Türkiye İnşaat Mühendisliği On Yedinci Teknik Kongre ve Sergisi 15-17 Nisan 2004, YTÜ, İstanbul
DEPREM BÖLGELERİNDE PREFABRİKE PANOLU YAPILARIN TASARIM İLKELERİ
Doç. Dr. Turgut ÖZTÜRK
İTÜ, İnşaat Fakültesi, Yapı Anabilim Dalı, 80626 Maslak, İstanbul.
Tel: 0.212.285 38 42 , Faks: 0.212.285 34 20, e-posta: tozturk@srv.ins.itu.edu.tr
GENİŞLETİLMİŞ ÖZET
Binaya olan ihtiyacın artmasıyla, geleneksel inşaat sistemi ve diğer alternatif teknolojilere rağmen, prefabrike eleman ve sistemlerin kullanımı hızla yaygınlaşmıştır. Bugün gelişmiş ülkelerde prefabrikasyon tekniğinin mümkün olan her yerde uygulandığı gözlenmektedir.
Depreme dayanıklılığı hususunda duyulan kuşkular nedeniyle başlangıçta bir çok ülkede deprem bölgelerinde prefabrike yapıların inşaasına izin verilmemiştir. Zamanla uygulamalar ve araştırmaların artması, deprem bölgelerinde de prefabrike inşaatın uygulanması ile düktil sistemler ve ekler geliştirilmiştir. Gelişmeler hızla devam etmekte olup depreme dayanıklı prefabrike yapılar konusunda kapsamlı çalışmalar sürdürülmektedir.
Prefabrikasyon tekniğinde uygulanan sistemler incelendiğinde, değişik ülkelerde çok çeşitli yöntemlerin bulunduğu görülmektedir. Bu sistemlerden biri de panolu sistemler olup bu sistemlerde genelde döşeme ve duvar panoları kullanılmaktadır. Prefabrike binalarda, gerektiğinde monolitik davranışı sağlamak amacıyla yatayda ve düşeyde bağ hatılları ve bağ çubuklarından oluşan bağ sistemleri oluşturulur. Döşeme ve duvar panoları ile bağ sistemlerinin türleri, işlevleri, teşkili ve hesap tarzları verilmiştir.
Taşıyıcı sistemden gelen yükleri zemine aktaran eleman olan temeller, prefabrike sistemlerde genellikle yerinde dökme olarak inşa edilirler. Panolardan oluşan sistemlerde genelde radye temeller uygulanmaktadır.
Deprem bölgelerinde geniş uygulama alanı bulan prefabrike panolu sistemler, birbirleri ile yatay ve düşey yönlerde bağlantıları yapılan düşey panolarla, tek veya çift yönde çalışan döşeme panolarından oluşan, taşıyıcı duvarlı sistemlerdir. Bu sistemde ana unsur taşıyıcı duvarlardır. Duvar ve döşemeler pano veya panel olabilmektedir. Daha ziyade çok katlı konut binalarında uygulanan bu sistemde, stabilite problemlerinin çözümü daha kolay olduğundan büyük panolar kullanılmaktadır. Genellikle bir kat yüksekliğinde olan büyük duvar panoları düşey ve yatay kenarlarında diğer duvar panolarıyla, yatay kenarlarında döşeme panoları ile birleşerek istenilen büyüklükte hacimleri ve aynı zamanda taşıyıcı sistemi meydana getirirler. Dış duvar panoları, betonarme tabakanın dış tarafında bir izolasyon ve bir cephe kaplama tabakası ihtiva etmektedir. Cephe panoları genelde yük taşıyıcı değildir.
Büyük panolu sistemler, planda binanın uzun kenarı veya kısa kenarına paralel duvarların yada her iki doğrultudaki duvarların taşıyıcı olmalarına göre sırasıyla boyuna duvarlı sistem, enine duvarlı sistem ve iki yönlü sistem isimlerini alırlar. Bunların kat döşemeleri ilk iki sistemde bir doğrultuda ve üçüncü sistemde iki doğrultuda çalışan plak şeklindedir.
İki yönlü sistemlerin deprem bölgeleri için en uygun tip olduğu bilinmektedir.
Panolu sistemler aslında uzay taşıyıcı sisteme sahip olmalarına rağmen taşıyıcı duvarların ortogonal olması nedeniyle, sistemin doğrultularından birine paralel yatay yükler için bu doğrultuya paralel taşıyıcı sistemler esas alınabilmektedir. Paralel taşıyıcı sistemlerden herbiri, aynı aks üzerinde bulunan perdeler ile bunları birleştiren kapı ve pencere lentolarından ibaret olan bağ kirişlerinden meydana gelmiştir. Bu perdeler, kendilerine dik olan ve kenetlerle birleşmiş bulunan perdeler dolayısıyla başlıklıdırlar. Asansör veya merdiven kovalarındaki perdeler çekirdek olarak hesaba katılabilirler. Perdelerle birleşen bağ kirişlerinin (lentolar) çatlama sonucu eğilme rijitliklerinin azalması ile bunların perdelere faydası azalır ve sistemde iç kuvvetler önemli ölçüde değişir. Bağ kirişi eğilme rijitliklerinin 0.70 ve 0.25 katı ile iki defa hesap yapılarak elde edilen elverişsiz kesit zorlamalarına göre hesap yapılarak lento ve perdeler emniyetli olarak boyutlandırılabilmektedir.
Düşey yüklerden gelen etkilerin hesabında, kapı ve pencere boşluğu ihtiva eden panoların, üzerlerindeki yükleri aradaki dolu kısım (perde) vasıtasıyla üniform olarak alt kata aktarabildiği ve yapının düzgün olması sebebiyle, bir katta duvarlardaki düşey deformasyon miktarının eşit olduğu kabul edilebilmektedir.
Prefabrike elemanların birleşimlerinde kullanılacak malzemelerin seçiminde en önemli unsur, söz konusu birleşimden beklenen davranışın sağlanmasıdır. Beton ile birleşim malzemesi arasındaki bağlantı, aderans veya oturma ile sağlanır. Bağlantının sünek bir davranış göstermesi için, sınır durumda, betondan önce bağlantı içindeki çeliğin akmaya başlaması tercih edilmelidir. Ayrıca gerekli mukavemetin sağlanabilmesi için, çelik bağlantı elemanlarının, betona yeterli derecede kenetlenmesi önemlidir. Sık kullanılan birleşim malzemeleri; yerinde dökme birleşim betonları, dolgu harçları, epoxy ve polyester bazlı ve çimento bazlı enjeksiyon harçları, birleşim metalleri, mesnet yastıkları olarak belirtilebilir.
Prefabrike taşıyıcı sistemlerin yapımında, hesapta öngörülen özelliklerin sağlanması esastır. Prefabrike taşıyıcı sistem ve binalarda, son ve kullanılabilirlik limit durumlarının yanısıra aşağıda belirtilen özel limit durumlar için de tahkik yapılmalıdır. a) Elemanların kalıptan alma, taşıma ve montaj durumlarının tahkiki, b) Gerektiğinde prefabrike eleman birleşimlerindeki şekil ve yer değiştirmelerle, süneklik derecesinin tahkiki, c) Özellikle panolu taşıyıcı sistemlerde, elemanlardan birinin yerinden çıkması veya kırılması durumunda ani ve aşamalı yıkılmaya karşı tahkik yapılmalıdır.
Monolitik olarak ve TS 9967 prefabrike yönetmeliğine uygun tasarlanmış prefabrike yapıların iç kuvvetlerinin hesabında, malzemenin doğrusal elastik olduğu ve döşemelerin diyafram gibi davrandığı kabul edilebilir. Taşıyıcı sistem davranışının monolitik ve malzemenin doğrusal elastik davranıştan çok farklı olmasının beklendiği durumlarda düşey taşıyıcı sistemler için hesap; söz konusu eleman ve birleşimlerin, bir defa rijitlikleri azalmadığına ve bir defa da rijitlikleri öngörülen oranda azalmış olduğuna göre iki kez yapılıp, boyutlandırmada en kritik durum dikkate alınarak sonuçlandırılır.
Birleşimler; genelde metal parçalarla oluşturulan kuru birleşim veya yerinde dökme beton ve donatı kullanılarak oluşturulan ıslak birleşim şeklinde olabilirler. Prefabrike elemanların birleşiminde kullanılacak malzemelerin seçiminde en önemli unsur, söz konusu birleşimden beklenen davranışın sağlanmasıdır. Bağlantının sünek bir davranış göstermesi için, sınır durumda, betondan önce bağlantı içindeki çeliğin akmaya başlaması tercih edilmelidir.
Birleşimlere gelen, katsayılarla artırılmış hesap yükleri, ayrıca en az 4/3 değerindeki ek bir katsayı ile artırılmalıdır. Elastomerik ara malzemelerin hesabında katsayı ile artırılmamış yükler kullanılmalı, korniyer ve kaynak gibi malzemeler ile gerçekleştirilen bazı özel birleşimlerde malzeme katsayıları da artırılmalıdır. Eğilme etkisindeki elemanların mesnetlerindeki yatay yükün değeri, düşey yükün en az 1/10’u kadar olmalıdır.
Döşeme panolarının ara ve mesnet birleşimleri, taşıyıcı panolar arasındaki kayma birleşimleri ve panolar arasındaki basınç birleşimleri teşkili, görevleri ve hesap esasları verilmiştir. Panoların kendisinde ve birleşimdeki dışmerkezlikler ile ilgili hususlar belirtilmiştir.
Yapıların depreme dayanıklı tasarımı ve yapımı için gerekli minimum koşulların belirtildiği deprem yönetmeliğinde (ABYYHY) prefabrike binalar için öngörülen özel kurallar verilmiştir.
Günümüze kadar prefabrike panolu sistemlerin etkilendiği şiddetli deprem sayısı fazla değildir. Panolu sistemlerin deprem davranışları ve bu sistemlerde gözlenen deprem hasarları ayrıntılı olarak verilmiştir. Bu yapıların depremde sağlıklı bir davranış sergilediği söylenebilir. Panolu sistemlerin güçlendirilmesi ile ilgili esaslar ve detaylar belirtilmiştir.
Bu çalışma ile ulaşılan sonuçlar aşağıdaki şekilde verilebilmektedir;
Prefabrike sistemlerin uygulamaya geçmesiyle birlikte, deprem tehlikesine maruz bölgelerde, bu sistemlerin en kritik ve hassas bölgeleri olan birleşim yerleriyle ilgili teorik ve deneysel çalışmalar başlamıştır. Ancak bu çalışmalar daha çok firmaların kendilerine has olarak ürettikleri detaylar üzerinde gerçekleşmiş ve standartlarda ortak olarak kabul edilebilir düzeylere ulaşmamıştır. Birleşim yerleri üzerinde yapılan çalışmalardaki amaç, prefabrike sistemin depreme karşı dayanıklılığını artırmaya yönelik olmuştur. Prefabrike sistemlerdeki birleşimler üzerinde en yoğun ve koordineli çalışma, A.B.D. ve Japonya tarafından ortaklaşa yürütülen PRESSS programıdır. Bu program kapsamında değişik birleşim yerleri hem teorik ve hem de deneysel olarak incelenmiş ve belli kriterleri sağlayan birleşimlere “Eşdeğer Birleşim” adı verilmiştir. Buna göre; prefabrike birleşimlerden, verilen tasarım yüklerin altında elemanlardan gelecek etkileri yeterince aktarabilecek mukavemette olmaları ve “Prefabrike Birleşim Davranışının Değerlendirme Kriteri” şartlarını sağlamak üzere, mukavemet azalmasını ve kaymadan dolayı oluşan deformasyonları sınırlayacak şekilde tasarlanmaları istenir. Ayrıca prefabrike elemanlarda ve birleşimlerde; kullanılabilirlik, dayanıklılık ve yangın dayanımı özelliklerinin de sağlanması gerektiği belirtilir. PRESSS programı çalışmaları sonucunda iki tip birleşim esas alınmış ve çalışmanın çerçevesi ve ana hedefleri belirlenmiştir. Bunlardan birincisi
“Kuvvetli Birleşimler”, ikincisi ise “Düktil Birleşimler”dir.
Prefabrike yapıların, klasik yapılara göre daha ekonomik olabilmesi için aynı tipte üretilecek eleman sayısının fazla olması gerekmektedir. Bu nedenle aynı tipte çok sayıda tekrarlı yapıların prefabrike olarak üretilmesi, prefabrikasyon teknolojisinin sağladığı diğer yararların yanısıra ekonomik olarak da bir üstünlük sağlamaktadır. Ayrıca prefabrike panoların projelendirilmesinde, panoların nakliye ve montaj durumları da göz önüne alınmalıdır. Pano büyüklükleri nakliyesi mümkün olabilecek boyutta seçilmelidir.
Prefabrike yapıların tasarımında kullanılacak deprem kuvvetlerinin, yerinde dökme yapılar için öngörülenden daha büyük olması gerekir. Çünkü her türlü prefabrike yapıların ek yerleri yerinde dökme yapılar kadar rijit ve enerji tüketebilecek güçte değildir. Zaten ABYYHY’de deprem yükü hesaplanırken kullanılan taşıyıcı sistem davranış katsayısı (R), prefabrike sistemler için daha küçük tutulmuştur, böylece prefabrike sisteme gelen tasarım deprem yükü arttırılmıştır.
Yerinde dökme betonarme perdeli yapılarda deprem enerjisi, yapının monolitik ve rijit olan birleşim yerlerinin hasar görerek mafsallaşması ile tüketilir. Mafsallaşma, bu sistemlerde ya perde duvarın temelinde yada perde duvarlar arasındaki bağ kirişlerinde meydana gelir.
Ancak prefabrike panolu yapılardaki birleşim yerleri bu kadar rijit ve monolitik olmadığından, şiddetli depremlerde birleşim yerlerinin deprem enerjisi tüketme gücü, yerinde dökme betonarme yapıların birleşim yerlerine göre daha azdır. Bu nedenle de prefabrike yapıların aynı yerinde dökme, rijit birleşimli betonarme yapılar gibi kabul edilerek hesaplanıp tasarlanması gerçekçi olmayıp prefabrike yapının daha düşük deprem güvenliğinde olmasına yol açar.
Prefabrike panolu yapılarda, yatay ve düşey birleşim yerlerinin deprem yükleri altındaki davranışları, bu tür yapıların tasarımında en belirleyici unsurlardır. Birleşimler üzerinde yapılmış olan deneylerden aşağıdaki sonuçlara ulaşılmıştır:
Statik yükleme ile yapılan deneysel çalışmalardan, kenetli olarak teşkil edilmiş bir birleşim yerinin maksimum kesme dayanımının, kenetsiz olarak teşkil edilmiş olanınkinden yaklaşık olarak üç katı kadar daha fazla olduğu belirlenmiştir.
Yatay birleşimler üzerinde dinamik ve yönü değişen yüklemeler altında yapılan deneylerden; kenetsiz ve yalnızca harçla oluşturulan yatay bir birleşim üzerinde düşey bir yük etkidiğinde, birleşimin kesme dayanımı artmaktadır. Birleşim yerinde donatıların bulunduğu ve bunların kaynaklı olarak bağlandığı ek yerlerinde, donatı birleşim yerinin kesme dayanımını önemli ölçüde artırmaktadır.
Deneysel çalışmalar incelendiğinde özellikle kenetli bitişik panolar arasındaki hasar, beton dayanımına bağlı olarak, kenetlerde ve kenetlerin ara yüzeylerindeki kaymalardan ibarettir.
Düşük kesme dayanımına sahip beton (harç veya panel) ve birleşim yerini saran düşey donatı oranı, birleşimin sınır kapasitesini kontrol eden etkenlerdir.
Prefabrike panellerdeki kenetlerin konfigürasyonlarının, birleşim yerinin kapasitesi üzerinde önemli bir etkisi yoktur, ancak kenetlerin boyutlarının birleşimin kapasitesi üzerinde az da olsa bir etkisi vardır. Daha büyük kenet boyutlarına sahip panellerin kapasitesi, küçük olana göre % 20 oranında daha büyüktür.
Prefabrike panolu yapıların en uygun tasarımı için düşey birleşim yerlerinin enerji tüketebilecek güçte tasarlanmaları, eleman ve yatay birleşim yerlerinin ise yüksek taşıma güçlü ve elastik bölgede kalacak biçimde tasarlanmaları gerekir. Bu ise pano ve yatay birleşim yerlerinin, düşey birleşim yerlerine göre iki kat kadar daha büyük yatay kuvvetlere göre tasarlanmalarını gerektirebilir.
Depreme dayanıklı yapı tasarımında önemli bir başka faktör de döşemelerdir. Döşemeler kendi düzlemleri içindeki kuvvetlere karşı çok rijit olduklarından, yatay yükleri düşey elemanlara rijitlikleri ile orantılı dağıttıkları kabul edilir. Prefabrike döşeme plaklı yapılarda da bunun gerçekleştirilmesi için döşeme plak elemanlarının birbirlerine bağlanması gerekir. Bu plakların birbirlerine basıncı aktarabilecek birleşim yerleri ile bağlanması yada üzerlerine 3–5 cm kalınlığında bir tabliye dökülerek monolitik özelliğe sahip olmaları sağlanmalıdır.
ABYYHY, UBC97 ve EC8’deki binaya etkiyen deprem yükü hesaplama yöntemleri birbirleri ile benzerlik göstermektedir. Ayrıca bina temel periyodu hesaplama yöntemi ise tamamen benzerdir. Ancak yönetmelikler arasındaki en önemli fark UBC97’de bulunan sismik kaynağa yaklaşık mesafe olarak tanımlanan ve deprem yüküne önemli etkisi olan yakın kuvvet faktörü Nv’dir. Özellikle deprem kuşağında yer alan ülkemizde böyle bir katsayıyla artırılmış deprem yükleri, yapıların güvenliğini ve dolayısıyla depremlerde oluşabilecek kayıpları daha düşük düzeyde tutmasını sağlayabilir.
Zemin durumunun değişmesi ile birlikte, TA ve TB periyotlarının aralıkları değiştiği için taban kesme kuvvetinin değişimi farklılaşır. Düşük periyot değerleri bulunan az katlı yapılarda zemin türünün değişmesi taban kesme kuvveti üzerinde özellikle ABYYHY ve EC8’de etkili olmamaktadır. Ancak çok katlı yapılarda (5 kat ve üstü) taban kesme kuvveti zemin özelliklerine göre değişmektedir.
KAYNAKLAR
[1] K. Özden; Prefabrike İnşaatta Şartname Hükümleri ve Hesap Esasları, Prefabrike İnşaat Teknolojileri Sempozyumu, Haziran 1997, İstanbul.
[2] M.J.Nigel Priesley; The PRESSS Program, Current Status and Proposed Plans for Phase
Special Report, PCI, March-April 1996.
[3] Fumio Watanabe and Hitoshi Shiohara; Connection Design Manual for Reinforced Concrete Buildings Incorporated With Precast Concrete Members, Japan-PRESSS Connection Task Group, ISEE, BRI Task Group, 1994.
[4] TS 9967, Yapı Elemanları, Taşıyıcı Sistemler ve Binalar-Prefabrike Betonarme ve Öngerilmeli Betondan-Hesap Esasları ile İmalat ve Montaj Kuralları, TSE, 1992.
[5] ABYYHY, Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik, İMO, 1997.
[6] Guidelines for The Use of Structural Precast Concrete in Buildings, New-Zeland Concrete Society, 1992.
[7] K. Özden; Betonarme ve Öngerilmeli Prefabrike Taşıyıcı Eleman, Sistem ve Yapıların Hesap ve Yapım Kuralları, Öneri, Deprem Mühendisliği Türk Milli Komitesi Yayını, No 4, 1988, İstanbul.
[8] T. Tankut, U. Ersoy; Önüretimli Betonarme Yapılardaki Birleşimlerin Görünen ve Görünmeyen Sorunları, 7. Prefabrikasyon Sempozyumu Bildirileri, S. 19-36, Türk
Prefabrikasyon Birliği Yayını, 1993, İstanbul.
[9] Metric Design Manual; Precast and Prestressed Concrete, CPCI, 85 Albert Street, Ottawa, 1982.
[10] Design and Typical Details of Connections for Precast and Prestressed Concrete, PCI, 1988.
[11] Precast Concrete Connections Details Structural Design Manual, Beton-Verlag, 1978.
[12] Manuel for The Design of Hollow Core Slabs, PCI,USA, 1985.
[13] TS 500, Betonarme Yapıların Hesap ve Yapım Kuralları, TSE, 1985.
[14] TS 498, Yapı Elemanlarının Boyutlandırılmasında Alınacak Yüklerin Hesap Değerleri,
TSE, 1987.
[15] TS 3233, Öngerilmeli Beton Yapıların Hesap ve Yapım Kuralları, TSE, 1979.
[16] G. Özmen, Ö. Yüzügüllü, M. Zorbozan; Yeni Deprem Yönetmeliğinin Prefabrike Yapılar Bakımından İrdelenmesi, Türkiye Deprem Vakfı, 1997.
[17] G. Özmen, M. Zorbozan; Yuvalı Tekil Temellerde Yuva Yanaklarının Hesap Yöntemleri, Türkiye Deprem Vakfı, 1997.
[18] Prefabrike İnşaat Teknolojileri Sempozyumu, Türkiye Deprem Vakfı, 1997.
[19] R. A. Hartland; Design of Precast Concrete: An Introduction to Practical Design, Surrey University Press, 1975.
[20] Y. Ayaydın; Taşıyıcı Duvar Perdeli Prefabrike Yapılar, Yılmaz Ofset, 1987.
[21] T. Öztürk; Prefabrike Betonarme ve Öngerilmeli Beton Çerçeve Tipi Sistemlerde Duvar Panolarının Analizi, İTÜ Dergisi, Cilt 49, Sayı 4, 1991.
[22] Beton Prefabrikasyon Dergisi, Türkiye Prefabrik Birliği Aylık Yayını.
[23] Prefabrikasyon Sempozyumlarının Bildirileri, Türkiye Prefabrik Birliği Yayını.
[24] Beton Prefabrike Elemanların Birleşim Detayları, Taşıyıcı Sistem Birleşimleri, Türkiye Prefabrik Birliği Yayını.
[25] TS 7719, Prefabrike Beton Elemanlardan Yapılmış Bir Dış Duvarla Beton Döşeme Arasındaki Tipik Yatay Derzler-Nitelikler, Özellikler ve Sınıflandırma İlkeleri, TSE,1989.
[26] TS 7720, Yük Taşıyıcı Duvarlar ve Betonarme Döşemeler Arasındaki Yatay Birleşimler-Mekanik Laboratuvar Deneyleri-Düşey Yüklerin ve Döşemeden Aktarılan Momentlerin Etkileri, TSE, 1989.
[27] TS 7845, İki Prefabrike Beton Dış Duvar Elemanı Arasındaki Tipik Düşey Derzler- Nitelikler, Özellikler ve Sınıflandırma İlkeleri, TSE, 1990.
