42 katlı betonarme bir binanın deprem yükleri altındaki enerji davranışı

Enerji esaslı hesap yöntemi, depreme dayanıklı bina tasarımı için araştırılan alternatif bir yöntemdir. Bu çalışmada, enerji kavramı ve yapı sistemlerindeki enerji dengesi göz önüne alınarak, yeni yapılacak yapıların tasarımı için bir hesap yöntemi açıklanmıştır. Mevcut depreme dayanıklı bina tasarımı yöntemleri yerdeğiştirme ve kuvvete dayalı olarak yapıların dayanım ve kapasitesi belirlenmekte, eleman iç kuvvet değerlerinin taşıyıcı sistem elemanlarının taşıma gücünden büyük olmaması ve binanın izin verilen yerdeğiştirme sınırlarını aşmaması istenmektedir. Ancak bu yöntemlerde yer hareketi süresi ve binanın çevrimsel davranış özellikleri gibi önemli parametreleri ihmal edilmektedir. Enerji esaslı hesap yönteminde ise, yapının elastik ve elastik ötesi davranışla tüketebileceği enerjinin, deprem anında yapıya girecek olan deprem enerjisinden büyük olması amaçlanmaktadır. Aynı zamanda yer hareketi süresine bağlı oluşan yapısal hasarlar ve binanın çevrimsel davranış özellikleri dikkate alınmaktadır. Kuvvetli yer hareketiyle birlikte binaya giren enerji, binalarda çeşitli mekanizmalar tarafından tüketilir. Bu mekanizmalara ait bileşenler; kütleye bağlı kinetik enerji, sönüm oranına bağlı sönümlenme enerjisi, elastik şekildeğiştirme ile tüketilen elastik şekildeğiştirme enerjisi, plastik şekildeğiştirme ile tüketilen plastik şekil değiştirme (çevrimsel/histeretik) enerjisidir. Histeretik enerji yapının plastik şekil değiştirebilme kapasitesiyle ilgili talebi belirtir. Enerjinin eşitliği ilkesine dayanan enerji esaslı hesap yönteminde, enerjiyi tüketen tekrarlı plastik şekil değişimi yapıda hasara ve kalıcı şekil değişimine yol açtığından, tasarım aşamasında yapıda bu şekil değiştirme enerjisini tüketecek mekanizma yerlerinin önceden saptanması gerekir. Enerji esaslı hesap yöntemi ile plastik enerji tüketim talebinin yüksek olduğu yapısal eleman ve katlar belirlenerek, deprem sonrasında kolayca değiştirilebilecek aygıtlar/sönümleyiciler yerleştirilerek, plastik şekil değiştirme enerji girdisinin bir kısmının bu aygıtlarca tüketilmesi ve yapısal hasar miktarının azaltılması sağlanabilir. Bu çalışmada, 42 katlı betonarme çekirdek perdeli-çerçeveli (dual sistem) taşıyıcı sisteme sahip olan yüksek bir bina enerjinin korunumu ilkesine göre incelenmiştir. Bu bina, ABD menşeli Englekirk Mühendislik firması tarafından Amerika'da depreme dayanıklı yapı tasarımı için kullanılan Uluslararası Bina Yönetmeliği (IBC 2006)'ya göre 2011 yılında tasarlanmış olup, Pasifik Deprem Mühendisliği Araştırma Merkezi (PEER) tarafından yüksek yapıların sismik performansının belirlenmesinde alternatif yöntemlerin incelendiği bir çalışmada kullanılmıştır. Bu çalışmada, mevcut analiz modeli üzerinde bazı minimal değişiklikler yapılarak, binadaki enerji girdileri, enerji girdisinin diğer enerji bileşenlerine (kinetik, çevrimsel ve yapısal sönüm, plastik şekil değiştirme enerjisi) dağılımı, plastik şekil değiştirme enerjisinin yapısal elemanlara ve bina yüksekliği boyunca dağılım oranları incelenmiştir. Analizler yer hareketi süresince yapıya aktarılan deprem giriş enerjisi bileşenlerinin zamana göre değişimini gözlemleme olanağı veren Perform 3D-V6 programı ile üç farklı tehlike seviyesine (servis, tasarım ve maksimum deprem seviyesi) ait bir dizi yer hareketi kullanılarak yapılmıştır. Aynı zamanda yer hareketlerinin odak mesafesinin ve etkili süresinin, plastik şekil değiştime enerjisinin enerji girdisine oranı ile ilişkisi incelenmiştir. Yapılan analizler neticesinde, servis depremlerinde enerji girdisinin büyük bir kısmının yapısal sönüm mekanizmaları tarafından tüketildiği, tasarım depremlerinde plastik şekil değiştirme enerjisi (histeretik enerji) ile yapısal sönüm mekanizmaları tarafından yaklaşık olarak eşit oranlarda paylaşıldığı, şiddetli depremlerde ise enerji girdisinin büyük bir kısmının plastik şekil değiştirme enerjisi tarafından tüketildiği gözlemlenmiştir. Plastik şekil değiştirme enerjisinin yapısal elemanlara dağılımı incelendiğinde, kuvvetli kolon zayıf kiriş tasarım kriterinin sağlandığı, plastik şekil değiştirmelerin büyük bir çoğunlunun kirişlerde meydana geldiği gözlemlenmiştir. Bu oran kolon, çekirdek perde ve bağ kirişlerinde azalarak devam etmektedir. Histeretik enerjinin katlara dağılımı incelendiğinde enerjinin büyük bir kısmınn alt katlarda tüketildiği, katlar arasındaki rijitlik, malzeme dayanımı gibi faktörlerin bu dağılımı etkilediği görülmüştür. Seçilen deprem kayıtlarının, yer hareketlerinin odak mesafesinin ve etkili süresinin, plastik şekil değiştime enerjisinin enerji girdisine oranı ile ilişkisi incelemek için yeterli nitelikte olmadığına karar verilmiştir. Enerji esaslı hesap yöntemi, binalardaki enerji tüketim taleplerinin hangi elemanlarda veya katlarda oluştuğuna dair bilgi vermektedir. Bu da tasarımcıya enerji tüketen mekanizmaların bina içinde nerelere yerleştirilmesi gerektiğine ve hangi yapısal elemanın enerji tüketim kapasitesinin artırılması gerektiğine dair kolaylık sağlamaktadır. Enerji esaslı hesap yöntemi depreme dayanıklı yapı tasarımında bir ön tasarım aşamasında kullanılabileceği gibi, mevcut yapıların performans değerlendirmesi çalışmalarında da kullanılabilir.