deprem bölgelerindeki yapılarda çelik çapraz çerçeve sistemlerinin
Transkript
deprem bölgelerindeki yapılarda çelik çapraz çerçeve sistemlerinin
DEPREM BÖLGELERINDEKI YAPILARDA ÇELIK ÇAPRAZ ÇERÇEVE SISTEMLERININ AVANTAJLARI Özlem EŞSİZ1 essiz@msu.edu.tr Öz:Çaprazlamadaki amaç, en az miktarda ek malzemeyle, yatay yüklere karşı rijit bir strüktür elde etmektir. Böylece her yükseklikteki yapı için ekonomik bir üretim elde edilir. Çapraz sistemler özellikle deprem bölgelerinde, enerjinin büyük bir kısmını emdiği için etkili olmaktadır. Bu çalışmada çelik çapraz çerçeve sistemlerinin plan ve kesit düzlemin çeşitli planlama şekilleri ve farklı detay çözümleri incelenecektir. Özellikle çok katlı çelik sistemlerde çapraz çerçeve sistemlerin deprem bölgeleri için uygunluğu uygulama örnekleri ortaya konulacaktır. Anahtar Kelimeler: Bina Tasarımı, Çelik Çaprazlama, Deprem Bölgesi Giriş Düşey çelik çaprazlama sistemleri genellikle çelik iskeletli (çerçeveli) yapılarda yatay yükleri karşılayan strüktürel elemanlar olarak karşılanmaktadır. Betonarme yapılarda çelik çaprazlamalar deprem gibi yanal kuvvetlere karşı dayanımı arttırmak için kullanılmaktadır. Bu durumda, ilave diagonal çaprazlamalar ve çerçeve girdeler kompozit kirşin ağ elemanları haline gelir (Çelik,Çılık,1998,s.558). Deprem kuvvetlerine karşı strüktürel tasarımın esasları yapının yanal kuvvetlere karşı dayanımına dayanmaktadır. Binaların çoğunda bu düşey elemanların kombinasyonlarından bazılarına rastlanmaktadır. Bu sistemin her hangi bir bölümündeki hata ve bölümler arasındaki bağlantılardaki hata binada çökmeye varan asarlara neden olabilir (Eşsiz,1999,Nashed,1996). Çelik Çaprazlamaların Düzenlenmesi Strüktürel sistemin bir parçası olan dış duvarların, yapıda oluşan yerçekimi yüklerinin bir bölümünü ve yatay rüzgar yüklerinin tamamını taşıması, tüp sistemin önemini daha da artırmıştır. John Hancock Center’in perde duvarların yapısal özelliklerini alan strüktürel sistemi ile yatay ve düşey yükler, yapıdaki tüm dış kolonlar aracılığı ile zemine aynı oranda aktarılmaktadır. Yapının strüktürel sisteminin esasını , çelik kolonlar, spandrel kirişler ve cephede yer alan diyagonel X çaprazlamalar oluşturmaktadır. Yapıda diyagoneller, spandrel kirişler ve kolonlar, birbirine mafsallı olarak bağlanmıştır. Yapının stabilite ve rijitliğinin artmasını sağlayan X çaprazlamalar, yapının dört cephesinde yer alarak çelik dış kolonlara bağlanmaktadır. X diyagonellerinin köşe kolonları ile kesiştiği yerde çelik kirişler bulunur ve böylece diyagonellerden oluşan yerçekimi yükleri yeniden kolonlara aktarılır. Yapıya gelen yatay yüklerin %80’i konsol davranışıyla %20’si çerçeve davranışıyla karşılanakatadır. Cepheden cepheye sürekli olan X çaprazlamalı diagonal kolonlara tespit edilerek yüklerin çaprazlamalardan kolonlara aktarılmasını sağlar. Çaprazlamalardaki ölü yük bunların rüzgar yükleri altında basınç altında dır (Kowalczyk,R., Sinn,R.,Kilmister,M., 1995,pp.270). Yapıya gelen rüzgar yüklerinin karşılanması için yapılan beş büyük X çaprazlama yapının köşlerinde, belirli noktalarda kesişmektedir. Yapıda tasarlanan tüm detaylar, yapının çapraz diyagonelleri ile bütünleşmektedir. X çaprazlama elemanları, bazı pencerelerin önünü kapatmasına rağmen, yapının tamamında narin ve haifif bir görünüm sergilemektedir. Eğer tek diagonallar kullanılırsa, bunlar çift fonksiyona hizmet etmeliler; bir doğrultuda yanal kuvvetlere hizmet etmek için çekme olarak davranır ve bunun aksi yönünde ise basınça hizmet eder. Uzun çekme elemanları uzun çekme 1 MSGSU Mimarlık FakültesiYapı Bilgisi Bilim Dalı 665 elemanlarından daha etkilidir, çerçeveler sık sık basınç elemanı ihtiyacını ortadan kaldırmak için C çaprazlama olarak adlandırılan diagonallarle çaprazlanır. Bir çok durumda kafesleme (trussing) rijit bir çerçeve ile karşılaştırıldığında çerçevedeki elemanlardaki sadece aksiyal kuvvetleri oluşturmaya neden olur. Genellikle rijit çerçeveden daha az deformasyona sahip olan bu sistem hem statik hem de dinamik yüklere karşı dayanımlıdır (Ambrosse,1993). Çaprazlama bina yüksekliğinde düzenli olarak yapılabildiği gibi şaşırtmalı da yapılabilmektedir. Çaprazlama çok sayıda katı içeren süper diagonaller olabilir veya tek katlı çaprazlamalar yapılabilir. Diagonel elemnalar sadece çekmeyi taşıyor ve bağlayıcı olarak çalışıyorsa, bu takdirde oldukça basit birleşimlere sahip X çaprazlamalara ihtiyaç duyulur (Taranath,1989). Kafes tüp sistemin en önemli avantajı oldukça geniş aralıklı kolonların olmasıdır. Bunun sonucunda geniş alanlarda penceeler açılabilir. Cephe çaprazlama sistemi tübüler birleşimlerin br bölümünde kullanılabilir. Örneğin uzun dikdörtgen binalarda kısa kenar çaprazlanabilir uzun kenar çerçeveli tüp veya moment dayanımlı çerçeve olabilir (Iyengar,1993). Ekonomik strüktürel çözüm çaprazlamaların bina yüzeyinin tamamına dağıtmaktır. Yüksek yapılardaki yapısal rijitliği daha da arttırmak amacıyla çelik çerçeveler, çeşitli çaprazlar kullaılarak rijitlenmektedir. Ortak merkezli rijit çerçeveler, X, K, V, diyagonel, Pratt gibi formları alabilmektedir. Bu formlardan en çok tercih edilen ve en çok kullanılan X çaprazlama, yatay yüklere karşı K ve V şeklindeki çaprazlamalara oranla daha fazla dayanım göstermektedir. Çelik Çaprazlama Çeşitleri Diagoanl elemalar sadece çekmeyi karşılamalı ve X çaprazlamalar gibi davrandığında basit birleşimler kullanılırken, çaprazlama hem çekme hem de basınca çalışıyorsa o zaman sadece bir tane rijitleştirme dikmesi seçilebilir. Rijit çerçeveli sistemler 20 kattan yüksek binalarda kiriş ve kolonlardaki eğilmenin büyük deformasyonlara neden olmasından dolayı, yatay yükler karşısında yeterli etkinlik gösterememektedir. Bu durumda çerçeveye düşey bir kafes eklenmesi yoluyla sistemin rijitleştirilmesine gidilmektedir. Böylece çerçevenin düşey yükleri, kafesin ise yatay yükleri taşıyacağı kabul edilmektedir. Çaprazlı çerçeveler ortak ve ayrık merkezli olmak üzere iki grupta toplanabilirler. Bu sınıflandırma düktilite özeliklerine göre yapılmaktadır. X, Pratt, diyagonel, K ve V formları gibi ortak merkezli düzenlemelerde kolon, kiriş ve çapraz elemanlar ortak bir noktada kesişmektedir. Dış merkezli düzenlemelerde ise, düktiliteyi arttırmaya yönelik olarak, eğilme ve kesme kuvvetlerini kirişlere aktarmak için çapraz elemanların merkezleri özellikle merkezi düzenlemelerde X çaprazlamalar K ve V çaprazlamalara göre daha yüksek yatay dayanım/ağırlık oranı göstermektedir (Taranath, 1997).Bu yapım türlerinin hepsinde de çerçevenin köşe ve mesnet noktalarında yüksek mukavemetli civatalar ve kaynaklı birleşimler kullanılmaktadır. Birleşim elemanı olarak perçin genellikle kullanılmamaktadır.İki tip çaprazlama çeşidi vardır. Ortak Merkezli Çapraz Sistemler: Bu geleneksel çaprazlama yaygın oarak her türlü konstrüküyonda kule, köprü ve diğer yapılarda iki boyutlu kafes ve ya üç boyutlu uzay çerçeveler yaratarak kullanılmaktadır. Ayrık Merkezli Çapraz Sistemler: Eccentric bracing moment çerçevenin özellikleri enerji emme ve elastik olma davranışlarıyla çapraz çerçevenin rijitliği ve dayanımıyla eşsiz strüktürel sistemdir. Kirişten kolona ve kirişe ayrık merkezli olarak bağlandığı için bu ismi almıştır. Sstemin en belirgin özelliği kirişlere bağlı diagonal çaprazların kiriş ve kolon arasındaki bağlantıdan ötelenmesidir(Taranath,1989). Ayrık merkezli çaprazlı çerçeveler çok çeşitli formlarda düzenlenebilir. Kafes Tüp Sistemler Kafesli tüp sistem, çerçeve tüp sistemin geliştirilmesi ile ortaya çıkan bir sistemdir. 1970’li yıllardan itibaren yapıların hızla yükselmesi ve çerçeve tüp sistemin yetersizliği nedeniyle yapılarda kafes tüp sistemler uygulanmaya başlamıştır. Çerçeve tüp sistemin en olumsuz yönü ise alın kirişlerinin esnekliğidir. Bu amaçla çapraz elemanlar eklenerek sistemin rijitliği arttırılmaktadır. Bu durumda kesme kuvveti alın kirişleri ile değil, diyagoneller ile karşılanmaktadır. Bu diyagoneller gerek çerçeveli tüpte kirişlerin karşıladığı kaymayı gerekse de eksenel çubuk çalışması ile yatay yükleri karşılaması son derece önemlidir. Kafes tüp sitem yapılarda çeşitli şekillerde uygulanmaktadır. Kolon ve diyagonel kafes tüp, verev kafes, kirişli verev kafes tüp bunlardan sadece bazılardır. Yatay yüklerin taşınmasında tüm sistemin kullanıldığı kolon ve diyagonel kafes sistem, dış çerçevede yer alan kolonların aralarına yerleştirilen diyagonellerden oluşmaktadır. Bu yöntem sonucunda kolon açıklıkları fazla, kiriş yükseklikleri daha az tutulabilmekte, pencere ve kapı boşluklarında da rahatlama doğmaktadır (Schuller,W.,1977). Kirişli verev kafes sistem, cephede kolonlar olmadan düzenlenmiş, diyagonellerden oluşmaktadır. Bu sık diyagoneller eğik kolon davranışı göstererek tüm düşey yükleri karşılamaktadır. Verev kafes sistem, kolonsuz, yakın aralıklı çapraz elemanlardan oluşmaktadır. Diyagoneller, kirişlerle bağlanmış ızgara şeklindedir. Bu sistemde, diyagonel elemanlar, 666 yatay yüklere karşı etkin olmasına karşın,düşey yüklerin taşınmasında kolonlar kadar etkili olmaması sistemin olumsuz bir özelliğidir.Çelik çerçeveli konstrüksiyon, yüksek binalar için en etkin ve maliyet açısından da en yararlı konstrüksiyon tipidir. Çelik düktilitesi, hafifliğine oranla yüksek dayanım, üretim kolaylığı ve ulaştırma ekonomisinden dolayı, başta süper yüksek binalar olmak üzere orta yükseklikte ve yüksek binalar için tüm dünyada yaygın olarak tercih edilen bir taşıyıcı sistem malzemesidir (Ali and Armstraong, 1995). Sonuç Strüktür sistemlerin hepsi de yüksek yapılarda oluşan düşey yükler ile rüzgar ve deprem gibi yatay yüklerin taşınması esasına dayanmaktadır. Yüksek yaılarda taşıyıcı sistem, düşey yükler sonucunda oluşan basınç ve yatay yükler sonucunda oluşan eğilime etkileri altında zeminden ankastre bir kolona benzetilmektedir. Deprem bölgelerinde çelik çaprazlı çerçeveler, yapısal elemanlara deprem enerjisini aktarır. Dikdörtgen çerçevenin stablitesi gerekli olan diagonel elemanlar X çaprazlamalar, dikmeler vb çaprazlı çerçeveler için kullanılmaktadır. Çelik çaprazlı sistemler özellikle deprem bölgelerinde yanal kuvvetlere dayanımları bakımından sıkça kullanılmaktadır. KAYNAKLAR 1. 2. SCHULLER,W.,(1977), High Rise Building Structure, John Wiley Sons,New York TARANATH,S., (1989), Structural Analysis and Design of High Rise Buildings, Mc Graw Hill, New York 3. AMBROSE,J., (1993),Building Structures, John Wiley, New York 4. EŞSİZ,Ö., (1999), Building Configurations for Seismic Area and a Contemporary Building Example, International Conference on Earthquake Hazard and Rısk Mediterranean Region, Near East Universıty, North Cyprus, 5. ARNOLD,J.,(1980), In Earthquakes,Failure Can Follow Form, AIA Journal, June 6. ÇELİK,O.,ÇILI,F., ÖZGEN,K.,(1998), Seismic Behaviour of RC Framed Buildings Strenghtened by Vertical Steel Bracing, Repair&Strengthening of Existing Buildings, Second Japan-TurkeyWorkshop on Earthquake Engineering, Istanbul. 7. KOWALCZYK,R., SİNN,R.,KİLMİSTER,M.,(1995), Structural Systems for Tall Buildings, Mc Graw Hill International Editions, Singapore 8. EŞSIZ,Ö.,(1999), Steel Braced Frames Behaviour In Seismic Region , ITU-IAHS International Conference on The Koceli Earthquake,ITU, Istanbul,Turkey 667