Yapısal binalar genel olarak düşey ve yatay yükleri karşılayan üç boyutla çerçeve ve/veya perdeli sistemlerden oluşur. Yüklerin aktarımı ise her ne kadar üç boyutlu taşıyıcı sistemlerin beraber çalışması esasına göre tasarlansa bile bunu düşey taşıcılar yatay taşıyıcılar ve temel olarak sınıflandırabiliriz. Düşey taşıyıcılar temel ile her yükselen kat arasında süreklilik arz eden kolon ve perdeler vasıtası ile aktarılırken, yatay yükler döşemelerden diyafram elemanları adı altında sınıflandırabileceğimiz döşeme, tali kiriş ve ana kiriş vasıtası ile kolona ve perdeye ve son olarak bodrum perdesine ve temele aktarım yapan elemanlar vasıtası ile aktarılır.
Dış-Destek Taşıyıcı Sistemdeki Rolü
Dış-destek sistemi, yatay yükleri (rüzgar, deprem vs.) kuvvet çiftine dönüştürerek çevre kolonlara yayan bir nevi yüksek kiriş görevi görmektedir.
Şekil 2.5. Dış-Destek Elamanlarının Temel Yük Diyagramı [16]
Kullanılabilir Dış-Destek Malzeme Tipleri
Dünyada en yaygın şekilde kullanılan dış destek (outrigger) sistemleri, çoğunlukla rüzgar yüklerine karşı yapının rijtiliğini arttırarak konfor ivmelerini öngörülen sınırlar içine çekmekte; tepe deplasmanlarını ve yapı göreli kat ötelenmelerini azaltmakta faydalanılmaktadır. Ayrıca yapısal olamayan elemanlarda oluşabilecek hasarları minimize etmek içinde kullanılabilmektedir. Yapının belli katlarında (özellikle mekanik katlarda) teşkil edilen bu sistemler, geleneksel çelik taşıyıcılardan (Şekil 2.6), betonarme derin kirişlerden (genellikle bir kat derinliğinde) (Şekil 2.7) ve yeni yeni burkulması önlenmiş çaprazlardan (Şekil 2.8) oluşturulmaktadır.
Şekil 2.6. Geleneksel Çelikten dış-destek (outrigger) [10]
Şekil 2.7. Betonarmeden dış-destek (outrigger) [10]
Şekil 2.8. Burkulması Önlenmiş Çaprazdan dış-destek (outrigger) [12]
Dış-Destek Lokasyonu (Yerleşimi)
Dış-destek sisteminin verimli (efektif) ve maksimum performansta çalışabilmesi için bina yüksekliği boyunca nerelere yerleştirileceği, plandaki aks yerleşimi (lokasyonu), makas derinliği ve birincil yapı malzemesi vb. hususlar önem arz etmektedir. Şekil 2.9’da görüleceğe üzere örnek basit bir düzlem çerçeve çalışmasında, dış-destek sisteminin bina yüksekliği boyunca yerleşimi ve adedinin çokluğu ve azlığı göreli kat ötelenmelerine etkisi oransal değerlerle basitçe ifade edilmiştir. Unutulmamalıdır ki bu Şekil 4’de görülen değerler projenin özelliklerine göre değişme göstereceği muhakkaktır. Fakat bir fikir vermesi açısından etkili bir örnek olup, ülkemizde de bu sistemin üzerinde ciddi araştırmalar yapılmasını göstermektedir.
Şekil 2.9. Dış-destek lokasyonu ve göreli kat ötelenmelerine etkileri [10]
Şekil 2.10. Dış-destek lokasyonu için Denenmiş Optimum Oransal Yerleşim Ölçülerine Örnekler [12]
Dış-Destek Sisteminin Faydaları
Bir dış-destek sisteminin genel olarak yapı bazında faydaları aşağıda madde madde sıralanmıştır.
A) Yapının tepe deformasyonunu ve katlar arası meydana gelen göreli kat ötelenmelerini azaltmaktadır. Merkezi çekirdek perde-çerçeve sistemi veya sadece perdeli bir yapıda dış-destek sistemi çevre kolonlarını tutarak, yapı devrilme momentleri altında yapının deformasyonunu ve üst katlardaki yatay deformasyonları azaltır. Yüksek bir binada dış-destek’li bir sistem, basit konsollu sisteme göre devrilme momentleri altında deformasyonu %40 azalttığı gözlenmiştir. Aynı zamanda dış-destek sistemin ve çekirdek perdenin rijitliğine bağlı olarak göreli kat ötelenmeleri de önemli derecede azaltma sağlayabilmektedir. Çevrede mega kolonların olduğu çok yüksek binalarda bu değer %60’ları bulabilmektedir.
| Dış-destek var iken çekirdek perde momenti |
| Dış-destek yok iken çekirdek perde momenti |
Şekil 2.11. Dış-destek var iken ve yok iken çekirdek perde devrilme momentlerinin değişimi
B) Yapının ana taşıyıcısı olan ve nerede ise yatay yüklerin tamamını karşılayan çekirdek perdenin temele aktardığı ve kendisinin taşıdığı yatay yükleri azaltıcı yönde etki etmektedir. Ayrıca bu yüklerin temel üzerinde düzgün dağılmasına yardımcı olmaktadır.
C) Özellikle konsol davranış gösteren narin yapılarda perde ile çerçeve elemanların birlikte verimli (efektif) çalışmasını sağlayarak yapının uygulanmasına ve çekirdek perde betonunda ekonomik tasarıma olanak sağlamaktadır.
D) Herhangi bir elemanın ani göçmesini dikkate alan projelerde dış-destek sistemi alternatif yük transfer yolu sağlayabilmektedir. Örneğin, bazı çevre kolonları dış-destek elemanları tarafından tutulduğu için herhangi bir göçen tali kolonun yükleri çevre kirişlerin yardımı ile bu göçen kolonun yükleri çekme kuvveti oluşturarak dış-destek elamanı bağlı kolonlara asılır ve bu yük perdeye transfer edilebilir.
E) Mimari görsel etkilerin olumsuz yönde etkilenmemesini ve kullanılabilir alan kaybının minimumda tutulabilmesini sağlaması açısından, bu sistemler en fizibıl çözümler üretmektedir.
Çevre kolonların aks açıklıklarının için değişik varyasyona izin verirler. Böylelikle daha estetik çözümler üretilebilmektedir. Çok yüksek binalarda çevrede az mega kolon olabilir. Bu durum cephe sisteminde daha esnek, estetik ve mimari anlatıma olanak sağlar. Mega kolonların yerleşimi ve adedi tipik çerçeve ve plan oluşturulmasına, geniş kolon açıklıkları yapılmasına etki eder.
Dış-Destek Sisteminin Olumsuz Etkileri
Bir dış-destek sisteminin genel olarak yapı bazında faydaları aşağıda madde madde sıralanmıştır:
A) Dış-destek sisteminin bastığı kolonlar, geleneksel olarak tasarlanan kolonlardan daha fazla eksenel yük almaktadır. Bu durum kolon ve perde arasında farklı eksenel kısalmalara sebep vermektedir; bunun sonucunda ikincil kesit tesirleri oluşmaktadır ve büyük kesit ebatları ortaya çıkmaktadır.
B) Belli katlarda kullanılan bu sistem diğer katlara oranla daha rijit davranacağından katlar arası rijitlik düzensizliği oluşmaktadır. Diğer bir deyişle bu katlar kritik katlar olarak şekillenecektir. Bu katlarda ani yük değişimleri meydana geleceğinden transfer katları oluşturulması gerekecektir.
C) Oluşacak ani ve düzensiz yüklerin, güvenli bir şekilde transfer edilebilmesi için projenin özelliklerine göre özel birleşim detayları üretilmesi önem kazanacaktır.
Bu sebeplerden dolayı uygulama zorlukları, geleneksel imalat metotlarından farklı özel uygulama teknikleri gerektireceği, yüksek kalitede malzeme ihtiyacı doğacağı ve özellikle ülkemizde yaygın olarak kullanılmaması yüzünden tecrübe eksikliği gibi ciddi sorunlar barındırmaktadır.
Analiz Metodu
Yüksek Bir Yapıya Etkiyen Yükleri
Düşey Yükler
Sabit ve hareketli yükler
Yatay Yükler
Rüzgar ve deprem yükleri
Yük Yolu
Şekil 2.12. Dış-Destek Yok iken ve Var iken Yük Yolu [12]
Sonlu Eleman Yöntemi
Günümüzde özellikle yüksek yapılarda yatayda ve düşeyde düzensizlik bulunmayan bir taşıyıcı sisteme rastlamak pek mümkün değildir. Hemen hemen tüm yapılar ya yatayda düzensiz yahut hem yatayda hem de düşeyde düzensiz yapılardır. Bu duruma realistik bir şekilde bakıldığında transfer katlarının, diyafram ve düşey taşıyıcılara aktarılan kuvvetlerin hesaplanabilmesinde bilgisayar yardımı olmadan doğru bir sonuç alınamayacaktır. Bu sadece basit bir döşemeden aktarılan kuvvetlerde değil, podyum ve zemin katı gibi aşırı yük transferlerinin olduğu katlarda hesaplanacak kuvvetlerde de geçerlidir. Ayrıca büyük şaftların olduğu döşemelerin şaft kenarlarında biriken gerilme yığılmalarının ve bu gerilme ve kuvvetlerin aktarılması hesabında, katlar arası diyafram kuvveti aktaran rampaların üzerindeki kuvvetlerin hesaplanmasında ve günümüzde sıkça karşılaşılan düzgün olmayan geometrideki mimari döşemelerde oluşan transfer kuvvetlerinin de bilgisayar tabanlı programlar yardımı ile hesaplanması bir gerekliliktir.
Sonlu eleman yönteminde rijit özellikli tanımlanan diyaframda kuvvetler mesnet bölgelerinde pik değerler yapabilirler. Bu değerler realistik olmamakla birlikte normalize edilerek kullanılmalıdırlar. Ancak çatlamış kesit rijitlikleri ve yarı rijit (semi rigid) özellikler diyafram için tanımlandığında mesnet bölgelerinde pik değerlerden çok daha normal ve dizayn için kullanılabilecek değerler ile karşılaşılır.
Daha önce de belirtildiği üzere podyum ve zemin kat katlarda aşırı yük transferlerinin olmaktadır. Bu katlarda aktarılan kesme kuvvetleri, diyafram rijitliği ile doğrudan ilişkilidir. Bu katlardaki diyaframlara aktarılan kuvvetler mevcut düşey taşıyıcılar ile sisteme bu katta eklenen bodrum perdelerine birlikte dağılır. Diyafram rijitliği ne kadar azalırsa bodrum perdelerine aktarılan kuvvetler bu oranda azalma gösterebilir. Diyaframdaki döşeme ve kiriş sisteminin, bu kuvvetleri sağlıklı bir şekilde sistemdeki tüm düşey taşıyıcılara ve bodrum perdelerine aktarması için tasarımın ve boyutlandırma gerekli şekilde yapılmalıdır. Yapı üzerinde bulunan sismik kuvvetlerin zeminde bulunan diyaframa aktardığı kuvvetler, zemin ile temel arasında bir destek etkisi ile karşılanır. Literatürde bu sistem destek etkisi (backstay effect) adı ile anılmaktadır. Bu destek etkisi zemin üzerinde sismik kuvvetlerden dolayı oluşan devrilme momentlerini karşılayan bir karşı momenttir. Bu moment zemin katta ve temel seviyesinde oluşan kuvvet çifti ile karşılanır.
Şekil 2.13. Zemin kat diyaframının devrilmeye karşı tepkisi (backstay effect) [17]
Şekil 2.13 da yapının zemin üzerindeki sismik kuvvetlerden dolayı oluşan devrilme momentini karşılayan ve zemin ile temel arasındaki kuvvet çifti şematik olarak gösterilmiştir.
Bu bölümde yukarıda bilgisi verilen ve detayları anlatılan dış-destek (outrigger) elemanları ile ilgili sayısal örnek yapılacaktır.
Çok Katlı Yüksek Bir Binada Dış-destek (Outrigger) Elemanın Yapıya Etkisinin İncelenmesi
Ülkemizin çok riskli deprem bölgesinde olduğu düşünüldüğünde bu tarz sistemlerin deprem etkisi altında nasıl davranacağı pek bilinmemektedir.
Bu çalışmada, deprem yükleri altında farklı yerleşim formları denenerek, dış-destek (outrigger) sistemlerinin yapı genelinde ve ana elemanlarda meydana getirdiği değişiklikler incelenmiştir. Depreme kaşı kullandığımız bu sistemin, yapı elemanlarında oluşturacağı etkileri (eksenel yük, moment, kolon kısalmaları vb.) kontrol edebilmek için, dış destek elemanları çekme ve basınç altında aynı davranışı gösterebilen burkulması önlenmiş çelik çaprazlardan (BRB) (buckling restrained brace) teşkil edilmiştir (bkz. Şekil 5 ve Şekil 6).
Şekil 3.1. Burkulması önlenmiş çapraz (BRBF) ve gelenksel çelik çapraz (CBF) iskelet eğrisi karşılaştırması (Deneylerden)
Burkulması Önlenmiş Çapraz (BRB)
BRB’yi Perform 3d’nin BRB inelastik eleman modeli ile, modellenmesi. BRB’nin iskelet eğrisi Şekil 4.19 göre modellenmiştir ve bu sırada Ry =1.1, w= 1.10 ve b= 1.10 alınmıştır. Şekil 4.21 Perform giriş (input) datasının BRB tanımlama ekran görüntüsünü göstermektedir. Şekil 4.22 ise uçlarına elastik eleman bağlı Sargılı (compound) eleman tanımlamasını göstermektedir.
Şekil 4.25. Burkulması Önlenmiş
Çapraz iskelet eğrisi
Şekil 3.2. Burkulması Önlenmiş Çapraz için Model Diyagramı
Burkulması Önlenmiş Çapraz (BRB) Etabs Modellemesi
Şekil 3.3. Burkulması Önlenmiş Çapraz Etabs Girdisi (INPUT)
Yapı Genel Bilgisi
- Kat adedi : 39
- Kat yüksekliği : 4.00 m
- Dış-destek adedi : Planda 4, Kesitte 2
- Bina yüksekliği : 156.00 m
- Perde narinlik oranı : 19.5 (Narinlik Oranı/Aspect ratio)
Yapının tüm yatay kuvvetlerini, çekirdek perde ve dış-desteğin bağlandığı kolonların taşıyacağı şekilde tasarlanmıştır. Çalışma üç tip bina üzerinde karşılaştırma yapılarak sonuçlandırılmıştır. Birinci bina geleneksel yapı (GY) olarak, ikinci (TP-A) bina ise geleneksel yapıYA (GY) dış destek elemanlarının eklenmiş halidir. Modeller oluşturulurken katların rijit diyafram çalıştığı kabul edilmiş ve membran eleman olarak modellenmiştir. Döşeme kalınlığı 25 cm seçilmiştir. Kolonlar ve çevre kirişleri çubuk (frame), perdeler ise kabuk (Shell) elemanlar olarak modellenmiştir. Perdeler birbirlerine yüksekliği 80 cm olan bağ kirişleri ile bağlanmıştır. Çerçeve kirişleri ise yüksekliği 70cm, eni 100 cm ebatlarında seçilmiştir. Bu kirişler çubuk (frame) eleman olarak modellenmiştir.
Her üç bina için kullanılan çatlamış kesit rijitlikleri aşağıdaki gibidir;
Tablo 3.1. Kullanılan Çatlamış Kesit Rijitlikleri
Taşıyıcı Sistem Geometrisi ve Kesit Ebatları
Şekil 3.4. (GY) Binası 3B Etabs Görüntüsü
Şekil 3.5. (TP-A) Binası 3B Etabs Görüntüsü
Şekil 3.6. (GY) Normal Kat Planı
Şekil 3.7. (TP-A) Normal Kat Planı
| Dış-Destek (Outrigger) |
Şekil 3.8. Planda Dış Destek Lokasyonları
Şekil 3.9. Kesitte Dış Destek Lokasyonları
| ——– D=70 cm & CB70X80 ——– D=50 cm & CB50X80 ——– D=30 cm & CB30X80 |
Şekil 3.10. (GY) ve (TP-A) Binaları Perde ve Bağ Kirişi Ebatları
Şekil 3.11. (GY) Binası Kolon Pozları
Tablo 3.2. (GY) Binası Kolon Ebatları
Şekil 3.12. (TP-A) Binası Kolon Pozları
Tablo 3.3. (TP-A) Binası Kolon Ebatları
Malzeme
Beton
Karakteristik Basınç Dayanımı : 40.0 MPa
Karakteristik Beton Elastisite Modülü : 36000 MPa
Poisson’s oranı : 0.2
Kayma Modülü : 15000 MPa
Donatı
Karakteristik Akma Dayanımı : 420 MPa
Çelik Elastisite Modülü : 200000 MPa
Burkulması Önlenmiş Çapraz (BRB)
Karakteristik Akma Dayanımı : 345 MPa
Karakteristik Kopma Dayanımı : 445 MPa
Çelik Elastisite Modülü : 200000 MPa
YAPIYA ETKİYEN YÜKLER
Zati Yükler
Yapı elemanlarının zati yükleri program tarafından otomatik olarak hesaplanmaktadır.
Kaplama Yükleri
- Normal Kat ve Kat Ortak Kullanım Alanları;
Kaplama + Mekanik + Tesisat + Duvar g = 2.50 kN/m2
Hareketli Yükler
- Normal Kat ve Kat Ortak Kullanım Alanları;
Hareketli Yük q = 3.50 kN/m2
Deprem Yükleri
DD2 Deprem Seviyesi Spektral İvmeler (SS; S1) :
SS = 1.125
S1 = 0.277
Zemin Tipi: D
Zemin Etki Parametreleri (FS; F1):
D tipi zemin için;
FS = 1.000
F1 = 1.748
Taşıyıcı Sistem Davranış Katsayısı (R):
R = 1.00
Hareketli yük katılım katsayısı (n):
n = 0.30
Bina Önem Katsayısı ( I )
I = 1.00
Şekil 3.13. DD2 Deprem Düzeyi %5 Sönümlü Elastik Tasarım İvme Spektrumu
SONUÇLAR
İlerleyen sayfalarda, dış-destek elamanları ile teşkil edilen ve edilmeyen 2 tip binanın temel analiz sonuçları sunulmuştur. Bu temel analiz sonuçları, yapı periyotları, kat kesme kuvvetleri, yapı devrilme momentleri, yapı tepe deplasmanları ve göreli kat ötelenmelerinden oluşmaktadır. Sonuçlarda görüleceğe üzere, narin bir yapıda dış-destek kullanımı, yapı için; bu tezin önceki sayfalarında belirtilen; avantajlar ve dez-avantajlar oluşturmaktadır.
Tablo 4.1. Seçilen yapıların genel sonuçlarının karşılaştırılması
Modlar ve Mod Şekilleri
Şekil 4.1. (GY) Binası Mod Şekilleri
Tablo 4.2. (GY) Binası Modal Kütle Katılım Oranları
Şekil 4.2. (TP-A) Binası Mod Şekilleri
Tablo 4.3. (TP-A) Binası Modal Kütle Katılım Oranları
Göreli Kat Ötelenmeleri
Şekil 4.3. (GY) ve (TP-A) Binaları Göreli Kat Ötelenmeleri (m/m)
Kat Yatay Deplasmanları
Şekil 4.4. (GY) ve (TP-A) Binaları Göreli Kat Deplasmanları (m)
Çekirdek Perde Kat Kesme Kuvvetleri
Şekil 4.5. (GY) ve (TP-A) Binaları Çekirdek Perde Kesme Kuvvetleri (kN)
Perde Devrilme Momentleri
Şekil 4.6. (GY) ve (TP-A) Binaları Çekirdek Perde Devrilme Momentleri (kN.m)
Kolon Ekesenel Kuvvetleri
Şekil 4.7. (GY) ve (TP-A) Binaları C14 Pozlu Kolon Eksenel Kuvvetleri (kN)
DEĞERLENDİRME
Bu çalışmada, dış-destek sisteminin özellikle yüksek yapılarda tarihi gelişimi ve zaman içerisinde bu sistemle ilgili oluşan kilometre taşları sunulmuştur. Dış-destek teorisi, konsepti ve optimum topolojisi ve mühendislik uygulaması hızlı ve kolay bir referans sağlamak için kısaca açıklanmıştır.
Sürekli bir gelişim
içerisinde olan yüksek yapılar, tüm içeriği ile gelişen teknolojisi, günümüze
kadar gelen süreçte tasarım açısından birtakım sorunlarla karşılaştığı göz
önüne alınırsa, özellikle son yıllarda yurdumuzda
artan yüksek yapı inşaatları açısından; olası narin düzensiz yapılar için; alternatif
bir çözüm olarak dış-destek elemanları kullanılabilir. Bu çalışmada, genel
olarak statik tasarımcıya ve mimara, geleneksel taşıyıcı sistme dışında
alternatif taşıyıcı sistemlerinin var olduğunun bilgisi işlenmişti. Ve bir
örnek ile bu alternatiflerden biri olan dış destek elamanlarının tipik bir
analiz çalışması yapılmıştır.
KAYNAKLAR
- K.L. Chang , C.C. Chen (2008) “ Outrigger System Study For Tall Building Structure with Central Core and square Floor Plate”.
- Goman W. M. Ho (2016) “ The Evolution of Outrigger System in Tall Building”.
- Kiran Kamath,N. Divya and Asha U Rao (2012) “Optimum Positioning of Outrigger to Reduce Differential Column”.
- American Society of Civil Engineers ASCE (2016) “Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures (ASCE/SEI 7-16)” , Reston, VA.
- Pallavi Sao, B.H.V. Pai (2017) “Static Analysis and Optimization of Outriggers in Tall Building”.
- Naeim F, Boppana R R, “Seismic Design of Floor Diaphragms”, Los Angeles, California
- Kiran kamath, Avinash A.R. and S. Upadhyaya(2014) “A Study on the performance of multi-outrigger structure subjected to seismic loads”.
- Los Angeles Tall Buildings Structural Design Council (2017) “ An Alternative Procedure for Seismic Analysis and Design of Tall Buildings Located in the Los Angeles Regıon”.
- Council on Tall Buildings and Urban Habitat (2008) “Recommendations for the Seismic Design of High-rise Buildings”
- CTBUH Technical Guides “Outrigger Design for High-Rise Buildings”
- Pacific Earthquake Engineering Center “Tall Buildings Initiative, Guidelines for Performance-Based Seismic Design of Tall Buildings”
- Çevre ve Şehircilik Bakanlığı (2018) “Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği”
- Bungale S. Taranath “Wind and Earthquake Resistant Buildings”
- Applied Technology Council “Workshop on tall building seismic design and analysis issues”