapı deprem anında istenilen performansı sergileyemeyip göçmektedir. Bu durumu çok basite indirgeyip anlatmaya çalışırsak; aşağıda 4’er adet perde ile oluşturulmuş 2 sisteme bakalım. İkisi de X ve Y yönlerinde aynı rijitliğe sahiptir. Fakat bu yapıları burkmaya çalıştığımızı düşünür isek ilk sistem buna karşı koyamayacaktır. (burulma rijitliği yok). İkincisi ise maksimum mukavemeti gösterecektir. Deprem sırasında binlerce ton düşey yüke ek olarak yatay deprem yüklerine de direnmeye çalışan düşey taşıyıcı elemanlar burulmaya başladığında bu yüklere mukavemet gösteremeyip göçecektir.

Japon Deprem Şartnamesinde eksentrisite (yapının hesap katındaki ağırlık merkezi ile rijitlik merkezi arasındaki mesafe farkı) (ex, ey) ile elastik radii (rex rey, burulma rijitliğinin ötelenme rijitliğine oranı) arasındaki oranı bir değerle sınırlandırarak net bir çözüm ortaya koymuştur.

Japan Seismic Building Code:

Bu madde, ülkemizde çok yaygın şekilde uygulamaları olan, mimari projeyle birebir alakalı yanlış kolon yerleşimini yapmasına izin vermeyecek ya da buna karşı önlem almasını sağlayacaktır.

Birinci bölümde kolon-perde alanı şartını sağlayan sistem burulma rijitliği şartını sağlamamaktadır. Hem düşey taşıyıcı alanı şartını hem de burulma rijitliğini sağlayan sistem yukarıda verilmiştir (hesaplar için kaynaklar-1).

Hem düşey taşıyıcı alanı hem de burulma rijitliği şartını sağlayan kolon yerleşimi. Kolon ve perdelerin yönleri değiştirildi.

Sonuç:

1- Deprem bölgelerinde "geleneksel" yöntem haricinde kesinlikle beton dayanımından bağımsız minimum taşıyıcı alan kontrolü yapılmalıdır. Türkiye için önerilen katsayılar tekrar değerlendirilebilir. Türk deprem yönetmeliğine bu madde eklenirse paralel olarak "geleneksel" yöntemdeki deprem yükü azaltma katsayısı da azaltılmalıdır. (Japonya Rmax:3.3)

2- Burulma rijitliği kontrolü nispeten karmaşık bir konu olsa da yapının performansına inanılmaz etkisi olan bir konudur. Mimari ile doğrudan alakalı olan bu konu için kapalı çıkma olan yapıların bu noktada zayıf kaldığının bilinmesi ve önleminin alınması gereklidir. Yapının hakim ilk 2 periyodunun burulma olmaması şartı da bu hesaplamalarla paralellik gösterecektir, kolay bir kontrol mekanizması olacaktır.

3- Yapının sünek davranışı açısından perdelerin merkeze (çekirdeğe) toplanması, rijitliği çok yüksek poligon perdelerin plandaki yerleşimine dikkat edilmesi, yapıyla olan bağlantılarının yeterli olmasına dikkat edilmesi de ayrı bir önemli noktadır. Perde uzunluklarını sabit tutmayıp yapı yüksekliği ile orantılı olarak artırılması perde davranışı açısından önemlidir. (Bu makaledeki yapı örneğinde, burulma rijitliği hesabının gösteriminin kolaylığı açısından tek dairelik bina seçilmiş, poligon perde yerine normal perde kullanılmış, perdeler dış cepheye yerleştirilmiştir. Bu örnek için mimari dikkate alınarak merdiven alt ve üst tarafına 2 U veya 2 L perde yapılması bir seçenek olabilir. )

Bu iki maddenin ülkemizde uygulanması ile gerçek manada depreme dayanıklı yapılar inşa ettiğimizi düşünebiliriz. Aksi halde Japonya’nın onlarca kez değiştirdiği "geleneksel" yönetmeliği bizde her yıkıcı depremden sonra güncelleme ihtiyacı duyar fakat bir sonraki büyük depremde bir işe yaramadığını tecrübe etme durumunda kalabiliriz. Bu ilim Japonya’da var bize düşen ise onu almak.

Kaynaklar:

1- Japon Sismik Bina Şartnamesi Işığında DBYBHY-2007’nin Değerlendirilmesi, 2013-01 TMH Dergisi, Osman Kelle

2- Seismic Design Codes for Buildings in Japan, Hiroshi Kuramoto,2006

3- New Seismic Design Provisions in Japan, Shunsuke Otani.

4- Response Spectrum Method for Evaluating Nonlinear Amplification of Surface Strata, Kenji Miura, Kohji Koyamada

5- Global Structural Analysis of Buildings, Karoly A. Zalka

6- Dynamics of Structures, K. Anil Chopra

7- M. Higashino, Evolution of seismic building design practice in Japan,1998

8- Özmen, Türkiye Deprem Bölgeleri Haritalarının Tarihsel Gelişimi,2012

9- Narafu, Outline and Features of Japanese Seismic Design Code,2017

10- CE490 Earthquake Resistant Design. Haluk Sucuoğlu, ders notları