Nasıl Dayanıklı Binalar İnşa Ederiz?

Enerjinin korunumu yasası gereği enerji yoktan var edilemez, var olan enerji ise yok olamaz ancak farklı bir enerji türüne dönüşebilir. Bu nedenle binaların depreme dayanıklı olacak şekilde tasarlanabilmesi için öncelikle depremler sonucu açığa çıkan enerjinin binaya zarar vermeyecek enerji türlerine dönüştürülmesi gerekir. Depremler sonucu açığa çıkan enerji sismik dalgalar ile yer kabuğunda yayılarak binalara ulaşır. Bu enerji binalar tarafından depolanabilir ya da sönümlenebilir. Binaların deprem sırasında yaptığı salınım hareketi ile deprem enerjisi kinetik enerjiye ve elastik gerilme enerjisine dönüşerek depolanır.

Planet Flem / iStock

Binalar deprem etkisi ile salınırken şekil değiştirdiklerinde deprem enerjisi binayı gererek depolanan bir enerji hâline dönüşür. Bina eski şekline döndüğünde ise geri salınır. Bu durumu bir yayı sıkıştırmak için kuvvet uygulamaya benzetebiliriz.

Binanın yapısında bulunan moleküllerin birbirine sürtünmesi sonucu oluşan ısı ve yapıda meydana gelen kontrollü hasarlar ise enerjinin sönümlenmesine neden olur.

E=E_sönümlenen+ E_depolanan

Bir binayı depreme dayanıklı olarak inşa edebilmek için depremin enerjisinin dönüştürülmesi amacıyla kullanılan iki temel yaklaşım vardır. Geleneksel ve yaygın olan ilk yaklaşımda yapıda depolanan enerji artırılır. Çünkü sönümlenen enerji yapıda hasara neden olur ve enerjinin büyük kısmı depolanırsa sönümlenmesi gereken enerji azaltılmış olur.

İkinci yaklaşımda ise enerji yapının taşıyıcı sistemine ulaşmadan sismik izolasyonla azaltılır ve yapıya ulaşan enerji yapının taşıyıcı elemanları tarafından değil uygun konumlara yerleştirilen sistemler tarafından sönümlenir.

Depreme Dayanıklı Yapı Tasarımında Geleneksel Yaklaşım

Geleneksel yaklaşımda yapıda depolanan enerjinin artırılması amaçlanır.

Sismik dalgalar binalara ulaştığında yapıda titreşime neden olur. Buna karşın yapı ise kütlesi oranında eylemsizliğe sahiptir. Yapının deprem etkisine oluşturacağı yanıt yapının kütlesi, kütle dağılımı, geometrisi, malzemesi gibi özelliklerine bağlıdır. Kütlesi büyük olan cismin eylemsizliği de daha büyük olur ve depremin etkileri artar. Bu nedenle binayı uygun bir geometride tasarlamak ve hafif malzemelerle inşa etmek, depremin etkilerini azaltmak için uygulanabilecek yöntemlerdendir.

nicomenijes / iStock

Nesneler, Newton’un birinci hareket yasası olan eylemsizlik prensibi doğrultusunda kendilerine uygulanan kuvvetlere karşı mevcut durumlarını koruma eğilimindedir. Eylemsizlik gereği nesneler duruyorsa durmaya, hareket hâlindeyse hareketlerini sürdürmeye devam etmek ister.

Düşük ve orta şiddetli depremlerde yapılar elastik davranış sergileyerek salınım yapar. Yani yapı deprem etkisiyle salınırken şekil değiştirir ve tekrar eski hâline döner. Bu sayede enerjiyi hasar almadan da depolayabilir.

Şiddetli ve çok şiddetli depremlerde ise yapının şekil değiştirip hasar almadan eski hâline dönme sınırı aşılır. Bu durumda yapıyı oluşturan bileşenler uzama, eğilme gibi farklı şekillerde deformasyona uğrar ve hasar oluşmaya başlar. Buna sünek davranış adı verilir.

Funtay / iStock

Sünek davranış gösteren malzemeler üzerlerine bir kuvvet etki ettiğinde aniden kırılmaz, önce uzama ve eğilme gibi deformasyonlara uğrar. Çelik sünek bir malzemedir. Çeliğin yüksek süneklik özelliğinden yararlanabilmek için betonarme yapılarda betonun içine çelik donatı eklenir.

Bu durumda yapı elemanları aniden kırılmadığı için binanın göçmesine ve can kayıplarına neden olmayacak şekilde kontrollü bir hasar oluşur. Dolayısıyla enerjinin bu yolla sönümlenmesi amaçlanır. Ancak taşıyıcı elemanların sünek davranışı sonucu oluşan bu hasar kalıcıdır ve hasarın boyutuna göre ciddi bir tadilat gerekebilir ya da bina kullanılamaz hâle gelebilir. 

Yapıların dayanıklılığını artırmak için mimari planlama aşamasında;

• Zeminin özelliklerine uygun bir temel sistemi tasarlanmalı,

• Yapı mümkün olduğunca hafif olmalı,

• Yapının geometrisi sade olmalı ve en, boy, yüksekliği orantılı olmalı,

• Planda H, L, T, Y şekilli binaların tek parça hâlinde yapılmasından kaçınılmalı,

• Taşıyıcı elamanlar plan düzleminde simetrik yerleştirilmeli,

• Yapıdaki kolon ve perde duvar gibi düşey taşıyıcı elemanların ağırlık merkezi yani rijitlik merkezi ve yapının ağırlık merkezi çakışmalı,

• Farklı yüksekliklerde katlar oluşturulmasından kaçınılmalı,

• Bitişik nizam bina i inşaatından kaçınılmalı. Bitişik nizam yapılan binalarda ise aralarında gerekli derz boşluğu bırakılmalı ve kat hizalarının aynı olması sağlanmalı,

• Kat döşemelerinde büyük ve dengesiz boşluklardan kaçınılmalıdır.

Bilinçsiz Tadilatlar, Oturduğunuz Binanın Depreme Dayanıklılığının Azalmasına Neden Olabilir 

Tüm bunların yanı sıra kullanıcılar tarafından yapılacak bilinçsiz müdahaleler deprem gibi dinamik bir dış etken olmasa bile binaların dengesinin bozulmasına ve binanın göçmesine neden olabilir. Örneğin kolon, kiriş, döşeme gibi taşıyıcı sistem elemanlarına zarar verebilecek hiçbir uygulama yapılmamalı ve yapının taşıyıcı sistem elemanı olmasa bile özellikle alt katlarda bölme duvarlar kesinlikle bilinçsizce kaldırılmamalıdır.

Depreme Dayanıklı Yapı Tasarımında Yeni Teknolojiler

Depreme dayanıklı bina inşa ederken kullanılan yeni teknolojilerde yapıya ulaşan enerjinin azaltılması ve yapı tarafından sönümlenen enerji miktarının artırılması amaçlanır.

Son yıllarda depremlerde hem can kayıplarının hem de binalarda oluşacak hasarların önlenmesi amacıyla farklı teknolojiler geliştiriliyor. Bu teknolojilerde iki yaklaşım öne çıkıyor: binaya ulaşan enerji miktarını azaltmak ve taşıyıcı sistem elemanlarına zarar gelmeden enerjinin sönümlenmesini sağlamak.

Örneğin sismik izolasyon teknolojisiyle yapıya ulaşan enerji miktarının azaltılması ve rezonansın önlenmesi amaçlanıyor. Bu yeni teknolojiler pasif, aktif, yarı aktif sistemler ya da bunların birkaçının bir arada kullanıldığı hibrit sistemler olarak üç grupta sınıflandırılıyor. Binanın formuna, taşıyıcı sistemine ve binanın üzerinde bulunduğu zeminin özelliklerine göre bu sistemlerden hangisinin kullanılacağına karar veriliyor.

Pasif sistemlerin çalışması için dışarıdan enerjiye ihtiyaç yoktur. Bu sistemler enerjiyi sürtünme ve plastik deformasyonlarla yutar. Yani malzeme üzerine etki eden yük nedeniyle şekil değiştirdikten sonra tekrar eski hâline dönmez. Sismik izolasyon sistemleri ve sönümleyiciler bu grupta yer alır.

Günümüzde metal, viskoz, sürtünmeli ve kütle ayarlı gibi farklı sönümleyici türleri bulunuyor. Dünya Ticaret Merkezi’nin ikiz kulelerinde viskoelastik sönümleyicilerin ilk örnekleri kullanılmıştı.

ihsanyildizli / iStock

Yüksek yapıların taşıyıcı sistemlerinde betonarmeye göre hafif bir malzeme olan çelik daha yaygın olarak kullanılıyor. Ancak çeliğin nispeten hafif bir malzeme olması, binanın kuvvetli rüzgârlardan daha fazla etkilenmesine neden oluyor.

İkiz Kuleler’de kullanılan viskoelastik sönümleyiciler, 541 metre yüksekliğindeki binayı deprem yüklerinin yanı sıra güçlü rüzgârlara karşı da koruyordu.

Görseli büyültmek için üzerine tıklayın.

Viskoeleastik sönümleyicilerde, çelik plakalar arasında viskoelastik özellikte malzemeler yer alır. Bu sistemler binanın hareket enerjisini ısı enerjisine dönüştürür.

BING-JHEN HONG / iStock

Diğer bir sönümleyici türü ise ayarlı kütle sönümleyicilerdir. Bu sönümleyiciler genellikle deprem etkisiyle ortaya çıkan salınımın en büyük olduğu, binanın en yüksek kısımlarında bulunur. Tayvan’daki Taipei 101 Gökdeleni, tepesinde bulunan ayarlı kütle sönümleyici ile rüzgâr ve depremlere karşı korunuyor.

gionnixxx / iStock

Taipei 101 Gökdeleni’nin tepesinde bulunan ayarlı kütle sönümleyici

Ayarlı kütle sönümleyiciler, yapıya yay ve sönümleyici vasıtasıyla eklenen ilave bir kütleden oluşur. Bu kütlenin doğal frekansı, yaklaşık olarak yapının doğal frekansına yakın olacak şekilde ayarlanır. Güçlü rüzgârlar ya da depremler sırasında bu kütle, bina ile aralarında faz farkı olacak şekilde rezonansa girer. Oluşan sönümleme etkisiyle binanın titreşimi azaltılır.

Aktif sistemler ise enerjiyi pasif sistemlere benzer şekilde sönümler. Ancak pasif sistemlerden farklı olarak yapıya gelen dış etkileri ölçerek en uygun tepkiyi oluşturur. Bu sistemlerde sensörlerden gelen veriler değerlendirerek oluşturulacak tepki belirlenir. Bu nedenle değerlendirmeyi yapacak bir bilgisayara ve harici bir güç kaynağına ihtiyaçları vardır.

Yarı aktif kontrol sistemleri ise düşük bir enerjiyle çalışan sistemlerdir.

Japonya’nın Osaka şehrinde bulunan Applause Kulesi’nde, kulenin üzerinde bulunan ve kütlesi 480 ton olan helikopter pisti aktif kütle olarak kullanılıyor. Ek bir kütleye ihtiyaç duyulmayan bu sistemde helikopter pisti Taipei 101 Gökdeleni’nde yer alan kütle sönümleyici gibi çalışıyor ve sensörlerle ölçüm yapılarak elde edilen verilerin değerlendirilmesi sonucunda oluşturulacak tepki belirleniyor.

Teknolojinin gelişmesiyle birlikte gün geçtikçe daha dayanıklı binalar inşa etmemize imkân sağlayan malzemeler, sistemler ve tasarım yöntemleri ortaya çıkıyor. Mimarlar ve mühendisler tüm bu teknolojik gelişmelerden yararlanarak inşaat tekniklerinin sınırlarını zorlarken, deprem ya da şiddetli rüzgârlar gibi tüm dış etkenlere karşı koyarak güvenle yaşayabileceğimiz binalar inşa etmeyi amaçlıyorlar.

Kaynaklar:

• Aldemir, Ü. ve Aydın, E., “Depreme Dayanıklı Yapı Tasarımında Yeni Yaklaşımlar”, Türkiye Mühendislik Haberler Dergisi, Sayı 435, 2005.
• Kareem, A., Kijewski, T. ve Tamura, Y., “Mitigation of Motions of Tall Buildings with Specific Examples of Recent Applications.”, Wind and Structures, 2, 1999.
• Özpalanlar, C. G., “Depreme Dayanıklı Yapı Tasarımında Sismik İzolasyon ve Enerji Sönümleyici Sistemler", Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015.
• Öztürk, Ş., “Depreme dayanıklı bina tasarım sorunlarının tanıtılması”, Yüksek Lisans Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, 2000.
• Sezer, İ. Ç., “Depreme Dayanıklı Yapılara Yönelik Yeni Teknolojiler”, TÜBİTAK Bilim ve Teknik Dergisi, Sayı 628, s. 32-41, 2020.