“Son zamanlardaki depremler ve depreme dayanıklı tasarım için yeni fikirler”, Tagagi and Wada, 2019

Soil Dynamics and Earthquake Engineering dergisinde yayınlanan “Recent earthquakes and the need for a new philosophy for earthquake-resistant design” başlıklı makaleyi çevirdim. Son zamanlardaki tasarımlar ile ilgili bir okuma olması dileğiyle.

Sevgiler…

Burak Karaoğlu

[https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2017.11.024]

Özet

Modern sismik tasarımlar ve inşaat teknolojileri geçmiş 100 yılın üzerinde önemli gelişmeler geçirmiştir. İnşaat maliyetlerini kayda değer düzeylerde tutarken büyük depremler altında binaların çökmesini önlemek için, yapıların detaylandırma metodu ve güncel metotlar altında plastik şekil değiştirmeye maruz kalmasına izin verilir. Bu, binaların çoğunun önemli derecede hasar alabileceğini gösterir ve sadece bireysel binalar değil şehir içindeki binalar da aşırı deprem olaylarını takiben fonksiyonlarını kaybedebilir. Son yıllardaki büyük depremlerde, tamir edilebilenlerden ziyade daha önce yıkılmış ve fonksiyonunu kaybetmiş yıkılmamış binalar inşa edildiği ve düzgünce tasarlandığı gözlemlenmiş durumda. Belli durumlar düşünüldüğünde, geçtiğimiz yüzyıllarda gelişmiş depreme dayanıklı tasarım düşüncesi modern toplum, ekonomik gereklilikler ve sürdürülebilirliği sağlaması için şimdilerde yenilenebilir. Altyapı ve binalar için sismik tasarım düşüncesi modern ve elastik toplumlar için ekonomik devamlılık yaşamı korumak ile değiştirilebilir. Yapılar minimal bozulmalar ve geniş bir depremin devamındaki maliyet ile tüm operasyon hızlıca restore edilerek tasarlanabilir.

1- Giriş

Sismik mühendislik teknolojilerinin gelişmesi asla deprem felaketini ortadan kaldırmaz. İnsanlar asla doğayı fethetmeyecek ve sadece daha iyi bir ilişki ile yaşayabilir. Deprem mühendisliği uzmanları sadece küresel kabuk davranışını sınırlı bir şekilde anlamayı başarmış durumda. Büyük depremlerin büyüklüğünü, merkezini ve kesin zamanını tahmin etmek oldukça zordur ve bizim bilimsel bilgilerimizin ötesinde, depremler yeterli uzun bir zamanda meydana geleceği bellidir. Güncel var olan sismik tasarım metotları orta ve küçük depremler altında elastik kalırken, büyük depremler altında plastik şekil değiştirmeye maruz kalmasına olanak sağlar. Plastik şekil değiştirme deprem enerjisini yok eder ve yapısal çökmeleri önlemeyi hedefler. Bu tasarım metotları insan yaşamını korumak için etkili iken, o deprem sonrası insanların yaşamı için tamamen hesaba katılmaz. İnsanlar hasar görmüş evlerine geri dönemez ve uzun bir kurtarma döneminde kurtarma sığınağında elverişsiz bir şekilde kalmak için zorlanabilir. Onların çalışmak için olanağı yoktur ve sonuç olarak maddi zorluklara düşerler. Bu olgun ve karmaşık toplumlarda, yapı inşa etmek için insanların talebi artar ve birçok insan büyük depremlerden sonra tamamen işlevsel kalan binalar ister. Böyle toplumsal talepler ile ilgili olarak, büyük depremlere karşı dayanıklı bina yapımına yol açmak için yeni bir sismik tasarım yaklaşımına ihtiyaç vardır.  Hastaneler, itfaiye istasyonları ve elektrik santrali gibi önemli işlevler sunan özel yapılar normal olarak büyük depremlerden sonra bile tamamen çalışır halde kalacak şekilde tasarlanmıştır. Bu yapısal tasarımın genel yaklaşımı ana yapılardır. Böyle yapısal tasarım düşünceleri modern ve dayanıklı toplumlar için gereklidir. Bunun için, baştaki yapım maliyetleri artar, ancak parçalanma maliyeti yapısal performansı arttırmak için baştaki maliyetlerin üstesinden gelebilir. Sismik riski ya da yapısal performansı hususunda değerlendirme maliyeti miktarına rağmen bu bildirinin kapsamında değildir, gerçek şu ki ilk maliyetine ek olarak yapısal sürdürebilirliği sağlayabilir ve ekonomik devam edilebilirliği kesin olarak tanımlanmış olmalı. Daha güvenilir yapılara doğru yaklaşan kabul edilebilir yapısal tasarım daha yaygın olmalı.

2- Son depremler tarafından meydana gelen hasarlar

Kobe depreminin meydana geldiği yıl olan 1995’ten önce 34 yıl boyunca ölen ve kaybedilen insanların sayısı yılda 1000’den daha azı Japonya’da olan doğal afet tarafından sebep olundu. 1995’te insanlar nispeten ölümlerin birkaçının farkındaydı ve bir zaman periyodunda kaybedilen insanları sismik mühendislik teknolojisinin depremin üstesinden gelebildiğine dair bir kanıt yoktu.

Japonya’da hazırlanan Deprem yönetmeliği 1981’de yenilendi. Bu revizyonda başarısız mekanizmaların değerlendirilmesi ve olağandışı yanal taşıma gücü daha büyük binalar için gerekli oldu. Plastik şekil değiştirme, betonarme ve çelikteki sünek davranışı varsayımı altında büyük depremlerde meydana gelir. Bu revizyonun amacı izin verilebilen bina hasarları tarafından büyük depremlere karşı insan yaşamını ekonomik olarak korumaktır. Bu yüzden, bina hasarları korunan yaşam mücadelesi olarak düşünülür.

Görsel 2a 1981 revizyonuna uymak için yapılan ve dizayn edilen betonarme bir yerleşim binasını gösterir. O 1995’teki Kobe depremi tarafından önemli derecede hasar aldı. Görselde gösterildiği gibi ana eğilen çatlaklar kolon bağlantılarının yakınında birçok kirişte gözlemlendi. Bu hasar tasarımda beklenmiş durumdaydı. Tasarlandığı gibi, plastik şekil değiştirme deprem enerjisini giderdi ve insan yaşamını korudu. Bu algıda, bina başarılı bir şekilde tasarlanmıştı; ancak bina nihayetinde tamir edilmekten ziyade yıkıldı.

Figür3 2011’deki Büyük Japon Depremi tarafından yerleşim binasına verilen hasarı gösterir. Kolonlar, kirişler ve yapısal olmayan betonarme duvarlar hasarlıydı. Yapısal olmayan duvarlardaki hasar özellikle ciddiydi ve onlar makaslama gücünde yıkıldı. Hasarın bu tipi bina stabilitesi için kritik değildir. Bu algıda, bu hasar istenen durumdaydı ve yapı tasarımında beklendiği gibi davrandı. Hasarlı duvarlar sismik enerjiyi emmiş durumda, ancak duvarlar binanın dışında uzun süre fonksiyonel değildi. Yapısal tasarımcı ya da sismik mühendisliği uzmanları kabul etmemiş olan bina sakinlerini içeren sıradan insanlar başarılı olmuş olmak için tasarım hesaba katılır. Bina acil durum değerlendirmesinde kırmızı etiketliydi ve bina sakinleri evlerinden geri dönmesi yasaklandı. Bina daha sonra yıkıldı.

Hasar görmüş binaların tamir edilmesi onu yıkmadan ve yeni bir bina tekrar yapmaktan daha az pahalı olmasına rağmen, yine de imha etmek seçilmişti. Deprem sırasında, muhtemelen önemli bir sarsıntı deneyimlemiş bina sakinleri, kırılma ya da kırılma bileşeni işitmiş ve bina yıkılabildiği görülmüştür. İmha etmek seçilmesinin sebebi eğer bir bina basitçe hasarı tamir ederek onun başlangıçtaki durumuna dönmesine neden olduysa geçmiş büyük bir deprem durumunda benzer bir deneyim sahibi bina sakinlerinin muhtemel geleceklerini önlemek için olmuş durumdadır. Diğer muhtemel sebepler Japon hükûmetinin imha etmek için finansal destek sağladığı ya da komşuların hasar görmüş binaların kaldırılmasını talep etmiş durumda olabilir.

Sadece 2 binanın tahminen 1700 ile 2400 bina arasında çatlama ve devrilmeden dolayı yıkıldığı 2011’deki Yeni Zelanda’daki Christchurch depreminde yıkıldı. Görsel 4 onarılmış ve yıkılmış binaları gösterir. Beyaz ve kırmızı kareler sırasıyla onarılmış ve yıkılmış binaları belirtir. Onarılandan daha çok binanın yıkıldığı not edildi.

2016 Kumamoto depreminde, mühendislik komitesi tarafından iyi durumda bilinen yaşlı ahşap evlerin hasar görebilirliği tekrar gözlemlenmiştir (Görsel 5a). Geleneksel tasarım betonarme bir hastane binasında, ekipmanlar büyük ivmelerden dolayı devrildi.

Tablo 1 – Büyük depremlere karşı sismik tasarımın temel hedefleri

	Güncel sismik dizayn yaklaşımı	Yeni sismik dizayn yaklaşımı
H	İnsan yaşamını koruması olası	İnsan yaşamını koruması zorunlu
B	Gelecekteki binaların belirsiz onarılma ile kullanılması	Binaların bazı onarmalar ile kullanılması
C	Deprem sonrası devamlı olmayan işlev	Deprem sonrasında bile devamlı işlev

Küçük çatlaklar duvarlarda ve kolonlarda gözlemlenebilir (Görsel 5b, c). Tehlikenin bu tipleri yapının sismik performansını etkilememesine rağmen, 300 hasta ve doktoru içeren binadaki insanlar diğer hastanelere taşınmış durumda değil (Görsel 5d) ve hastane kurtarma aktiviteleri için kullanılamıyor.

Sismik olarak yalıtılmış bir diğer hastanede en fazla 900 mm genişlik ile geniş bir hareket meydana geldi. (Örneğin en fazla 450 mm yer değiştirme). Bu geçmişteki depremlerin kaydettiği en büyük yer değiştirmedir. Bu büyük yer değiştirmeler deneyimlerine rağmen, üstyapı neredeyse el değmemişti ve bina tamamen depremden sonra aktif durumdaydı ve Tıbbi felaket destek ekibi konaklayabilirdi. Yeni teknolojiler ile tasarlanmış birçok yapı onların performansının kanıtlandığı ciddi depremleri tamamen deneyimlememişti. ancak kesinlikle hastane gibi bazı yapılarda deneyimler vardı ve hasar almamışlardı.

Üzerinde tanımlanan gerçekleri incelemek, bize güncel sismik tasarım denemelerini geliştirmek için aynı amaç için var olduğunu anlattı. İnsanlar deprem sonrası değerlendirmelerde kırmızı işaretlenmiş binalarda kalmadı. Birçok yapı mühendisleri kolon, kiriş ve duvarların beklenen plastik deformasyonunu bir sismik tasarım yaklaşımı arkasındaki mantığı anlar; ancak bu şekil değiştirilebilirliğine temellenen süneklilik bir yapının hasarına eşittir. Bu hasar sismik performansı uzmanlar tarafından bile zorlukla değerlendirilen büyük depremlerden sonra insanlar tarafından tanındı. Hasar olmalı bu yüzden büyük depremler sırasında daha sıkı bir şekilde kontrol edilebilir

3- Yeni deprem tasarımı düşünceleri

Tablo 1 güncel temel hedefleri kıyaslar ve yeni olarak sismik tasarım yaklaşımları önerir. Bu hedefler sırasıyla, “insan yaşamı”, “bina geleceği kullanımı” ve “devam eden operasyonlar” olarak bahsedilen “H”,”B” ve “C” 3 bakış açısından tanımlanır. O güncel tasarım yaklaşımı modern sürdürülebilirliği desteklemek için verimsiz olabildiği görünür ve değişime direnen toplumlar depremler sonrasında binalarda kullanır. Bir diğer yandan, yeni yaklaşım altında tasarlanan binalar küçük ve orta depremler ve hatta olası büyük depremler için bile kolaylıkla bu hedefler başarılırdı.

Tablo1’de gösterilen yeni tasarım yaklaşımı hedefleri başarmak için, tasarımın etkili bir metodu ayrılmış roller oynayan yapısal bileşenlere olanak sağlardı. Birincil yapısal destekler Yer çekimi yükü ve sismik üyeler daha çok deprem yüklerine dayanır. Bu yüzden sismik üyeleri büyük depremlere karşı birincil üyeler korur. Ana gövdeyi korumak için benzer sistemler genellikle endüstriyel üretimler ve doğada bulunur. Köprücük kemiği insan vücudundaki güçleri hafifletmek için kırılır (Görsel 6a). Araçlardaki tamponlar ana gövdeyi korumak için apaçık kullanılır. Bilgisayarlardaki sigorta aşırı elektrik akımına karşı ana sistemi korumak için dizginler. (Görsel 6c)

Görsel 7a sismik üyeler ve ana yapı ile birlikte bir yapısal sistemin konseptini tanımlar. Burulma engelleme payandası (BRBs) öncelikli yapılardan ayrılan sismik üyelerdir. Sünek BRBler randıman verir ve binalar için deprem enerjisini absorbe eder (Görsel 7b, c). Onlar Tablo1 deki yeni sismik yaklaşım için H,B ve C’nin hedefleri ve elastik kalan ana yapıyı korur.

Fig. 8 sismik izolasyon sistemini şematik olarak gösterilir [6]. Üstyapı (1),(2) ve (3) yöntemleri tarafından temeller esnek bir şekilde bağlanır.

(1) Dikey doğrultuda üstyapı desteklemek için yöntem

(2) Yanal doğrultuda bir geri yükleme göstermek için yöntem

(3) Temeller ve üstyapı arasındaki nispeten yer değiştirmedeki soğrulma enerjisi için yöntem

Görsel 9, Tablo 1’de gösterilen yeni sismik tasarım altında dizayn edilen Tokyo teknoloji enstitüsündeki (TITech) sismik açıdan izole edilmiş binaları gösterir. Yapı 91,35 m yüksekliğe sahiptir ve 20 kata sahiptir. Üstyapının kolonları beton ile doldurulmuş kare tüp (CFT) kolonlardan oluşmuştur ve tüm kirişler geniş tablalı çelik kesitlerden yapılmıştır. Sismik yanal kuvvetler sismik izolasyonun etkileri tarafından önemli derecede azaltılmıştır ve CFT kolonlarının sayısı (ana yapısal sistemdekinden daha az) 16 tanedir. Sismik izolasyon sistemi 16 kauçuk katlanma izolatörü, 14 çelik söndürücü ve 2 yağ söndürücüden oluşur. Çift destekleme çapraz doğrultuda depremlere direnmek için dış taşıyıcı elemanlarda yerleşmiştir. İç taşıyıcı elemanlar önemli taşıyıcı elemanlardır ve çapraz doğrultudaki yanal kuvvetlerin birçoğu 2 dış taşıyıcı eleman tarafından sebep olunur. Yanal kuvvetlerin yoğunluğundan ve geniş açılı dönmelerden dolayı, dış taşıyıcı elemanların devrilme momenti fazladır. Bu yüzden, izolatörler yukarı kaldıran kuvvetler altında bile çalışması için gereklidir. Dış taşıyıcı elemanlarda (Görsel 9b’ de gösterilen izolatörler) 4 köşedeki izolatörler konik yaylı conta yoluyla ankraj cıvatası tarafından bağlanmıştır ve dairesel bir yola oturan her izolatörün üst tabakası temel plakadan yapılır (Görsel 9c). Bu sebeple, cihazlara karşı yukarı kaldıran kuvvetlere bu yöntem tarafından çare bulunur. Dış taşıyıcı elemanlar uzunlamasına doğrultudaki sert kirişler ile birlikte komşu iç taşıyıcı elemanlara güvenli bir şekilde bağlamıştır ve kolonları yukarı kaldırma büyük depremlerde 20 mm’yi aşamaz (Görsel 9b). Yapım maliyeti sert kolon güçsüz kiriş durumları tatmin eden sünek taşıyıcı elemanlar ile alternatif bir dizayndan daha azdır.

Yıkımı güvenli olmayan yöntemlerin olasılığı yeni teknolojik cihazlar ve yeni yapım uygulamalarında bile tamamen ortadan kaldırılamıyor. Bu yüzden belli aşırı performans limitleri durumu için değiştirilmiş, kapsamlı tartışmalar ve karşı tedbirler gereklidir. Bu binalarda, Görsel 9b’da yaylı cıvatalar 20mm’den daha fazla yanal yukarı kaldıranların aşması için durdurması gibi yüklendiler.

Görsel 10 sünek taşıyıcı eleman yapıları, güçlendirmeye yönelik yapılar farklı yapısal sistemler için tamir etme ya da yıkma maliyeti ve deprem yer hareketleri arasındaki kavramsal ilişkiyi gösterir. Örnek olarak; plastik kiriş yapıları, güce yönelik yapılar, pasif kontrol edilmiş yapılar ve sismik izole edilmiş yapılar. Bunlardan biri olan pasif olarak kontrol altında alınan yapılar BRB’ler ya da petrol koruyucuları gibi enerji tüketim cihazları ile bunlar donatılmıştır ve bir diğeri olan güce yönelik yapılar sismik güçlere karşı direnmek için elastik yanal mukavemete bağlı geleneksel birincil yapılardır.

Hasar ve tamir maliyeti hareketsiz kontrol edilen yapılar, güçlendirmeye yönelik yapılar ve sünek taşıma yapılarına takiben, sismik olarak izole edilmiş yapılarda en düşüktür. Sünek taşıma yapıları ana yapının hasar yoluyla sismik enerjiyi giderdiği için, tamir maliyeti haliyle yüksektir. Bu konudaki tartışma miktarı zor olmasına rağmen, sismik olarak izole edilmiş yapılar ve hareketsiz kontrol edilen yapılar gibi elastik yapılar SDG’ler için etkilidir ve sürekli Tablo 1’de yeni sismik tasarım yaklaşımının hedefleri olarak tanımlanan binalarda kullanılır.

Görsel 11 araçlar ve binalar arasındaki güvenli dizayndaki farklılıkları gösterir. Araçların ana gövdesi ya da motoru gözden çıkararak sürücüler ve yolcuların hayatını korumanın tasarım fikri önemli trafik kazalar için düşünülmüştür (Görsel 11a) [7]. Bu trafik kazaları genellikle yerel olaylardır ve birçok yerde eş zamanlı olarak meydana gelmez. Bu yüzden, hasar araçların sayısının bir limiti ya da bir teke limitlenir. Bir diğer yandan, eğer binaların çoğu büyük depremlere karşı aynı yaklaşım ile dizayn edilmiş olsaydı, birçok fonksiyonsuz bina büyük depremin merkezinin yakınında eş zamanlı olarak meydana getirirdi (Görsel 12a). Bu 2011’deki Christchurch depremini takiben meydana gelenlere benzer bir durumdur (Görsel 4). Eğer bu büyük bir şehirde meydana gelseydi, tüm şehir işlevselliğini kaybedecekti ve geri dönüştürme aktiviteleri bir hayli sınırlanacaktı. Tahliye edilmiş sığınaklar verimli bir şekilde donatılmamıştı. Böyle bir durum modern toplumlarda kabul edilemezdi. Binalar için tasarım yaklaşımı araçlar için olandan farklı olmalıdır. Büyük depremlere karşı asgari hasar ile birlikte binalar için yeni dizayn düşüncesi özellikle büyük şehirler için kabul edilebilir. (Görsel 12b)

4. Sonuçlar

Var olan sismik tasarım yaklaşımı ekonomik açıdan büyük depremlere dayanmak için bina yapılarının sünekliğine olanak sağlaması için geliştirilmiş durumdadır. Yapılar küçük ve orta depremlerde elastik kalmak için dizayn edilmiş iken, onların yıkılmasını önlemesi için büyük depremlerde de plastik şekil değiştirme deneyimlemesine izin verir ve insan yaşamını korur. Bu tasarım yaklaşımı insanları korumada etkili oluyordur; ancak o karmaşık, modern toplumlar için verimli olmayabilir. Son büyük depremlerde, hasar alan ama yıkılmayan birçok bina tamir edilmesinden ziyade nihayetinde imha edilmiştir. Uzmanların kabul edilebilir diye düşündükleri ve büyük depremlere karşı binalar için olasılıkları sergileyen insanlar yapısal güvenlik seviyeleri arasında büyük bir fark olduğu dikkate alınmamalıydı. Eğer büyük şehirlerdeki binaların çoğu bu dizayn yaklaşımına göre tasarlansaydı onlar gelecekteki büyük depremlerde kötü bir şekilde hasar alacaktı ve şehirler yenileme aktivitelerinde zorluklara sahip olacaktı ve işlevlerini kaybettikleri bir felaketi deneyimleyeceklerdi. Binalardan insanların umduklarına karşılık olarak, modern sismik tasarım düşüncesinin hedefleri yalnızca yaşam güvenliğinden ayrıca deprem sonrası kullanım ve operasyon sigortalamaya değiştirilmelidir. Bu hedefler için, yapısal bileşenlerin ayrı roller oynadığı bina yapılarını tasarlamak için etkili olabilirdi. Birincil yapı yer çekimi yükünü destekleyecek ve sismik üyeleri esasen depreme karşı koruyacaktır. Birincil yapıdaki hasar sürdürülebilir ve elastik modern toplumlar için büyük depremler sırasında daha da azaltılabilir. Geçen 100 yılın üzerine, sismik mühendislik teknolojileri önemli gelişmelerin altından kalkmıştır. Daha da önemli bir şekilde daha yüksek sismik performansa sahip yapılar öncesinden daha az pahalıya inşa edilebiliyor. TITech’de sismik açıdan izole edilmiş yapılar alternatif bir geleneksel tasarım ile karşılaştırıldığında daha az yapım maliyeti ile önemli derecede daha yüksek sismik performans kavranması bir örnektir. Gelecekte, binalara bu gelişmiş teknolojileri uygulamak içim daha fazla fırsat oldurulmalıdır. Araştırmacılar ve mühendisler tarafından geliştirilen sismik mühendislik teknolojilerinin olağanüstü hedefi bizim toplumlarımıza daha iyi yapılar sağlamaktır. Bu uzmanlar sadece yeni teknolojiler geliştirmemeliler, aynı zamanda daha fazla eş zamanlı böyle teknolojileri uygulamak için hareket etmeliler.

References

[1] Wada Akira, Mori Nobuyuki. Advanced seismic design of buildings for the resilient city. In: Proceedings of the 11th world conference on seismic isolation, energy dissipation and active vibration control of structures. Guangzhou, China; November 17-21 2009.

[2] Wada Akira, Mori Nobuyuki. Seismic design for the sustainable city – a report on japanese practice. In: Proceeding of the structures congress 2008. Canada; April 24-26 Vancouver, British Columbia, Canada; 2008.

[3] Wada Akira, Connor JeromeJ, Iwata Mamoru, et al. Damage tolerant structure, ATC-15-4. In: Proceedings of the fifth U.S.-Japan workshop on the improvement of building structural design and construction practices. San Diego, California; September 8–10 1992.

[4] Takagi Jiro, Tamura Kazuo, Wada Akira. Seismic design of big cities. In: Proceedings of 2017 NZSEE Conference. Wellington, New Zealand; April 27–29 2017.

[5] White Paper on Disaster Management, Cabinet Office, Government of Japan; 2014.

[6] Architectural Institute of Japan (AIJ). Design Recommendations for Seismically Isolated Buildings; 2015.

[7] Stephen A. Mahin said Designed to protect life in extreme event, but damage is expected using the photograph (Figure 11a) in his presentation at TITech; 2012.