DEPREME KARSI DAYANIKLI

1
DEPREME KARSI DAYANIKLI ÇELIK YAPI
TASARIMIYard. Doç. Dr. Güven KIYMAZIstanbul
Kültür ÜniversitesiInsaat Mühendisligi Bölümü
Ögretim Üyesi
2
Ders Içerigi

• Deprem ve Çelik Yapilar
• Malzeme olarak çelik
• Çelik yapi elemanlarinda davranis çesitleri
  (genel)
• Çekme altinda davranis
• Basinç altinda davranis
• Egilme altinda davranis
• Tasiyici sistem çesitleri
• Genel
• Moment aktaran rijit çerçeve sistemler
• Merkezi çaprazli tasiyici sistemler
• Dismerkez çaprazli tasiyici sistemler

3
Deprem ve Çelik Yapilar

• Deprem etkileri altinda bir yapinin enerji
  yutmasi isteniyorsa yapi malzemesinin sünek
  davranisi gereklidir. Çeligin, kopmadan büyük
  deformasyon yapabilme özelligi yani büyük bir
  sekil degistirme sigasi olmasi ve yüksek
  dayanimi, malzemeyi deprem bölgelerinde insa
  edilecek olan yapilar için ideal bir malzeme
  durumuna getirmektedir.
• Çelik, öz agirliginin toplam yük içindeki
  payinin küçük olmasi nedeniyle, hafif yapi
  çözümleri saglamaktadir. Yüksek dayanimi
  nedeniyle de daha ekonomik kesitler
  kullanilabilmekte ve temele aktarilan toplam yük
  azalmaktadir. Dolayisiyla deprem yükleri de
  azalmaktadir.
• Çelik siki ve sürekli denetimle üretilmekte
  olup, yapi elemanlari ve birlesimler kontrole
  açiktir ve herhangi bir aksakligi gizlemek
  zordur.
• Kolay onarim ve güçlendirme olanaginin
  bulunmasi, hizli ve hava kosullarindan bagimsiz
  insaat yapilabilmesi, deprem için önemli bir
  kolaylik saglamaktadir.

4
Malzeme olarak çelik

• Çelik esas itibariyle bir demir karbon
  alasimdir. Yüksek ölçüde demir, düsük ölçüde
  karbon.
• Yapisal çeligin içerisinde demirden baska 0.16 -
  0.20 arasinda karbon bulunmaktadir.
• Karbon miktari arttikça çeligin dayanimi da
  artar. Ancak bu durumda çelik daha gevrek hale
  gelir.
• Dolayisiyla hem yüksek dayanimli hem de yeterli
  süneklige sahip çeligin üretiminde karbon yüzdesi
  hassas ve önemli bir rol oynamaktadir.
• Çelik alasimina ayrica fosfor, kükürt, azot,
  silisyum, manganez, bakir, krom, nikel gibi
  elemanlar ilave edilerek kaliteli çelikler elde
  edilir. Diger elemanlarin çeligin özelliklerine
  olan etkisi karbonun tekbasina olan etkisinin bir
  fonksiyonu olarak Karbon esdegeri, CE ile ifade
  edilir.

CEC(MnSi)/6 (CrMoV)/5 (NiCu)/15
5
Malzeme olarak çelik
Çeligin mekanik özellikleri çekme deneyi
sonucunda elde edilen gerilme sekil
degistirme grafigi yardimiyla belirlenir.
6
Malzeme olarak çelik

• Deprem tasarimi için çeligin sahip olmasi
  gereken özellikler
• Akma gerilmesi / Kopma gerilmesi orani 0.85 ten
  büyük olmamali.
• Yeterli inelastik yerdegistirme kapasitesine
  sahip olmali (mesela çekme testinde 5cm ölçme
  araligi için 20 lik bir kopma uzamasi)
• Kaynaga uygun olmali (ana malzeme ve kaynak
  malzemesi birlikte uygun mekanik özelliklere
  sahip olacak sekilde seçilmeli)

7
Malzeme olarak çelik Profiller
8
Çelik yapi elemanlarinda davranis çesitleri Çekme
Eksenel çekmeye maruz çelik elemanlar, elemanin
enkesit alaninin tamamen akmasi esasina göre
boyutlandirilir.
s
Eleman enkesitindeki bosluklar kesit alanindan
düsülür (net enkesit)
9
Çelik yapi elemanlarinda davranis çesitleri Basinç
Eksenel ve/veya eksantrik basinç etkisi altindaki
bir çelik profil (yapma yada hadde) yeterli
narinlige sahip ise burkulmaya maruz kalacaktir.
Burkulma, basinç altindaki bir elemanin yükleme
öncesi düz halden belirli bir kritik yükte düzlem
disina dogru yer degistirmesi olarak
tanimlanabilir. Basinç altindaki çelik elemanlar
için iki çesit burkulma söz konusudur

• Yerel burkulma
• Eleman burkulmasi

10
Çelik yapi elemanlarinda davranis
çesitleri Basinç Yerel burkulma
Pratikte kullanilan çelik profiller ince cidarli
levhalar içermektedir. Bu levhalar basinç etkisi
altinda burkulma riski tasirlar. Yerel burkulma,
elemanin öngörülen tasima kapasitesine ulasmasina
engel olur.
Gerek statik gerekse tekrarli dinamik yükler
altinda çelik profilleri olusturan levhalarin
narinligi belirli limitler altinda tutulmalidir.
Narinlik düz levhalardan olusan profillerde levha
genisliginin kalinligina orani (b/t), dairesel
kesitlerde çapin et kalinligina orani (D/t)
olarak ifade edilir.
11
Çelik yapi elemanlarinda davranis
çesitleri Basinç Eleman burkulmasi

• Kritik burkulma yükü
• Üretim/imalat nedenli boyut kusurlari ve
• kaynak gerilmelerinin

fonksiyonu olarak ifade edilen eleman burkulma
dayaniminin saglanmasinda öncelikli önem tasiyan
parametre eleman narinligidir.
Narinlik k.L/r olarak verilir. Burada k eleman
burkulma boyunu mesnet kosullarina bagli olarak
kontrol eden bir parametre L eleman boyu r
kullanilan profil kesitine ait atalet yariçapidir
12
Çelik yapi elemanlarinda davranis çesitleri Egilme

• Egilmeye maruz çelik elemanlarda iki çesit
  davranis söz konusudur.
• Yanal ötelenmesi serbest durumda yanal burkulma
• Yanal ötelenmesi tutulmus durumda basit egilme ve
  inelastik yerel burkulma. Deprem etkisi altinda
  yük tasima kapasitesi kaybi genellikle yerel
  burkulma nedeniyle olur.

13
Çelik yapi elemanlarinda davranis
çesitleri Burkulma üzerine sonuç not.....
Görüldügü gibi çeligin birim agirliginin
sagladigi dayanim fazla oldugu için elemanlarin
narinligi diger malzemeler ile olusturulan benzer
yapi elemanlarina nazaran oldukça fazla
olmaktadir. Bu yüzden burkulma çelik yapilarda
önemli bir yapisal davranis türüdür. Özellikle
deprem yükleri gibi yapiyi elastik bölge
sonrasina zorlayan yüklemelerde, çelik yapi
elemanlarinda meydana gelebilecek inelastik
burkulma kritiklik arz etmektedir. Dolayisiyla
çelik elemanlarin sismik tasariminda kullanilan
narinlik limitleri (b/t, D/t, k.L/r gibi) daha
hassas limitlerdir.
14
Çelik yapi elemanlarinda davranis
çesitleri Birlesimler

• Çelik yapi birlesim elemanlari
• Moment aktaran rijit birlesimler
• Moment aktarmayan basit birlesimler
• olarak ikiye ayrilirlar.

• Çelik yapi birlesim elemanlari
• Yükleri (moment, kesme kuvveti ve eksenel kuvvet)
  elemanlar arasinda saglikli olarak aktarabilmeli
• Yeterli dönme kapasitesine sahip olmalidir.

15
Çelik yapi elemanlarinda davranis çesitleri Örnek
1
Yükseltilmis çelik depo yapisi... Boru kesitli
dört ayak, diagonal ve yatay elemanlar ile
çerçeve olusturulmus.
16
Çelik yapi elemanlarinda davranis çesitleri Örnek
1
Deprem sonrasi depo yapisi.....!? Tasiyici
sistemi olusturan elemanlarin narinliginin sinir
narinliklerin üzerinde olmasi sonucu tekrarli yük
altinda çöken yapi...
17
Çelik yapi elemanlarinda davranis çesitleri Örnek
2
Tek katli çelik yapi... Tekrarli yük altinda
yapida diagonal kusak elemanlari elastik
limitlerin üzerinde zorlanmaya maruz kalmis.
18
Çelik yapi elemanlarinda davranis çesitleri Örnek
3
6 katli bir çelik binanin ilk katindaki köse
kolonun deprem sonrasi yerel burkulma etkileri
ile hasari.... Bu kolon merdiven sahanligina
mesnet teskil eden kisa kolonlardan biri olarak
diger kolonlara göre daha rijit bir davranis
sergilemis ve hasar kolon burkulmasindan çok
yerel burkulma seklinde meydana gelmistir.
19
Tasiyici sistem çesitleri Genel

• Çeligin deprem yükleri açisindan en önemli iki
  özelligi
• Sünekligi
• Tekrarli inelastik yükleme altinda enerji yutma
  kapasitesidir.

Bu özellikler tasiyici sistemler için de
geçerlidir. Deprem yönetmeliginde tanimlanan
deprem yükü azaltma katsayisi Ra(T1), tasiyici
sistemin deprem yükleri altinda ne kadar enerji
yutacagi ile ilgili bir parametredir. Bu katsayi
sistemin sünekliginin artmasi ile artar ve
dolayisiyla yapiya etkiyen esdeger deprem yükü
(Vt) azalir.
Vt W . A(T1) / Ra(T1)
20
Tasiyici sistem çesitleri Genel
Tasiyici sistemin inelastik çevrimsel davranisi
Tasiyici sistemlerin deprem gibi tekrarli yüklere
karsi davranisi histerik enerji egrisi ile
gösterilir. Deprem yükü, sisteme bir dis enerji
uygular. Bu enerjinin karsiligi ise tasiyici
sistemin tekrarli yükleme halinde her bir
tekrarda harcadigi enerjilerin toplamidir.
21
Tasiyici sistem çesitleri Genel

• Bina tipi çelik yapilarda deprem yükleri üç
  yaygin alternatif tasiyici sistem ile tasitilir
• Moment aktaran rijit çerçeve sistemler
• Merkezi çaprazli tasiyici sistemler
• Dismerkez çaprazli tasiyici sistemler

1
2
3
22
Tasiyici sistem çesitleri Genel

• Çelik tasiyici sistemler deprem enerjisini
  sistem içerisinde harcama kapasitelerine göre
• Süneklik düzeyi yüksek sistemler
• Süneklik düzeyi normal sistemler olarak iki
  sinifta incelenirler.

Sistem sünekliginin yüksek yada normal olmasi
eleman narinlikleri, kiris dönme kapasiteleri,
birlesim detaylari vs. ile ilgili standartlarca
belirtilen bazi kurallara göre degismektedir.
Deprem yükü azaltma katsayisi, R (Afet
Yönetmeligi)
Tasiyici Sistem Süneklik düzeyi normal Süneklik düzeyi yüksek
Moment aktaran rijit çerçeve 5 8
Merkezi çaprazli sistem 3 ----
Dismerkez çaprazli sistem ---- 7
23
Tasiyici sistem çesitleri Moment aktaran rijit
çerçeve sistemler
Deprem dayanimi moment aktaran çerçeve sistemler
ile saglandiginda, yatay yükler öncelikle
kolon-kiris birlesimleri ile tasinir. Bu birlesim
noktalarinda olusacak gerilmeler oldukça
fazladir. Bu nedenle birlesim hesap ve
detaylandirmasi hassasiyetle yapilmalidir. Moment
aktaran çerçeve sistemin çalisma prensibi
çerçevenin tasima sinir durumundan önce deprem
enerjisini yutacak sekilde deformasyona
ugramasidir. Bu deformasyonlarin emniyetli
sinirlar içinde olabilmesi özellikle birlesim
bölgesindeki sünek davranisa baglidir. Ayni
prensip betonarme çerçeve yapilar için de
geçerlidir.
24
Tasiyici sistem çesitleri Moment aktaran rijit
çerçeve sistemler
Özellikle Amerika Birlesik Devletlerinde meydana
gelen depremler sonrasi yapilan incelemelerde
kolon-kiris birlesimlerinde meydana gelen hasarin
kolonda, kaynakta yada panel bölgesinde
yogunlastigi gözlenmistir.
25
Tasiyici sistem çesitleri Moment aktaran rijit
çerçeve sistemler
Özellikle deprem yüklerini moment aktaran türde
birlesimler ile tasiyan çerçeve sistemlerde
birlesim kaynaklarinin uygulanmasinda özen
gösterilmelidir. Kaynakta gevrek çatlamalara izin
vermeyecek sekilde detaylar uygulanmalidir.
26
Tasiyici sistem çesitleri Moment aktaran rijit
çerçeve sistemler
Moment aktaran türde kolon-kiris birlesimlerinde
bir baska önemli bölge panel bölgesi dir. Panel
bölgesi, birlesime giren kiris basliklarinin
hizasinda üstten ve alltan sinirli kolon
gövdesidir. Bu bölge moment nedeniyle olusan
kesme kuvvetine karsi koyacak kayma mukavemetine
sahip olmalidir. Bunun için kayma bölgesi takviye
levhalari ve süreklilik levhalari kullanilabilir.
27
Tasiyici sistem çesitleri Moment aktaran rijit
çerçeve sistemler
Kolon-kiris birlesimlerinde oldugu gibi kolon
taban birlesimleri de iletilen moment, kesme
kuvveti ve eksenel kuvvetleri emniyetle tasiyacak
sekilde boyutlandirilmalidir. Yük transferinde
zayif nokta bulunmamalidir.
28
Tasiyici sistem çesitleri Moment aktaran rijit
çerçeve sistemler
Moment aktaran çerçeve sistemlerde depremin
binaya aktardigi enerjinin kolonlardan ziyade
kirislerde sarf edilmesi durumunda daha sünek bir
çerçeve davranisi elde edilmektedir. Yeterli
sönüm için kiris enkesitlerinin yerel burkulmayi
geciktirecek sekilde seçilmesi gerekir.
Yumusak kat
Enerjinin kirislerde sarf edildigi çerçeve
Enerjinin kolonlarda sarf edildigi çerçeve
Zayif kolon kuvvetli kiris
29
Tasiyici sistem çesitleri Moment aktaran rijit
çerçeve sistemler
Moment aktaran çerçeve sistemler ile olusturulan
binalar, iç mahal ve cephelerinde herhangi bir
perde yada çapraz olmamasi nedeniyle mimari
avantajlar saglamaktadir. Ancak kolon-kiris
birlesimlerinde olusan detaylar nedeniyle bu
sistem digerlerine nazaran daha pahali bir
sistemdir.
30
Tasiyici sistem çesitleri Çaprazli sistemler

• Çaprazli tasiyici sistemlerde yatay yük diagonal
  elemanlarda meydana gelen yüksek eksenel
  gerilmeler ile tasinir. Bu sistemler moment
  aktaran rijit çerçeve sistemlere göre iki önemli
  avantaja sahiptir
• Malzeme tasarrufu
• Kat ötelenmelerinin daha etkili bir sekilde
  kontrol altina alinabilmesi

31
Tasiyici sistem çesitleri Merkezi çaprazli
sistemler
Merkezi çaprazli sistemler, çapraz elemanlarin
merkez çizgileri ana çerçevenin birlesim
noktalari ile düzenli bir konfigürasyon
içerisinde birleserek düsey tasiyici sistem
içinde bir tür düsey kafes sistem olusturan
sistemlerdir. Yatay deprem rüzgar yükleri bu
düsey kafes sistem ile tasinir. Sekilde siklikla
kullanilan merkezi çapraz sistem çesitleri
verilmistir. Diagonal elemanlar olarak I-profil,
boru, kare veya diktörtgen kesitli profil, tek
yada çift kösebent, U-profil kullanmak mümkündür.
32
Tasiyici sistem çesitleri Merkezi çaprazli
sistemler

• Merkezi çaprazli sistemler yüksek elastik yatay
  rijitige sahip yatay-yük tasiyici sistemlerdir.
  Bu sistemlerde ana iki unsur diagonal elemanlar
  ve bu elemanlarin çerçeve elemanlarina olan
  birlesimleridir.
• Merkezi çapraz sistemin sünek davranis
  sergileyebilmesi için diagonal çapraz elemanlari
  tekrarli inelastik yükleme süresince dayanim ve
  rijitliklerini önemli ölçüde kaybetmeden büyük
  deformasyon yapabilmelidir.
• Çapraz elemaninin bu davranisinda etkili üç
  önemli faktör
• Çapraz eleman narinligi (k.L/r) (eleman
  burkulmasi kritik)
• Mesnet kosullari (tekrarli inelastik yüklemede
  birlesimler kritik)
• Kesit (yerel burkulma kritik)

33
Tasiyici sistem çesitleri Merkezi çaprazli
sistemler
k.L/r30
k.L/r140
k.L/r80
Çapraz eleman narinligi (k.L/r) artiyor
Eleman narinligi azaldikça inelastik çevrimsel
davranis iyilesmektedir. Yani tekrarli yükler
altinda çapraz elemanin enerji yutma kapasitesi
narinligin azalmasi ile artmaktadir. Bu nedenle
Afet yönetmeliginde (1997) X formunda çaprazlarin
basinç altinda narinlik limiti
olarak verilmistir.
34
Tasiyici sistem çesitleri Merkezi çaprazli
sistemler
Guse plakasinin düzlemi disina yeterli süneklik
saglayacak sekilde deformasyon yapmasi için
çapraz elemani guse levhasinin baglandigi kiris
yada kolon kenarina minimum 2.t kadar
yaklastirilmalidir.
35
Tasiyici sistem çesitleri Merkezi çaprazli
sistemler, Örnek
Ters V merkezi çapraz sistem.
36
Tasiyici sistem çesitleri Merkezi çaprazli
sistemler, Örnek
Guse plakasina birlesim detayi
37
Tasiyici sistem çesitleri Merkezi çaprazli
sistemler, Örnek
Kolona birlesim detayi
38
Tasiyici sistem çesitleri Merkezi çaprazli
sistemler, Örnek
Olusan yumusak katin merkezi çapraz sistem ile
güçlendirilmesi
39
Tasiyici sistem çesitleri Dismerkez çaprazli
sistemler
Dismerkez çaprazli sistemleri merkezi çaprazli
sistemlerden ayiran en önemli fark, çapraz
elemaninin en az bir ucunun kiriste link
elemani olarak anilan bir parçayi olusturacak
sekilde bagli olmasidir. Inelastik davranis bu
baglanti elemani üzerinde sinirlandirilir. Bu
özelligi sebebiyle bu eleman bir tür sünek
sismik sigorta dir.
40
Tasiyici sistem çesitleri Dismerkez çaprazli
sistemler
Dismerkez çaprazli sistemler mükemmel bir
süneklik ve enerji yutma kapasitesine sahiptirler
(Ra(T1)8 alinabilir). Ayni zamanda merkezi
çaprazli sistemlere has yatay rijitlige çok yakin
yatay rijitlik sergilerler. Sekilde yaygin olarak
kullanilan dismerkez çapraz sistem çesitleri
verilmistir. Bunlar arasinda Ters V formu
kolonlarda yüksek momentlere neden olmayacak bir
forma sahip oldugu için en çok tercih edilendir.
Dismerkez diagonal
Dismerkez Ters V sistem
Dismerkez V sistem
41
Tasiyici sistem çesitleri Dismerkez çaprazli
sistemler
Tipik dismerkez çapraz baglanti detayi
42
Tasiyici sistem çesitleri Dismerkez çaprazli
sistemler
Öngörülen sünek sistem davranisi için link
elemani ve onun baglandigi kiris ile ilgili
narinlik, deformasyon ve mukavemet kurallari esas
olarak Amerikan standardlarinda verilmistir.
Tekrarli yükleme deneylerinde link elemaninin
davranisi
43
Tasiyici sistem çesitleri Dismerkez çaprazli
sistemler, Örnek bina 1
44
Tasiyici sistem çesitleri Dismerkez çaprazli
sistemler, Örnek bina 2
45
Kaynaklar

1. Seismic Provisions for Structural Steel
   Buildings AISC 1997
2. Ductile Design of Steel Structures, Michel
   Bruneau, et al.
3. Ders Notlari, Andrew Whittaker
4. Afet Bölgelerinde Yapilacak Yapilar Hakkinda
   Yönetmelik, 1997 Deprem Yönetmeligi