Depreme Dayanıklı Yapı Teknolojileri

Deprem, yer kabuğundaki gerilme enerjisinin ani bir şekilde salınması ve bunun sonucunda deprem kaynağından sismik dalgaların dışarıya doğru yayılmasını ifade eden kavramdır. Yer kabuğundaki gerilmeler kayanın gücünü aştığında, mevcut bir fay hattı ya da yeni oluşan bir hat kırılmaya başlar.

Depremin başladığı nokta deprem merkezi (hiposentır) olarak adlandırılır ve yerkürenin kilometrelerce derinliğinde olabilir. Doğrudan deprem merkezinin üzerindeki yüzeyde yer alan nokta ise merkez üssü (episentır) olarak adlandırılır.

Bir depremin yaratacağı etki, zeminin sertlik seviyesi ile bağlantılıdır. Ulusal Deprem Tehlikesini Azaltma Programı (NEHRP), bölgedeki toprak ve kaya türü ile bunların kesme dalgası hızına bağlı olarak altı farklı zemin sınıflandırması belirlemiştir: Tip A sert kaya, Tip B sağlam kaya, Tip C yoğun toprak ve yumuşak kaya, Tip D sert zemin, Tip E yumuşak
zemin ve Tip F sahaya özgü çalışma gerektiren zeminler şeklinde sınıflandırılmıştır.

Sismik dalgalar sert zeminde yumuşak zemine göre daha hızlı hareket eder, dalgalar sert zeminden yumuşak zemine geçerken genlikleri artar. Yumuşak zemin, daha büyük dalgalar ve daha güçlü amplifikasyon anlamına gelmektedir. Ana kaya, kumlu topraklara göre daha fazla dalga enerjisi emer, bu nedenle katı kaya üzerindeki binalar, daha yumuşak topraklar üzerine inşa edilenlere kıyasla çok daha az etkilenir.

Deprem meydana geldiğinde, şok dalgaları zemin boyunca her yöne uzanan kısa ve hızlı aralıklarla yayılır. Binalar, genellikle ağırlıklarından ve yerçekimlerinden kaynaklanan dikey kuvvetleri kaldıracak şekilde inşa edilse de depremlerin yaydığı horizontal kuvvetlere karşı koyamazlar.

Bu yatay hareket; duvarları, kolonları, döşemeleri, kirişleri ve bunları bir arada tutan bağlayıcıları sarsar. En tehlikeli deprem türü, yatay hareketleri tetikleyen depremlerdir, çünkü yüksek binalar dikey yüklere yatay olanlardan daha iyi dayanıklılık gösterir.

Bu yer hareketleri, bina temellerine sadece birkaç saniye içerisinde zarar verebilir. Binaların alt ve üst kısımları arasındaki hareket farkı, ekstrem bir gerilime yol açarak taşıyıcı çerçevenin parçalanmasına ve ardından tüm yapının çökmesine neden olur.

Süneklik, bir malzemenin stres ve titreşime karşı dayanıklılığını ifade eden kavramdır ve materyalin büyük deformasyon ve gerilimlere karşı koyabilmesini kapsar. Modern binalar genellikle, çeşitli şekillerde bulunabilen ve binaların kırılmadan bükülmesini sağlayan bir bileşen olan yapısal çelik ile inşa edilir.

Ahşap da hafif yapısına göre yüksek mukavemeti nedeniyle sünek bir malzemedir.
Birçok bilim insanı ve mühendis, şeklini daha iyi koruyabilen yeni yapı malzemeleri geliştirmektedir. Şekil hafızalı alaşımlar gibi yenilikler, hem ağır baskılara dayanabilme hem de orijinal şekillerine geri dönebilme özelliğine sahiptir.

Ek olarak, çeşitli polimerlerden yapılan elyaf takviyeli plastik sargı kolonların etrafına sarılabilir ve %38’e kadar ilave mukavemet ve süneklik sağlar. Son zamanlarda
mühendisler, binaları güçlendirmeye yardımcı olmak için doğal unsurlara da yönelmektedir.

Midyelerin yapışkan ve sert lifleri ile örümcek ipeğinin güç-boyut oranı, yeni yapılar oluşturma konusunda dikkat çekici potansiyele sahiptir. Bambu ve 3D baskılı malzemeler de yapı için daha büyük bir direnç sunabilen, sınırsız formlarla hafif, birbirine kenetlenen araçlar olarak işlev görebilir.

Depreme Dayanıklı Yapı Teknolojileri

Perde duvarlar, deprem kuvvetlerinin yönünü değiştirmeye yardımcı olabilecek faydalı bir yapı teknolojisidir. Birden çok panelden oluşan bu duvarlar, bir binanın hareket halindeyken şeklini korumasına yardımcı olur. Perde duvarlar, yanal yükleri temele aktararak yapının eğilmesini veya çökmesini önleyerek binaların sabit kalmasına yardımcı olur.

Tüm perde duvarlar aynı amaca hizmet ederken, yapıldıkları malzeme (beton, çelik
ve ahşap gibi), kalınlıkları, uzunlukları ve konumlandıkları yerler, bina yapımında çeşitli faktörlere bağlı olarak değişebilir ve imar kurallarına uygun olmalıdır.

Perde duvarlar genellikle çelikten yapılmış diyagonal çapraz desteklerle desteklenir. Bu
kirişler, basınç ve itme kuvvetlerine karşı koymaya yardımcı olarak sıkıştırma ve gerilimi destekleyebilir. Depremde binaların yıkılmasının en önemli nedenlerinden biri temelin yıkılmasıdır. Temel, uygulanan sismik gerilmelere dayanamadığında yıkılarak binanın çökmesine neden olur.

Zemin kuvvetlerine karşı koymanın bir yolu, taban izolasyonu adı verilen bir yöntemle binanın temelini yerden kaldırmaktır. Taban izolasyonu, çelik, kauçuk ve kurşundan yapılmış esnek blokların üzerine bir bina inşa etmeyi içerir. Bir deprem sırasında taban hareket ettiğinde, yapının kendisi sabit kalırken izolatörler titreşir. Bu, sismik dalgaları emmeye ve
bina içinde seyahat etmelerini etkili bir şekilde önlemeye yardımcı olur.

Eski binaların sismik performanslarını iyileştirmek için güçlendirilmesi, depreme dayanıklılık
teknolojilerinin kullanılması kadar önemlidir. Mühendisler, yapılara temel izolasyon sistemleri eklemenin hem uygulanabilir hem de uygun maliyetli olduğunu ortaya koymuştur.

Uygulaması çok daha kolay olan, bir umut vaat eden çözüm, fiber takviyeli plastik kaplama veya FRP olarak bilinen bir teknolojidir. Üreticiler, hafif ama oldukça güçlü bir kompozit malzeme oluşturmak için karbon fiberleri epoksi, polyester ve vinil ester gibi bağlayıcı
polimerlerle karıştırarak bu sargıları üretirler.

Güçlendirme uygulamalarında mühendisler, malzemeyi binaların beton destek kolonlarının etrafına sarar ve ardından kolon ile malzeme arasındaki boşluğa basınçlı epoksi pompalar. Depremden zarar görmüş kolonlar bile karbon fiber sargılarla güçlendirilebilmektedir.

Binaların depreme karşı ayakta durmasına yardımcı olan bir diğer teknoloji ise amortisörlerdir. Mühendisler genellikle bir binanın her katına, bir ucu bir kolona ve diğer ucu bir kirişe bağlı olacak şekilde sönümleyiciler yerleştirir. Her amortisör, silikon yağı ile dolu bir silindirin içinde hareket eden bir piston kafasından oluşur.

Bir deprem meydana geldiğinde, binanın yatay hareketi, her bir amortisördeki pistonun yağı iterek depremin mekanik enerjisini ısıya dönüştürmesini sağlar. Günümüzde birçok yüksek katlı binada, sismik performansı daha düşük maliyetle artırmak için çekirdek duvar konstrüksiyonu kullanılır.

Bu tasarımda, asansör girişlerini çevreleyen yapının ana merkezinden betonarme bir çekirdek geçmektedir. Yüksek binalar için çekirdek duvar oldukça önemli olabilir. Çekirdek duvar konstrüksiyonu, binaların depremlere karşı ayakta kalmasına yardımcı olsa da, tek başına yeterli değildir.

Araştırmacılar, çekirdek duvarlara sahip sabit tabanlı binaların hala önemli elastik olmayan deformasyonlara, büyük kesme kuvvetlerine ve zarar verici zemin ivmelerine maruz kalabileceğini bulmuşlardır. Deprem bölgelerindeki yapılar için, taban izolasyonu ile
birlikte salınım yapan çekirdekli duvar daha etkili bir çözüm olarak görülmektedir.

Salınım yapan çekirdek duvar, duvardaki betonun kalıcı olarak deforme olmasını önlemek için zemin seviyesinde sallanır. Bu işlemi gerçekleştirmek için mühendisler, binanın alt kısmındaki iki katını çelikle güçlendirmekte ve tüm yükseklik boyunca ardgermeyi
kullanmaktadır.

Ardgerme sistemlerinde, çelik kirişler çekirdek duvarından geçirilir. Tendonlar, çekirdek duvarın gerilme mukavemetini artırmak amacıyla hidrolik krikolarla sıkıca gerilebilen lastik
bant işlevi görmektedir.