TR|EN
Güncel
E-Bülten Aboneliği
SteelPro 2023
18th New Horizons
Tevfik Seno Arda Lisesi
Yayınlar > Çelik Yapılar
Sayı: 74 - Ocak / Şubat 2022

Yapısal Çelik Günü


DEPREM ve ÇELİK

Gebze Teknik Üniversitesinden Prof. Dr. Bülent Akbaş, 22. Yapısal Çelik Gününde gerçekleştirdiği sunumunda ülkemizin gündeminden düşmemesi gereken deprem ve çelik konusuna değindi.

Prof. Dr. Bülent Akbaş, Dünya genelinde gerçekleşen olaylardan örnekler verdiği sunumunda şu noktaların üzerinde durdu:

“Deprem ve çelik konusu tabii ki ülkemiz için önemli bir gerçek. Nerede bir yapı yapıyorsak deprem konusu işin içine mutlaka girmek zorunda. Çelik de bir yapı malzemesi olarak karşımıza her zaman bu konuda çıkıyor. Sunumumda, yapı malzemesi olarak çelik, deprem tehlikesi ve yapı mühendisinin beklentisi, çelik yapı taşıyıcı sistemleri ve kapasite tasarımı hakkında bilgiler paylaşacağım.

Yapı Malzemesi Olarak Çelik
Çelik, çok eskiden beri birleşim elemanı olarak kullandığımız bir malzeme. İlk olarak karşımıza font (dökme) demir olarak çıkıyor. Daha sonra işlenmiş demire dönüyor ve 1850’lerde de günümüzdeki yapılarda kullandığımız I profiller üretilmeye başlanıyor. 1870 yılına gelindiğinde ise meşhur Bessemer Konvertörü’nün bulunmasıyla demirden elde edilen ürünlerin yaygın bir şekilde kullanılmaya başlandığını görüyoruz. 19. yüzyılın sonunda da bugünkü anlamıyla yapısal çelik taşıyıcı sistem olarak yapılarda kullanılmaya başlanıyor.

Ancak özellikle 19. yüzyılın sonlarından 20. yüzyılın başlarına kadar bırakın depremi, sadece tasarımdan kaynaklanan hatalardan, malzemelerden ve yüklerden kaynaklanan olağan dışı durumlar nedeniyle birçok çelik yapıda göçme meydana geliyor. Bunlardan bir tanesi ABD’deki meşhur Minneapolis Köprüsü. 1 Ağustos 2007 günü saat 18.05’te yani akşam trafiğinin yoğun olduğu bir saatte köprü üzerindeki tüm araçlarla beraber tam bir yıkıma uğradı. Bununla ilgili göçme nedenlerini incelediğimiz zaman karşımıza bu köprünün zaten yapısal olarak kusurlu olduğu gerçeği çıkıyor. ABD’deki federal araştırma yetkilileri tarafından tanımlanmış bu şekilde 75 bin civarında köprü bulunuyor aslında. ABD, 19. yüzyılın sonlarından itibaren çeliği ana yapı malzemesi olarak kullanarak birçok çelik köprü inşa etmiş. Deprem etkisinin çok fazla olmadığı yerlerde yapısal kusurlardan kaynaklanan sebeplerle taşıyıcı sistemde ani bir göçme meydana gelmiş. Tabii ki bu toplam bir göçme. Önceden bir takım işaretler vermiş ve yapısal olarak kusurlu sınıfına girmiş ama iyileştirme yapılmamış.

Buradaki yapısal kusurdan şunu anlayabiliriz; taşıyıcı sistem olan çelik burada öyle bir düzenlenmiş ki kafes sistemlerde bir elemanı çektiğiniz yani küçücük bir bölgede hasar oluştuğu zaman tüm sistemi yıkabilecek, toptan göçmeyi sağlayabilecek bir potansiyele sahip. Biz buna inşaat mühendisliğinde ‘çok bağlı olmayan sistemler’ diyoruz.

Çelik yapıların birçok avantajı bulunuyor, çelik bizim için ideal bir malzeme. Yüksek mukavemete sahip, homojen izotrop ve akma gerilmesinin altında doğrusal elastik davranış gösteriyor çelik. Çekme ve basınç yükleri altında aynı mekanik özellikle sahip, acayip sünek, yüksek enerji yutma kapasitesi var. Hızlı inşa edilebilme özelliği ve hafif yapılar elde etme imkânı da sunuyor.

Dezavantajları da var tabii ki. Korozyonla ilgili önlem almanız gerekiyor. Yangına karşı dayanım maliyeti bulunuyor. İçerisinde çelik yapı eleman kullandığınız zaman bir takım burkulma problemleri ortaya çıkıyor, elemanları güçlendirmeniz gerekiyor. Yorulma ve kırılma problemleri var ve birleşimler maliyetli. Bunlara rağmen oldukça ideal bir malzeme. Peki bu ideal malzeme karşımıza yapı elemanı olarak çıktığında en büyük sorun nedir? Biz bu ideal malzemeyi kullanarak yapı oluşturuyoruz. Yapı oluşturduğumuz zaman yapısal sistemdeki problemler aslında karşımıza ana sorunlar olarak çıkıyor. Taşıyıcı sistemi çok özenli ve dikkatli oluşturmamız gerekiyor çelik yapılarda. Çelik, hassas işçilik, özen ve detaylandırma gerektiren bir malzeme. Taşıyıcı sistem oluşturulması kirişlerin birbiriyle bağlanması, kolonların yerleşimi yapısal elemanlara sağlanacak olan yanal destekler, yükün aktarılması gerekiyor. Bunların her biri özel detaylar.

Çelik bir yapı taşıyıcı sistem oluştururken betonarmeden biraz daha farklı olarak biz çeliğin bazı avantajlarından yararlanıyoruz. İstediğimiz yönlerde, istediğimiz şekilde deprem yüklerini aktaran çerçeveleri oluşturabiliyoruz. Mesela üç boyutlu çerçevede, çok basit bir şekilde çevredeki çerçeveler tarafından bütün yatay yüklerin, yani deprem ve rüzgâr yüklerinin iki yönde taşınmasını planlayabiliriz. İçerideki çerçeveleri sadece düşey yük taşıyacak şekilde boyutlandırabiliriz. Bu bize betonarmeden çok daha farklı bir tasarım getiriyor. Betonarmede böyle bir imkânınız yok. Betonarmeyi tek parça döktüğünüz için bütün akslar ve elemanlar kendi rijitlikleri oranında üzerine gelen yatay yükleri aktarıyorlar. Ancak çelikte bizim belli akslar ve açıklıklar seçerek bu yatay ve deprem yüklerini taşıtma imkânımız var. Böylece daha ekonomik çözümler elde edebiliyoruz. Çünkü çelik yapı ile ilgili çözüm yaptığınızda karşınıza ilk çıkan şeylerden bir tanesi tonaj oluyor. Maliyeti etkileyen önemli unsurlardan biridir tonaj. Ne kadar ağır elemanlar kullanarak çözerseniz maliyetiniz de o kadar artar, birleşim masrafları da cabası. Ne kadar basit birleşim kullanırsanız o kadar optimum çözüm tasarlamış oluyorsunuz.

Düşey yükler çelik yapılarda betonarme yapılardakine benzer. Ama yükler daha düzenli bir şekilde mutlaka ama mutlaka kullanmak zorunda olduğumuz ikincil kirişler tarafından döşemeden alınarak ana kirişlere, oradan kolonlar vasıtasıyla temele eritiliyor. Yatay yüklerin etkisi altındaysa ana kirişler sadece deprem yükü taşıyan elemanlar tarafından temele aktarılabiliyor. Yani yüklerin yolunu çok net bir şekilde biz taşıyıcı sistemler üzerinde tanımlayabiliyoruz ve buna uygun olarak taşıyıcı sistem elemanlarımızı tasarlayabiliyoruz.

Deprem Tehlikesi ve Yapı Mühendisinin Beklentisi
Çeliğin yapı malzemesi olarak kullanımından bahsettik. Yapı mühendisi olarak çelik eleman kullanılarak oluşturulmuş yapısal sistemlerden beklentimiz nedir sorusuna da cevap vermek lazım. Ülkemizin büyük bir alanı deprem tehlikesi altında. Dolayısıyla en basit bir yapıyı yapıyor olsanız bile yapının deprem etkisi altında davranışını da tahmin etmek ve ona uygun olarak tasarlamak zorundasınız. Yani depremi göz ardı ederek Türkiye’nin hiçbir bölgesinde bir tasarım yapmanız çok mümkün değil.

İster çelik isterse betonarme olsun deprem etkisi altında yapının davranışını genel olarak biliyoruz. Herhangi bir yapıya deprem etki ettiği zaman yapı sağa sola salınımlar yaparak eğer hasar görmezse bir süre sonra denge durumuna geliyor. Şiddetli depremler etkisi altında yapı salınımlarını yaparken bir miktar da hasar alabiliyor. Bizim bu davranışa uygun bir şekilde oluşturacağımız yapısal sistemi tasarlamamız gerekiyor.

Yapı mühendisi olarak çelik elemanlar ile oluşturduğumuz bir yapıdan beklentimiz nedir? Aslında bizim ister betonarme ister çelik olsun tüm taşıyıcı sistemlerden üç temel beklentimiz var. Bunların bir tanesi dayanım; yatay yük etkisi altında yapının doğrusal ve elastik olarak karşılayabileceği yük. İkincisi rijitlik; yapının hasar görmeden sahip olduğu dayanım ve yer değiştirme arasındaki ilişkiye bağlı bir değer. Üçüncüsü de yapı bir miktar hasar almaya başladıktan sonra göçmeye giden sürece kadar olan yolun ne kadar uzun olup olmadığı. Buna da süneklik diyoruz, yani doğrusal olmayan deformasyon kapasitesi. Biz çelik elemanlar kullanarak bir yapı teşkil ettiğimizde bu üç kriterin yönetmeliklere uygun bir şekilde sağlanmasını istiyoruz.

Peki çelik yapılar bunlara uygun olarak tasarlansa da hiç göçmezler mi? Ülkemizden dolayı hep betonarme yapıların göçtüğünü görüyoruz depremler nedeniyle. Bunun sebebi tabii ki ülkemizde betonarme yapı stokunun çok dominant olması. Aslında bu yapılar çelik olsaydı biz geçmişten günümüze çökmüş çelik yapılar görecektik.

Çelik yapılar da tıpkı betonarme yapılar gibi uygun bir şekilde tasarlanıp, detaylandırılıp inşa edilmezse göçebilirler. 1985 yılındaki Meksiko depreminde üç tane 21 katlı ve iki tane 14 katlı çelik binadan oluşan bir komplekste 21 katlı bina 14 katlı binanın üzerine çöktü. 1995 yılındaki Kobe depreminde ise Japonya’daki eski yönetmeliklere göre inşa edilmiş bu bölgede çok fazla miktarda çelik yapı göçtü. Bundan 1 sene önce ABD’deki Northridge depreminde çelik yapı göçmesi olmadı ancak çok enteresan bir şey meydana geldi. Yönetmeliklere göre inşa edilmiş modern yapılar hasar aldılar. Çelik yapılarda her tarafı güzel bir şekilde kapatıyoruz. Dışarıdan bakıldığı zaman çelik yapı olduğu bile anlaşılmıyor. Eğer öyle bir yapı hasar görürse maalesef bütün kaplamaları sökerek tek tek bütün elemanlara, birleşimlere bakmak zorunda kalıyoruz. Başka türlü yapıda hasar olup olmadığını anlamanız mümkün değil, dışarıdan hiçbir şey gözükmüyor. Camlar çerçeveler yerinde, kapılar açılıyor, cephe katlamalarında hiçbir hasar yok. Fakat kaplamaları söküp birleşimleri incelediğiniz zaman karşınıza ciddi kırılmalar çıkabiliyor. 1994 yılında ABD’de biz bunu yaygın bir şekilde gördük.

Çelik Yapı Taşıyıcı Sistemleri
Esas mesele olarak çelik ideal bir malzeme ama bununla teşkil edilmiş olan yapısal sistemler birtakım zafiyetler içeriyorlar. Bizim olası sınır durumları önceden bilip tasarımı ve inşaatını gerçekleştirmemiz gerekiyor. Bugün biz çok yaygın olarak iki tür taşıyıcı sistem kullanıyoruz çelik yapılarda. Bir tanesi geleneksel kiriş kolonlardan teşkil edilen moment çerçeveler, bir diğeri de çaprazlı sınıflar olarak ifade ettiğimiz çerçeveler. Moment çerçeveler tüm mimarların istediği türden bir taşıyıcı sistem. Hem kesitler küçük, fazla yer kaplamıyor hem de size geniş alanlar sağlıyor. Bir moment çerçevesinde iki kolon arasındaki açıklık 10-12 metreye kadar çıkabiliyor. Dolayısıyla bu da size mimari açıdan geniş bir açıklık sağlıyor. Çok tercih edilen bir sistem olabiliyor. Tabii ki böyle bir sistemi oluşturduğumuz zaman basit olmasına rağmen fazla maliyet çıkartabiliyor. Çünkü bu tip sistemler mimari açıdan çok estetik ve tercih edilen sistemler olmasına rağmen rijitlikleri oldukça düşük olduğu için yatay yük etkisi altında yer değiştirmeleri sınırlandırmak açısından gereğinden büyük kesitler kullanmak zorunda kalıyoruz.

Onun dışında çok yüksek derece rijitliğe sahip olan bir diğer sistemimiz ise çaprazlı çerçeveler. Biliyorsunuz, herhangi bir yapısal sistemde bir rijitlik ve stabilite problemi varsa eğer bir çapraz eleman yerleştirmek sistemin rijitliğini çok artırıyor. Merkezi çaprazlı sistemler bizim bugün çelik yapılarda çok sıklıkla kullandığımız taşıyıcı sistemlerden bir tanesi. Bunlarda bir problem var. Bu problem de çapraz elemanların burkulması. Burkulma bizim istediğimiz sünekliği karşılamayan bir olay. İki çapraz varken bu çaprazların yarısı burkulduğu zaman sadece yarısı yükü aktarmada kullanılabiliyor. Bu da sünekliği önemli ölçüde azaltıyor. Farklı türlerde bunları kullanmak mümkün. Buradaki çaprazın konfigürasyonu aslında mimarın karar vereceği bir konu. Çünkü eğer bu çapraz konfigürasyon dış cepheden gözükecekse mimarın bir anlam yükleyerek onu tasarlaması mümkün olabiliyor. Mühendis burada sadece mimara bunların artıları ve eksileri hakkında birtakım bilgiler vermek durumunda kalabiliyor. Son 15 yılda ise çelik yapılarda bizim ‘iki katta bir x çapraz’ dediğimiz çapraz düzenler de çok sık kullanılıyor.

Bunlarla ilgili en büyük problem çapraz elemanın burkulması. Bunun dışında birleşimin çekme kuvveti etkisi altında sıyrılması ve kopması veya levhada meydana gelebilecek burkulmalar da tasarımda mutlaka göz önüne alınması gereken sınır durumlar olarak karşımıza çıkıyor. Eğer çelik kullanarak yüksek katlı binalar yapacaksanız mutlaka ve mutlaka çapraz elemanları yanal rijitlik açısından kullanmanız gerekiyor. Başka türlü yüksek katlı binalarda yatay rijitliği sağlamanız mümkün olmaz.

Bunun dışında çaprazların arasını biraz açarak ‘dış merkez çaprazlı’ dediğimiz sistemler de oluşturmak mümkün. Bunların biraz maliyeti yüksek ve deprem performansı oldukça iyi. Maliyet ve detaylandırması zor olduğu için fazlaca kullanılan sistemler değiller. Fakat yönetmeliklerde gerekli yerlerde kullanılması için detaylar var. Açıklıkların kısa olduğu taraftarlarda bunları tek taraflı olarak da kolon yüzünde kullanmak mümkün. Bunun dışında burkulması önlenmiş çaprazlı çerçeveler de var. Bunlarda ana felsefe, çaprazın burkulmasını önlemek için dışarısına bir kılıf geçirerek ve bu kılıfı da çapraz elemanla birlikte çalıştırmayarak sadece burkulmasını engelleyerek çekme ve basınç altındaki davranışlarını aynı tutmak ve sünekliği artırmak. Bunlar da yaygın bir şekilde kullanılıyor. Tabii ki bunları yaparken karşınıza çelik elemanla ilgili bir sürü sınır durum çıkıyor. Mesela basit bir kiriş tasarlıyorsunuz plastik mafsal oluşacak bir yerde mutlaka. Bunu göz önüne alıp nerede oluşacağına sizin karar vermeniz lazım. Başlıklarda lokal burkulmalar meydana geliyor. Eğer siz kirişinize yeteri kadar yanal destek sağlamazsanız, yanal vurulmalı burkulma dediğimiz bir sınır durum meydana geliyor ve elemanın taşıma gücünü önemli ölçüde azaltıyor. Veya bir birleşim uygun bir şekilde tasarlanmadığında kırılabiliyor. Blok bir şekilde bulonların (cıvataların) veya kaynağın çevrelediği alan rahat bir şekilde sıyrılarak birleşimden çıkıyor. Öyle bir birleşim artık yükü aktaramaz durumdadır. Mutlaka başka bir arıza yoksa sistemde buranın yenilenmesi gerekir. Eğer yeteri kadar sisteme et kalınlığı sağlamadıysanız lokal burkulmalar meydana geliyor. Yeteri kadar et kalınlığı sağlasanız bile gövdede ve başlıkta bu lokal burkulmalar gene kaçınılmaz bir şekilde karşınıza çıkıyor. Çünkü çelikte ne yaparsanız yapın bu tür burkulmaları engellemeniz mümkün değil. Sadece bir miktar geciktirebilirsiniz. Bizim istediğimiz kadar süneklik sağlandığı oranda lokal burkulmaya izin verebiliriz.

Kapasite Tasarımı
Son olarak kapasite tasarımı ile ilgili bir iki şey söylemek istiyorum. Kapasite tasarımı 1970’lerin başında geliştirilmiş bir kavram. Biz de artık çelik yapı tasarlarken deprem yükü altında kapasite tasarımını kullanıyoruz. 1970’lerden önce genel tasarım anlayışı ‘biz yönetmelikteki kuvvetler altında tasarlayalım’ şeklindeydi. Peki yönetmeliklerdeki dayanım aşıldığında ne olacak? Bu sorunun cevabı bilinmezdi. 1970’lerde Thomas Paulay tarafından başlatılan bir kapasite tasarımı felsefesi bugün bizim yönetmeliklerimizde yerini almış durumda. Aslında felsefe çok basit; taşıyıcı sistemdeki kritik elemanlarda deprem yer hareketi esnasında herhangi bir risk bulunmamalı, kritik elemanlarda hasar oluşması engellenmeli, sünek davranışı sağlamalı ve gevrek davranışın önüne de geçilmeli.

Ülkemizde zayıf konfigürasyonların çok fazla örneğini görebiliyoruz. Yumuşak katlar, ilk katlardaki dükkânlardan dolayı duvarların kaldırılması ve kısa kolon durumları ister çelik ister betonarme olsun karşımıza çok sık çıkan durumlar. Biz moment veya çapraz çerçeve yapalım bunlarda kapasite tasarım ilkesini uyguluyoruz. Moment çerçevesi ile kirişlerde, çapraz çerçevelerde ise çaprazlarda hasar oluşacak şekilde tasarım yapıyoruz. Böylece yapının geri kalan kısmının stabil ve deprem sonrasında ayakta kalmasını sağlıyoruz. Çerçeve içerisinde ‘kapasitesi korunan bölgeler’ dediğimiz bölgeler oluşturuyoruz. Buraya herhangi bir kaynak yapılmasına, delik açılmasına müsaade etmiyoruz. Çünkü bunlar deprem sırasında bizim için kapasitesi mutlaka korunması gereken bölgeler. Bunun için özel kombinasyonlar kullanıyoruz. Bu yük kombinasyonlarıyla deprem esnasında oluşacak en uç yükleri bulup taşıyıcı sistem elamanlarını tasarlamaya çalışıyoruz. Ayrıca olası malzeme dayanımlarını da göz önüne alıyoruz. Yani 235 çeliğinin 300 megapaskala kadar çıkabileceğini, 355 çeliğinin 400 megapaskala kadar çıkabileceğini, artma dayanımını tahmin edebiliyoruz ve bunları tasarımda göz önüne alıyoruz. Kapasite tasarımıyla taşıyıcı sistem elemanlarının deprem sırasında stabil şekilde kalmasını sağlıyoruz.

Sunumlarımın sonunda her zaman genç mühendislerimiz için küçük bir tavsiyede bulunuyorum. İyi bir yapısal tasarım yapabilmek iyi bir mühendis olmak için davranışı çok iyi bilmek lazım. Çelik elemanın davranışını biliyoruz ama bunla oluşturacağımız yapının davranışını da çok iyi bilmemiz gerekiyor. Başta Yener Bey olmak üzere tüm Türk Yapısal Çelik Derneği çalışanlarına ve beni dinleyenlere bu güzel etkinlik için teşekkür ediyorum.”
Çelik Yapılar - Sayı: 74 - Ocak / Şubat 2022

Projeler

BATUM STADYUMU

Kendimizi Sınayalım

74. SAYI SORUSU



© 2014 - Türk Yapısal Çelik Derneği