Depreme Dayanıklı Akıllı Yapılar…

Son yıllarda oldukça sık rastlanan deprem felaketleri kentlerin alt yapılarını önemli ölçüde tehdit etmektedir. Deprem tasarımı yapılmamış veya deprem tasarımına göre inşa edilmemiş köprü, bina ve diğer alt yapı tesislerinin şiddetli deprem etkisi altında geniş çapta can kaybına ve hasara yol açabileceği bilinmektedir. Bu sorun, dünyanın deprem bölgelerinde yer alan tüm ülkeleri endişelendiren evrensel bir sorundur. Deprem mühendisliğinin nispeten yeni bir mühendislik dalı olduğu göz önünde bulundurulacak olursa ve bu alanda elde edilen bilgi birikiminin önemli bir bölümünün yaklaşık son 30 yılda ortaya çıktığı hatırlanacak olursa, alt yapımızı oluşturan milyonlarca yapının depreme karşı yetersiz olabileceği gerçeğini görmek zor değildir. Ağustos 1999 Kocaeli depreminde hasar görmüş bina ve köprü örneklerini göstermektedir.

Depreme karşı yetersiz yapıların tümünün yenilenmesi mümkün olamayacağından, yapısal güçlendirme ve takviye yöntemleri önem kazanmaktadır. Bu yöntemler genellikle yapıların deprem yükü taşıma kapasiteleri ve inelastik deformasyon yeterliliklerini arttırmayı amaçlamaktadır. Çerçeveli binalara ek olarak uygulanan betonarme perde duvarlar, ve gerek dayanımın ve gerekse sünekliliğin arttırılması için kullanılan mantolama tekniği bu tür uygulamalara örnek gösterilebilir. Son yıllarda bu uygulamalara özel cihazlarla yapıların dinamik özelliklerini değiştirme yöntemleri de eklenmiştir. Bu uygulamalar esnek yapılar için kullanılan ve yapı sönümünü arttırmaya yönelik enerji sönümleyici elemanlar ile, rijid yapılarda daha etken olan sismik izolatörlerleri içermektedir.

Yapıları depreme karşı korumayı amaçlayan yöntemler arasına, daha ziyade geleceğe yönelik olarak görülen ve aktif kontrol uygulamasını amaçlayan akıllı yapı tekniği de eklenmiştir. Bu teknik süratle gelişmekte olup elektronik endüstrisinin son yıllarda gösterdiği ilerlemelere paralel olarak uygulamaya konulabilecek düzeye erişmektedir. Depreme dayanıklı akıllı yapı uygulaması ilk olarak Japonya’da uygulanmaya başlamış ve bir kaç bina bu teknoloji ile donatılmıştır.

Akıllı Yapı Zeki Yapı Ayırımı

Enstrümantasyon ve ölçüm teknolojisinin büyük aşamalar kaydettiği zamanımızda yapı güvenliğini ve performasyonunu izlemeyi amaçlayan ölçüm ve veri toplama giderek yaygınlaşmıştır. Bu uygulamalar gerek köprü ve gerekse bina elemanlarındaki fiziksel (gerilim, basınç ve bunlardan kaynaklanan deformasyonlar), termal (ısı ve yalıtım) ve elektrokimyasal (korozyon) değişikliklerin izlenmesini sağlamaktadır. Alınan bilgiler gerek yerel ve gerekse uzak istasyonlara telefonla veya uydu aracılığı ile iletilerek gerekli tedbirlerin alınması sağlanmaktadır. Bu tür bilgi toplama yeteneklerine sahip yapılar kendi bünyelerindeki değişiklikleri anlama, kaydetme ve bildirme özelliklerine sahip oldukları gerekçesi ile zeki yapı olarak tanımlanabilir. Bu tür yapıların topladıkları bilgileri işlemden geçirme ve ortaya çıkan şartrlar çerçevesinde değerlendirme yapmak sureti ile karar verme ve önlem alma özellikleri yoktur. Toplanılan bilgiler, teknik elemanlar tarafından incelenip gerekli önlem stratejisinin saptanması gerekir. Herhangi bir nedenle beklenilenin ötesinde gerilmeye maruz kalmış bir yapı elemanının, yahut aşırı korozyona maruz kalmış bir elemanın bu bilgileri gerekli istasyonlara aktarması zeki yapı örnekleri arasına girer. Bu tür yapıların depremden kaynaklanan ivmeleri ve diğer fiziksel değişiklikleri ölçerek bildirmesi ancak ilerisi için tedbir alma yönünden yararlı olur.

Akıllı yapılar, gerek ölçüm alma ve gerekse topladıkları veriler çerçevesinde düzeltici önlemler alma yeteneklerine sahip yapılardır. Deprem esnasında alınan ölçümlerle deprem yükünün etkisini azaltmayı ve kaldırmayı amaçlar. Akıllı yapılarda önemli olan sadece bilgi toplamak değil, bu bilgiler çerçevesinde yapıyı kontrol etmektir.

Deprem Etkilerinin Kontrolü

Akıllı yapıların depreme karşı kontrolü, yapıların kritik bölgelerine yerleştirilen sensörlerle alınan ölçümlerin gerekli kontrol yüklemelerini harekete geçirerek deprem yüklerini dengelemek veya en aza indirgemek sureti ile gerçekleşir. Kontrol yüklemeleri belli performans kriterlerini sağlayacak şekilde deprem süresince sürekli hesaplanır ve uygulanır. Bu yüklemeler deprem ivmesi verilerine ve yapının deformasyon verilerine bağımlı olarak değişebilir. Sadece deprem ivmesine dayalı uygulanan kontrol yüklemelerine açık devreli kontrol tabir edilir. Sadece yapı deformasyonuna bağımlı kontrol sistemleri ise kapalı devreli kontrol olarak bilinir. Bu iki yaklaşımı birleştirici açık ve kapalı kontrol yöntemleri de kullanılmaktadır. Çok katlı bir binaya uygulanan diagonal kontrol kuvvetlerini şematik olarak göstermektedir. Kontrol kuvvetleri dinamik denge denkleminin çözülmesi ile elde edilir.

Kontrol kuvveti, u(t), genellikle iki şekilde yapıya uygulanır. Bunlardan birincisi ön gerilimli beton endüstrisinde kullanılan yüksek gerilimli çelik demetler ve onlara bağlı hidrolik krikoların harekete geçmesi ile gerçekleşir ve Aktif Demetli Sistem (ADS) olarak isimlendirilebilir. ADS sistemi yüksek gerilimli çelik demetlerin bina yahut köprü açıklıklarına diagonal olarak yerleştirilmesiyle gerçekleştirilir. Çelik demetler ön gerilime tabi tutulduktan sonra servo kontrollu hidrolik krikoya bağlanır. Elektronik ölçüm aletleri ile toplanan veriler yukarıda belirtilen dinamik denge denkleminin çözümlenmesi için gerekli bilgileri oluşturur. Denklem, anında bilgisayar aracılığı ile çözümlenir. Sonuçta elde edilen kontrol kuvvetinin uygulanması için gerekli sinyal servo kontrola gönderilir. Servo kontrol krikonun hidrolik sistemini harekete geçirir ve gerekli kuvvet yapıya uygulanır. Bu tür kuvvet uygulaması yapı mühendislerinin aşina oldukları türde bir diagonal yükleme olup konvansiyonel yapı takviyelerinde sık kullanılır. Bu nedenle tercih sebebidir. Aktif kuvvet uygulamasının değişik bir türü ise kuvvetlerin direk olarak yapı elemanlarına uygulanmasıdır. Bu tür bir uygulama Japonya’da yapılmış ve laboratuvar ortamında çelik çerçeveli bir yapının kolonlarının altına servo kontrollü hidrolik krikolar koymak sureti ile gerçekleştirilmiştir. Gösterilen bu uygulama depremden kaynaklanan ve kolonlara gelen atalet momentlerinin kontrol kuvvetlerince dengelenmesini amaçlamıştır ve başarı ile sonuçlanarak deprem deplasmanlarını büyük ölçüde küçültülmüştür.

Ykinci uygulama türü ise yapıya ek kütleler koyarak yapı sönümünü artırmayı öngörür ve Aktif Kütle Sönümleyicisi (AKS) olarak tanımlanabilir. Bu tür uygulamada oldukça büyük kütleler binaların üst katına yerleştirilir. Bu kütleler bulundukları ortamda kaymaya müsaittir ve sürtünmenin azaltıldığı bir yüzeye yerleştirilerek hidrolik krikolar ve yaylı sistemler aracılığı ile binaya bağlanır. Deprem esnasında hidrolik krikoların etkisi ile harekete geçirilerek binaya kuvvet etkiler ve binanın sönümlenmesini sağlar. Bu tür bir teknolojinin Japonya’da 43 katlı çelik konstrüksiyon taşıyıcı sistemli bir otel binasına uygulanması da gösterilmiştir. Deprem ivmesinin ve bina deplasmanlarının deprem esnasında ölçülerek yukarıda verilen dinamik denge denklemine veri oluşturması ve sönümleme için gerekli kuvvetlerin hesaplanarak ek kütleye uygulanması sureti ile bina depreme karşı korunur.

Yukarıda kısaca tanıtılan iki aktif kontrol yöntemi Amerikan-Japon işbirliği ile kıyaslamalı olarak laboratuvar çalışmaları aracılığı ile geliştirilmektedir. Bu amaçla inşa edilen 6 katlı model bir bina laboratuvar ortamında simüle edilen 1940 El Centro depremine tabi tutularak denenmiştir. Bu şekilden de görüleceği gibi aktif konrol uygulaması depremden kaynaklanan bina yatay deplasmanını büyük ölçüde azaltmayı başarmıştır.

Halen araştırma sürecinde olan depreme dayanıklı akıllı yapılar, çözümlenmesi gerekli bazı problemlerle karşı karşıya bulunmaktadır. Bunlardan başta geleni reaksiyon zamanının kısaltılmasıdır. Verilerin toplanması, bilgisayara aktarılıp kontrol kuvvetlerinin hesaplanması, servo valfe sinyal gönderilerek hidrolik sistemin çalıştırılması ve krikoların gerekli kuvveti uygulaması kaçınılmaz bir zaman kaybına yol açmaktadır. Bu zaman kaybı her ne kadar yüksek periyotlu yapılarda, ki bunlar yüksek binaları, özellikle çelik konstrüksiyonu ve köprüleri içerir, problem yaratacak mertebelere gelmese de, kısa periyotlu alçak ve rijid yapılarda önemli mertebelere erişebilir. Diğer bir sorun ise deprem esnasında gerekli elektrik akımının sürekliliğidir. ?iddetli bir depremde elektriklerin kesilmesinin önlenmesini ve kontrol için gerekli her türlü elektronik donanımın fonksiyonelliklerini yitirmemelerini garanti etmek çok güçtür. Aynı zamanda sistemin sürekli bakım altında bulundurulması ve olası bir depremde çalışmaya hazır tutulması gerekmektedir.

Yukarıda belirtilen genel sorunların yanı sıra, yapı davranışı ve türü ile ilgili aşılması gerekli çeşitli sorunlar araştırma projelerine konu olmaktadır. Bunlardan bir tanesi akıllı yapı tekniğinin ülkemizdeki yapıların çoğunluğunu oluşturan betonarme yapılara uygulanmasıdır. Bu konuda Kanada’nın Ottawa Üniversitesinde başlatılmış bir araştırma projesi sürdürülmektedir. Betonarme yapılarla ilgili çıkabilecek özel sorunlar aşağıdaki bölümde özetlenmiştir.

Betonarme Yapıların Deprem Davranışı

Ülkemizdeki yapıların büyük çoğunluğunu oluşturan betonarme yapılar rijid özellik gösterirler. Çerçeveli ve perde duvarlı yapılar olarak tasarlanan betonarme binalar ile çok sayıda prefabrike ve ön gerilimli beton elamanlarını içeren köprüler, çelik ve ahşap yapılara kıyasla daha küçük deplasmanlar gösterir.

Elastik rijitlikleri oldukça fazladır ve daha fazla yük taşımaya zorlandıklarında, tasarım özelliklerine bağlı olarak ya gevrek davranış özellikleri gösterip ani olarak kırılabilirler, veyahut sünek bir davranış ile maruz kaldıkları yükü artan deformasyonlar eşliğinde karşılamaya devam ederler. Bu nedenle, uygulanması söz konusu olan aktif kontrol yöntemlerinde betonarmenin ilk etapta göstereceği rijid davranış göz önünde tutulmalıdır. Deplasman ölçümüne dayalı bir kontrol sistemi harekete geçmeye fırsat bulamadan düzeltilmesi güç hasarların yaratılmasına yol açabilir. Artan deprem yükü altında aşılan elastik sınırlar, betonun düşük birim gerilmeler altında çatlamasına yol açar. Her ne kadar beton çatlama sınırının aşılması ile ortaya çıkan yumuşama, elastik rijitlikte yaklaşık % 70 lere varan bir azalmaya yol açarsa da, ortaya çıkan deplasmanlar oldukça küçük mertebelerde olmaya devam eder. Ancak donatının akması ile başlayan inelastik davranış altında deformasyonlar yüksek mertebelere erişir. Deprem yüklerine karşı tasarımı yapılmış yapılar sünek bir davranış ile dayanımlarında önemli bir düşme olmaksızın plastik deformasyonlarını arttırırlar. Bu tür sünek yapılarda deplasman ölçümlerine dayalı deprem kontrolü yapmak kolaylaşır. Fakat, esas amacın depreme karşı tasarımı yapılmamış ve gevrek kırılma özellikleri gösteren yapıların kontrolü olduğu hatırlanacak olursa, bu tür yapılarda prematüre olarak taşıma güçlerin yitirilebileceği tehlikesi ortaya çıkar. Bu nedenle, kontrol için gerekli deformasyon ölçümlerinin birim şekil değiştirme (birim gerilme ve kısalma) mertebesinde yapılarak düzeltici yüklerin deplasmanların fazla artmasını beklemeden uygulanması doğru olur. Eleman bazında ölçülen birim şekil değişmeler, eleman ve yapı rijitliğinin hesaplanmasında ve bazı varsayımlar kullanarak yapı deplasmanlarının tahmininde kullanılarak kontrol kuvvetlerinin depremin hemen başlangıcında uygulanması sağlanabilir. Eğer uygulanacak kontrol kuvvetleri yapıyı elastik limitler içinde tutmakta yeterli olamazsa, korumanın elastik limitler ötesinde de sürdürülmesi gerekmektedir. Bu nedenle daha önce verilen dinamik denge denkleminin sürekli değişen rijitlikler eşliğinde çözülmesi gerekir. Bu da yapının dinamik inelastik analizini gerektirir. Bu tür analizde önemli olan noktalardan bir tanesi ise yapı elemanlarının inelastik deprem yükleri altında davranışlarının modellenmesidir. Özetle, betonarme yapıların aktif kontrol yöntemi ile depreme karşı korunabilirliği, ölçümlerin birim şekil değiştirme bazında yapılmasıyla ve inelastik eleman davranışının gerekli ihtimamı göstererek modellenmesi ile gerçekleşebilir.
Yapıları depremden korumayı amaçlayan akıllı yapı tekniği son yıllarda yapılan araştırmalar ve bilgisayar teknolojisindeki atılımlarla süratle gelişmektedir. Japonya’da deneme amaçlı birkaç uygulamanın dışında henüz kullanımı yaygınlaşmamış olan bu teknoloji gelecekte depreme karşı korunma yöntemlerinden biri haline gelebilir. Halen aşılması gerekli çok sayıda engelin olmasına rağmen analitik ve laboratuvar çalışmaları bu teknolojinin başarı ile uygulanabileceğini kanıtlamıştır.

Kaynak: Best Dergisi Sayı 11, Mayıs 2002