Depremlerle mücadele: depreme dayanıklı yapıların tasarımı ve test edilmesi Understand article

Tercüme eden: Bora Acun. Depremler büyük çaplı yıkımlara yol açabilirler. Onlara karşı koyabilmek için yapabileceğimiz bir şey var mıdır? Francesco Marazzi ve Daniel Tirelli, depreme dayanıklı yapıların nasıl tasarlandığını ve bu tip yapıların hangi şartlar altında…

Dünya deprem risk haritası.
Haritayı büyütmek için
tıklayın

Resim Dünya Deprem Risk
Programı (Global Seismic
Hazard Program) izniyle

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.

Deprem simülasyon
yöntemleri: bir sarsma
tablası (solda) ve bir tepki
duvarı-kuvvetli zemin sistemi
(sağda)

Resim ELSA izniyle

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.

Tam ölçekli 3-boyutlu bir
yapının ELSA’da
gerçekleştirilen sismik testi

Resim ELSA izniyle

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-ELSAw1) 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.

L’Aquila’daki bu yapıda
‘kapalı etriyeler’ kullanılmış
olsaydı, 2009 yılında meydana
gelen depreme daha iyi karşı
koyabilirdi

Resim Francesco Marazzi
izniyle
Concezione Kilisesi (Church
of Concezione), Paganica,
L’Aquila, Italya

Resim Fabio Taucer izniyle

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).

ELSA’daki eğitim aktiviteleri
Resim Francesco Marazzi izniyle

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.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

  • Kirschbaum T, Janzen U (2006) Tracing earthquakes: seismology in the classroom. Science in School 1: 41-43. www.scienceinschool.org/2006/issue1/earthquakes
  • Birleşmiş Milletler Doğal Afet Hasarlarının Azaltılması için Uluslararası Strateji Belirleme birimi internet üzerinden oynanabilen bir oyun geliştirmiştir. (Stop Disasters!) www.stopdisastersgame.org
  • BBC internet web sitesinde depremler ile ilgili ilginç animasyonlar bulunmaktadır. http://news.bbc.co.uk/2/hi/4126809.stm
  • Amerika Birleşik Devletleri Jeolojik Araştırmalar Birimi (Geological Survey) Deprem Tehlikeleri Programı’na ait internet sitesinde depremlerle ilgili oldukça geniş içerikte bilgiler ve animasyonlar bulunmaktadır. http://earthquake.usgs.gov/earthquakes
  • Friuli depreminin binalar üzerindeki etkilerini temsili olarak gösteren ve ELSA laboratuvarında kaydedilen bir video aşağıdaki adresten izlenebilir. http://elsa.jrc.ec.europa.eu/publications/Friuli1976_2.wmv
  • Google Kitap’da (Google Books) bulunabilir. Bu makale her ne kadar teknik bir dille de olsa deprem mühendisliğinin temel konularını kolay anlaşılabilir bir şekilde anlatmaktadır:
    • Committee on Earthquake Engineering Research (1982) Earthquake Engineering Research – 1982. Washington DC, USA: National Academy Press. http://books.google.it
  • Depremlerden dolayı hasar görmüş yapıların fotoğraflarının ve bu hasarların nasıl oluştuğuna dair kısa açıklamaların bulunduğu bir albüme ulaşmak için, Deprem Mühendisliği Slayt Bilgi Sistemi (Earthquake Engineering Slide Information System) web sitesi ziyaret edilebilir: http://www.ikpir.com/easy/html/ang/INDEX.HTM
  • İtalya’da meydana gelmiş bazı büyük depremlerin listesine ulaşmak için: http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_earthquakes_in_Italy
  • Depremler hakkında daha fazla bilgi için, Wikipedia ana sayfası ziyaret edilebilir: http://en.wikipedia.org/wiki/Earthquake

Author(s)

Dr Francesco Marazzi, yapı dinamiği ve sismik testler konuları üzerine doktora-sonrası araştırmalar yapmak üzere geçici görevli olarak ELSA’da bulunan bir lise öğretmenidir. Görevine geri döndüğü zaman, böylesi büyük ve gelişmiş bir laboratuvarda edindiği tecrübelerini, fizik, matematik ve bilgi teknolojileri konularının gerçek hayatta ne kadar önemli olduğunu öğrencilerine göstermekte kullanacaktır. Doktor Marazzinin ELSA’daki çalışmalarında; matematik, veri analizi ve modellemeler konularında; fizik, depremlerden korunma araç ve tekniklerinin geliştirilmesi için gerçekleştirilen deneylerde ve elde edilen sonuçların yorumlanmasında; bilgi teknolojileri ise çalışmalarının her alanında yardımcı olmuştur. Özetle, edindiği bütün tecrübelerini öğrencilerini motive etmek için kullanacaktır.

Dr Daniel Tirelli Avrupa Birliği Ortak Araştırma Merkezi’ne (Joint Research Center) bağlı Avrupa Yapı Performans Değerlendirme Laboratuvarı’nda (European Laboratory for Structural Assessment-ELSA) çalışan bir araştırmacıdır. ELSA’da gerçekleştirilen çalışmalardan biri de 2010 yılı içinde yürülüğe girecek olan ve yapıların tasarımı ve diğer inşaat mühendisliği işleri için kullanılacak olan standartların (Eurocodesw2) geliştirilmesine katkıda bulunmaktır. Bu standartlardan biri (Eurocode 8) depreme dayanıklı yapı tasarımı ilkeleri ile yapıların tasarımın nasıl yapılacağı, nasıl test edilip iyileştirilebileceğini açıklamaya adanmıştır.


Review

Makale, özellikle depreme dayanıklı yapıların tasarımı ve test edilmeleri konularında neler yapılmakta olduğunu açık bir dille anlatması bakımından kayda değer bir makaledir. Fizik ve coğrafya derslerinde genel olarak dalgalar ya da sismik dalgalar konularına giriş bilgisi vermek amaçlı kullanılabilir. Ayrıca depremlerin doğasını açıklaması ve Newton kanunlarına bağlı olarak depremlerin neden yapılara hasarlar verdiğini anlatması bakımından deprem temasının öğrencilere tanıştırılması için oldukça uygun bir makaledir. Depremlerin verdikleri hasarlar, toplum üzerindeki etkileri ve oluşturdukları hasarların sınırlandırlması için neler yapılabileceği konularında öğrenciler arasında tartışma ortamı yaratmak için de kullanılabilir.

Ayrıca, bu makale bilimin toplum yararına nasıl kullanılabildiğini öğrencilere gösterebilecek oldukça değerli okuma kaynakları sunmakta ve internet siteleri önermektedir. Bunun yanısıra, öğrencilerin ve öğretmenlerin, vatandaşların güvenliğini arttırmak için  çalışan ELSA gibi bilimsel kurumların varlığından haberdar olmalarını da sağlamaktadır. Bazen formüller ve teoriler içinde kaybolduğumuzda bilimin sadece akademik bir çalışma alanı olduğunu düşünürüz. Fakat bu makale, sınıfta öğrenilen bilimsel konuların, son zamanlarda bir çok ülkede meydana gelen ve ciddi hasarlar veren depremler örneğinde olduğu gibi, gerçek hayatta nasıl uygulanabildiğini gösteren sağlam bir örnektir.

Makale ayrıca depremler ile ilgili konuların ders içeriğinin bir parçası olduğu durumlarda kavrama uygulaması olarak ya da dalgalar konusu ile ilgili konuların incelenmesinde depremlerin (her ne kadar ders içeriğinde yer almasa da) örnek olarak kullanıldığı durumlarda yararlı olabilir.

  1. Deprem nedir?
  2. Newton’un ikinci hareket kanunu göz önünde bulundurulursa, deprem sırasında bir bina üzerine neden büyük kuvvetler etkir?
  3. Depreme dayanıklı yapıların test edilmesinde kullanılan iki yöntem belirtiniz. Bu yöntemlerin nasıl uygulandığını kısaca açıklayınız.
  4. Son zamanlarda bazı ülkelerde meydana gelen ve büyük yıkımlara yol açan doğal felaketleri düşündüğünüzde, depreme dayanıklı yapı tasarım yöntemleri daha geniş ölçekte uygulanmalı mıdır? Detaylı olarak açıklayınız.

Makale farklı yaş grupları için değişik şekillerde kullanılabilir:

10-12: öğrencilere depremler hakkında genel bilgi vermek ve Avrupada ve diğer ülkelerde olan depremler ile ilgili bilgi sahibi olmalarını sağlamak.

12-15: öğrencileri deprem olgusuyla tanıştırmak ve depremlerin doğası ve oluş şekilleri ile ilgili bilgi vermek. Makale, ayrıca, depremlerin oluş şekilleri ve etkilerinin azaltılması ile ilgili çalışma yapan bilim dalı/dalları ile ilgili bilgi vermek için de kullanılabilir.

16+: konuyla ilgili giriş bilgisi vererek sismik dalgalar gibi daha detaylı konular için hazırlık sağlamak. Makale, bilimin, insanların yararına nasıl kullanılabileceğini göstermekte kullanılabilir. Ayrıca, öğrencilerin bazı ülkelerin depremden korunmak için neler yapabilecekleri üzerine tartışmalarını ve sınıfta gördükleri bilimsel konuların gerçek hayatta nasıl uygulanabileceğini anlamalarını sağlamakta kullanılabilir.


Catherine Cutajar, Malta




License

CC-BY-NC-ND