deprem bölgelerindeki yapılarda çelik çapraz çerçeve sistemlerinin

deprem bölgelerindeki yapılarda çelik çapraz çerçeve sistemlerinin

DEPREM BÖLGELERINDEKI YAPILARDA ÇELIK ÇAPRAZ ÇERÇEVE SISTEMLERININ
AVANTAJLARI
Özlem EŞSİZ1
[email protected]
Öz:Çaprazlamadaki amaç, en az miktarda ek malzemeyle, yatay yüklere karşı rijit bir
strüktür elde etmektir. Böylece her yükseklikteki yapı için ekonomik bir üretim elde edilir.
Çapraz sistemler özellikle deprem bölgelerinde, enerjinin büyük bir kısmını emdiği için
etkili olmaktadır.
Bu çalışmada çelik çapraz çerçeve sistemlerinin plan ve kesit düzlemin çeşitli planlama
şekilleri ve farklı detay çözümleri incelenecektir. Özellikle çok katlı çelik sistemlerde
çapraz çerçeve sistemlerin deprem bölgeleri için uygunluğu uygulama örnekleri ortaya
konulacaktır.
Anahtar Kelimeler: Bina Tasarımı, Çelik Çaprazlama, Deprem Bölgesi
Giriş
Düşey çelik çaprazlama sistemleri genellikle çelik iskeletli (çerçeveli) yapılarda yatay yükleri karşılayan strüktürel
elemanlar olarak karşılanmaktadır. Betonarme yapılarda çelik çaprazlamalar deprem gibi yanal kuvvetlere karşı
dayanımı arttırmak için kullanılmaktadır. Bu durumda, ilave diagonal çaprazlamalar ve çerçeve girdeler kompozit kirşin
ağ elemanları haline gelir (Çelik,Çılık,1998,s.558).
Deprem kuvvetlerine karşı strüktürel tasarımın esasları yapının yanal kuvvetlere karşı dayanımına dayanmaktadır.
Binaların çoğunda bu düşey elemanların kombinasyonlarından bazılarına rastlanmaktadır. Bu sistemin her hangi bir
bölümündeki hata ve bölümler arasındaki bağlantılardaki hata binada çökmeye varan asarlara neden olabilir
(Eşsiz,1999,Nashed,1996).
Çelik Çaprazlamaların Düzenlenmesi
Strüktürel sistemin bir parçası olan dış duvarların, yapıda oluşan yerçekimi yüklerinin bir bölümünü ve yatay rüzgar
yüklerinin tamamını taşıması, tüp sistemin önemini daha da artırmıştır. John Hancock Center’in perde duvarların
yapısal özelliklerini alan strüktürel sistemi ile yatay ve düşey yükler, yapıdaki tüm dış kolonlar aracılığı ile zemine aynı
oranda aktarılmaktadır. Yapının strüktürel sisteminin esasını , çelik kolonlar, spandrel kirişler ve cephede yer alan
diyagonel X çaprazlamalar oluşturmaktadır. Yapıda diyagoneller, spandrel kirişler ve kolonlar, birbirine mafsallı olarak
bağlanmıştır. Yapının stabilite ve rijitliğinin artmasını sağlayan X çaprazlamalar, yapının dört cephesinde yer alarak
çelik dış kolonlara bağlanmaktadır. X diyagonellerinin köşe kolonları ile kesiştiği yerde çelik kirişler bulunur ve
böylece diyagonellerden oluşan yerçekimi yükleri yeniden kolonlara aktarılır. Yapıya gelen yatay yüklerin %80’i
konsol davranışıyla %20’si çerçeve davranışıyla karşılanakatadır.
Cepheden cepheye sürekli olan X çaprazlamalı diagonal kolonlara tespit edilerek yüklerin çaprazlamalardan kolonlara
aktarılmasını sağlar. Çaprazlamalardaki ölü yük bunların rüzgar yükleri altında basınç altında dır (Kowalczyk,R.,
Sinn,R.,Kilmister,M., 1995,pp.270).
Yapıya gelen rüzgar yüklerinin karşılanması için yapılan beş büyük X çaprazlama yapının köşlerinde, belirli noktalarda
kesişmektedir. Yapıda tasarlanan tüm detaylar, yapının çapraz diyagonelleri ile bütünleşmektedir. X çaprazlama
elemanları, bazı pencerelerin önünü kapatmasına rağmen, yapının tamamında narin ve haifif bir görünüm
sergilemektedir.
Eğer tek diagonallar kullanılırsa, bunlar çift fonksiyona hizmet etmeliler; bir doğrultuda yanal kuvvetlere hizmet etmek
için çekme olarak davranır ve bunun aksi yönünde ise basınça hizmet eder. Uzun çekme elemanları uzun çekme
1
MSGSU Mimarlık FakültesiYapı Bilgisi Bilim Dalı
665
elemanlarından daha etkilidir, çerçeveler sık sık basınç elemanı ihtiyacını ortadan kaldırmak için C çaprazlama olarak
adlandırılan diagonallarle çaprazlanır. Bir çok durumda kafesleme (trussing) rijit bir çerçeve ile karşılaştırıldığında
çerçevedeki elemanlardaki sadece aksiyal kuvvetleri oluşturmaya neden olur. Genellikle rijit çerçeveden daha az
deformasyona sahip olan bu sistem hem statik hem de dinamik yüklere karşı dayanımlıdır (Ambrosse,1993).
Çaprazlama bina yüksekliğinde düzenli olarak yapılabildiği gibi şaşırtmalı da yapılabilmektedir. Çaprazlama çok sayıda
katı içeren süper diagonaller olabilir veya tek katlı çaprazlamalar yapılabilir. Diagonel elemnalar sadece çekmeyi
taşıyor ve bağlayıcı olarak çalışıyorsa, bu takdirde oldukça basit birleşimlere sahip X çaprazlamalara ihtiyaç duyulur
(Taranath,1989).
Kafes tüp sistemin en önemli avantajı oldukça geniş aralıklı kolonların olmasıdır. Bunun sonucunda geniş alanlarda
penceeler açılabilir. Cephe çaprazlama sistemi tübüler birleşimlerin br bölümünde kullanılabilir. Örneğin uzun
dikdörtgen binalarda kısa kenar çaprazlanabilir uzun kenar çerçeveli tüp veya moment dayanımlı çerçeve olabilir
(Iyengar,1993). Ekonomik strüktürel çözüm çaprazlamaların bina yüzeyinin tamamına dağıtmaktır. Yüksek yapılardaki
yapısal rijitliği daha da arttırmak amacıyla çelik çerçeveler, çeşitli çaprazlar kullaılarak rijitlenmektedir. Ortak merkezli
rijit çerçeveler, X, K, V, diyagonel, Pratt gibi formları alabilmektedir. Bu formlardan en çok tercih edilen ve en çok
kullanılan X çaprazlama, yatay yüklere karşı K ve V şeklindeki çaprazlamalara oranla daha fazla dayanım
göstermektedir.
Çelik Çaprazlama Çeşitleri
Diagoanl elemalar sadece çekmeyi karşılamalı ve X çaprazlamalar gibi davrandığında basit birleşimler kullanılırken,
çaprazlama hem çekme hem de basınca çalışıyorsa o zaman sadece bir tane rijitleştirme dikmesi seçilebilir. Rijit
çerçeveli sistemler 20 kattan yüksek binalarda kiriş ve kolonlardaki eğilmenin büyük deformasyonlara neden
olmasından dolayı, yatay yükler karşısında yeterli etkinlik gösterememektedir. Bu durumda çerçeveye düşey bir kafes
eklenmesi yoluyla sistemin rijitleştirilmesine gidilmektedir. Böylece çerçevenin düşey yükleri, kafesin ise yatay yükleri
taşıyacağı kabul edilmektedir. Çaprazlı çerçeveler ortak ve ayrık merkezli olmak üzere iki grupta toplanabilirler. Bu
sınıflandırma düktilite özeliklerine göre yapılmaktadır. X, Pratt, diyagonel, K ve V formları gibi ortak merkezli
düzenlemelerde kolon, kiriş ve çapraz elemanlar ortak bir noktada kesişmektedir. Dış merkezli düzenlemelerde ise,
düktiliteyi arttırmaya yönelik olarak, eğilme ve kesme kuvvetlerini kirişlere aktarmak için çapraz elemanların
merkezleri özellikle merkezi düzenlemelerde X çaprazlamalar K ve V çaprazlamalara göre daha yüksek yatay
dayanım/ağırlık oranı göstermektedir (Taranath, 1997).Bu yapım türlerinin hepsinde de çerçevenin köşe ve mesnet
noktalarında yüksek mukavemetli civatalar ve kaynaklı birleşimler kullanılmaktadır. Birleşim elemanı olarak perçin
genellikle kullanılmamaktadır.İki tip çaprazlama çeşidi vardır.
Ortak Merkezli Çapraz Sistemler: Bu geleneksel çaprazlama yaygın oarak her türlü konstrüküyonda kule, köprü ve
diğer yapılarda iki boyutlu kafes ve ya üç boyutlu uzay çerçeveler yaratarak kullanılmaktadır.
Ayrık Merkezli Çapraz Sistemler: Eccentric bracing moment çerçevenin özellikleri enerji emme ve elastik olma
davranışlarıyla çapraz çerçevenin rijitliği ve dayanımıyla eşsiz strüktürel sistemdir. Kirişten kolona ve kirişe ayrık
merkezli olarak bağlandığı için bu ismi almıştır. Sstemin en belirgin özelliği kirişlere bağlı diagonal çaprazların kiriş ve
kolon arasındaki bağlantıdan ötelenmesidir(Taranath,1989). Ayrık merkezli çaprazlı çerçeveler çok çeşitli formlarda
düzenlenebilir.
Kafes Tüp Sistemler
Kafesli tüp sistem, çerçeve tüp sistemin geliştirilmesi ile ortaya çıkan bir sistemdir. 1970’li yıllardan itibaren yapıların
hızla yükselmesi ve çerçeve tüp sistemin yetersizliği nedeniyle yapılarda kafes tüp sistemler uygulanmaya başlamıştır.
Çerçeve tüp sistemin en olumsuz yönü ise alın kirişlerinin esnekliğidir. Bu amaçla çapraz elemanlar eklenerek sistemin
rijitliği arttırılmaktadır. Bu durumda kesme kuvveti alın kirişleri ile değil, diyagoneller ile karşılanmaktadır. Bu
diyagoneller gerek çerçeveli tüpte kirişlerin karşıladığı kaymayı gerekse de eksenel çubuk çalışması ile yatay yükleri
karşılaması son derece önemlidir. Kafes tüp sitem yapılarda çeşitli şekillerde uygulanmaktadır. Kolon ve diyagonel
kafes tüp, verev kafes, kirişli verev kafes tüp bunlardan sadece bazılardır. Yatay yüklerin taşınmasında tüm sistemin
kullanıldığı kolon ve diyagonel kafes sistem, dış çerçevede yer alan kolonların aralarına yerleştirilen diyagonellerden
oluşmaktadır. Bu yöntem sonucunda kolon açıklıkları fazla, kiriş yükseklikleri daha az tutulabilmekte, pencere ve kapı
boşluklarında da rahatlama doğmaktadır (Schuller,W.,1977).
Kirişli verev kafes sistem, cephede kolonlar olmadan düzenlenmiş, diyagonellerden oluşmaktadır. Bu sık diyagoneller
eğik kolon davranışı göstererek tüm düşey yükleri karşılamaktadır. Verev kafes sistem, kolonsuz, yakın aralıklı çapraz
elemanlardan oluşmaktadır. Diyagoneller, kirişlerle bağlanmış ızgara şeklindedir. Bu sistemde, diyagonel elemanlar,
666
yatay yüklere karşı etkin olmasına karşın,düşey yüklerin taşınmasında kolonlar kadar etkili olmaması sistemin olumsuz
bir özelliğidir.Çelik çerçeveli konstrüksiyon, yüksek binalar için en etkin ve maliyet açısından da en yararlı
konstrüksiyon tipidir. Çelik düktilitesi, hafifliğine oranla yüksek dayanım, üretim kolaylığı ve ulaştırma ekonomisinden
dolayı, başta süper yüksek binalar olmak üzere orta yükseklikte ve yüksek binalar için tüm dünyada yaygın olarak tercih
edilen bir taşıyıcı sistem malzemesidir (Ali and Armstraong, 1995).
Sonuç
Strüktür sistemlerin hepsi de yüksek yapılarda oluşan düşey yükler ile rüzgar ve deprem gibi yatay yüklerin taşınması
esasına dayanmaktadır. Yüksek yaılarda taşıyıcı sistem, düşey yükler sonucunda oluşan basınç ve yatay yükler
sonucunda oluşan eğilime etkileri altında zeminden ankastre bir kolona benzetilmektedir. Deprem bölgelerinde çelik
çaprazlı çerçeveler, yapısal elemanlara deprem enerjisini aktarır. Dikdörtgen çerçevenin stablitesi gerekli olan diagonel
elemanlar X çaprazlamalar, dikmeler vb çaprazlı çerçeveler için kullanılmaktadır. Çelik çaprazlı sistemler özellikle
deprem bölgelerinde yanal kuvvetlere dayanımları bakımından sıkça kullanılmaktadır.
KAYNAKLAR
1.
2.
SCHULLER,W.,(1977), High Rise Building Structure, John Wiley Sons,New York
TARANATH,S., (1989), Structural Analysis and Design of High Rise Buildings, Mc Graw Hill, New York
3.
AMBROSE,J., (1993),Building Structures, John Wiley, New York
4. EŞSİZ,Ö., (1999), Building Configurations for Seismic Area and a Contemporary Building Example, International
Conference on Earthquake Hazard and Rısk Mediterranean Region, Near East Universıty, North Cyprus,
5.
ARNOLD,J.,(1980), In Earthquakes,Failure Can Follow Form, AIA Journal, June
6. ÇELİK,O.,ÇILI,F., ÖZGEN,K.,(1998), Seismic Behaviour of RC Framed Buildings Strenghtened by Vertical Steel
Bracing, Repair&Strengthening of Existing Buildings, Second Japan-TurkeyWorkshop on Earthquake Engineering,
Istanbul.
7. KOWALCZYK,R., SİNN,R.,KİLMİSTER,M.,(1995), Structural Systems for Tall Buildings, Mc Graw Hill
International Editions, Singapore
8. EŞSIZ,Ö.,(1999), Steel Braced Frames Behaviour In Seismic Region , ITU-IAHS International Conference on The
Koceli Earthquake,ITU, Istanbul,Turkey
667