Yatay Yüklerin Aktarılması

Yüksek yapılarda rüzgar ve deprem yüklerinden oluşan yatay yükler, düşey yükler kadar önemlidir. Yatay yükler altında çok katlı yapı, daha önce, zeminden ankastre, dönme, eğilme, kayma etkilerinin yanısıra, düşey yüklerin oluşturduğu basınç

Şekil 7.6 : Yüzme Havuzu Çökmeden Önce

15.02.2004 Günü

Şekil 7.7 : Yüzme Havuzu Çökmeden Sonra

• Yapıya etkiyen toplam düşey ve yatay kuvvetlerin bileşkesi, yapı alanının içerisinde kalmaktadır. Aksi yapıda devrilme olayını meydana getirir. Bileşke ne kadar yatıksa, devrilme olasılığı o kadar artar.

• Konsol kirişte eğilme etkisi, kuvvetin etkidiği tarafta çekme, diğer tarafta basınç doğurur. Yatay yüklerden oluşan moment diyagramı en büyük değerini zeminde almaktadır. bunun sonucunda adı geçen çekme ve basınç etkileri de en altta en büyük değerlerine ulaşırlar.

• Yatay kuvvetlerin neden olduğu kayma etkileri, konsol kirişin en kesitleri olan döşeme düzlemlerinin diyafram şeklinde çalışması ile taşıyıcı düşey elemanlara iletilmektedir. Yapıda yatay kesme kuvvetleri de en büyük değerine zeminde ulaşırlar.

Bina yüksekliği arttıkça, tüm bu etkilerin de hızla artacağı görülmektedir. Dahası bu artma, basit kiriş şeklindeki büyük açıklıklı bir yapıya göre çok daha olumsuzdur. Gerçekten konsol ve basit kirişlerde en büyük momentler, “p” etkiyen düzgün yayılı yük, “l” açıklık olmak üzere;

Konsolda : M = p.l2 / 2 (7.1) Basit kirişte : M = p.l2 / 8 = p(l/2)2 / 2 (7.2) şeklindedir. Bu, konsol şeklindeki yapının, moment açısından, yapı yüksekliğinin iki katı açıklıklı bir basit kirişe eşdeğer olduğunu gösterir. Örneğin; 442 metre yüksekliğindeki “Sears Tower” bu açıdan 2 x 442 = 884 metre açıklıklı bir basit kirişe eşdeğerdir (şekil7.8)[15].

Alçaktan orta yüksekliktekilere kadar binalar, normal olarak düşey yüklere göre tasarlanır, sonra yatay yüklere göre mukavemeti kontrol edilir. Bununla birlikte yükseklik arttıkça yatay kuvvet çalışması öne geçer. Yukarıdan aşağıya, düşey yük için gerekli yapı ağırlığı, kat sayısına göre hemen hemen lineer olarak artar. Buna karşılık yatay kuvvetlere mukavemet için gerekli malzeme miktarı, yüksekliğe oranla çok hızlı artış gösterir. Bu durumda kat sayısı ve bina yüksekliği belli olduğuna göre amaç, bunlara göre uygun taşıyıcı sistemin bulunmasına dönüşmektedir.

Şekil 7.8 : Sears Towers

7.2.1 Deprem yükleri:

Tektonik tabakalar teorisine göre yeryüzü kabuğu erimiş iç çekirdek üzerinde yüzen kalın kaya tabakalardan oluşur. Bu kayaların bir takım hareketleri sonucu enerji açığa çıkar ve yeryüzüne şok dalgaları olarak yayılır. Deprem bu dalga hareketidir. Deprem, yapının temelinden üst yapıyı sarsarak etkir. Yapı taşıyıcı sistem elemanları bu harekete karşı koyacak şekilde tasarlanmalıdır.

Dünyanın derinliklerinde aktif fay denilen bölgelerde rölatif hareket ile biriken enerji kırılma sonucu artaya çıkar. Bu noktaya deprem odağı (focus) adı verilir. Deprem odağının tam üstüne tekabül eden yer kabuğu üzerindeki noktaya ise deprem merkezi (epicenter) denilir. Deprem odağında açığa çıkan büyük enerji, her yönde enerji dalgaları olarak yayılır. Bu enerji dalgaları yeryüzü kabuğuna ulaşır ve taban kayasında hareketler oluştururlar. Bu dalga hareketi zamanla değiştiği için genellikle

deprem ölçüm aletleri tarafından zamana bağlı ivmeler olarak kaydedilir. Ancak bu ivmeler yerçekimi ivmesi olan g = 9,81 m/sn²’nin bir oranı olarak verilmektedir. Deprem esnasında açığa çıkan enerji, yer altı zemin katmanlarının içinden geçerek taşıyıcı sistemin temeline ulaşır ve yapıda (x), (y) ve (z) doğrultusunda hareketlere sebep olur. Taşıyıcı sistemlerin düşey yük taşıma kapasitesi ve dolayısı ile bu yönde emniyet faktörü büyük olduğundan, özel durumlar dışında, genellikle (z) doğrultusundaki hareketleri ihmal edilir. (x) ve (y) doğrultusundaki yer hareketleri taşıyıcı sistemde ivmeler oluştururlar. Bu ivmeler taşıyıcı sistem içinde, F = m x a ilişkisine bağlı olarak kuvvetlerinin oluşmasına neden olur. Deprem kuvveti, yayılı kütlesi olan yapının ani bir ivmeye maruz kalmasından dolayı yapı bünyesinde oluşan bir zorlamadır. Bu özelliğinden dolayı, deprem kuvveti eylemsizlik kuvveti olarak tanımlanır [23].

Deprem kuşağı üzerinde bulunan ülkemizde yüksek yapıların boyutlandırılmasında deprem çoğu kez rüzgara göre daha etkili olmaktadır.

Deprem bölgelerinde yapılacak yapıların, bu yapının ömrü boyunca etkilenebileceği: • Çok seyrek olan büyük şiddetteki depremlerde taşıyıcı sisteminde göçme

olmayacak,

• Seyrek olan orta şiddetteki depremlerde taşıyıcı sisteminde büyük hasarlar oluşmayacak,

• Sık olan hafif şiddetteki depremlerde tüm yapının hasarsız olacak şekilde boyutlandırılması gerekmektedir.

Bu amaçla taşıyıcı sistemlerin teşkilinde:

• Göçmeye karşı yeterli güvenlik sağlanmalı, • Uygun olmayan varsayımlardan kaçınılmalı, • Şekil değiştirmeler sınırlandırılmalıdır.

Yürürlükte olan Yeni Deprem Yönetmeliği esaslarına göre deprem etkisi olarak yüksekliği 40 metreden daha az olan yapılarda eşdeğer statik kuvvetleri göz önüne almak, bu yüksekliğin üstündeki yapılarda dinamik hesap yöntemini kullanmak gerekmektedir.

Eşdeğer statik kuvvetlerin hesabı Yeni Deprem Yönetmeliği’nde açıklanmıştır. Dinamik hesap yapılması durumunda deprem yüklemesi olarak efektif bir zemin ivmesi veya bir ivme spektrum eğrisi verilebilir. Gerek zemin ivmesinin, gerekse ivme spektrumunun tespitinde yapının tipi, bulunduğu bölgenin özellikleri ve depremselliği gözönüne alınmalıdır. Ülkemizde yeterli deprem kaydı bulunmadığı için genellikle El Centro ivme spektrum eğrisi kullanılmaktadır[22].

7.2.2 Rüzgar yükü:

Taşıyıcı sistemi yığma taş duvar olan ilk yüksek binalar, dış duvarlarının ağırlığından dolayı rüzgarın oluşturduğu yatay yüklerden fazla etkilenmemişlerdir. Taşıyıcı duvar yerini rijit çerçeveye bıraktığında bile yapı ağırlığı ana faktördü. Sık kolonlar, büyük boyutlu çerçeve elemanlar ve bölme duvarların ağırlığı rüzgar probleminin etkisini azaltıyordu. Daha sonraları serbest iç mekanlı, az ağırlıklı ve giydirme cepheli yüksek binalar ortaya çıkınca rüzgar etkisi önem kazandı. Hafif çelik çerçeveler sayesinde sistemin ağırlığı yapı yüksekliğine bir engel olmaktan çıktı. Ancak başka problemlerin karmaşıklığı arttı. Yapı öz ağırlığını azaltmak, daha büyük ve esnek alanlar yaratmak için uzun kirişler, yük taşımayan hareketli iç bölmeler ve perde duvarlar geliştirildi. Bütün bunlar taşıyıcı sistemin rijitliğini azaltıp rüzgar davranışını yüksek bina tasarımcısına esas problem olarak ortaya çıkardı [2].

Rüzgar etkisi dinamik bir yük olup topoğrafyanın şekil ve pürüzlülüğü, taşıyıcı sistemin şekli ve komşu binaların dizilişi gibi etkenlere bağlıdır.

Ülkemizde rüzgar yükü TS 498-1997 madde 11.2.3 ve 11.3 e göre hesaplanır. Rüzgarın esiş yönünde çarptığı yapı yüzeylerinde basınç, arka yüzeylerde emme kuvveti oluşur. Rüzgar kuvvetinin birimi kN/m² dir. W basınç kuvveti yapının geometrisine, rüzgarın hızına bağlıdır. Rüzgar hızı yapı yüksekliğince belli bir yüksekliğe kadar artar. Bu nedenle cepheye etkiyen kuvvet de yapı yüksekliğince artar.

q : yüzeye yayılı rüzgar basıncı (kN/m²) cp :yapı yüzeyinin konumuna bağlı katsayı V : rüzgar hızı (m/s)

TS 498-1997, Çizelge 5’den q değeri, Çizelge 6’dan da Cp katsayısı alınır. Çizelge 5 tüm Türkiye için geçerlidir. Rüzgar hızının yüksek olduğu bölgelerdeki önemli yüksek yapılarda rüzgar hızı Meteoroloji Bölge Müdürlüklerinden öğrenilerek Çizelge 5 yardımıyla yapı yüksekliğince q değerinin değişiminin belirlenmesi yararlıdır.

Bir cismin herhangi bir noktasındaki rüzgar basıncının şiddeti, cismin geometrisine, rüzgarın geliş yönüne, rüzgarın hızına ve havanın özgül ağırlığına bağlıdır. Zemin yüzeyinin engebesi rüzgarın hızını azaltmakta ve hızı azalan hava kütlesi de daha üstteki hava tabakasının hızına azaltıcı etki yapmaktadır. Yüksekliğin artması ile bu etki yavaş yavaş kaybolmakta ve belirli bir yükseklikten sonra ise, zemin yüzeyinin engebesi rüzgar hızını hiç etkilememektedir. Bu yüksekliğe gradyan yükseklik denir (Şekil 7.9)

Tasarım için, rüzgar yüklerini eşdeğer statik kuvvetler olarak düşünmek çoğu zaman geçerlidir. Yüksek bacalar, televizyon kuleleri, asma köprüler, çok yüksek yapılar vb. Rüzgarın dinamik özelliklerinin dikkate alınması gereken durumlardır. Tablo 7.3’de yapı yüksekliğine bağlı olarak, rüzgar hızı ve dinamik basınç değerleri verilmiştir.

Tablo 7.3 : Yapı Yüksekliği-Rüzgar Hızı-Dinamik Basınç Değerleri Zeminden Yükseklik (m) Rüzgar Hızı v (km/h) ^{Dinamik Rüzgar Basıncı} _(kgf/m2)

0-8 100 50 9-20 130 80 21-100 150 110

>100 165 130