mimari tasarımda deprem faktörü - Uluslararası Burdur Deprem ve

MİMARİ TASARIMDA DEPREM FAKTÖRÜ
Sevim ATEŞ CAN1, Hilal TUNCER1
1
Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Mimarlık Bölümü, Burdur,
[email protected], [email protected]
ÖZET
Bu yazıda, mimari tasarımda deprem faktörünün belirleyici rolü üzerinde durulmaktadır. Öncelikle, zemin
özelliğinin önemi vurgulanmakta ve binalar üzerinde oluşturabileceği olumsuz etkiler kısaca ele alınmaktadır.
Yanlış mimari tasarımla binaların depremden zarar görme olasılığı artmaktadır. Bu nedenle bilinçli bir tasarım
için, teknik açıdan binanın depreme karşı davranışının iyi bilinmesi gerekmektedir. Bu amaçla yazıda, mimari
tasarım açısından bina formu ve taşıyıcı sistem bakımından uygun olan ve olmayan çözümler vurgulanmaktadır.
Ayrıca, deprem etkilerinin ve kısıtlamalarının mimari tasarımda sağladığı fırsatlar ve gelecekte önemli gelişimler
gösterecek olan deprem mimarisine doğru günümüzdeki yönelimler örneklerle ele alınmaktadır.
Anahtar Kelimeler: Mimari tasarım, deprem, deprem mimarisi
EARTHQUAKE FACTOR IN ARCHITECTURAL DESIGN
ABSTRACT
In this study, it is aimed to demonstrate earthquake effects on architectural design. Firstly, the important of soil
feature is emphasized and its negative effects are evaluated briefly. With inappropriate architectural design,
possibility of earthquake damage increases. Therefore, building’s reaction to earthquake should be well-known
for a conscious design. Solutions which are appropriate and inappropriate in terms of structure and correct
building forms in terms of architectural design are discussed. Seismic limitations and effects can also contribute
to architectural design and provide new opportunities towards earthquake architecture.
Keywords: Architectural design, earthquake, earthquake architecture
1. GİRİŞ
Tasarım ve planlama sürecinde, mimarın bilinçli tutumu, yapının depremde nasıl bir dayanıklılık göstereceğinde
önemli bir rol oynar. Bu süreçte mimarın, mühendisler ve diğer meslek dallarıyla disiplinler arası çalışması
gerekmektedir. Temelden çatıya kadar yapısal olan ve olmayan tüm bileşenleriyle ve malzeme seçimiyle ilgili
olarak alınan kararlar binanın deprem etkileri karşısındaki duruşunu belirler. Bu nedenle, mimari tasarımda kritik
önem taşıyan tüm konular tasarımcı tarafından iyi değerlendirilmeli ve yorumlanmalıdır. Binanın üzerinde
konumlanacağı zemin ile başlayan ve tasarımın diğer aşamaları ile devam eden bu süreçte, üzerinde önemle
durulması gereken konular aşağıda sırasıyla ele alınmaktadır. Bunlar:
1.1. Zemin
Bina yeryüzünde tek başına yer almaz. Üzerinde konumlandığı bir zemin vardır. Zemin ortamı deprem
dalgalarının özelliklerine bağlı olduğundan yapı üzerinde tehlikeli davranışlar oluşturur. Bu nedenle, yapının
oturduğu zeminin özellikleri önem taşımaktadır. Yanlış yer seçimi ve yapı-zemin ilişkisinin doğru kurulamaması
depremin hasara yol açmasının başlıca sebeplerindendir. Proje aşamasında zemin etütlerinin uzmanlar tarafından
dikkatlice yapılması gerekmektedir. Zemindeki olumsuzluklardan dolayı hasara yol açan 3 temel sebep vardır;
International Burdur Earthquake & Environment Symposium (IBEES2015)
Uluslararası Burdur Deprem ve Çevre Sempozyumu
7-9 May 2015, Mehmet Akif Ersoy University, Burdur-Türkiye
http://ees2015.mehmetakif.edu.tr – http://ees2015.maku.edu.tr
IBEES2015, 7-9 May 2015
Burdur-Türkiye
a. Fay hattı kırılması
Şekil 1. St. Andreas /San Francisco) Fay Hattı
Üzerinde Konumlanmış Yapılar (duplicious.com)
Şekil 2. St. Andreas Fay Hattı Üzerinde Bulunan
Hasar Görmüş Bir Yapı (nreionline.com)
b. Zeminin zayıf olması
Özellikle sıvılaşan zeminler ve eğimli zeminler deprem esnasında yapının hasar görmesine sebep olur.
Şekil 3. Sıvılaşan Zeminlerin Yapısı
Şekil 4. San Francisco Marina Bölgesinde Zemin
Sıvılaşmasından Kaynaklanan Hasar (1989)
(pubs.usgs.gov)
Şekil 5. Eğimli Araziler ve Yapının Konumlandırılması (FEMA, 2006)
436
IBEES2015, 7-9 May 2015
Burdur-Türkiye
c. Tsunami
Deprem sonrası hasara yol açan sebeplerden birisi de Tsunami’dir.
Şekil 6. Tsunami Oluşumu ve Alınabilecek Önlemler (FEMA, 2006).
1.2. Bina
Mimar, bina formunu, mekânsal kurguyu ve yapı alt sistemlerini, deprem sırasında doğacak olan yanal ve düşey
kuvvetleri taşıyarak ve belirli ölçüde sönümlendirerek zemine aktaran bir taşıyıcı sistem (strüktür) ile
bütünleştirecek bir tasarıma yönelmelidir. Bu amaçla, düşey yükleri taşıyan bir strüktürün yanında, depremin
doğurduğu dinamik yanal yükleri taşıyarak sönümlendiren ve aktaran ikinci bir strüktürün var olması gerektiğini
anlamalı, düşünmeli; bu iki strüktürü tek bir taşıyıcı sistem olarak bina ile bütünlemeli ve bunun için alternatif
yaklaşımlar geliştirerek modelleyebilmelidir. Bunu gerçekleştirmek için, mimarın taşıyıcı sistemler, sistemlerin
davranışları ve modellenmesi ile mimarlık teknolojisi üzerine bilgi birikimi, görgü ve deneyimi olmalıdır.
(Şengezer, 1999) Tasarımcılar ve mühendisler 10 Avrupa Standardını kapsayan ve ortak bir yaklaşım olan
Eurocode’un bir şartname olarak depreme dayanıklı yapı tasarımı için çıkarılmış olan Eurocode-8’ini esas
almalıdır (Bisch, 2011).
1.2.1 Depremin Bina Üzerindeki Etkileri
Binaların Yer Hareketine Tepkisi
Şekil 7. Yer hareketine binanın gösterdiği tepki
Binalar yer hareketlerine karşı ayakta kalacak bir biçimde düzenlenmelidir. Deprem anında binaların zemin
katları daha sabit kalırken üst kotlar atalet momentine bağlı değişkenlik göstererek geriye doğru yaslanmaktadır.
Şekilde görüldüğü üzere Yük (F)= Kütle (m)x İvme (A)’ye eşittir. Yani süratle birlikte uygulanan yük orantılı
olarak artar (Watson et al., 1999).
437
IBEES2015, 7-9 May 2015
Burdur-Türkiye
Şekil 8 Deprem esnasında yapı sallantının şiddeti ve sıklığına, bina yüksekliğine, kütleye, kesit alanına ve ilgili
faktörlere bağlı olarak sarkaç şeklinde hareket etmeye başlar.
Dalga Hareketinin Strüktürel Harekete Etkisi
Deprem boyunca zemin kendi kendine birçok yöne doğru hareket ederken, üst katlar ana hareketi dengeleyecek
şekilde hareket etmeye, denge kurmaya ve kopmayı önlemeye çalışır. Karışık sehim hareketleri binanın her türlü
titreşime tepki vermeye çalışmasının sebebidir.
Deprem hareketlerinin ne sıklıkta olacağını tahmin etmek kolay olmadığından yapının depreme karşı belli bir
tepki vereceğini düşünmek en belirgin tasarım hatalarından biri olarak kabul edilebilir. Çeşitli deneyimler
sonucunda deprem hareketlerinin çeşitli yönlerde, sıklıkta ve büyüklükte ortaya çıkmış olduğu görülmüştür.
Yani teorik olarak strüktürlerin depreme tepkisinin hissedilen harekete, çeşitli uzunluklardaki titreşim
periyotlarına, farklı katlardaki kütle ağırlıklarına ve titreşim sönümlemelerine bağlı olarak değişeceği
söylenebilir (Watson et al., 1999).
Şekil 9. Dalga hareketinin etkisi
Binanın Yatay Hareketleri
Yatay hareketler/yer değiştirmeler tüm katlara eşit şekilde veya seviyede etki etmeyebilir. Bu da deprem
esnasında bir katın farklı bir yöne, diğerinin zıt yöne hareket etmesine sebep olabilir.
438
IBEES2015, 7-9 May 2015
Burdur-Türkiye
Şekil 10. Yatay hareketler karşısında binanın durumu (Watson et al., 1999).
1.2.2 Depreme Dayanıklı Bina Formunun Oluşturulması
Hemen hemen tüm binalar bükülebilen ve bükülemeyen malzemelerin kombine edilmesiyle yapılandırılır. Hatalı
birleşimler binanın yükünü de etkileyeceği için deprem performansını da etkiler. Binanın yapısal elemanları
bütün bir çerçevenin parçaları olarak birbiriyle bağlantılı biçimde tasarlanmalıdır. Örneğin, birbirine bağlanan bu
çerçeve düzenini bozacak bir şekilde farklı yapı malzemeleri kullanmak negatif bir yaklaşımdır.
Bina Yüksekliği
Bina, deprem dalgalarının yoğunluğuna bağlı olarak belirli bir periyot (sismik dalganın bir çevrim yapması için
gereken saniye cinsinden zaman süresi) süresince etkilenir. Yükseklik deprem esnasında bu süreleri
değiştirebilen ana etkenlerden biridir. Yapılar titreşime, kat yüksekliğine bağlı olarak, farklı modlarda cevap
verirler (Şekil 11). Deprem için etkili olan ilk tepkimedir (çok yüksek katlı yapılar hariç).
Strüktürel sistem, malzeme ve geometrik oranlar da periyodu etkileyen faktörlerdir. Bina ve zemin periyodunun
çakışmasından ise büyük hasarlara neden olan “rezonans” oluşur (FEMA, 2006).
Şekil 11. Bina Yüksekliğine Bağlı Olarak Değişen Periyotlar
(FEMA, 2006).
Şekil 12. Titreşim Modları (FEMA, 2006)
Zemin Katın Önemi; Yumuşak ve Zayıf Kat ile Kısa Kolon
Yapılarda katlar arasındaki süreksizlik deprem esnasında negatif tepkimelere sebep olmaktadır. Eurocode 8
yönetmeliğine göre düşey ve yatay taşıyıcı çerçeve ve yüzeylerde süreklilik sağlanmalıdır. Özellikle açık
planlanan zemin ve ilk katlar zayıf katların oluşmasına ve yapının sismik güçler altında etkisiz kalmasına sebep
olur (FEMA, 2006). Yumuşak katın oluşması, hem mimari çözüm arayışı hem de kullanım amaçlarının bina
şekline yansımasından kaynaklanabilir. Özellikle giriş katları yer kazanmak veya saydamlığı artırmak için
rijitliği sağlayan perde duvarlardan yoksun bir şekilde yapılandırılmaktadır.
439
IBEES2015, 7-9 May 2015
Burdur-Türkiye
Şekil 13. Zemin Kat Yüksekliğinin Artmasıyla Yumuşak Kat Oluşması ve Alınabilecek Önlemler
Yumuşak Kat;
 Kolon Eklemek
 Çapraz Bağlantı Elemanı Eklemek
 Cephede Payanda ile Desteklemek gibi önlemlerle depreme dayanıklı hale getirilebilir (FEMA, 2006).
Kısa Kolon
Yapının 3. boyuttaki oranının bozulmasına sebep olan faktörlerden birisi de kısa kolondur. Kolonun
bükülmezliği yaklaşık olarak kolon uzunluğunun karesi olarak hesaplanmaktadır ve örnekte görüldüğü gibi kısa
kolon uzun kolonun yarısı olmasına rağmen 8 katı yük taşımaktadır.
Şekil 14. Kısa Kolon Problemi (FEMA, 2006)
Şekil 15. Dolgu Duvar Sebebiyle Kısa Kolon Oluşumu
ve Sebep Olduğu Hasar (FEMA, 2006)
440
IBEES2015, 7-9 May 2015
Burdur-Türkiye
Güçlü kiriş zayıf kolon
Şekil 16. Otopark strüktüründe zayıf kolon güçlü kiriş durumundan oluşan hasar, Los Angeles depremi, 1987
(pinterest.com).
Asimetrik Plan Formunun Sebep Olacağı Olumsuzluklar
Deprem esnasında titreşim tüm yönlerden geldiği ve her elemana eşit zamanlı olarak etki ettiği için “en mantıklı”
çözüm plan ve cephede simetrik bir yaklaşım izlemektir; böylece binanın her yönden yüke karşı dayanımı
artacaktır. Fakat tasarım yapılacak alan, fonksiyonel gereklilikler ve estetik algısı formu değiştirmektedir
(Watson et al., 1999).
Şekil 16: L ve T Plan Formlu Yapılarda Dönme
Asimetrik plan formuna sahip L ve T plan formlu bu binalarda kanatlar deprem yüküne bağlı olarak farklı
yönlere hareket edebilirler.
Şekil 17. Bükülme-Bükülmezlik Farklılığının Sebep Olacağı Dönme
Strüktür bir bütün halindeyse, burulma-bükülme gözlenir. Bükülme-bükülmezlik özelliği bir bölümde diğerinden
farklı ise sağ örnekte olduğu gibi flexible parça güçlü parça etrafında dönecektir.
441
IBEES2015, 7-9 May 2015
Burdur-Türkiye
Depreme dayanıklılıkta etkili olan yalnızca simetrik plan formuna sahip olmak değildir. Üst katları alt
katlarından fazla metrekareye sahip yüksek yapılarda dikey ivmelenmeden dolayı benzeri eğilme durumu
gözlenir. Yapının bükülmezliği bölümden bölüme farklı olacağından kule ve geniş alanlı katlar arasında yer
değiştirme görülebilir (Watson et al., 1999). Eurocode 8’e göre de yatayda ve düşeyde karmaşıklık (sürekli fakat
farklı kütlelerden oluşan bina formları) simetriyi, dolayısıyla deprem esnasındaki tepkimeyi olumsuz
etkilemektedir (Şengezer, 1999).
Şekil 18: Katlardaki Metrekare Farklarının Sebep Olacağı Hareketlenmeler
Şekil 19. L Plan Formlu Yapıda Ayrışma (FEMA, 2006).
442
IBEES2015, 7-9 May 2015
Burdur-Türkiye
Şekil 20. L Plan Formu için Çözüm Önerileri
(FEMA, 2006)
Şekil 21. Yapı Plan Formları ve Oluşabilecek Hasarlar
Strüktürel Sistemi Birbirine Bağlamanın Gereksinimi
Tasarım sürecinin başında, taşıyıcı sistem oluşturulurken sistemi oluşturan elemanların birbiriyle olan ilişkisi bir
çerçeve sistem ile sağlanmalıdır. Eğer bina sistem olarak bir bütün değilse, yapısal elemanlar birbirine
bağlanmamışsa her bir eleman depreme bireysel tepki verecektir ve bu da en dayanıksız birimin yıkımıyla
sonuçlanacaktır. Örneğin taş yapılarda katlar duvarlara gerektiği gibi bağlanmamışsa, duvarlar katlardan
bağımsız hareket eder ve çökmeler oluşur. Yapının fiziksel dayanımını sağlayabilmek için tasarım izin
verdiğince her bir eleman diğerine olması gerektiği gibi bağlanmalıdır. Bu da yeterli bağlarla, düzenli
detaylandırmayla ve dikkatli inşa ile mümkündür (Watson et al., 1999). Çerçeve oluşturulurken kolon-kiriş
düzenlemesi dikkatlice yapılmalıdır. Ülkemizde, çerçevenin kapanmayarak kirişlerin kiriş üzerine oturtulması
gibi yanlış uygulamalara çok fazla rastlanmaktadır.
Bitişik Nizam Binaların Depremdeki Hareketi
Deprem kuvvetine her bina kendi başına cevap verir. Binanın orijinal dikey pozisyonundan ortaya çıkan yatay
hareket drifttir (Watson et al., 1999). Her bir bina bireysel sarkaç gibi hareket eder ve birbirleriyle çarpışan
binalarda ciddi hasarlar meydana gelir. Eurocode 8’de bahsi geçen önemli faktörlerden birisi de bina
salınımlarının çevresini en az etkilemesini sağlayacak donatıların kullanılmasıdır (Bisch, 2011). Bitişik kütleler
arasında salınım derzlerinin bulunmaması ve salınımları artıracak formların kullanılması deprem esnasında
olumsuz durumlar oluşturacaktır (Şengezer, 1999).
443
IBEES2015, 7-9 May 2015
Burdur-Türkiye
Şekil 22. Bitişik Nizam Binaların Deprem Sonrasındaki Durumu (megainsaatvemimarlik.files.wordpress.com).
Yapısal Olmayan Elemanlar
Depremlerde, yapısal olmayan elemanların davranışı da önem taşımaktadır. Balkon çıkmaları, saçaklar,
parapetler, küpeşteler, güneş kırıcılar, heykeller, levhalar, çiçeklikler ya da iç mekanlardaki asma tavan,
merdiven gibi elemanlar tasarımda sismik güçlere dayanabilecek kapasitede tasarlanmalı ve
konumlandırılmalıdır (Watson et al., 1999). Malzeme ağırlıkları da hesaba katılmalıdır.
Giydirme Cephe Tasarımı
Eğer giydirme cepheler kattan kata bağlanmışsa depremin etkisi daha az olur. Katlara saplanmış ve çıkmış bir
biçimde yapılmışsa çok daha fazla etkilenir. Tasarımda yüklerin her zaman bütüne paralel olmayacağı göz
önünde bulundurulmalı ve asıl hareketin yapıda makas kuvveti, esneme ve kırma gibi etkilere yol açabileceği
bilinmelidir (Şekil 23) (Watson et al., 1999).
Şekil 23. Giydirme cephenin deprem esnasındaki hareketi
Çıkma Elemanlarının Yer Değiştirmesi
Doğaları gereği çıkmalar çerçevede birleşim yerinden abartılı bir şekilde dönmeye meyillidir (Şekil 24).
Kontrolsüz bitim noktaları dikeyde kopmalara yol açabilirler. Çıkmalı yapılarda çoğunlukla duvar elemanlarının
düşmesiyle veya cam kırılması sebebiyle güvenlik tehlikeye girebilir (Watson et al., 1999).
444
IBEES2015, 7-9 May 2015
Burdur-Türkiye
Şekil 24. Çıkmaların deprem esnasındaki hareketleri
3. DEPREM ETKİLERİNİN MİMARİ TASARIMDA SAĞLADIĞI FIRSATLAR ve
DEPREM MİMARİSİNE DOĞRU YÖNELİM
Birçok ilgi çekici mimari form ve yaklaşımlar, İspanya, Fransa, Almanya, Avusturya, İngiltere, Hollanda, ve
Amerika’nın bir bölümü gibi deprem faktörünün önem taşımadığı yerlerde gerçekleştirilmiştir. Buna karşılık
deprem riskinin yüksek olduğu bölgelerde bu faktör, tasarımın ilk aşamasından itibaren büyük önem taşımak
zorundadır. Ancak bu durum, birbirinin aynı-tek tip tasarımların ortaya çıkması anlamına gelmez. Özellikle
“deprem mimarisi” adı verilen yaklaşım, özellikle son 50 yıldır strüktür – cephe düzeni ve iç mekan elemanları
arasında birbiriyle ilişkili oldukça etkili görsel çözümler sunmaktadır. Mimar ve mühendisin koordinasyonlu
çalışması bu sonuçlarda büyük rol oynar (Charleson ve Taylor, 2000).
Yatay ve Düşey Kuvvet Taşıyıcı Sistemler; Çapraz Elemanlarla Destekleme
Şekil 25. Çapraz destekli kule,
Wool House, Wellington,
House, (Charleson ve Taylor, 2000)
Şekil 26. Sismik (ortada) çerçeveler ve yerçekimi (iki yanda)
moment dayanımlı çerçeve arasındaki farklılıklar, Castrol
(Charleson ve Taylor, 2000)
445
IBEES2015, 7-9 May 2015
Burdur-Türkiye
Şekil 27. Tekerlekli merdiven mafsalı,
IRD Building, Wellington
(Charleson ve Taylor, 2000)
Şekil 28. Union House amortisörleri, enerji
sönümleyen sistem, Auckland
(Charleson ve Taylor, 2000)
Cepheler, sismik direnç sistemlerini ifade etmede tasarımcılara fırsatlar sunar. Yapı strüktür elemanlarının görsel
olarak sergilenmesi tasarımda zarif bir farklılık oluşturabilir ve kent görünümüne olumlu bir katkıda bulunabilir.
Metaforik yaklaşımlar
Şekil 29. Bir metafor olarak deprem, Nunotani Office Building, Peter Eisenman, Tokyo, 1998 (pinterest.com)
4. SONUÇ
Görülüğü gibi, deprem konusunda strüktür tasarımı kadar doğru mimari tasarım da büyük önem taşımaktadır. Bir
bina depreme karşı tüm elemanlarıyla eğilme, bükülme ve kopmayı engelleyebilecek bir biçimde tasarlanmalı
başka bir deyişle esnek fakat sabit kalabilecek bir sistem olmalıdır.
Deprem esnasında ortaya çıkan hasarlar hayatlarımıza çok büyük etki edecek olaylardır. Dolayısıyla mimar
öncelikli olarak depreme dayanıklı ve can güvenliği sağlayacak bir yapı tasarlamayı hedeflemelidir. Hedefler
şöyle özetlenebilir;
-
Önceliği can güvenliğine vererek çeşitli bina elemanlarını temel planlama ve tasarım ilkeleriyle
bütünleştirmek,
Kurallara uygun bir planlama yaparak ve gerekli tasarım değişkenlerini dikkate alarak binanın deprem
performansını maksimuma çıkarmak.
446
IBEES2015, 7-9 May 2015
Burdur-Türkiye
Depreme dayanıklı yapı tasarımının ortaya çıkardığı deprem mimarisi alanında gelişmenin arttırılması için düşey
ve yanal kuvvetleri stabiliteyi bozmadan sönümleyerek zemine aktaran ve tasarım ile bütünleşen taşıyıcı sistem
olasılıklarının geliştirilmesi ve bunların grafik modellemelerinin yapılması, uygun detay çözümü, malzeme ve
işçiliğin sağlanması ve bu konularda ilgili meslek gruplarının bilinçli ve titiz çalışmaları konunun kritikliği
açısından büyük önem taşımaktadır.
KAYNAKLAR
 Bisch, P., 2011. Eurocode 8: Seismic Design of Buildings Worked Examples. JRC Scientific and
Technical Reports, Lisbon.
 Charleson, A., W., and Taylor, M., 2000. Towards an Earthquake Architecture. 12th World Conference
on Earthquake Engineering, New Zealand.
 FEMA, 2006. Designing for Earthquakes, A Manual for Architects. US Department of Homeland
Security, Washington DC.
 Şengezer, S.B, 1999. 13 Mart 1992 Erzincan Depremi Hasar Analizi ve Türkiye’de Deprem Sorunu.
Y.T.Ü. Basın Yayın Merkezi, İstanbul.
 Watson, D., Crosbie, M., J., and Callender, J., H., 1999. Time Saver Standards for Architectural Design
Data. The Reference of Architectural Fundamentals. The McGraw-Hill Companies Inc., USA.
 Şek. 1: http://duplicious.com/wordpress/wp-content/uploads/2010/01/sf1.jpg
 Şek. 2: http://nreionline.com/site-files/nreionline.com/files/archive/nreionline.com/images/Chileapartments-quake_big.jpg
 Şek. 4 http://pubs.usgs.gov/; Progress Toward a safer Future Since the 1989 Loma Prieta Earthquake
 Şek.16 https://www.pinterest.com/mcsherry29/shake-it-up/
 Şek. 22: https://megainsaatvemimarlik.files.wordpress.com/2009/08/42.jpg?w=350&h=284
 Şek. 29: https://www.pinterest.com/eve550/peter-eisenmanarchitect/
447