Yapıların yüklere, dış kuvvetlere karşı dayanım ve taşıyıcı özellikleriyle yani inşaat mühendisliği yönüyle gözden geçirilmesi...

Deprem uzmanı Prof. Dr. Ahmet Mete Işıkara'nın son depremin ardından söylediği gibi; "İnsanları öldüren deprem değil yapılardır." Gerçekten bu yer olayının insanlar üzerindeki olumsuz etkileri hemen bütünüyle bina, yol, köprü, baraj gibi, insan eliyle kurulmuş yapılar aracılığıyla ortaya çıkmakta; yapı bulunmayan yerde insanlar açısından bir deprem zararı söz konusu olmamaktadır. Kırsal alanda, göğün altında yürüyen insanın yer yarılıp da içine düşmedikçe depremden görebileceği en büyük zarar "kıç üstü yere oturmak" olur. Bu bakımdan, deprem -temel- yapı ilişkisi çok önemlidir. Bu yazıda deprem olayı inşaat mühendisliğinin konusu olan bu ilişki ön planda tutularak incelenecektir. Bu amaçla yapılar yüklere, dış kuvvetlere karşı dayanım ve taşıyıcı özellikleri yani inşaat mühendisliği yönüyle gözden geçirilecektir.

Yapıları, taşıyıcı özellikleri bakımından 1- Yığma, 2- Karkas (iskeletli) yapılar olmak üzere iki ana türe ayırabiliriz. (Resim 1 ve Resim 2)

Yığma yapılar

Taş, tuğla gibi gereçlerin harçlı ya da harçsız olarak örülmesiyle oluşturulmuş yapılardır. Bu tür yapılarda duvarlar, mekânları birbirinden ayıran (oda, salon, mutfak gibi) mimari bir işlev görürler, hem de taşıyıcıdırlar. Yani yapının tavanlarını ya da daha üst katlarını bu duvarlar ayakta tutarlar.

Yığma yapı tekniği, insanlık tarihi boyunca bilinip uygulanan, günümüzde de kullanılmakta olan bir tekniktir. Kemer, tonoz ve kubbeler (Resim 2) yığma yapı tekniğinin gelişmiş öğeleri olup, pek çok büyük yapının tavanı bu elemanlarla örtülmüş, ırmaklar üzerine köprüler kurulmuştur. Yığma yapıların binlerce yıl önce yapılmış görkemli örnekleri bugün de pek çok yerde sağlam olarak görülebilmektedir.

Karkas (iskeletli) yapılar

Bu tür yapıları yığma yapılardan ayırt eden temel özellik, duvarların taşıyıcı olmaması, yalnızca mimari amaçlarla yapılmış olmalarıdır. Taşıyıcılık görevini "karkas" adı verilen bir "iskelet" yapar. Bu karkas; betonarme, çelik ya da ahşap gereçlerden yapılabilir. Karkas ve kat döşemeleri oluşturulduktan sonra üzerine bölme duvarları örülür. Bu duvarlar "taşıyıcı" değil, "taşınan"dır. (Resim 1)

Karkas yapının en basit örneği; kolon ve kirişler gibi çubuk elemanlardan oluşan çerçevelerdir. Düşey yayılı yükleri, kirişler üzerine oturan ve plak olarak da adlandırılan döşemeler taşır. Döşemelere gelen yük önce krişlere, sonra kolonlara ve daha sonra bina temellerine aktarılır.

Bina kat adetleri ve yükseklikleri arttıkça büyüyen yatay yükleri (deprem ve rüzgâr) taşımakta çerçeveler yetersiz kalırlar. Bu durumda yüksek yapılarda kolonların bir boyutunun çok büyütülmesiyle oluşturulan perde, çekirdek ya da tüp olarak adlandırılan yapı elemanlarının kullanılması zorunluluğu ortaya çıkar. (Resim 4 ve Resim 5)

- Karkas yapılarda duvarların taşıyıcılık görevleri ortadan kalktığı için, mimar daha geniş olanaklara kavuşmuştur. Duvarların yerleri, konumları ve kalınlıkları kolayca değiştirilebilir; ince duvarlar, geniş salonlar, büyük pencereler, kapılar yapılabilir.

-Günümüzde yapı gereçlerinin, yapı statiği, deprem mühendisliği tekniklerinin gelişmesi sonucu karkas sistemler kullanılarak yığma binalara oranla daha narin, daha işlevsel, daha yüksek, daha güvenli ve daha ucuz binalar yapılabilmektedir.

- Ancak; karkas binalar yapılırken daha dikkatli olmak; yapı bilimi, tekniği ve fen kurallarına titizlikle uymak gereklidir. Yığma yapılar ağır gövdeleri ve binlerce yıl denenmiş geleneksel taşıyıcı sistemleriyle pek çok kusuru bağışlayabilirler; ama hatalı yapılmış narin ve yüksek karkas yapıların "hoşgörü" sınırları daha dardır. Ülkemizde pek çok deprem sonrasında görülen yıkılmış betonarme yapılara karşın, çok az zarar görmüş yığma yapılar bu savın canlı kanıtlarıdır.

Mühendislik açısından "yapıya etkiyen yük" kavramı çok önemlidir. Çünkü; yapıların belirli yükleri taşıyacak biçimde tasarlanıp hesaplanmaları ve inşa edilmeleri gereklidir. Yapı yüklerini değişik bakış açılarından değişik gruplara ayırabiliriz. (Resim 3 ve Resim  5)

Yönüne göre

Düşey yükler: Yapıya yerçekimi dolayısıyla etkiyen, yukarıdan aşağıya doğru yönlenmiş kuvvetlerdir. (Ağırlık kuvvetleri) (Resim 3)

Yatay yükler: Yapılara yatay doğrultuda etkiyen kuvvetlerdir. Örneğin bir barajın arkasındaki su, rüzgâr ya da deprem yükleri. (Resim 5)

Etkime biçimine göre

Tekil yükler: (Münferit yük) Bir otomobilin tekeri, bir insanın basması gibi tek noktadan aktarılan yüklerdir. (kuvvet; ton)

Çizgisel yükler: Bir tuğla duvarın; üzerine oturduğu döşemeye aktardığı gibi, bir çizgi boyunca yayılmış yükler (kuvvet/uzunluk; t/m)

Yayılı yükler: Bir salonda birikmiş kalabalık, döşemenin üzerine yığılmış kum, bir istinat duvarının arkasındaki toprak itkisi gibi alana yayılmış yükler (kuvvet/ alan; t/m2)

Zamana bağlı olarak

Statik yükler: Şiddeti, yönü ve yeri ani değişiklikler göstermeksizin, yapıya her zaman aynı biçimde etkiyen yüklerdir. Bunları da şu temel türlere ayırabiliriz.

Ölü yükler (Zati yük): Yapı üzerinde her zaman var olan, hiçbir değişim göstermeyen yüklerdir. Örneğin kolon, kiriş, döşeme, duvar gibi yapı elemanlarının kendi ağırlıkları.

İşletme yükleri (Hareketli yükler): Yapıya sonradan yüklenen, uzun zaman dilimleri içerisinde ve yavaş olarak değişim gösteren yüklerdir. Evin içindeki eşya ve insanlar gibi.

Dinamik yükler: Yapıya birdenbire etkiyen ve çok kısa süreler (saliseden küçük) içerisinde çok büyük değişimler gösteren kuvvetlerdir. Örnek: Köprüden hızla geçen kamyon, fabrika içerisinde çalışmakta olan büyük titreşimli makine, binaları etkileyen rüzgâr yükleri, patlamalar ve deprem yükleri. Yükün dinamik olması yapılar üzerinde çok karmaşık ve büyük etkilerin doğmasına yol açar. Örneğin bir yapıya ani olarak yüklenen bir cisim kendi ağırlığının birkaç katı büyüklüğünde etkiler yaratabilir.

Yapılar dış yüklere temel, döşeme, duvar, kemer, tonoz, kubbe, kiriş, kolon, perde, çerçeve, çekirdek gibi elemanları ile karşı koyarlar. Bu elemanlar, çekme, basınç, kesme (makaslama) eğilme, burulma gibi mekanik zorlamalarla karşı karşıyadırlar.

Yapı elemanları geometrik biçimleri ve üretilmiş oldukları yapı gerecinin (malzeme) özelliklerine bağlı olarak yukarıdaki zorlanma biçimlerinden yalnızca birine ya da tümüne birden dayanıklı olabilirler.

Örneğin bir halat ya da çelik zincir, çekme kuvvetini en iyi biçimde taşır ancak bunun dışındaki bütün zorlamalar karşısında direnci sıfırdır. Taş ya da tuğla duvarlar; basınç kuvvetlerini iyi taşırlar; çekme eğilme gibi zorlanmalar karşısında dayanımları çok düşüktür. Ahşap, çelik gibi yapı gereçleri ise her türlü zorlamaya karşı dayanıklılık gösterirler.

Yapı gereçlerinin bu özelliklerine bağlı olarak türlü yapı sistemleri geliştirilmiştir. Örneğin kemerli ve kubbeli bir yapıda bütün elemanlar basınç kuvvetiyle zorlanırlar; hiçbir elemana çekme kuvveti gelmez. Bu teknik sayesinde taş ve tuğla, binlerce yıldan bu yana yapılarda çok yaygın bir kullanım alanı bulmuştur.

Günümüzde en çok kullanılan kiriş, kolon, döşeme gibi narin yapı elemanları aynı anda yukarıda sayılan türden değişik zorlamalarla karşı karşıya kalırlar ve bunların hepsine birden dayanabilmeleri gerekir. Örneğin kirişler öncelikle eğilme momenti taşıyan elemanlardır. Bu moment, yönüne göre kiriş kesitinin alt bölgesinde çekme yaparken, üst bölgesinde basınç yerilmeleri oluşturur. (Tersi de olabilir.)

Ahşap ya da çelik bir kiriş böyle bir momenti kolaylıkla taşıyabilir. Ancak; taş ya da demirsiz betondan yapılmış bir kiriş; moment dolayısıyla oluşacak çekme kuvvetlerini taşıyamayacağından bu iş için uygun değildir.

Betonarme yapı elemanlarında beton içerisine demir donatılar yerleştirilerek; betonun taşıyamadığı çekme kuvvetleri demire taşıtılır. Örneğin Resim 3'teki kirişte çekme bölgesindeki gerilmeleri demir donatı taşır. Betonun hiç çekme taşımadığı ya da çok az (belli sınırlar içerisinde) taşıdığı kabul edilir. Betonarme elemanlardaki donatılar basınç kuvvetlerinin taşınmasında da betona yardımcı olurlar.

Burada yalnızca yapının taşıyıcılık ve dayanım açısından projelendirilmesi söz konusu edilmektedir. Ekonomik, sosyal, kentsel, jeolojik, mimari, altyapı (sağlık) elektrik, mekanik alanda ön çalışma, inceleme, rapor, projelerin yapılmış olduğu varsayılmaktadır.

1- Ön tasarım: Yapıya uygun bir temel, taşıyıcı sistem, yapı gereçleri ve yapım yöntemleri belirlenir. (Mimari proje ve zemin raporu ile birlikte.)
2- Yükler: Ön tasarım ve mimari projeye uygun olarak yapıyı etkileyecek yükler belirlenir.
3- Statik hesap: Belirlenen yükler altında yapının kolon, kiriş, döşeme gibi elemanlarına gelecek çekme, basınç, kesme, eğilme, burulma gibi kesit zorlarının bulunması işidir.
4- Mukavemet (betonarme ya da çelik dayanım) hesapları: Statik hesaptan sonraki aşamada; her bir elemanın yapılmış olduğu gerecin (betonarme, çelik) mekanik özellikleri de dikkate alınarak statik hesap sonucu bulunmuş olan kesit zorlarını taşımaya yeterli olup olmadıkları kontrol edilir. Yetersiz bulunursa kesit büyütülür, kalite ya da donatı sayısı arttırılır. Örneğin, betonarme bir kolonda:

30 cm x 40 cm yerine 40 cm x 50 cm ya da

6 Ø 16 (6 tane 16 çaplı demir) yerine 8 Ø 16......... gibi.

Mekanik biliminin ve inşaat mühendisliğinin en önemli dallarından biri olan yapı statiği ve mukavemet bilim dalları son birkaç yüzyılda ortaya çıkan ve süregitmekte olan gelişme ile yapılara gelen zorlama ve iç gerilmeleri bilinebilir, hesaplanabilir kılmıştır. Daha önceleri depreme dayanıklı yapı ancak mimar, mühendis ve ustaların mesleki, yapısal deneyim ve sezgileri ile tasarlanıp üretilebiliyordu.

5- Çizim: Yukarıda yapılan çalışmaların, hesap ve ara çizimlerle bulunan sonuçların binanın yapılabilmesini sağlamak amacıyla her türlü ayrıntısı ile kesin ve teknik resim kurallarına uygun olarak kâğıt üzerine aktarılması işidir. Örneğin bir betonarme projede temel, kolon, kiriş, döşeme, perde gibi tüm elemanların yerleri boyutları, içindeki donatılar ve başka bütün ayrıntılar verilir. Bunlar yapının uygulama resimleri ya da projesidir ve genellikle proje deyince yalnızca bu resimler akla gelir!

Yapılarla ilgili olarak yukarıdaki genel tanıtımdan sonra depremlerin yapıları nasıl etkilendiğini açıklamaya çalışalım.

Deprem: Yerküre içerisinde bir noktada ortaya çıkan ani değişiklikten çıkan dalgaların yer katmanlarını aşarak, yerkabuğu yüzeyine varması ve onu sarsmasıdır. Çok değişik fiziksel özellikler taşıyan bu dalgalar yer küre içerisinde geçtikleri zemin katmanlarına göre de çok değişik etkilenmeler gösterirler.

Örneğin yumuşak zeminler üzerindeki deprem titreşimlerinin genlikleri, sert zeminlerdekilere oranla en az iki kat büyüktür. Bu bakımdan yumuşak zeminler, deprem bakımından, sert zeminlere oranla daha tehlikelidir. Depremi yapıya etkileyen ek bir yük olarak düşünebiliriz. (Resim 5) Depremler binaya yatay ve dinamik yükler uygularlar. (Depremden dolayı binalara ek düşey yükler de gelir ancak bunlar ağırlık kuvvetlerine benzeyen dikkate ve hesaba alınmış yükler olup yatay yükler kadar önemli değildirler.)

Deprem sırasında zemin titreşim hareketi yapar ve yapıların temellerinde ani ötelenme ve dönmeler olur. Temelin bu hareketlerine binanın üst yapısı (kolon, kiriş ve döşemeler) aynı anda ayak uyduramadığı için buralarda zıt yönde atalet (eylemsizlik) kuvvetleri oluşur. Yapının her yeri titreşim yapmaya başlar, elemanlar değişik biçimler alır, her an değişen büyük kuvvetler, zorlanmalar ortaya çıkar. Sonuç olarak çok karmaşık bir mekanik olay söz konusudur.

Sismoloji bilimi ve yapı mühendisliği bu karmaşık olayı teorik ve pratik alanda çözerek deprem karşısında dayanıklı, güvenli ve ekonomik yapıların tasarlanması ve hesaplanmasını amaçlar.

Depremin yapılar üzerindeki etkisi ve yaptığı hasar derecesi şu etmenlere bağlıdır:

1-Depremin enerjisi, manyetüdü, ivmesi.
2- Odak noktasının ya da episantr'ın (merkez üs) yapının bulunduğu yere uzaklığı.
3- Depremin odak noktası ile deprem bölgesi arasındaki yer (zemin) katmanlarının nitelikleri.
4-Depremin şiddeti. Bu kavram depremin belli bir bölgedeki algılanış ve görünüş biçimi olup yukarıdaki 3 etmene çok sıkı biçimde bağlıdır.
5- Yapının üzerine oturduğu zeminin niteliği (kayalık ve sert zeminler, yumuşak zeminlere oranla daha güvenlidir.)
6- Yapının biçimi, statik taşıyıcı sistemi, yapının yüksekliği, kat sayısı, yığma ya da karkas oluşu, betonarme, ahşap ya da çelik yapı oluşu, temellerin ve statik sistemin rijit ya da esnek oluşu, yapısal ayrıntıları (konstrüktif detayları) gibi etmenler yani yapının kendisi kendi üzerine gelecek deprem kuvvetlerinin az veya çok olmasında etkilidir.

Günümüz bilgi ve teknoloji düzeyinde depreme dayanıklı yapı üretme olanağı vardır. Ancak sorun en büyük depremde bile hiçbir hasar görmeyecek yapıların üretilmesi anlamında ortaya konursa çok pahalı ve ekonomik açıdan olanaksız ve de gereksiz yapı biçimleriyle karşılaşırız. Bu konuda genel olarak kabul edilmiş tasarım ölçütleri şunlardır.

1. Sık oluşan küçük depremlerde yapıya hiç hasar olmaması.
2. Orta şiddetteki depremlerde yapısal hasar olmaması; yapıların depremden sonra küçük onarımlarla kullanılabilmeleri.
3.Şiddetli depremlerde yapının bütünüyle göçmesinin engellenmesi; can kaybı olmaması.

1997 tarihli deprem yönetmeliğimizin şiddetli depreme karşılık olarak esas aldığı tasarım depreminin, önem katsayısı I=1 olan binalarda, 50 yıllık bir süre için aşılması olasılığı % 0'dur. Bu durumda 1. derece deprem bölgesi için, etkin yer ivme katsayısı (A0=0,40) olarak verilmiş olup, yapının kendisi, zemin ve temellerle ilgili başka etmenler göz önüne alınmazsa, yapıya depremden dolayı kendi ağırlığının % 0'ı kadar ek yatay dinamik kuvvetler etkiyeceği kabaca söylenebilir.

Bugün ülkemizde mevcut pek çok yapının depreme karşı güvenliği yok denecek kadar azdır. En küçük bir depremde bile pek çok yapı hasar görmemek bir yana yerle bir olup pek çok can kaybı olmaktadır. Hiç deprem olmadan yalnızca düşey yükler etkisiyle ansızın çöküveren binaları da göz önünde bulundurursak yukarıdaki "deprem tasarım ilkelerinin" ülkemiz için çok önemli bir hedef olduğu anlaşılır.

Depreme dayanıklı yapı üretimi uzun ve karmaşık bir süreçtir. Yukarıda ağırlıklı olarak ele alınan hesap ve tasarım bu sürecin önemli bir adımıdır. Yapılar yükseldikçe, narinleştikçe deprem riski yükselmekte, buna bağlı olarak hesap ve tasarımın önemi daha da artmakta; hesap yöntemleri giderek gelişmekte karmaşıklaşmakta, uzmanlaşma derinleşmekte ve çeşitlenmekte, yapılar yalnızca bilgisayarlarla hesaplanabilir olmaktadır. Bu durum gerek üniversitelerde gerekse meslek içerisinde yapı mühendisliği eğitiminin yükseltilmesi ve bu işlemin yetkin mühendislerce yapılmasının önemini ortaya koyar.

Yapı denetimi:

Dayanıklı yapı üretim sürecinde yerinde uygulama, yapım yani inşaat işleri de en az tasarım kadar önemlidir. Uygulamanın her aşamasında beton, demir, çimento gibi yapı gereçlerinin, işçiliğin, boyutların; projeye, yönetmelik ve standartlara uygunluğunun sağlanması gerekir ki; bu amaca yönelik yapı denetimi konusu çok geniş boyutları dolayısıyla yazımızın kapsamı dışında bırakılmıştır.