Depremlerle mücadele: depreme dayanıklı yapıların tasarımı ve test edilmesi

Haiti'de, 2010 yılı Ocak ayında meydana gelen depremde, yaklaşık 200 bin kişi yaşamını yitirdi ve 280 bin bina yıkıldı veya ciddi hasar gördü. Daha yakınlara baktığımızda –İtalya’da, Abruzzi kasabasında- 6 Nisan 2009 sabahı meydana gelen deprem sonucunda 300’den fazla insan hayatını kaybetmiş ve 60 000 civarında insan evlerini terketmek zorunda kalmıştır.

Tektonik hareketler sonucu meydana gelmeleri sebebiyle depremlerin oluşumlarının kontrol edilmesi imkansız, tahmin edilmesi ise oldukça zordur; bugünkü bilgilerimizle ancak depremlerin büyüklüklerini ve oluşum sıklıklarını istatistiksel olarak analiz edebilmekteyiz (Daha fazla bilgi için, bkz: Latchman, 2009). Belirli bir bölgede olabilecek depremlerin beklenen büyüklükleri, oluşum sıklıkları ile ters orantılıdır. Küçük depremler daha sık, büyük depremler daha seyrek olurlar.

Her ne kadar depremlerden kaçamasak da onlara karşı koyabiliriz, örneğin depreme dayanıklı yapılar tasarlayarak.

Deprem, üç boyutlu titreşimler ile karakterize edilen yer kabuğu hareketidir ki bu titreşim hareketinin etkileri ciddi boyutlarda olabilir. Binaların çok ani bir şekilde hareket etmelerine sebep olan depremler, Newton’un hareket kanunlarından ikincisinde de tanımlandığı gibi (kuvvet = kütle x ivme) yer ivmesi ile bina kütlesinin çarpımı sonucu oldukça büyük kuvvetler oluştururlar. Binalar ve pek çok diğer tip yapılar kendi ağırlıklarını taşıyabilecek şekilde tasarlandıkları için genellikle depremlerin sebep olduğu düşey hareketlerden dolayı oluşan kuvvetlere de karşı koyabilirler. Fakat depremin sebep olduğu yatay hareketlerden dolayı oluşan kuvvetler binanın tasarımı aşamasında gerektiği gibi gözönüne alınmazlarsa binaların göçmesine sebep olacak kadar büyük olabilirler.

Depreme dayanıklı olarak tasarlanan yapılar ekonomik ve pratik sebeplerden dolayı değişik dayanım seviyelerine sahip olabilirler. Bu, şiddetli bir deprem altında yapının belirli bir seviyeye kadar hasar görse bile kesinlikle göçmemesi demek olurken düşük şiddetli bir depremde ise neredeyse hiç hasar görmemesi yani tamir edilebilir çatlakların bile oluşmaması demek olabilir. Bunun yanısıra, depreme dayanıklı yapı tasarımında bina tipi ve bina önemi de dikkate alınmalıdır. Bir hastane ya da itfaiye binası en şiddetli depremden sonra bile kullanılabilir durumda olmalıdır.

Her ne kadar binaların bilgisayarda modellenmesi ve deprem etkileri altında davranışlarının simüle edilmesi konusunda son yıllarda çok büyük ilerlemeler kaydedilmiş olsa da deneysel yöntemler hala depreme dayanıklı yapı tasarımının geliştirilmesi konusunda önemli rol oynamaktadır. Mühendisler gerçek boyutlu ya da ölçekle küçültülmüş modeller kullanarak binaların deprem etkileri altında davranışlarını incelemekte ve yapıların daha güvenli nasıl tasarlanabilecekleri sorusunu cevaplamaya çalışmaktadırlar.

Depremlerin yapılar üzerindeki etkilerini simüle etmek için iki ayrı deneysel yöntem vardır: bunlardan ilki sarsma tablası, ikincisi ise tepki duvarı ve kuvvetli zemin sistemi (bknz. yukarıdaki resim). Sarsma tablası en basit tanımıyla, bir, iki ya da üç boyutlu titreşim hareketlerini yapay olarak üreterek deprem hareketlerini taklit eden platforma denir. Test edilecek bina modeli (genellikle ölçekle küçültülmüş bir modeldir) sarsma tablası üzerine yerleştirilir ve “depreme” maruz bırakılarak davranışı gözlenir. Bina modeli yıkıldı mı? Duvarlarda çatlaklar oluştu mu? Hasar nasıl meydana geldi? Bina modeli ne kadar süre depreme dayanabildi? Bu deney yönteminin zayıf tarafı test başladıktan sonra uygulanan deprem bitene kadar deneyin durdurulamamasıdır. Dolayısıyla bina modelinde oluşan hasarlar sadece deney sonunda incelenebilir.

Diğer taraftan tepki duvarı ve kuvvetli zemin sisteminde tam boyutlu bina modelleri test edilebilir. Test edilecek bina kuvvetli zemin üzerine yerleştirildikten  sonra tepki duvarına bağlanmış hidrolik kollar yardımıyla deprem etkilerine karşılık gelen kuvvetler uygulanır. Gerçekte bir kaç saniye içinde olup biten depremler bu yöntemde sanki ağır çekimde oluyormuş gibi temsil edilirler ve deneyler bir kaç saat sürebilir. Bu şekilde deprem sırasında binada oluşan hasarlar an be an gözlenebilir, gerektiğinde ise hasarı daha yakından inceleyebilmek için ya da binanın toptan göçmesini engellemek için deney durdurulabilir ya da duraklatılabilir. Binaya iliştirilmiş olan ölçüm aletleri ile de deprem sırasında oluşan deformasyonlar, gerilmeler, dönmeler ve kuvvetler ölçülür.

Avrupa’daki en büyük tepki duvarı ve kuvvetli zemin sistemi Avrupa Yapı Performans Değerlendirme Laboratuvarı’nda (European Laboratory for Structural Assessment-ELSA^w1) bulunmaktadır. ELSA’daki bu sistem büyük ölçekli yapıların (binalar ve köprüler gibi) tamir ve güçlendirme yöntemlerinin denenmesi için gerçekleştirilen deneylerde kullanılmaktadır.

Deneysel olarak da kanıtlanabildiği gibi, herhangi bir depremin bir yapıya verebileceği hasar (yapının hasargörebilirliliği) çeşitli yollarla azaltılabilir. Bunlardan ilki, yapıyı üzerinde bulunduğu zeminden ayırmak olabilir.

Böylelikle deprem tarafından üretilen titreşimlerin üst yapıya iletilmesi önlenebilir. Örnek olarak, taban izolasyonu yapının üzerinde bulunduğu zemin ile yapı temeli arasına kayıcı bir sistem yerleştirilmesi ile gerçekleştirilir. Diğer bir yöntem ise yapıda oluşabilecek hasarların bazı önceden belirlenmiş noktalarda yoğunlaşmasını sağlamaktır; bu yolla depremin yapıya etkittiği enerji kontrollü bir şekilde tüketilirken beklenmeyen bir yapı davranışı da engellenmiş olur. Örneğin yapı elemanlarının birleşim noktalarına (kiriş elemanlarının kolon elemanları ile birleştikleri noktalara) çelik parçalar eklenirse, bu parçalar deprem sırasında deforme olarak enerji tüketirken yapının kendisi sağlam kalır.

Herhangi bir yapının tasarımı hayati derecede önemlidir. Örneğin, düzenli olarak tasarlanmış bir yapı düzensiz olarak tasarlanmış başka bir yapıya nazaran depreme daha dayanıklıdır. Bunun sebebi düzenli yapıların depremden dolayı oluşacak burulma (dönme) etkilerine ve dolayısıyla da yerel gerilme ve şekil değiştirmelere daha az şiddetle maruz kalmalarıdır. Tasarım ile ilgili küçük gibi görünen bazı detaylar da önemlidir. Yapı taşıyıcı duvarları birbirleri ile ve yapı döşemeleri ile uygun şekilde bağlanmış olmalıdırlar. Bu durum, yapının deprem esnasında bir bütün olarak davranmasını sağlar (kutu davranışı). Eski tip yığma yapılarda, kat seviyelerinde yerleştirilmiş bağ-kirişleri taşıyıcı duvarlar ile yapı döşemelerini birbirine bağlayarak bir bütün olarak çalışmalarını ve dolayısıyla da deformasyon ve gerilmeleri ortak şekilde karşılamalarını sağlamıştır. Bu durum ayrıca yapının genel olarak enerji tüketme kapasitesini de arttırmıştır. Yeni yapılarda, betonarme taşıyıcı elemanlar bir bütün olarak çalışmalarını sağlayacak “kapalı etriyeler” kullanılarak üretilebilirler. Bu şekilde binanın deprem dayanımı, ihmal edilebilecek kadar az bir maliyet artımı ile oldukça fazla iyileştirilmiş olur.

Deprem-koruma araçları sadece insanların hayatını korumak için değil aynı zamanda tarihi varlıklarımızı korumak için de önemlidir.  Portekiz-Lizbon’da bulunan “Saõ Vicente de Fora” manastırının bir bölümünün tam ölçekli bir modeli ile İtalya-Palermo’daki Geraci Sarayı (Palazzo Geraci) ön cephesisinin ölçekle küçültülmüş bir modeli ELSA’da test edilmiştir. Bu gibi deneyler sonucunda ELSA, tarihi yapıların depremlerden korunmaları için gerekli yönerge ve yönetmeliklerin oluşturulmasına katkıda bulunabilmiştir.

ELSA’da eğitime yönelik aktiviteler

ELSA, çocuklar için etkileşimli bir laboratuvara sahiptir. Laboratuvarda  kolayca taşınabilan küçük ölçekli bir sarsma tablası bulunmaktadır. Bu sarsma tablası ELSA’ya yapılan okul ziyaretlerinde kullanılabildiği gibi doğrudan okullara taşınarak öğrenciler için küçük çaplı deneyler de yapılabilmektedir (bknz: Anthoine et al., 2010).

Yapı dinamiğinin genel prensiplerinin açıklandığı bu deneyler ile öğrencilere ilk olarak doğal frekans, mod şekli ve titreşimler gibi konseptler tanıtılırken veri toplama aletleri ve yöntemleri konusunda da temel bilgiler sunulur. Daha sonra öğrencilerden özel minyatür tuğlalar kullanarak kendi bina modellerini inşa etmeleri istenir ve bu binalar sarsma tablasında test edilir. Öğrenciler binalarını inşa ederken herhangi bir kısıtlamaya uğramadan hayal güçlerini kullanırlar: bazı binalar bir çok kapı ve pencereye sahipken, bazıları sığınaklar, piramitler ya da Yunan tapınaklarına benzer.

Bu model binalar daha sonra sarma tablası üzerine yerleştirilerek gerçekte olmuş ve kaydedilmiş bir depremin simülasyonu altında test edilirler. Öğrencilerden gözlemledikleri bina davranışını tasvir etmeleri istendikten sonra aynı deprem altında neden farklı binaların farklı şekilde davrandıklarını açıklamaları istenir. Bu şekilde, öğrenciler, yapının hasargörebilirliliği (bir yapının deprem karşısında ne kadar dayanıklı olduğu) ve sismik tehlike (belirli bir bölgede olası bir depremin ne kadar kuvvetli olabileceği) tanımlarının birleştirilmiş hali olan sismik risk tanımı ile tanıştırılmış olur. Bu durum, sismik riskin azaltılmasında yapılabilecek tek şeyin hasargörebilirliliğin azaltılması olduğunu gösterir çünkü doğal afetlerin olmasını engelleyemeyiz.

Hasargörebilirliliğin azaltılması için uygulanabilecek en etkili yöntemlerden biri, taban izolasyonu yöntemi, gerçekleştirilen sarsma tablası deneylerinde öğrencilere gösterilebilir. Bunun için bir bina modelinin tabanın altına yerleştirilmiş kayabilen üç adet küçük çaplı silindir kullanılır. Bu silindirler bina modelini yerden ayırarak sarma tablasından gelen titreşimlerin üst yapıya aktarılmasını engellerler. Bu yöntemin etkinliği, birbirinin aynı iki bina modelinin aynı deprem altında test edilmesiyle gösterilebilir. Deprem sonunda taban izolasyonu yapılan bina ayakta kalırken taban izolasyonu yapılmayan bina modeli yıkılır.