Çelik Çerçeveli Binalarda Yaygın Deprem Hasar ve Göçme Modları
Çelik taşıyıcı sistemli binalar, doğru tasarlanıp detaylandırıldıklarında mükemmel deprem performansı sağlayabilir. Ancak depremler, çelik elemanları ve birleşimleri tekrarlı çekme, basınç, eğilme ve kesme çevrimlerine maruz bırakır. Yetersiz tasarım, detaylandırma, imalat veya yapım, çelik yapılara özgü çeşitli hasar ve göçme modlarına yol açabilir.
Çelik Çerçevelere has Genel Hasar ve Göçme Modları
1. Kiriş-Kolon Birleşimi Hasarı
Moment aktaran çerçevelerde kiriş-kolon birleşimleri büyük tekrarlı eğilme momentlerine ve kesme kuvvetlerine maruz kalır. Modern deprem birleşimleri sünek davranış geliştirecek şekilde özel olarak detaylandırılır. Bu yanlış veya yetersiz yapıldığnda aşırı deformasyona, kaynak kırılmasına, bulon hasarına veya birleşimin diğer gevrek hasarlarına yol açabilir. Kaynağın birleşmemesi (lack of fusion) veya yetersiz nüfuziyet (incomplete penetration) gibi kaynak kusurları da kırılma riskini artırabilir.
Örneğin, eski tip kaynaklı moment birleşimlerinde, tekrarlı deprem döngüleri altında kiriş başlığı ile kolon başlığı arasındaki kaynakta veya kaynak erişim boşluğu (weld access hole) yakınında gevrek kırılma başlayabilir. Modern ön yeterlilikli (prequalified) birleşimlerde ise kontrollü birleşim geometrisi, uygun kaynak ve bulon detaylandırması, korunmuş akma bölgeleri ve yeterlilik deneyleri kullanılarak plastik dönmenin öngörülen bölgede oluşması ve birleşimde erken gevrek kırılmanın önlenmesi amaçlanır.
2. Panel Bölgesi Hasarı
Panel bölgesi, bir kiriş-kolon birleşiminde kiriş başlıkları arasında kalan kolon gövdesi bölgesidir. Deprem sırasında kiriş momentleri kolon gövdesinde yüksek kesme kuvvetleri oluşturabilir.
Kontrollü panel bölgesi akması, öngörülen sünek mekanizmanın bir parçası olabilir; ancak aşırı deformasyon veya gövde burkulması birleşimin performansını olumsuz etkileyebilir. Kolondaki yüksek eksenel kuvvetler bu etkileri daha da artırabilir.
Bu nedenle panel bölgesi, davranışının öngörülen kiriş-kolon birleşimi mekanizmasıyla uyumlu olmasını sağlayacak şekilde tasarlanmalıdır.
3. Kiriş Plastik Mafrası Kapasitesinin Bozulması
Sünek moment aktaran çerçevelerde plastik mafsallar, deprem enerjisini sönümlemek amacıyla kirişlerde önceden belirlenmiş bölgelerde kontrollü olarak oluşturulur. Buradaki temel sorun, aşırı tekrarlı hasar, yerel kararsızlık veya kırılma nedeniyle plastik dönme kapasitesinin erken azalması veya kaybolmasıdır.
4. Çelik Elemanlarda Yerel Burkulma
Yerel burkulma, nispeten ince bir başlık veya gövdenin basınç ya da kesme etkisi altında kararlılığını kaybetmesiyle oluşur. Elemanın dayanımını ve rijitliğini azaltabilir ve plastik dönme kapasitesini sınırlayabilir.
Yerel burkulma ile plastik mafsal davranışı birbirinden farklıdır: Yerel burkulma plastik mafsal bölgesinde meydana gelebilir, ancak kontrollü plastik mafsallaşmanın kendisi bir hasar değildir.
5. Kirişlerde Yanal Burulmalı Burkulma (Lateral Torsional Buckling)
Kirişin basınç başlığı yeterince yanal olarak mesnetlenmemişse yanal yönde burkulabilir; bunun sonucunda kiriş yanal yönde yer değiştirir ve burulma meydana gelir. Başlığın yerel burkulması ile yanal burulmalı burkulma da birbirleriyle etkileşebilir.
6. Kolon Burkulması
Kolonlar deprem sırasında eksenel kuvvet ile birlikte yanal yer değiştirmeye maruz kalırlar. Bunun sonucunda kolonlarda global burkulma veya başlık ve gövdelerinde yerel burkulma meydana gelebilir. Global burkulma özellikle ciddi bir durumdur; çünkü ileri düzeyde burkulmuş bir kolon taşıma kapasitesini kaybedebilir ve potansiyel olarak tüm yapının göçmesine yol açabilir.
7. Gevrek Kırılma ve Düşük Çevrimli Yorulma
Çelik elemanlar ve birleşimler, tekrarlı inelastik çevrim sonrasında kırılabilir. Kaynak metali ve ısıdan etkilenmiş bölgeler (HAZ) özellikle düşük çevrimli yorulma çatlaklarına karşı hassastır. Gerilme yığılmaları, kaynak kusurları, yetersiz kırılma tokluğu ve kötü detaylandırma kırılmayı hızlandırabilir. Sünek akmadan farklı olarak gevrek kırılma, çok az deformasyonla aniden meydana gelebilir.
8. Çelik Elemanlarda ve Birleşimlerde Kesme Hasarı
Çelik gövdeler, bulonlar, kaynaklar ve birleşim bileşenleri yüksek deprem kesme kuvvetlerine maruz kalabilir. Hasar; gövdenin akması veya burkulması, bulonların kesilmesi ya da kaynakların hasar görmesi şeklinde meydana gelebilir. Öngörülen sünek mekanizmalar gelişmeden önce istenmeyen gevrek kesme hasarının oluşması önlenmelidir.
9. Net Kesit Kırılması
Çekme elemanları ve birleşimler, özellikle bulon delikleri veya diğer gerilme yığılma bölgelerinde, azaltılmış net kesitleri boyunca kırılabilir. Tekrarlı yükleme altında tekrarlanan inelastik şekil değiştirmeler yorulmayı ve nihai kırılmayı hızlandırabilir.
10. Blok Kesme Kırılması
Blok kesme kırılması; çapraz, gusset levhası ve ek birleşimleri dahil olmak üzere bulonlu çekme birleşimlerinde meydana gelebilir. Bir çelik bloğu, birleşim çevresinde çekme ve kesmenin birleşik etkisiyle oluşan bir kırılma yolu boyunca kopar. Geçerli bir birleşim sınır durumudur; ancak deprem hasarlarında genellikle diğer kırılma mekanizmaları kadar belirleyici değildir.
11. Kolon Ek Birleşimi Hasarı
Kolon ek birleşimleri deprem sırasında yüksek eksenel kuvvetlere, eğilme momentlerine ve kesme kuvvetlerine maruz kalabilir. Hasar; bulon kırılması veya kayması, kaynak hasarı, levhanın akması veya yerel kararsızlık şeklinde meydana gelebilir. Modern deprem yönetmelikleri, özellikle yüksek taleplere maruz moment aktaran çerçevelerde kolon ek birleşimlerinin dayanımı ve sünekliği için sıkı gereklilikler getirmektedir.
12. Kolon Ayağı, Taban Levhası ve Ankraj Bulonu Hasarı
Depremden kaynaklanan devrilme etkileri kolon tabanında önemli kuvvetler oluşturabilir. Hasarlar; ankraj bulonlarının kırılması, taban levhasının aşırı deformasyonu, betonun ankraj çevresinde kopması veya kesme ve devrilme etkilerine karşı yetersiz dayanım şeklinde meydana gelebilir. Yetersiz dönme kapasitesi veya kolon tabanındaki beklenmeyen esneklik de öngörülen moment dağılımını ve plastik mafsal bölgelerini değiştirebilir.
Çaprazlı Çerçeve Hasar ve Göçme Modları
13. Çapraz Burkulması
Konsantrik çaprazlı çerçevelerde çaprazlar tekrarlı olarak çekme ve basınca maruz kalır. Basınç altındaki çaprazlar burkulabilir; bunun sonucunda rijitlikleri önemli ölçüde azalır ve sonraki deprem çevrimlerindeki davranışları değişir.
14. Çapraz Kırılması
Tekrarlı çekme akması ve basınç burkulması, çaprazlarda düşük çevrimli yorulma hasarının birikmesine neden olabilir. Bir çapraz düzlem dışına burkulduğunda, burkulmuş bölge çevresinde büyük tekrarlı eğilme etkileri oluşabilir. Bu durum yorulma hasarını hızlandırarak sonunda kırılmaya yol açabilir.
15. Gusset Levhası Hasarı
Çaprazları kirişlere veya kolonlara bağlayan gusset levhaları, büyük deprem kuvvetleri altında akma, burkulma, yırtılma veya kırılmaya maruz kalabilir. Gusset levhasının kendi birleşimleri de hasar görebilir.
Özel Sismik Sistemlerde Hasar ve Göçme Modları
16. EBF Bağ Kirişi Hasarı
Eksantrik çaprazlı çerçevelerde (EBF), bağ kirişi deprem enerjisini kontrollü inelastik davranışla sönümlemek üzere tasarlanır. Aşırı kesme akması, gövdenin yerel burkulması, düşük çevrimli yorulma, yırtılma veya rijitleştirici kaynaklarının kırılması, bağ kirişinin dayanımının ve enerji sönümleme kapasitesinin erken kaybına yol açabilir.
17. Burkulması Önlenmiş Çapraz Hasarı
Burkulması önlenmiş çaprazlar (BRB), çaprazın global burkulmasını önlemek üzere tasarlanır; ancak akma çekirdeğinin ve geçiş bölgelerinin kendine özgü hasar mekanizmaları vardır. Aşırı tekrarlı şekil değiştirme, çelik çekirdeğinde düşük çevrimli yorulma kırılmasına neden olabilirken, sınırlandırılmamış geçiş bölgelerinde yerel kararsızlık meydana gelebilir.
18. Kollektör ve Diyafram Yük Aktarım Yolu Hasarı
Kollektörler (drag struts), döşeme diyaframındaki deprem kuvvetlerini toplayarak düşey yanal yük taşıyıcı sistem elemanlarına aktarır. Diyafram ise kendi düzlemindeki deprem kesme kuvvetlerini döşeme kaplaması ve bağlantıları üzerinden aktarmalıdır.
Çelik taşıyıcılı ve çelik deck diyaframlı binalarda yük aktarım yolu; deck, puddle weld tipi kaynaklar veya kaynaklı kesme bağlantıları, deck yan bindirme bağlantıları, vidalar veya diğer mekanik bağlantı elemanları ile diyafram, kollektör ve sınır elemanları arasındaki bağlantılardan oluşabilir.
Çelik deck, kendi düzlemindeki kesme kuvvetleri altında akabilir, burkulabilir veya yırtılabilir. Decki taşıyıcı elemanlara bağlayan kaynaklar kırılabilir veya bağlantıdan sıyrılabilir; yan bindirme bağlantı elemanları ise kesme veya çekme altında hasar görebilir. Kollektör bağlantılarında da bulon veya kaynak kırılması, yerel akma ya da burkulma meydana gelebilir ve böylece kuvvetlerin yanal yük taşıyıcı sisteme aktarımı kesilebilir.
Eksik veya aşırı esnek bir yük aktarım yolu, diyaframın aşırı deformasyonuna ve deprem kuvvetlerinin bu talepler için tasarlanmamış kollektörlere, düşey yük taşıyan çerçeve elemanlarına veya ikincil elemanlara yeniden dağılmasına neden olabilir. İleri düzeyde bir hasar durumunda, kritik bir diyafram veya kollektör bağlantısının göçmesi, döşeme kütlesinin bir bölümünü öngörülen yanal yük taşıyıcı sistemden fiilen ayırabilir.
Bu nedenle diyafram, deprem yük aktarım yolunun temel bir parçasıdır ve döşeme deckinden bağlantılarına, kollektörlerden çaprazlara veya moment aktaran çerçevelere kadar her bir elemanın yeterli dayanım ve deformasyon kapasitesine sahip olması gerekir.
İmalatla İlgili Hasar
19. K-Bölgesi Çatlaması ve Kırılması
K-bölgesi, haddelenmiş geniş başlıklı bir çelik profilin gövde ile başlık arasındaki geçiş bölgesinin yakınında yer alır ve bu bölgede veya yakınında kaynak yapılması, tarihsel olarak çatlama ile ilişkilendirilmiştir. Özellikle bazı merdaneli doğrultma işleminden geçirilmiş profillerde, yerel soğuk şekillendirme sünekliği ve kırılma tokluğunu azaltabilir.
Modern çelik üretim uygulamaları, deprem detaylandırması, kaynak kontrolleri ve muayene gereklilikleri bu riski önemli ölçüde azaltmıştır. Bununla birlikte K-bölgesi çatlaması hâlâ bilinen bir imalat sorunudur ve güncel AISC hükümleri, belirli rijitleştiricilerin veya levhaların K-bölgesine kaynaklanması durumunda hâlâ muayene gerektirmektedir.
Sonuç
Bu hasar ve göçme modları birbirleriyle etkileşebilir. Örneğin, bir çaprazın burkulması tekrarlı eğilmelere ve sonunda kırılmaya yol açabilirken, yerel burkulma plastik mafsal bölgesinin dönme kapasitesini sınırlayabilir.
Birçok ciddi hasar, uygulama hatalarından oldugu kadar, yetersiz kapasite tasarımının da bir yansımasıdır; örneğin, öngörülen sünek eleman tasarım kapasitesine ulaşmadan önce bir birleşimin, kolonun veya çaprazın hasar görmesine izin verilmesi.
Bu nedenle etkili deprem tasarımı, yalnızca yeterli dayanım sağlamaktan daha fazlasını gerektirir. Amaç, bütün elemanları ve yükleri aynı anda düşünüp, akmanın nerede meydana geleceğini kontrol etmek, yeterli süneklik ve kararlılık sağlamak, öngörülen yük aktarım yolunu korumak ve erken gevrek hasarları önlemektir.
Yazan: A. Tüter
Kullanım Koşulları: İçeriklerimizin her hakkı saklıdır, izinsiz olarak kopyalanamaz, yayınlanamaz. Paylaşımlarımızı tarihli olarak kaydetmekteyiz. İçeriklerimizde hata ve eksiklikler olabilir. Kullanım koşulları sayfamızı ziyaret ediniz.