Çelik Levha Perdeli Yapılar

Yapılarda rüzgar ve depremin sebep olduğu yatay yükleri taşıtmanın çeşitleri yöntemleri vardır. Çelik yapılar için bu yöntemlerden en bilinenleri çelik çaprazlı çerçeveler, kolon-kiriş birleşimlerinin moment aktaracak şekilde tasarlandığı rijit çerçeveler veya betonarme perdeli çerçevelerdir. Son yıllarda bu bilinen yöntemlere alternatif teşkil edebilecek kadar dikkat çeken bir sistem çelik levha perdeli çerçeve sistemlerdir. Bu sistemde çelik levha perdeler bir kat yüksekliğinde ve bir açıklık genişliğinde imal edilip, bina çerçevesi içerisine düşey olarak yerleştirilmekte ve levhayı çevreleyen kiriş ve kolonlara bağlanmaktadır (Fotoğraf 1). Bu yerleşim şekli temel üst kotundan itibaren bina yüksekliği boyunca her katta tekrarlanır.

Çelik levha perdeli sistemlerin oluşturulması için çelik levha ile bu levhaların bağlanacağı kolonlar ve kirişlere gereksinim vardır (Şekil 1). Levhalar kaynaklı ya da bulonlu birleşimlerle çevre kolon ve kiriş elemanlara her katta tespit edilir. Bu şekilde her katta dörtkenarı basit mesnetli çelik levha panellerden oluşan bir sistem oluşturulmuş olur. Şekil 2’te klasik çapraz elemanlı uygulamalar ile levha perde düzleminde açılabilecek pencere ya da kapı boşlukları oluşturulması açısından klasik çapraz sisteme karşılık gelen çelik levha perde uygulama şekilleri gösterilmiştir. Görüldüğü gibi levha üzerinde kapı/pencere boşluğu açılması söz konusu ise levha üzerine tespit edilen berkitme elemanları ile boşluğun sebep olduğu rijitlik kaybı karşılanmaktadır.

Çelik levha perdeli sistemler ile uygun tasarım kriterlerinin kullanılması halinde depremlerde oldukça iyi davranış gösterebilecek, sünek, ekonomik ve fonksiyonel sistemlerin elde edilmesi mümkündür (Driver, R.G., Kulak, G. L., Kennedy, D.J.L. ve Elwi, A.E.).

    Çelik levhalı perde sistemlerin olumlu yönleri aşağıdaki gibi sıralanabilir (Abolhassan Astaneh-Asl,):

1- Uygun tasarlanıp, detaylandırılmış çelik levha perdeli sistemlerin yeterli düzeyde sünekliği ve depremin enerjisini sönümleme kapasitesi vardır.

2- Çelik levha perdeli sistemlerin başlangıç rijitliklerinin yüksek olması nedeniyle kat ötelenmelerinin etkili bir şekilde kontrol edilmesi mümkündür.

3- Kalınlıklarının az olması nedeniyle daha az yer kaplarlar, mimariyi olumsuz yönde etkilemezler.

4- Betonarme perdelerle karşılaştırıldığında oldukça hafiftirler böylece kolonlara ve temellere daha az yük aktarılır, yapı daha hafif olacağından gelen deprem yükleri de azalır.

5- Yapımları kolay, imalatları hızlıdır. Beton dökmenin zor olduğu iklim koşullarına uygundur.

Çelik levha perdeli sistemler, 1970’li yıllardan bu yana Amerika Birleşik Devletleri, Kanada ve Japonya başta olmak üzere çok katlı yapılarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu süre içerisinde çelik levha perdeli yapılar şiddetli depremleri hasarsız ya da çok küçük çaplı sayılabilecek hasarlarla atlatmışlardır. Kaynaklarda çelik levha perdeler kullanılarak inşa edilen ilk önemli yapı olarak Tokyo’da 1970 yılında tamamlanan 20 katlı Nippon Steel binası anılmaktadır. Bu yapıda yatay yükler binanın uzun doğrultusunda moment aktaran çerçevelerle birlikte çelik levha perdeler ile taşıtılırken kısa doğrultuda sadece çelik levha perdeler kullanılmıştır (Şekil 3).

    Çelik levha perdeler kullanılarak inşa edilen 6 katlı Kaliforniya Sylmar hastane binası, sistemin şiddetli bir depremde sergilediği performansa iyi bir örnektir. Bu bina 1971 yılında San Fernando depreminde yıkılan betonarme karkas Olive View Hastanesi’nin yerine inşa edilmiştir. Yapım sonrası kritik noktalarına çeşitli deprem ölçüm aletleri yerleştirilmiş olan Sylmar hastane binası 1987 Whittier ve 1994 Northridge depremlerinde önemli iki sınav atlatmıştır. Ölçüm aletleri verilerine göre çatı katındaki ivmeler 2.3g ye ulaşmış, yer ivmesi de 0.66g olarak ölçülmüştür. Depremler sonrası yerinde yapılan incelemelerde asma tavan, sprinkler sistemi gibi yapısal olmayan elemanlarda hasar gözlenmiştir. Yapısal olmayan bu hasarlar yapının çok yüksek bir rijitliğe sahip olduğunun işaretidir (Çelebi, 1997). 

Çelik levha perdeli sistemlerin çok katlı çelik yapılarda kullanılması yakın sayılabilecek bir sürede geliştirilen bir tekniktir, ancak teorik temelleri 1960’ lı yıllara dayanır (Basler, K. ve Thurlimann, B.). Yapılan deneysel ve teorik çalışmalar çelik levha perdeli sistemlerin depremlerde sünek davranış gösterebilecek, ekonomik ve fonksiyonel sistemler olduğu yönündedir.

    DAVRANIŞ ve TASARIM

Çelik levha perde sistemli bir çerçevenin yatay deprem/rüzgar yükleri altındaki davranışı gövde levhası berkitilmiş yüksek gövdeli çelik kirişin düşey yükler altındaki davranışına eşdeğerdir. Dikey yerleştirilmiş yüksek gövdeli çelik kirişe benzer şekilde çalışan sistemde kenar kolonlar yüksek gövdeli kirişin başlık levhaları, kat kirişleri de yüksek gövdeli kirişin gövdesindeki düşey berkitme elemanları olarak göz önüne alınabilir (Şekil 4). Bilindiği gibi düşey yükler altındaki yüksek gövdeli kirişin hesabında göz önüne alınan en önemli davranış biçimi gövde levhasının kesme kuvvetleri altındaki davranışıdır. Bu kuvvetlerden doğan gerilmeleri karşılayacak gövde levhasının genellikle narin bir levha olması sebebiyle üzerine belirli aralıklarla berkitme elemanları tespit edilir ve böylece kiriş gövdesi dört kenarı basit mesnetli daha küçük panellere bölünmüş olur. Şekil 5’da bu tip bir panelin kayma gerilmeleri altındaki davranışı gösterilmiştir. Panel, kayma gerilmelerinin artması ile birlikte öncelikle elastik burkulmaya maruz kalacak ve bunu takip eden burkulma sonrası yükleme seviyelerinde şekilde de gösterilen diagonal çekme alanı etkisi ile daha fazla yük taşıyabilecektir. Çelik levha perdelerin tekrarlı yatay yükler altındaki dayanım, süneklik ve çevrimsel davranışı üzerine yapılan analitik ve deneysel çalışmalar bu etkinin önemli seviyede enerji sönümleme sağladığı sonucunu vermiştir.

 Çelik levha perdeler berkitmeli ya da berkitmesiz olarak uygulanabilir. Berkitmeli çelik levha perde kullanılmasında hedef levhanın kesme kuvveti altında akmasından önce burkulmasının önüne geçmektir. Berkitmesiz uygulamada ise çelik levhanın burkulmasına izin verilir ve kat kesme kuvvetleri elastik burkulma sonrası oluşan diagonal çekme alanı etkisi ile taşınır. Aynı kat kesme kuvvetini taşıyan berkitmesiz levha kalınlığı berkitmeli levha kalınlığından daha fazla olacaktır. Ancak yapılan araştırmalar berkitmesiz düz levha uygulamasının daha ekonomik olacağı yönünde sonuçlar vermiştir (Timler 1998).

Çelik levha perde tasarımında göz önüne alınan önemli eleman davranış şekilleri aşağıda verildiği gibi sıralanabilir:

 Çelik levha

1. Levhanın kolon-kirişlere bağlantısı bulonlu ise bulonların kesme davranışı
2. Çelik levhanın burkulması
3. Çelik levha malzemesinin kesme kuvvetleri altında akması
4. Çelik levhanın yırtılması

Üst ve alt kat kirişlerinde

1. Levhanın üstünde ve altında yer alan kat kirişlerinin kesme etkisi ile akması
2. Kirişlerde plastik mafsal oluşması
3. Kirişlerin gövde veya başlık plakalarının yerel burkulması
4. Rijit çerçeve ise kirişlerin moment aktaran uç birleşimlerinde çatlama
5. Kirişlerin eleman yada yanal burulmalı burkulması
6. Kiriş üstü döşeme kesme bağlantı elemanlarının kırılması

 Kolonlarda

1. Kolonlarda plastik mafsal oluşması
2. Kolonların gövde veya başlık plakalarının yerel burkulması
3. Kolonların eleman seviyesinde burkulması
4. Kolon taban plakalarının yatay yükler altında çerçeve düzeyinde dönme dolayısıyla oluşan çekme kuvvetleri altında akması bağlantı bulonlarının kopması
5. Perde altı temellerde çatlama

Çerçevenin yatay yükler altında olumlu bir çevrimsel davranış sergileyebilmesi için hesaplarda yukarıda sıralanan davranış biçimlerinin belli bir sıra ile oluşması sağlanmalıdır. Örneğin, artan yükler altında yukarıda kolonlar için sıralanan davranış biçimleri kiriş ve levha davranışlarından sonra meydana gelmelidir. Sıralama önce levha, sonra üst ve alt kat kirişleri ve en son kolonlar şeklinde düşünülmelidir. Levhaları çok kalın, kolonları narin olarak düzenlenen bir çerçevede levhanın elastik burkulmasından önce kolonların burkulması veya üzerlerinde plastik mafsal oluşması olasıdır ve bunun olumlu bir çerçeve davranışı olduğu söylenemez. Özetle, çelik levha perdeli bir çerçevede levhalar yatay yük etkileri altında enerjilerini tüketmeden kiriş ve kolon göçmelerine izin verilmemelidir. 

Son yıllarda çelik levha perdeli sistemler üzerinde yoğunlaşan çalışmaların sonuçları yukarıda anlatılan ana prensipler doğrultusunda düzenlenerek bazı tasarım kuralları geliştirilmiştir. 2002 Kanada Çelik Yapılar Tasarım Gücü yönetmeliği konuyla ilgili en güncel verilerin sonuçlarını içeren yürürlükteki tek yönetmeliktir. Yönetmelikte verilen tasarım kuralları genel olarak çelik levhanın kalınlığı, diagonal çekme alanının açısı, kolonlar arası temiz açıklık, kolon ve kiriş rijitlikleri ile levhanın kolon ve kirişler ile birleşimi üzerinedir. Daha önce inşa edilen çelik levha perdeli yapılarda yatay yük taşıyıcı sistem hesabında çalışmada bahsi geçen analoji gereği yüksek gövdeli çelik kirişlere ait hesap yöntemleri kullanılmıştır.

    Kaynaklar
* AISC (1997), Seismic Provisions for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction Inc., Chicago.
* CSA, (Canadian Standard Association). (2001). CAN/CSA-S16.1-94, Limit States Design of Steel Structures. Sixth Edition, Willowdale, Ontario, Canada.
* ICC, (2000), “The International Building Code, IBC-2000“, International Code Council, Falls Church, VA.
* Abolhassan Astaneh-Asl (2001), “Seismic Behavior and Design of Steel Shear Walls”, Steel Tips Report, July 2001
* Çelebi, M. (1997) “Response of Olive View Hospital to Northridge and Whittier Earthquakes” Journal of Structural Engineering, ASCE, v.123 April 1997, p.389-396
* Elgaaly, M. and Caccese, V., (1993) “Post-buckling Behavior of Steel- Plate Shear Walls under Cyclic Loads”, J. of Str. Engrg. ASCE, 119, n. 2, pp. 588-605.
* Basler, K., (1961), “Strength of Plate Girders in Shear”, Journal of the Structural Division, ASCE, 87, n. ST7, October.
* Caccese, V. and Elgaaly, M., (1993) “Experimental Study of Thin Steel-Plate Shear Walls Under Cyclic Load”, J. of Str. Engrg., ASCE, 119, n. 2, pp. 573-587.
* Driver, R.G., Kulak, Elwi, A. E. and G. L., Kennedy, D.J.L. , (1998) “Cyclic Tests of Four-Story Steel Plate Shear Wall”, Journal of Structural Engrg., ASCE Vol. 124, No. 2, Feb., pp. 112-120.
* Roberts, T.M., (1995) “Seismic Resistance of Steel Plate Shear Walls”, Engineering Structures, 17, no.5, pp. 344-351.
* Timler P.A.  (1998):  Design  procedures  development,  analytical  verification  and  cost  evaluation  of steel  plate  shear  wall  structures.  Earthquake Engineering Research Facility Technical Report No. 98-01, Department  of  Civil  Engineering,  University  of  British  Columbia,  Vancouver,  British  Columbia, Canada.