DEPREME KARŞI DAYANIKLI ÇELİK YAPI TASARIMI Yard. Doç. Dr. Güven KIYMAZ İstanbul Kültür Üniversitesi İnşaat Mühendisliğ

1. DEPREME KARŞI DAYANIKLI ÇELİK YAPI TASARIMIYard. Doç. Dr. Güven KIYMAZİstanbul Kültür Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Bölümü Öğretim Üyesi İstanbul Kültür Üniversitesi

2. Deprem ve Çelik Yapılar Malzeme olarak çelik Çelik yapı elemanlarında davranış çeşitleri (genel) Çekme altında davranış Basınç altında davranış Eğilme altında davranış Taşıyıcı sistem çeşitleri Genel Moment aktaran rijit çerçeve sistemler Merkezi çaprazlı taşıyıcı sistemler Dışmerkez çaprazlı taşıyıcı sistemler Ders İçeriği İstanbul Kültür Üniversitesi

3. Deprem ve Çelik Yapılar • Deprem etkileri altında bir yapının enerji yutması isteniyorsa yapı malzemesinin sünek davranışı gereklidir. Çeliğin, kopmadan büyük deformasyon yapabilme özelliği yani büyük bir şekil değiştirme sığası olması ve yüksek dayanımı, malzemeyi deprem bölgelerinde inşa edilecek olan yapılar için ideal bir malzeme durumuna getirmektedir. • Çelik, öz ağırlığının toplam yük içindeki payının küçük olması nedeniyle, hafif yapı çözümleri sağlamaktadır. Yüksek dayanımı nedeniyle de daha ekonomik kesitler kullanılabilmekte ve temele aktarılan toplam yük azalmaktadır. Dolayısıyla deprem yükleri de azalmaktadır. • Çelik sıkı ve sürekli denetimle üretilmekte olup, yapı elemanları ve birleşimler kontrole açıktır ve herhangi bir aksaklığı gizlemek zordur. • Kolay onarım ve güçlendirme olanağının bulunması, hızlı ve hava koşullarından bağımsız inşaat yapılabilmesi, deprem için önemli bir kolaylık sağlamaktadır. İstanbul Kültür Üniversitesi

4. Malzeme olarak çelik • Çelik esas itibariyle bir demir + karbon alaşımdır. Yüksek ölçüde demir, düşük ölçüde karbon. • Yapısal çeliğin içerisinde demirden başka %0.16 - %0.20 arasında karbon bulunmaktadır. • Karbon miktarı arttıkça çeliğin dayanımı da artar. Ancak bu durumda çelik daha gevrek hale gelir. • Dolayısıyla hem yüksek dayanımlı hem de yeterli sünekliğe sahip çeliğin üretiminde karbon yüzdesi hassas ve önemli bir rol oynamaktadır. • Çelik alaşımına ayrıca fosfor, kükürt, azot, silisyum, manganez, bakır, krom, nikel gibi elemanlar ilave edilerek kaliteli çelikler elde edilir. Diğer elemanların çeliğin özelliklerine olan etkisi karbonun tekbaşına olan etkisinin bir fonksiyonu olarak “Karbon eşdeğeri”, CE ile ifade edilir. CE=C+(Mn+Si)/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15 İstanbul Kültür Üniversitesi

5. P Plastik Deformasyon Elastik Kopma Ölçme aralığı P Malzeme olarak çelik Çeliğin mekanik özellikleri çekme deneyi sonucunda elde edilen gerilme – şekil değiştirme grafiği yardımıyla belirlenir. İstanbul Kültür Üniversitesi

6. Kopma Gerilme Akma Şekil değiştirme Malzeme olarak çelik • Deprem tasarımı için çeliğin sahip olması gereken özellikler: • Akma gerilmesi / Kopma gerilmesi oranı 0.85’ ten büyük olmamalı. • Yeterli inelastik yerdeğiştirme kapasitesine sahip olmalı (mesela çekme testinde 5cm ölçme aralığı için %20 lik bir kopma uzaması) • Kaynağa uygun olmalı (ana malzeme ve kaynak malzemesi birlikte uygun mekanik özelliklere sahip olacak şekilde seçilmeli) İstanbul Kültür Üniversitesi

7. Malzeme olarak çelik Profiller İstanbul Kültür Üniversitesi

8. Çelik yapı elemanlarında davranış çeşitleri Çekme Eksenel çekmeye maruz çelik elemanlar, elemanın enkesit alanının tamamen akması esasına göre boyutlandırılır. s Eleman enkesitindeki boşluklar kesit alanından düşülür (net enkesit) İstanbul Kültür Üniversitesi

9. Çelik yapı elemanlarında davranış çeşitleri Basınç Eksenel ve/veya eksantrik basınç etkisi altındaki bir çelik profil (yapma yada hadde) yeterli narinliğe sahip ise burkulmaya maruz kalacaktır. Burkulma, basınç altındaki bir elemanın yükleme öncesi düz halden belirli bir kritik yükte düzlem dışına doğru yer değiştirmesi olarak tanımlanabilir. Basınç altındaki çelik elemanlar için iki çeşit burkulma söz konusudur: • Yerel burkulma • Eleman burkulması İstanbul Kültür Üniversitesi

10. Çelik yapı elemanlarında davranış çeşitleri Basınç : Yerel burkulma Pratikte kullanılan çelik profiller ince cidarlı levhalar içermektedir. Bu levhalar basınç etkisi altında burkulma riski taşırlar. Yerel burkulma, elemanın öngörülen taşıma kapasitesine ulaşmasına engel olur. Gerek statik gerekse tekrarlı dinamik yükler altında çelik profilleri oluşturan levhaların narinliği belirli limitler altında tutulmalıdır. Narinlik düz levhalardan oluşan profillerde levha genişliğinin kalınlığına oranı (b/t), dairesel kesitlerde çapın et kalınlığına oranı (D/t) olarak ifade edilir. İstanbul Kültür Üniversitesi

11. Çelik yapı elemanlarında davranış çeşitleri Basınç : Eleman burkulması • Kritik burkulma yükü • Üretim/imalat nedenli boyut kusurları ve • kaynak gerilmelerinin fonksiyonu olarak ifade edilen eleman burkulma dayanımının sağlanmasında öncelikli önem taşıyan parametre eleman narinliğidir. Narinlik k.L/r olarak verilir. Burada; k: eleman burkulma boyunu mesnet koşullarına bağlı olarak kontrol eden bir parametre L: eleman boyu r: kullanılan profil kesitine ait atalet yarıçapıdır İstanbul Kültür Üniversitesi

12. Yanal burkulma Yük Çelik yapı elemanlarında davranış çeşitleri Eğilme • Eğilmeye maruz çelik elemanlarda iki çeşit davranış söz konusudur. • Yanal ötelenmesi serbest durumda yanal burkulma • Yanal ötelenmesi tutulmuş durumda basit eğilme ve inelastik yerel burkulma. Deprem etkisi altında yük taşıma kapasitesi kaybı genellikle yerel burkulma nedeniyle olur. İstanbul Kültür Üniversitesi

13. Çelik yapı elemanlarında davranış çeşitleri Burkulma üzerine sonuç not..... Görüldüğü gibi çeliğin birim ağırlığının sağladığı dayanım fazla olduğu için elemanların narinliği diğer malzemeler ile oluşturulan benzer yapı elemanlarına nazaran oldukça fazla olmaktadır. Bu yüzden “burkulma” çelik yapılarda önemli bir yapısal davranış türüdür. Özellikle deprem yükleri gibi yapıyı elastik bölge sonrasına zorlayan yüklemelerde, çelik yapı elemanlarında meydana gelebilecek “inelastik burkulma” kritiklik arz etmektedir. Dolayısıyla çelik elemanların sismik tasarımında kullanılan narinlik limitleri (b/t, D/t, k.L/r gibi) daha hassas limitlerdir. İstanbul Kültür Üniversitesi

14. Çelik yapı elemanlarında davranış çeşitleri Birleşimler • Çelik yapı birleşim elemanları; • Moment aktaran rijit birleşimler • Moment aktarmayan basit birleşimler • olarak ikiye ayrılırlar. • Çelik yapı birleşim elemanları; • Yükleri (moment, kesme kuvveti ve eksenel kuvvet) elemanlar arasında sağlıklı olarak aktarabilmeli • Yeterli dönme kapasitesine sahip olmalıdır. İstanbul Kültür Üniversitesi

15. Çelik yapı elemanlarında davranış çeşitleri Örnek 1 Yükseltilmiş çelik depo yapısı... Boru kesitli dört ayak, diagonal ve yatay elemanlar ile çerçeve oluşturulmuş. İstanbul Kültür Üniversitesi

16. Çelik yapı elemanlarında davranış çeşitleri Örnek 1 Deprem sonrası depo yapısı.....!? Taşıyıcı sistemi oluşturan elemanların narinliğinin sınır narinliklerin üzerinde olması sonucu tekrarlı yük altında çöken yapı... İstanbul Kültür Üniversitesi

17. Çelik yapı elemanlarında davranış çeşitleri Örnek 2 Tek katlı çelik yapı... Tekrarlı yük altında yapıda diagonal kuşak elemanları elastik limitlerin üzerinde zorlanmaya maruz kalmış. İstanbul Kültür Üniversitesi

18. Çelik yapı elemanlarında davranış çeşitleri Örnek 3 6 katlı bir çelik binanın ilk katındaki köşe kolonun deprem sonrası yerel burkulma etkileri ile hasarı.... Bu kolon merdiven sahanlığına mesnet teşkil eden kısa kolonlardan biri olarak diğer kolonlara göre daha rijit bir davranış sergilemiş ve hasar kolon burkulmasından çok yerel burkulma şeklinde meydana gelmiştir. İstanbul Kültür Üniversitesi

19. Taşıyıcı sistem çeşitleri Genel • Çeliğin deprem yükleri açısından en önemli iki özelliği: • Sünekliği • Tekrarlı inelastik yükleme altında enerji yutma kapasitesidir. Bu özellikler taşıyıcı sistemler için de geçerlidir. Deprem yönetmeliğinde tanımlanan “deprem yükü azaltma katsayısı” Ra(T1), taşıyıcı sistemin deprem yükleri altında ne kadar enerji yutacağı ile ilgili bir parametredir. Bu katsayı sistemin sünekliğinin artması ile artar ve dolayısıyla yapıya etkiyen eşdeğer deprem yükü (Vt) azalır. Vt = W . A(T1) / Ra(T1) İstanbul Kültür Üniversitesi

20. Taşıyıcı sistem çeşitleri Genel Taşıyıcı sistemin inelastik çevrimsel davranışı Taşıyıcı sistemlerin deprem gibi tekrarlı yüklere karşı davranışı “histerik enerji eğrisi” ile gösterilir. Deprem yükü, sisteme bir dış enerji uygular. Bu enerjinin karşılığı ise taşıyıcı sistemin tekrarlı yükleme halinde her bir tekrarda harcadığı enerjilerin toplamıdır. İstanbul Kültür Üniversitesi

21. Taşıyıcı sistem çeşitleri Genel • Bina tipi çelik yapılarda deprem yükleri üç yaygın alternatif taşıyıcı sistem ile taşıtılır; • Moment aktaran rijit çerçeve sistemler • Merkezi çaprazlı taşıyıcı sistemler • Dışmerkez çaprazlı taşıyıcı sistemler 1 2 3 İstanbul Kültür Üniversitesi

22. Taşıyıcı sistem çeşitleri Genel • Çelik taşıyıcı sistemler deprem enerjisini sistem içerisinde harcama kapasitelerine göre; • Süneklik düzeyi yüksek sistemler • Süneklik düzeyi normal sistemler olarak iki sınıfta incelenirler. Sistem sünekliğinin yüksek yada normal olması eleman narinlikleri, kiriş dönme kapasiteleri, birleşim detayları vs. ile ilgili standartlarca belirtilen bazı kurallara göre değişmektedir. Deprem yükü azaltma katsayısı, R (Afet Yönetmeliği) İstanbul Kültür Üniversitesi

23. Kolon Kiriş Moment aktaran birleşim Taşıyıcı sistem çeşitleri Moment aktaran rijit çerçeve sistemler Deprem dayanımı moment aktaran çerçeve sistemler ile sağlandığında, yatay yükler öncelikle kolon-kiriş birleşimleri ile taşınır. Bu birleşim noktalarında oluşacak gerilmeler oldukça fazladır. Bu nedenle birleşim hesap ve detaylandırması hassasiyetle yapılmalıdır. Moment aktaran çerçeve sistemin çalışma prensibi çerçevenin taşıma sınır durumundan önce deprem enerjisini yutacak şekilde deformasyona uğramasıdır. Bu deformasyonların emniyetli sınırlar içinde olabilmesi özellikle birleşim bölgesindeki sünek davranışa bağlıdır. Aynı prensip betonarme çerçeve yapılar için de geçerlidir. İstanbul Kültür Üniversitesi

24. Taşıyıcı sistem çeşitleri Moment aktaran rijit çerçeve sistemler Özellikle Amerika Birleşik Devletleri’nde meydana gelen depremler sonrası yapılan incelemelerde kolon-kiriş birleşimlerinde meydana gelen hasarın kolonda, kaynakta yada panel bölgesinde yoğunlaştığı gözlenmiştir. İstanbul Kültür Üniversitesi

25. Kirişler Kaynaklı birleşim Kolonlar Çatlak Taşıyıcı sistem çeşitleri Moment aktaran rijit çerçeve sistemler Özellikle deprem yüklerini moment aktaran türde birleşimler ile taşıyan çerçeve sistemlerde birleşim kaynaklarının uygulanmasında özen gösterilmelidir. Kaynakta gevrek çatlamalara izin vermeyecek şekilde detaylar uygulanmalıdır. İstanbul Kültür Üniversitesi

26. Panel bölgesi Süreklilik levhaları Taşıyıcı sistem çeşitleri Moment aktaran rijit çerçeve sistemler Moment aktaran türde kolon-kiriş birleşimlerinde bir başka önemli bölge “panel bölgesi” dir. Panel bölgesi, birleşime giren kiriş başlıklarının hizasında üstten ve alltan sınırlı kolon gövdesidir. Bu bölge moment nedeniyle oluşan kesme kuvvetine karşı koyacak kayma mukavemetine sahip olmalıdır. Bunun için kayma bölgesi takviye levhaları ve süreklilik levhaları kullanılabilir. İstanbul Kültür Üniversitesi

27. Taşıyıcı sistem çeşitleri Moment aktaran rijit çerçeve sistemler Kolon-kiriş birleşimlerinde olduğu gibi kolon taban birleşimleri de iletilen moment, kesme kuvveti ve eksenel kuvvetleri emniyetle taşıyacak şekilde boyutlandırılmalıdır. Yük transferinde zayıf nokta bulunmamalıdır. İstanbul Kültür Üniversitesi

28. Taşıyıcı sistem çeşitleri Moment aktaran rijit çerçeve sistemler Moment aktaran çerçeve sistemlerde depremin binaya aktardığı enerjinin kolonlardan ziyade kirişlerde sarf edilmesi durumunda daha sünek bir çerçeve davranışı elde edilmektedir. Yeterli sönüm için kiriş enkesitlerinin yerel burkulmayı geciktirecek şekilde seçilmesi gerekir. Yumuşak kat Zayıf kolon – kuvvetli kiriş Enerjinin kirişlerde sarf edildiği çerçeve Enerjinin kolonlarda sarf edildiği çerçeve İstanbul Kültür Üniversitesi

29. Taşıyıcı sistem çeşitleri Moment aktaran rijit çerçeve sistemler Moment aktaran çerçeve sistemler ile oluşturulan binalar, iç mahal ve cephelerinde herhangi bir perde yada çapraz olmaması nedeniyle mimari avantajlar sağlamaktadır. Ancak kolon-kiriş birleşimlerinde oluşan detaylar nedeniyle bu sistem diğerlerine nazaran daha pahalı bir sistemdir. İstanbul Kültür Üniversitesi

30. Taşıyıcı sistem çeşitleri Çaprazlı sistemler • Çaprazlı taşıyıcı sistemlerde yatay yük diagonal elemanlarda meydana gelen yüksek eksenel gerilmeler ile taşınır. Bu sistemler moment aktaran rijit çerçeve sistemlere göre iki önemli avantaja sahiptir; • Malzeme tasarrufu • Kat ötelenmelerinin daha etkili bir şekilde kontrol altına alınabilmesi İstanbul Kültür Üniversitesi

31. Diagonal merkezi çapraz sistem X - merkezi çapraz sistem Ters V merkezi çapraz sistem V - merkezi çapraz sistem Taşıyıcı sistem çeşitleri Merkezi çaprazlı sistemler Merkezi çaprazlı sistemler, çapraz elemanların merkez çizgileri ana çerçevenin birleşim noktaları ile düzenli bir konfigürasyon içerisinde birleşerek düşey taşıyıcı sistem içinde bir tür düşey kafes sistem oluşturan sistemlerdir. Yatay deprem + rüzgar yükleri bu düşey kafes sistem ile taşınır. Şekilde sıklıkla kullanılan merkezi çapraz sistem çeşitleri verilmiştir. Diagonal elemanlar olarak I-profil, boru, kare veya diktörtgen kesitli profil, tek yada çift köşebent, U-profil kullanmak mümkündür. İstanbul Kültür Üniversitesi

32. Taşıyıcı sistem çeşitleri Merkezi çaprazlı sistemler • Merkezi çaprazlı sistemler yüksek elastik yatay rijitiğe sahip yatay-yük taşıyıcı sistemlerdir. Bu sistemlerde ana iki unsur diagonal elemanlar ve bu elemanların çerçeve elemanlarına olan birleşimleridir. • Merkezi çapraz sistemin sünek davranış sergileyebilmesi için diagonal çapraz elemanları tekrarlı inelastik yükleme süresince dayanım ve rijitliklerini önemli ölçüde kaybetmeden büyük deformasyon yapabilmelidir. • Çapraz elemanının bu davranışında etkili üç önemli faktör; • Çapraz eleman narinliği (k.L/r) (eleman burkulması kritik) • Mesnet koşulları (tekrarlı inelastik yüklemede birleşimler kritik) • Kesit (yerel burkulma kritik) İstanbul Kültür Üniversitesi

33. Taşıyıcı sistem çeşitleri Merkezi çaprazlı sistemler k.L/r=30 k.L/r=80 k.L/r=140 Çapraz eleman narinliği (k.L/r) artıyor Eleman narinliği azaldıkça inelastik çevrimsel davranış iyileşmektedir. Yani tekrarlı yükler altında çapraz elemanın enerji yutma kapasitesi narinliğin azalması ile artmaktadır. Bu nedenle Afet yönetmeliğinde (1997) X formunda çaprazların basınç altında narinlik limiti olarak verilmiştir. İstanbul Kültür Üniversitesi

34. Çapraz elemanı Guse plakası t=Guse plakası kalınlığı Taşıyıcı sistem çeşitleri Merkezi çaprazlı sistemler Guse plakasının düzlemi dışına yeterli süneklik sağlayacak şekilde deformasyon yapması için çapraz elemanı guse levhasının bağlandığı kiriş yada kolon kenarına minimum 2.t kadar yaklaştırılmalıdır. İstanbul Kültür Üniversitesi

35. Taşıyıcı sistem çeşitleri Merkezi çaprazlı sistemler, Örnek Ters V merkezi çapraz sistem. İstanbul Kültür Üniversitesi

36. Taşıyıcı sistem çeşitleri Merkezi çaprazlı sistemler, Örnek Guse plakasına birleşim detayı İstanbul Kültür Üniversitesi

37. Taşıyıcı sistem çeşitleri Merkezi çaprazlı sistemler, Örnek Kolona birleşim detayı İstanbul Kültür Üniversitesi

38. Taşıyıcı sistem çeşitleri Merkezi çaprazlı sistemler, Örnek Oluşan yumuşak katın merkezi çapraz sistem ile güçlendirilmesi İstanbul Kültür Üniversitesi

39. Taşıyıcı sistem çeşitleri Dışmerkez çaprazlı sistemler Dışmerkez çaprazlı sistemleri merkezi çaprazlı sistemlerden ayıran en önemli fark, çapraz elemanının en az bir ucunun kirişte “link” elemanı olarak anılan bir parçayı oluşturacak şekilde bağlı olmasıdır. İnelastik davranış bu bağlantı elemanı üzerinde sınırlandırılır. Bu özelliği sebebiyle bu eleman bir tür “sünek sismik sigorta” dır. İstanbul Kültür Üniversitesi

40. Taşıyıcı sistem çeşitleri Dışmerkez çaprazlı sistemler Dışmerkez çaprazlı sistemler mükemmel bir süneklik ve enerji yutma kapasitesine sahiptirler (Ra(T1)=8 alınabilir). Aynı zamanda merkezi çaprazlı sistemlere has yatay rijitliğe çok yakın yatay rijitlik sergilerler. Şekilde yaygın olarak kullanılan dışmerkez çapraz sistem çeşitleri verilmiştir. Bunlar arasında Ters V formu kolonlarda yüksek momentlere neden olmayacak bir forma sahip olduğu için en çok tercih edilendir. Dışmerkez diagonal Dışmerkez Ters V sistem Dışmerkez V sistem İstanbul Kültür Üniversitesi

41. Link elemanı uzunluğu, e Kiriş gövdesi takviye plakası Çapraz eleman merkez çizgisi kiriş merkezi ile link elemanı içinde çakışmalıdır Taşıyıcı sistem çeşitleri Dışmerkez çaprazlı sistemler Tipik dışmerkez çapraz bağlantı detayı İstanbul Kültür Üniversitesi

42. Taşıyıcı sistem çeşitleri Dışmerkez çaprazlı sistemler Öngörülen sünek sistem davranışı için link elemanı ve onun bağlandığı kiriş ile ilgili narinlik, deformasyon ve mukavemet kuralları esas olarak Amerikan standardlarında verilmiştir. Tekrarlı yükleme deneylerinde link elemanının davranışı İstanbul Kültür Üniversitesi

43. Taşıyıcı sistem çeşitleri Dışmerkez çaprazlı sistemler, Örnek bina 1 İstanbul Kültür Üniversitesi

44. Taşıyıcı sistem çeşitleri Dışmerkez çaprazlı sistemler, Örnek bina 2 İstanbul Kültür Üniversitesi

45. Kaynaklar • “Seismic Provisions for Structural Steel Buildings” AISC 1997 • Ductile Design of Steel Structures, Michel Bruneau, et al. • Ders Notları, Andrew Whittaker • Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik, 1997 Deprem Yönetmeliği İstanbul Kültür Üniversitesi