Türk deprem yönetmeliğine göre yapılan betonarme yüksek binaların ilerlemeli çökmeye tepkisi

Bir bina, kolon veya perde duvar gibi kritik bir yapısal eleman üzerinde patlamalar, araba veya uçak çarpması veya benzer doğal veya insan yapımı olaylar gibi ciddi darbe yüklerine maruz kaldığında, kritik elemanın hasar alması binanın nihai olarak çökmesine yol açabilir. Kalan elemanlar, hasarlı eleman nedeniyle kendilerine yüklenen ek yükü taşıyamazlarsa bina çöker. Hasarın eleman seviyesinden yapısal seviyeye ilerlemesi, ilerlemeli çökme ifade eder. Bu çalışma, Türk deprem yönetmeliğine göre tasarlanmış yüksek binaların ilerlemeli çökme davranışını incelemektedir. İlerlemeli çökmenin tek bir tanımı yoktur. Literatürde farklı tanımlar bulunabilir, ancak bunlar ortak bir felsefeyi ima eder. Genel olarak tanımlanan ilerlemeli çökme, dikey bir taşıyıcı elemanın kaybından kaynaklanan hasarın domino benzeri bir etkiyle yayılmasıdır. İlk hasar, binanın bir kısmının veya tümünün maruz kaldığı nihai hasarla orantılı değildir. En elvrişsiz durumda, ilk hasar tüm binanın tamamen çökmesine yol açabilir. İlerlemeli çökme temel olarak, bina kritik bir elemanın kaybından sonra yükleri yeniden dağıtamadığında meydana gelir. İstenen senaryoda, kritik bir taşıyıcı elemanın kaybından sonra, binanın stabil kalmasını ve hasarın diğer elemanlara yayılmamasını sağlamak için bina alternatif yük taşıma yolları bulmalıdır. Bu çalışma, Türk Deprem Yönetmeliği'ne göre tasarlanmış yüksek bir binanın ilerlemeli çökme davranışını incelemektedir. Tipik bir 40 katlı bina üzerinde bir vaka çalışması yapılmıştır. Bina, çekirdeğinde perde duvarları olan düz bir plaka sistemine sahipti. Binanın taşıyıcı sistemi, X yönünde moment aktaran çerçevelerle perdelerden ve Y yönünde moment aktaran çerçevelerle perdelerden oluşuyordu. Tüm kolonlar için kare kesitler kullanılmıştır. Her katta 3 farklı yerden kolon kaldırıldı; köşe kolon , kenar kolon ve daha büyük iç kolon. Bina, 8 katlı 5 gruba ayrıldı. Aynı gruptaki tüm katlar aynı kolon ve kiriş kesit ölçülerine ve donatıya sahipti. Yüksek yapılarda bina ağırlığını ve maliyeti azaltmak için kullanılan yaygın bir optimizasyon tekniği olan bina yüksekliği boyunca her grup için kesit boyutları küçültüldü. Binanın doğrusal olmayan bir modeli SAP2000 kullanılarak modellenmiştir. Yapılar için statik ve dinamik bir sonlu elemanlar analiz programı olan SAP2000 v23, üç boyutlu bir sonlu eleman modeli oluşturmak için kullanıldı. Modelde beton ve donatı olmak üzere iki ana malzeme tanımlanmıştır. Beton kalitesi C50 idi. Ancak, analiz mevcut bir bina üzerinde yapıldığından, karakteristik dayanımlar yerine beklenen dayanımlar kullanılmıştır. Betonun karakteristik basınç dayanımı, 65 MPa'lık beklenen bir dayanım elde etmek için 1,3 kat ile çarpılmıştır. Donatı akma dayanımı da 1.2 faktörü ile çarpılarak 504 MPa'lık beklenen akma dayanımı elde edildi. Bu faktörler, mevcut binaların performansa dayalı analizi için Türk deprem yönetmeliğinden alınmıştır. Perde duvarlar, donatı detaylarını daha doğru temsil edebilmek için layered shell elemanlar olarak modellenmiştir. SAP2000 v23, perde duvarda sargılı bölgesinin tanımlanmasına izin vermez, bunun yerine genel bir kesite izin verir. Sargılı bölgeyi temsil etmek için her bir duvar için iki malzeme kullanıldı: sargılı beton ve sargısız beton. Sargılı beton dayanımını bulmak için, sargılı bölge için bir kesit analizi yapılmıştır. Bu, sargılı bölgeyi kesit section designer'da bir kolon olarak tanımlayarak yapıldı. Sargılı beton basınç dayanımı, kesit analiz sonuçlarından alınmıştır. Bu basınç dayanımı kullanılarak malzeme tanımında yeni bir beton malzeme tanımlanmıştır. Bu malzeme, layered shell seçeneği kullanılarak duvar kesitinin sargılı bölgesinin tanımlanması için kullanılmıştır. İşlem tüm duvar kesitleri için yapılmıştır. Döşemeler, shell thin elemanlar olarak modellenmiştir. Literatürde shell thin elemanların en iyi sonuçları verdiği bulunmuştur. Duvarlar ve döşemelerin meshleri tüm model için birbirine geçmiştir. Mesh boyutu, düz elemanlarda 50x50cm ve maksimum 100x100cm arasında olacak şekilde, mesh boyutu mümkün olduğunca tekdüze tutuldu. Duvarlar hem yatay hem de dikey yönde meshlendi. Özelikle e perdelerin döşemelerle kesiştiği bölgelerde, meshlerin düğüm noktalarında süreklilik olmasına özen gösterilmiştir. Ancak, döşemelerin donatı ve doğrusal olmayan davranışlarının yakalanması bu çalışmanın kapsamı dışındaydı ve bu nedenle ayrıntılı olarak ele alınmadı. Tüm çerçeve kirişleri aynı kesite ancak farklı donatı detaylarına sahipti. Kirişler, çubuk elemanları olarak tanımlanmıştır. Bu, default menüyü kullanmak yerine yapıldı. Bu, default menü enine donatı tanımına izin vermediği için yapıldı, bu nedenle sargı etkisi doğru bir şekilde yakalanmadı. Ayrıca, kirişin plastik davranışının çok önemli bir parçası olan moment eğrilik analizini vermek için default menüde kesit analizi yapmak mümkün değildir. SAP2000 v23'teki section designer menüsü ise, kullanıcının kirişlerin geometrisini ve donatı detaylandırmasını daha doğru bir şekilde temsil etmesine ve ayrıca kullanıcının ayrıntılı bir kesit analizi yapmasına olanak tanır. Betonun nihai basınç birim şekildeğistirme, deprem yönetmeliğe göre 0,018 olarak tanımlanmıştır. Modelin boyutu göz önüne alındığında, kiriş için fiber boyutları varsayılan değer olan 3x3 olarak bırakılmıştır. Onları daha ince yapmak daha doğru sonuçlar verirdi ama aynı zamanda model büyük olduğu için analiz süresini de uzatırdı. Yapıdaki tüm kolonlar kare kesitlidir. Kolonlar da çubuk elemanları olarak tanımlandı. Default menü, kolonlar için enine donatı tanımına izin vermesine rağmen, kolon tanımı için yine section designer kullanıldı. Default menüde tanımlanan bir kolonu, Section designer'da tanımlanan bir kolonla karşılaştırmak için parametrik bir çalışma yapıldı. Ankastre mesnetli tek kolon üzerinde itme analizi yapılmıştır. Sonuç, kesit tasarımcısında tanımlanan kolonun, bu tür yük koşulları altında bir kolonun beklenen davranışına daha yakın olan daha sünek bir şekilde davrandığını göstermiştir. Section designer'da kolonların modellenmesi, daha sonra perfomans kriterlerinin hesaplanmasında kullanılacak olan kesit analizine de izin verdi. Tıpkı kirişlerde olduğu gibi, analiz süresini uzatmamak için fiber yerleşimi varsayılan değerlerde bırakılmıştır. Mander beton modeli, betonun sargılı mukavemetini yakalamak için kullanıldı. Yükler döşemeler üzerine üniform yayılı yükleri olarak uygulanmıştır. Yüklerin değerleri TS498'den alınmıştır. SAP 2000 sürüm 23'te birçok mafsal seçeneği mevcuttur. Kiriş ve kolonlarda hasar kontrolü yapılırken uçlardaki plastik dönmeler kontrol edilir. Plastik dönüşler, yığılı veya dağıtılmış plastisite modelleri kullanılarak yakalanabilir. Bu çalışmada yığılı plastik mafsal yerine fiber mafsal şeklinde dağıtılmış plastiklik modeli kullanılmıştır. Bunun nedeni, plastik mafsalların aksine, fiber mafsalların mafsalardaki moment, eksenel ve kesme kuvveti (M-N-V) etkileşimlerini dikkate almasıydı. Bu etkileşimin plastik mafsal kapasitesini düşürdüğü gösterilmiştir. Bu etkileşimin göz önünde bulundurulması, binanın daha doğru ilerleyen bir çökme tepkisinin gözlemlenmesine izin verir. Doğrusal olmayan model tamamlandıktan sonra, ABD Genel Hizmetler İdaresi ve ABD Savunma Bakanlığı tarafından önerilen doğrusal olmayan dinamik alternatif yol yöntemi kullanılarak ilerlemeli çökme değerlendirmesi yapıldı. Dokuz kolon kaldırma senaryosu ve dokuz duvar senaryosu dikkate alınarak toplam on sekiz senaryo yapılmıştır. Her senaryo için, kaldırılan elemanın hemen üzerindeki düğümlerin düşey yer değiştirme zaman geçmişleri çizildi ve sonuçlara ilişkin daha fazla fikir edinmek için grafikler farklı kombinasyonlarda karşılaştırıldı. Plastik mafsalların oluşturulduğu durumlar için plastik mafsal dönüşleri hem TEC-2018 hem de ASCE/SEI 41-17'ye göre hesaplanan performans limitleri ile karşılaştırılmıştır. Zemin katta kolonun köşeden ve kenardan kaldırıldığı senaryo için plastik mafsallar oluşturulmuştur. Bu iki durumda hasar sınırlıydı. Geri kalan senaryolarda mafsal gözlenmedi. Bu çalışma için kullanılan bina, TEC-2018'e göre tasarlanmış yüksek bir binaydı ve kabul edilebilir ilerlemeli çökme tepkisine sahipti. Sonuçlar kolon ve perde duvarların kaldırılmasıyla yapı elemanlarında oluşan gerilmelerin yapı elemanlarında sınırlı düzeyde kaldığını ve yapısal bütünlükte herhangi bir bozulmaya neden olmadığını göstermektedir. Ancak, TEC 2018'e göre tasarlanan tüm yüksek binaların iyi bir ilerlemeli çökme tepkisine sahip olduğu sonucuna varmak yanıltıcı olabilir. Bu çalışmadaki sonuçlar sadece söz konusu bina için geçerlidir. Kesin bir sonuca varılmadan önce aynı çalışma farklı taşıyıcı sistemlere sahip farklı yüksek binalar için yapılmalıdır. TEC 2018'e göre tasarlanan yüksek binaların iyi bir ilerlemeli çökme tepkisine sahip olduğunun şüphe gölgesi olmadan kurulabilmesi için sayısal çalışmalara ek olarak, deneysel çalışmalara da ihtiyaç vardır. Şu anda Türkiye'de çok sayıda yıkım yapılıyor. Bu binalar yıkılmadan önce deneysel çalışmalar için kullanılabilir. İlerlemeli çökmeyi daha detaylı incelemek için laboratuvar ortamında ölçekli modeller de yapılabilir. Bununla birlikte, bu çalışma için kullanılan bina, TEC 2018'e göre tasarlanmış yüksek binalar için mükemmel aşamalı çökme tepkisi öneren sonuçlar verdi. Bina düz levha sistemine sahip olduğu için döşemelerde hasar meydana gelmiş olabilir. Plakalardaki hasarların belirlenmesi basit bir iş değildir ve bu çalışmanın kapsamı dışındadır, dolayısıyla dikkate alınmamıştır. Bununla birlikte, meydana gelebilecek potansiyel kritik hasarlar için plakaların da kontrol edilmesi tavsiye edilir.