DEPREM VE ÇATILARDAKİ ETKİLERİ
Dr. Atila GÜRSES
Deprem kaçınılmaz bir gerçektir ve depremin nerede, ne zaman ve hangi şiddette olacağını bilmemiz, günümüz teknolojisi ile mümkün değildir. Faylanmanın başladığı ilk kırılma veya kayma noktası, depremin odağını (hiposantr) meydana getirir (Şekil 1); kırılma ve kayma yaklaşık 3,5 km/sn’lik bir hızla yüzlerce kilometrelik boyutlar alabilir (1939 Erzincan depreminde 350 km, 1906 San Francisco depreminde 430 km). Odak noktasından (veya alanından) başlayan deprem dalgaları her doğrultuda yer içinde ve yeryüzünde yayılırlar. Yeryüzünde, odak noktasının veya yöresinin dikey olarak tam üzerine rastlayan yere episantr (dış merkez) adı verilir (Şekil 1). Bir deprem bölgesinde en çok hasar gören yer depremin episantr alanıdır. Episantr‟dan uzaklaştıkça depremin etkisi de azalmaktadır.
Şekil 1: Depremin anatomisi
Depremlerin şiddetlerine göre etkileri de çok farklı olur.
Şiddet l: insanlar tarafından hissedilmez, sadece deprem-ölçerler kaydedebilir.
Şiddet II: Asılı eşyalar sallanır.
Şiddet III: Binaların içindekiler tarafından hissedilebilir, asılı eşyalar ve duran motorlu araçlar sallanabilir, süresi algılanabilir.
Şiddet IV: Pencere ve kapılar ile duran motorlu araçlar sallanır, duvarlarda gıcırdamalar oluşur, binaların içinde ve açık alanda hissedilebilir. Ana strüktüre doğru bir şekilde tespit edilmemiş çatılarda kaymalar oluşabilir.
Şiddet V: Herkes tarafından hissedilebilir, eşyalar düşer, cam eşyalar kırılır, sıvalar çatlayabilir/dökülebilir; ağaçlar, direkler ve yüksek binalar sallanır, sallantının yönü izlenebilir; bahçe duvarları devrilebilir. Hatalı çatılarda hasarlanmalar meydana gelebilir. Çatıya rijit bir şekilde tespit edilmemiş kiremitler çatıdan düşebilir.
Şiddet VI: Herkes tarafından hissedilir, yürümek zorlaşır, ağır eşyalar kayar ve kitaplar raflardan dökülebilir, sıvalar dökülür, bazı binalar çökebilir. Hatalı çatılar çökebilir ve çatı parçaları bina etrafına savrulabilir.
Şiddet VII: Ayakta durmak güçleşir, eşyalar hasar görür, sıva ve bina dekorasyon malzemeleri dökülür ve kırılır; binalarda çatlamalar ve hasar, su birikintilerinde çamurlanma oluşur. Hatalı çatılar çöker ve binaya hasar verir.
Şiddet VIII: Binalarda hasar ve kısmi çökmeler oluşur, su tankları devrilir ve bacalar yıkılır, ağır eşyalar devrilir; kumlu ve suya doygun zeminlerde sıvılaşma (kum fışkırmaları), yüzeyde faylanmalar ve heyelanlar gelişir; su kaynaklarının debisi ve sıcaklığı değişir. Hatalı çatılar çöker ve binaya hasar verir.
Şiddet IX: Binaların çoğunda hasar ve çökme olur; zeminde büyük çatlak ve yarılmalar ve kum fışkırmaları meydana gelir; yer altı boru sistemleri kırılır. Hatalı çatılar çöker ve bina ayakta kalsa bile moloz yığını haline gelen çatı parçaları binanın dışına savrulur.
Şiddet X: Binaların çoğu çöker, betonarme binalarda ağır hasar ve kırılma başlangıcı izlenir, barajlarda büyük hasar ve çatlamalar oluşur, zeminde büyük çatlaklar oluşur, raylar bükülür, kütle kaymaları ve sıvılaşma gelişir. Binalarla birlikte çatılar da çöker.
Şiddet XI: Çok az bina yıkılmadan kalabilir, köprüler yıkılır, yer (kütle) kaymaları oluşur, yer-içi boru sistemlerinin tümü ile devre dışı kalır.
Şiddet XII: Tüm binalar çöker, coğrafya değişir, yüzeyde deprem dalgalarının ilerleyişi izlenebilir.
Bu nedenle binalarımızı bulunduğumuz konumda olabilecek en şiddetli depremlerde bile hasarlanmayacak şekilde inşa etmemiz gerekir. Bunu sağlamak için öncelikle, binaların düşey eksen etrafında burulmasını önlemek amacıyla katlarda, rijitlik ve ağırlık merkezleri olabildiğince birbirine yakın olacak şekilde tasarlanmalıdır.
Yeryüzünün rijit bir cisme uyguladığı cismin ağırlığı denilen yerçekimi kuvvetinin uygulama noktası, cismin ağırlık merkezi yani kütle merkezidir (Şekil 2).
Yatay yükler etkisindeki bir binanın herhangi bir katındaki düşey taşıyıcıların (perde ve kolonlar) eğilme rijitliklerinin ağırlık merkezi ise “rijitlik merkezi” olarak tanımlanır (Şekil 3). Rijitlik merkezi, katın öteleme yapmadan etrafında dönebileceği noktadır .”
Şekil 2: Planda ağırlık merkezi Şekil 3: Planda rijitlik merkezi
Çatılar, binaların depremden en çok etkilenen bölümüdür ve doğru inşa edilmemeleri halinde binadaki hasarı arttırıcı rol oynayabilirler. Depreme dayanıklılığı etkili bir şekilde artırmak için çatı ağırlığını azaltmak akla gelen ilk çözüm olabilir ancak binalar depremde çatı ağırlığı nedeniyle değil, hatalı inşa edildikleri için hasarlanır veya çöker. Tarihteki en büyük depremlerde ilk sıralarda yer alan, binaları depremlerde en az hasarlanan ve depremlere karşı tedbirler konusunda uzmanlaşmış bir ülke olan Japonya’da, bina çatılarının %38’i, 60 Kg/m2 ağırlığa sahip Japon kiremitleridir (Resim 1) ve yeni binalarda farklı çatı kaplama malzemelerinin seçilmesinin nedeni deprem değil, yüksek malzeme ve uygulama maliyetleridir.
Resim 1: Geleneksel Japon kiremitleri ile kaplanmış çatılar.
Deprem yatay veya düşey tek bir hareket olabileceği gibi, kısa aralıklarla bir dizi hareket de olabilir. Binalar yatay kuvvetlere karşı daha zayıftır ve hatalı inşa edilmiş binalar genellikle ilk şok dalgasında çöker. Şok dalgaları art arda gelmeye devam ederse, her yeni dalga bir öncekinden daha fazla salınıma neden olur ve zayıf zemin, ağırlık ve rijitlik merkezlerinin birbirinden uzak olması, binanın hasarlanmasına veya çökmesine katkı sağlar. Daha fazla kütle, daha yüksek atalet kuvveti anlamına gelir. Tekniğine uygun imal edilmeyen çatılar maalesef olası fırtına deprem gibi afetlerden çok çabuk etkilenmektedir. Bu nedenle, binalar statiğine uygun yapıldığında deprem sarsıntısının vereceği zarar en aza indirgemiş olur.
Özellikle az katlı binaların deprem kuvvetlerine yeterince dayanabilmesi için, çatı yapısının duvarları birbirine bağlı tutması gerekir. Tipik çatı sistemi, taşıyıcı strüktür, aşık, kaplama tahtası, OSB veya kontrplaktan oluşan altlık ve çatı kaplaması malzemesini içerir. Çatı strüktürü aşınma ve yıpranma belirtisi olmadan her zaman iyi durumda olmalıdır. Kaymaya ve düşmeye karşı çok hassas olan arduvaz, seramik, kiremit v.b. parçalı çatı kaplama malzemeleri çatıya, deprem sırasında kaymayacak ve düşmeyecek şekilde tespit edilmelidir (Resim 2). Büyük çatı pencereleri, tavan penceresi açıklıkları ve kaplamayı kesintiye uğratan diğer özellikler çatı yapısını zayıflatabilir.
Resim 2: Tekniğine uygun yapılmadığı için depremden etkilenen tek katlı bina çatısı.
Resim 2.1: Tekniğine uygun olarak yapılan bina çatısı.
Binanın normal katlarında olduğu gibi çatının da ağırlık merkezi ve rijitlik merkezinin birbirine yakın olması gerekir. Aksi halde çatı yapısı sağlam olsa bile burkulma sonucunda çökme meydana gelebilir.
Zorunlu olmadıkça çatıya su deposu, yakıt tankı, kalorifer kazanı, klima santralı, su soğutma grubu v.b. konulmamalıdır. Mecbur kalınması halinde binanın statiği buna göre hesaplanmalı ve bu malzemeler çatıya rijit bir şekilde sabitlenmelidir. Aksi halde bu ilave ağırlıklar, deprem etkisinde çatıda büyük kuvvetler oluşturarak binanın hasarlanmasına neden olabilir (Resim 3).
Resim 3: Depremde hasar görme olasılığı yüksek olan ilave ağırlıklı çatılar.
En kötü senaryoya göre, üzerinde kar birikmiş ve şiddetli rüzgar etkisindeki bir bina, aynı anda deprem etkisinde kalabilir. Eğer çatı hesaplanırken bu şartlar dikkate alınmamışsa çok ciddi hasarlanmalar veya çökmelerle karşı karşıya kalınabilir.
Resim 4: Aşırı kar yükü çatıların depremde çökme olasılığını arttırır.
1m3 taze kar ağırlığı yaklaşık olarak 100 Kg/m3’tür. Ancak ıslak kar kütlesi ve don halinde bu ağırlık 300 Kg/m3’e kadar çıkabilir (Resim 4). Bu nedenle depreme gerek kalmadan çökme etkisi altındaki çatılardaki kar en kısa sürede temizlenmelidir.
Deprem durumunda, çatı ne kadar ağır ise, ağırlık ile orantılı olarak binaya binen yük artar. Ağırlık merkezi yüksek olduğu için binanın sarsıntısı o kadar şiddetli olur.
Bina statik hesaplarının yapılması aşamasında çatı yükleri göz önüne alınır. Taşıyıcı sistem bina üzerine gelen yüklere göre boyutlandırılır ve yerleştirilir. Yapılan hesaplarda çatı ağırlığı toplam bina ağırlığının yaklaşık 0,004’ü kadardır.
Şekil 4: Ağırlık merkezi yüksekte olan binanın yanal deprem etkisinde salınımı.
Bina salınımını azaltmak için statik hesapların, zemin etüt raporlarının ve uygulama detaylarının bir bütün olarak çözülmesi gerekir.
Çatıyı hafifleterek, binanın sarsıntısını iki yaklaşımla azaltmak mümkündür: binanın ağırlığını azaltmak ve ağırlık merkezini düşürmek.
Toplam bina yükü içerisinde çatı yükü ihmal edilebilir oranda düşüktür. Binalarda salınım hareketleri taşıyıcı sistemlerin deprem enerjisini sönümlesine bağlıdır.
Aynı bina aynı büyüklükte bir depreme maruz kaldığında çatı ağırlaşırsa binaya ağırlık oranında ekstra yük uygulanır. Çatıyı hafifleterek depremin bina üzerindeki kuvvetinde azalma sağlanabilir.
Şekil 6: Aynı binaya aynı ivme kuvveti uygulandığında, farklı çatı ağırlığı nedeni ile binaya binen yük farkı.
Binanın deprem esnasındaki salınım periyotlarının azaltılması için, perde kolon sistemleri tercih edilmeli ve üzerine gelecek yükler doğru bir şekilde hesaplanmalıdır.
Çatı ne kadar ağır ise ve binanın ağırlık merkezi ne kadar yüksek ise, bina sarkaç prensibine benzer şekilde o kadar yavaş ve yüksek periyotla sallanır. Çatıyı hafifletmek, deprem etkisindeki binanın salınım genişliğinde azalma sağlar.
Şekil 7: Aynı binaya aynı ivme kuvveti uygulandığında, farklı çatı ağırlığı nedeni ile bina salınım genişliği farkı.
Deprem etkilerini hasarsız veya çok hafif hasarla atlatabilen 3 bina tipi vardır: depreme dayanıklı binalar, sismik izolasyon binaları ve sismik kontrol binaları. Depreme dayanıklı bina, depremin oluşturduğu kuvvetleri uygun şekilde ve sürekli bir taşıyıcı sistem aracılığı ile güvenli bir şekilde zemine aktarılmasını sağlayan binadır. Sismik izolasyon ve sismik kontrol binaları, binaya iletilen deprem kuvvetini azaltır veya sönümler. Hafif bir çatının sismik sönümleme etkisi tüm binalarda uygulanabilir.
Şekil 8: Depreme dayanıklı binanın deprem etkisindeki salınımı.
Depreme dayanıklı bina, kolon ve kirişlerinin boyutları, donatı miktarları ve taşıyıcı betonarme perdeleri en son deprem yönetmeliklerine göre düzenlenip daha güçlü hale getirilen ve bir bütün olarak deprem kuvvetlerine dayanacak şekilde zemine basan bir binadır.
Şekil 9: Sismik izolatörler, binaya etki eden deprem kuvvetlerini sönümlemeye yardımcı olur.
Binaların altına konulan sismik izolatörler, binaların deprem sırasında hasar görmesini engellemek veya azaltmak için kullanılan bir yapısal güçlendirme yöntemidir. Bu izolatörler, deprem sırasında bina ve zemin arasındaki sürtünmeyi azaltarak, deprem hareketini kontrol altında tutar ve binanın dayanıklılığını arttırır.
Şekil 10: Sismik damperler, binaya etki eden deprem kuvvetlerini sönümlemeye yardımcı olur.
Sismik kontrol binalarında, deprem sırasında oluşabilecek salınımlarının sönümlemesinde kullanılan sismik damperler, sürtünme ile kinetik enerjiyi ısı enerjisine çevirerek deprem enerjisini sönümlerken, binanın elastik bir şekilde hareket etmesini sağlar. Böylece, yapısal elemanlar optimize edilirken önemli ölçüde mali tasarruf sağlanabilir. Yapısal elemanlar akma noktasına gelmeden önce çalışmaya başlayacak şekilde tasarlanan sismik damperler, eşzamanlı şekilde enerjiyi sönümleyen, deprem sonrasında değiştirilmesine gerek olmayan bir sigorta görevi görür. Böylelikle bina depremi hiç hasar görmeden veya minimum hasarla atlatabilir. Sismik Damperler, türlerine göre farklı yapısal elemanlara farklı şekillerde bağlanarak binanın yapacağı hareketi sönümlerler. Doğrudan kolon ve kirişlerden oluşan çerçeve sisteminin içerisine monte edilebileceği gibi, binanın tepe noktasına asılı şekilde de uygulanabilirler. Sismik izolasyonlu binalarda izolatörlerle birlikte kullanılabilirler, ya da yapısal olmayan duvarların arasına gizlenebilirler.
Şekil 11: farklı çatı ağırlığı nedeni ile bina salınım genişliği farkı.
Yer sarsıntısının büyüklüğüne yer ivmesi, yer sarsıntısına tepki olarak bina sarsıntısının büyüklüğüne ise tepki ivmesi denir. Normalde, bir binanın sarsıntısı, zeminin sarsıntısından daha büyüktür ve bir binanın tepki ivmesi, yer ivmesinden yaklaşık olarak 2.5 – 3 kat daha büyüktür.
SONUÇ
Yer altı kuvvetlerinden kaynaklı gerilmeler nedeniyle yüzeydeki yerleşmemiş kayaçların hareket etmesi sonucu meydana gelen depremlerin oluşturduğu sismik dalga hareketlerinin bina üzerinde oluşturacağı etkiler, dalgaların; hızları, özellikleri, genlikleri, zemin periyodu, odak noktası ile bina arasındaki mesafe ve içinden geçtiği zeminin cinsi vb. faktörlere bağlı olarak belirlenir.
Binaların depremlere dayanıklı olabilmesi için her şeyden önce, mimari projesi ve statik hesapları en son yapı yönetmeliklerine uygun olarak yapılmalı ve sağlam zemin üzerinde tüm yapım kurallarına uyularak inşa edilmelidir.
Doğru proje, doğru malzeme ve doğru işçilikten sonra yapılacak, sismik izolatör kullanımı, sismik damper kullanımı, çatı ağırlıklarının azaltılması v.b. ilave önlemler, binaların depreme dayanıklılığı arttıran önlemler olarak dikkate alınabilir.
Kiremit tipi çatı kaplama malzemeleri, uygun projelendirme ile depreme dayanıklı binalarda kullanılabilir ancak bu malzemelerin çatıya rijit bir şekilde sabitlenmesi ve deprem sırasında kaymalarının ve düşmelerinin önlenmesi gerekir.
İletişim için tıklayınız
KAYNAKLAR
[1] İdemen, A. E., (2003), Bina ağırlık merkezi-Rijitlik merkezi ilişkisini mimari tasarım aşamasında kuran bir uzman sistem, İ.T.Ü. Yüksek Lisans Tezi.
[2] Url-1 <https://subjecttoclimate.nyc3.digitaloceanspaces.com/news/9Qu8d1iIu
3QpSXtIVKE20VFfEvlQs2v7n2OOzW4C.jpg>, erişim tarihi 02.02.2024.
[3] Hasgür, Z., Gündüz A. N., (1996), Betonarme Çok Katlı Yapılar, Beta Yayınları, İstanbul.
[4] Celep, Z., Kumbasar, N., (1993), Çözümlü Örneklerle Betonarme (y.y) İstanbul.
[5] Url-2 <https://freedom.co.jp/kurashi/注文住宅/日本伝統の屋根といえば瓦!選ぶときのポイント/>, The traditional roof of Japan is tiles! Explanation of the points to consider when making a choice, 08.08.2022, erişim tarihi 04.02.2024.
[6] Url-3 <https://untappedkumamoto.com/wp-content/uploads/2019/08/1-3-2-1240×826.jpg>, , erişim tarihi 04.02.2024.
[7] Url-4 <https://sjce.ac.in/wp-content/uploads/2018/01/EQ2-Earthquake-Effects.pdf>, Earthquake effects on Structures, Dr. G. P. Chandradhara, erişim tarihi 01.02.2024.
[8] Url-5 <https://www.decra.com/blog/what-is-the-best-roof-for-earthquakes#:~:text=When%20it%20comes%20to%20earthquake,undertaking%20a%20major%20remodeling%20project.>, What is the Best Roof for Earthquakes?, 08.08.2022, erişim tarihi 01.02.2024.
[9] Url-6 <https://wellington.govt.nz/property-rates-and-building/building-earthquake-resilience/strengthening-your-home/earthquake-resilience-checklist/roofs>, Is the roofspace beneath your chimney strengthened?, erişim tarihi 02.02.2024.
[10] Url-7 <https://i2.wp.com/www.primexvents.com/wp-content/uploads/2018/10/hvac-rtu-banner.jpg>, 15.08.2019, erişim tarihi 03.02.2024.
[11] Url-8 <https://www.kawara.gr.jp/report/rep4.shtml>, 15.08.2019, erişim tarihi 03.02.2024.
[12] Url-9 <https://www.showalterroofing.com/wp-content/uploads/2013/02/Screen-Shot-2013-02-22-at-7.07.34-AM.png>, erişim tarihi 01.02.2024.
[13] Url-10 <https://ablock.ru/tr/snow-load-per-1-m2-how-to-calculate-the-snow-load-on-the-roof.html>, 1 m2 başına kar yükü. Çatıda kar yükü nasıl hesaplanır, erişim tarihi 03.02.2024.
[14] Url-11 <https://www.kmew.co.jp/shouhin/roof/spec/karui.html>, Seismic damping mechanism on the roof, erişim tarihi 04.02.2024.
[15] Url-12 <https://www.kilicoglu.com.tr/>, erişim tarihi 12.02.2024.