28 katlı çelik bir binanın zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizi

Çok katlı yapıların performans analizi tarih boyunca incelenen bir araştırma konusu olmuştur. Çeşitli malzemelerden ve taşıyıcı sistemlerden oluşan yapıların analizinde doğrusal veya doğrusal olmayan analiz türleri üzerinden türlü yöntemler içeren performans değerlendirmeleri yapılmıştır. Bu çalışmada, İstanbul'da bulunan 28 katlı, 110 metre yüksekliğindeki çeşitli yatay taşıyıcı sistemlere sahip bir çelik yapı, zaman tanım alanında doğrusal olmayan hesap yöntemiyle incelenmiştir. Hesap doğrultusunda analiz yazılımı olarak OpenSEES isimli açık kaynak kodlu yazılımdan faydalanılmış, yapıya ait küçük modeler oluşturarak küçükten tüm modele doğru ilerleyerek SAP2000 modeliyle doğrulama yöntemine gidilmiştir. Doğrulama yapıldıktan sonra Türkiye Deprem Yönetmeliği 2007 kapsamında seçilen yedi dizayn depremi doğrultusunda yapı incelenmiştir. Bu doğrultuda göreli kat ötemeleri, kolon başlık uç fiberlerinin şekil değiştirmeleri, çaprazların ve kirişlerin iç kuvvetleri ve plastikleşme durumları incelenmiştir. Performans değerlendirilmesine tabi tutulan bu çelik yapıi moment aktaran çelik çerçeveler, merkez ve dışmerkez çaprazlı çelik çerçeveleri içeren çeşitli yatay taşıyıcı sisteme sahip bir sisteme sahiptir. Bu yapının büyük bir bölümünde kullanılan süneklilik düzeyi yüksek moment aktaran çelik çerçeveler, tarih boyunca kullanılan en eski ve en temel çelik taşıyıcı sistemlerin başında gelmektedir. Mimari tasarımlara ve kat yüksekliğine bağlı olarak moment aktaran çerçeveler, çapraz elemanlarla birlikte de kullanılabilmektedir. Moment aktaran çerçevelerin mühendisler tarafından tercih nedeni, genelde mimari konuda avantaj sağlamaları ve yatay kuvvetler etkisinde yüksek plastik enerji sönümlemeleri nedeninden ileri gelmektedir. Fakat bu yüksek enerji sönümleme kapasitesine bağlı olarak yüksek kat ötelemesi talepleri de oluşmaktadır. Bahsedilen yüksek plastik enerji sönümleme özelliklerinin tam verimde kullanılabilmesi için, moment aktaran çerçevelerin standart ve kodların belirttiği şartlara uygun olarak tasarlanmasına özen göstermek gerekmektedir. Moment aktaran çerçevelerin boyutlandırılması Northridge depremi öncesi ve sonrası olarak iki kategoriye ayrılabilir. 17 Ocak 1994 yılında meydana gelen, merkezi üssü Northridge olan ve 6.7 moment büyüklüğüne sahip deprem Amerika Birleşik Devleti'ni vurmuş, 20 milyar dolarlık maddi hasar bilançosuyla o zamana kadarki ABD tarihinin en masraflı afeti olarak tarihe geçmiştir. Deprem sonrası hiçbir çelik yapı çökmemiş, fakat kimi sonradan yapılan incelemelerde kimisi ise tesadüfü olarak bir sürü yerel hasarlar tespit edilmiştir. Bu hasarların geç keşfedilmesinin nedenş, birçoğunun diğer elemanları içinde gizli kalmasından kaynaklanmaktadır. Bu hasarlardan sonra yönetmelikteki çoğu şartlar ve bağlantı türleri yeniden gözden geçirilmiş ve deneysel çalışmaların yenilenmesi kararı alınmıştır. Yapılan araştırmalar sonucu bu bağlantıların hasar görmelerinin tek bir nedene bağlı olmadığı, hasar nedeninin daha komplike olduğu sonucuna varıldı. Bu sepepler doğrultusunda standartlara işçilik ve denetim kontrolleri, kaynak tasarımı, kırılma mekaniği, çeliğin beklenen akma gerilmelerini içeren gerilme sınırları, gerilme birikmeleri, üç eksenli gerilme etkisi, kompozit döşemelerin varlığı ve yükleme sınırlarını göz önüne alan güncellemeler yapıldı. Genel olarak bu şartların başında, çerçevelerde dikkat edilmesi öngörülen güçlü kolon zayıf kiriş ilkesine uygun tasarım yapılması gelir. Bunun başlıca nedeni, deprem kuvvetlerinden gelen yatay kuvvetlerin sonucu oluşan yüksek talep doğrultusunda plastik mafsalların, kiriş uçlarında oluşmasını sağlamak içindir. Bu ilkeye paralel olarak, korunaklı bölge ilkesi de plastik mafsal oluşması beklenen kiriş bölgesine hiçbir müdahele yapılmamasını öngörerek plastik mafsal oluşum bölgesinin değişimini engellemeyi hedef almaktadır. Bununla birlikte, moment aktaran çerçeveler, standartların uygun gördüğü esaslara göre bağlantı detayı tasarımı yapımı yoluna gidilmelidir, veya önceden onaylanmış tipik bağlantıların uygulanması yoluna gidilmelidir. Taşıyıcıda kullanılan bir diğer yatay taşıyıcı sistem olan süneklilik düzeyi yüksek merkezi çaprazlı çerçeveler, çerçeve sistemlerin çapraz elemanlarla desteklenip, bağlantı noktalarının herhangi bir ekzantirisite oluşturmadan bağlanmasıyla elde edilir. Çaprazlı çerçeveler, moment aktaran çerçevelere göre yatay yükler altında daha rijit bir davranışa sahiptir ve kat ötelemeleri engelleme konusunda moment aktaran çereçvelere göre daha etkilidir. Buna rağmen, merkezi çaprazlı çerçeve sistemlerin kapasitesi genellikle basınç etkisinde çapraz elemanın burkulmasıyla sınırılıdır. Çelik elemanların çevrimsel yük altında sabit bir kapasiteye sahip olmadığı, ve her çevrimde basınç kapasitesinin azaldığı bilinmektedir. Deprem yüklerinin de zaman tanım aralığında yönü ve şiddetinin sabit olmadığı bilinmektedir. Dolayısıyla gerçek bir deprem etkisinde basınç elemanının, deprem süresi boyunca aynı basınç kapasitesinde çalışmayacağı hesaba katılmalıdır. Basınç elemanın burkulma evresine kadar geçen süre zarfında, basınç ve çekme çapraz elemanları yatay yükler altında eşit miktarda yük etkisinde kalır. Dolayısıyla bu elemanların birleşim noktasında, normal kuvvetin düşey birleşeni dengelenmiş olur. Bununla beraber, basınç elemanı burkulduktan sonar, çekme elemanının maruz kaldığı eksenel çekme kuvveti, iki katına yakın bir miktarda artış gösterir ve bu sefer bu eksenel yükün düşey birleşenini dengeleyecek bir eleman yoktur. Dolayısıyla bu etki, çaprazların birleşim noktasında kirişe "dengelenmemiş kesme yükü" etkisini gösterir. Günümüzde süneklilik düzeyi yükek merkezi çaprazlı çerçeveler, mimari sınırlara uyduğu takdirde, moment aktaran çerçevelerle birlikte kullanılarak kat ötelemelerini sınırlandıran etkili bir taşıyıcı sistem olarak kullanılabilmektedir. Ülkemizde popülerliği artan ve bu yapıda kıllanılan bir diğer yatay taşıyıcı sistem olan dışmerkez çelik çaprazlı çerçeveler, çapraz elemanların aynı noktada değil, önceden belirlenen dışmerkezlik ile bağlandığı çerçeve sistemlerdir. Bu sayede çapraz elemanların yatay kuvvet etkisinde kaldığı eksenel kuvvetlerin bir kısmını, link elemanı adı verilen kirişin dışmerkezlik içinde kalan parçasına kesme kuvveti olarak aktarmasına olanak sağlar. Bu çerçeveler, moment aktaran çerçeveler ve merkezi çaprazlı çerçeve sistemlerin karışımı olarak düşünülebilir. Dışmerkez çelik çaprazlı çerçeveler, moment aktaran çelik çerçeveler gibi mimari sınırları fazla etkilemeden plastik enerji sönümleme kapasitesine sahipelrdir ve moment aktaran çelik çerçevelerden daha etkili bir şekilde kat ötelemelerini sınırlandırabilirler. Taşıyıcı elemanın davranışı ve mekanizma durumu, link eleman adı verilen kiriş parçasının uzunluğuna göre değişiklik göstermektedir. Kirişin plastik moment kapasitesinin kesme kapasitesine oranıyla elde edilen değere göre link elemanlar kısa, orta ve uzun linkler olarak üç kategoriye ayrılır. Kısa link elemanların, moment etkisinden önce kesme etkisinde plastikleşmesi beklenirken, uzun link elemanlar kesmeden önce moment etkisinde plastikleşirler. Orta linkler ise hem kesme hem de moment etkisi anında aynı anda plastikleşirler. Bu çalışma kapsamında bahsedilen üç ayrı taşıyıcı sistemin OpenSEES'te modellenmesi ve doğrulanması hedeflenmiştir. Moment aktaran çelik çerçevelerin kolon-kiriş elemanı olarak tanımlanıp, bütün elemanları fiber kesit olarak tanımlanmıştır. Bu tasarım ilkeleri doğrultusunda model, zaman tanım aralığındaki davranışı OpenSEES ve SAP2000'de ayrı ayrı incelenmiş ve doğrulanmıştır. Merkezi çelik çaprazlı çerçeveler için bu çerçeve sistemine ek olarak, çapraz elemanlarla birlikte bağlantı plakaları da modellenmiştir. ANSI AISC 341'e göre düzlem dışı burkulmayı başlatabilmek için bu levhanın uzunluğu, aynı plakanın kalınlığının iki katı olarak tanımlanmıştır. Bağlantı plakasının geri kalan bölgesi rijit olarak tanımlanmıştır. Çarpaz elemanın bağlantı plakasından ayrı kalan ve temiz açıklık olarak tanımlanan uzunluğunun orta noktasından, temiz açıklığının belli bir oranı kadar düzlem dışı başlangıç yerdeğiştirmesi tanımlanmıştır. Bu özellik, inelastik davranışı geometrik olarak tanımlayıp, çevrimsel yükler altında çapraz elemanın davranışını simüle etmede yardımcı olması amacıyla yapılmıştır. Dışmerkezi çaprazlı çerçevelerin kolon kiriş modellemesi de önceki iki taşıyıcı sisteme benzer olarak tasarlanmış, çapraz elemanlarında da benzer tasarım ilkeleri öngörülmüştür. Kirişin dışmerkezlikten dolayı oluşan ve link elemanı adı verilen bu parçanın davranışı için bu bölgeye özel olarak fiber kesitler değil, plastikleşmenin uç noktalarda toplandığı eleman özellikleri tanımlanmıştır. Ve uç noktalardaki davranışın tanımı için kesme kuvveti ve şekil değiştirme bazında üç farklı elastisite modülü olan bir malzeme tanımlanmıştır. Bu malzeme uç noktalarda bir yay olarak tanımlanmış ve link elemana atanmıştır. Bu doğrultuda kesmeden dolayı oluşacak olan kesme mafsalının oluşumu daha rahat gözlemlenebilecektir. Doğrulanan çerçeve modeller, daha sonra aks aks 6 kata kadar modellenmiş tekrar doğrulandıktan sonra bütün yapı modellenmiştir. Bu yapının da modal analiz sonuçları orjinal modeliyle uyumlu çıktıktan sonra yedi dizayn depremine göre zaman tanım alanında doğrusal olmayan analize tabi tutulmuştur. Bu analiz sonucunda kat ötelenmeleri, kolon şekil değiştirmeleri, çapraz elemanları şekil değiştirmeleri ve eksenel kuvvet durumları ve link elemanlarının kesme ve moment değerleri incelenmiştir. Göreli kat ötelemeri sonuçlarına bakıldığında dizayn koşullarının sınırladığı 0.02 değerinin aşılmadığı görülmüştür. Yapının davranışı incelendiğinde en büyük kat ötelemeleri, sadece dışmerkez çelik çaprazlı çerçeve sistemlerinin olduğu katlarda, yani ilk dört katta gözlemlenmiştir. En düşük kat ötelemelerinin olduğu bölgeler ise dış merkez çelik çaprazlı çerçeveler ve merkezi çelik çaprazlı çerçevelerinin birlikte olduğu dört ve altıncı katların arasında olduğu gözlemlenmiştir. Bu katlar yapının en rijit bölgesi olarak kabul edilebilir. Analiz öncesinde kolonların elastik kalması beklenmekteydi. Analiz sonuçlarına göre kolon kesitinin başlık kısmındaki uç fiberlerden alınan şekil değiştirme verilerine bakılarak kolonların elastik kaldığı sonucuna varıldı. Aynı şekilde çapraz elemanların da normal kuvvet değerleri ve şekil değiştirmeleri okunarak hiçbirinin akmaya veya burkulmaya ulaşmadığı sonucuna varıldı. Analiz öncesi yapılan hesaplamalarda link elemanların "uzun link" olduğu sonucuna varılmıştı. Yani bu elemanların kesme kuvvetinden önce moment etkisi altında plastikleşmesi öngörülüyordu. Analiz sonuçlarından alınan verilere göre bu elemanlar çalışmaları destekleyen doğrultuda önce moment etkisi altında plastikleşmiştir. Bununla birlikte yapının ilk üç katında hem moment etkisinde, hem de kesme kuvveti etkisinde plastikleşme gözlemlenmiştir.