Depreme Dayanıklı Binalar Nasıl Tasarlanır?

Tarih boyunca, doğal afetlere yenik düşen yapılar ve şehirler inşa ettik. Deprem, Dünya'nın en yıkıcı doğal afetlerinden biri. Yeryüzünde oluşan sismik dalgalar binaları yıkıyor, can alıyor, kayıplara neden oluyor ve onarım için muazzam bir maliyet ortaya çıkarıyor.

ABD’deki National Earthquake Information Center’a göre her yıl ortalama 20 bin deprem oluyor ve bunların %16’sını büyük afetler oluşturuyor.

Son yıllarda mühendisler, binaları depremlere dayanacak şekilde daha donanımlı hale getirmek için yeni tasarımlar ve yapı malzemeleri geliştirdiler.

Depremler Binaları Nasıl Etkiler?

Depreme dayanıklı binaların özelliklerine bakmadan önce, depremlerin insan yapımı binaları nasıl etkilediğini anlamak önem taşıyor. Bir deprem meydana geldiğinde, zemin boyunca, tüm yönlere yayılan kısa ve hızlı aralıklarla, şok dalgaları gönderir. Binalar genellikle ağırlıklarından ve yerçekiminden kaynaklanan dikey kuvvetleri kaldıracak şekilde donatılırken depremlerin yaydığı yatay kuvveti kaldıramazlar.

Bu yatay hareket duvarları, zeminleri, kolonları, kirişleri ve bunları bir arada tutan bağlayıcıları titretir. Binaların altı ve üstü arasındaki hareket farkı aşırı gerilim uygulayarak strüktürün zarar görmesine ve sonunda tüm yapının çökmesine neden olur.

Binayı Depreme Dayanıklı Hale Getirme

Depreme dayanıklı bir bina tasarlamak için mühendisler, yapıyı güçlendirmek ve olası bir depremin kuvvetine karşı koymak için çalışırlar. Depremler, binaları bir yönden iten enerjiyi serbest bıraktığından, strateji binanın ters yönde itilmesini içerir.

1- Esnek Bir Temel Oluşturma

Deprem kuvvetine karşı koymanın bir yolu, temel izolasyonu adı verilen bir yöntemle binanın temelini yerden “kaldırmaktır”. Temel izolasyonu, çelik, kauçuk ve kurşundan yapılmış esnek pedlerin üzerine bir bina inşa etmeyi içerir. Bir deprem sırasında taban hareket ettiğinde, yapının kendisi sabit kalırken izolatörler titreşir. Bu, sismik dalgaların etkisini azaltmaya ve bina içinde ilerlemesini etkili bir şekilde önlemeye yardımcı olur.

2- Sönümlü Karşı Kuvvetler

Arabalardaki kullanımlarına benzer şekilde, amortisörler şok dalgalarının büyüklüğünü azaltır ve bina üzerindeki baskıyı düşürmeye yardımcı olur. Bu iki şekilde gerçekleştirilir: titreşim kontrol cihazları ve sarkaç gücü.

Titreşim Kontrol Cihazları

Bu yöntem, bir binanın her seviyesinde kolonlar ve kirişler arasına sönümleyicilerin yerleştirilmesini içerir. Her amortisör, silikon yağı ile doldurulmuş bir silindirin içindeki piston kafalarından oluşur. Bir deprem meydana geldiğinde, bina titreşim enerjisini yağı iten pistonlara aktarır. Enerji daha sonra ısıya dönüştürülerek titreşimlerin gücünü dağıtır.

Sarkaç Gücü

Diğer bir yaygın sönümleme yöntemi, öncelikli olarak gökdelenlerde kullanılan sarkaç gücüdür. Bunu uygulamak için mühendisler, binanın tepesindeki bir hidrolik sisteme bağlanan çelik kablolardan büyük bir top asarlar. Bina sallanmaya başladığında, top bir sarkaç görevi görür ve binayı dengelemek için ters yönde hareket eder. Sönümleme gibi bu özellikler de bir deprem durumunda binanın hareketine uyacak ve karşı koyacak şekilde ayarlanmıştır.

3- Binayı Titreşimlerden Koruma

Araştırmacılar, kuvvetlere karşı koymak yerine, binaların enerjiyi depremlerden tamamen saptırıp yeniden yönlendirebileceği yolları deniyorlar. “Sismik görünmezlik pelerini” olarak adlandırılan bu yenilik, 100 eşmerkezli plastik ve beton halkadan oluşan bir pelerin oluşturmayı ve bunu binanın temelinin en az 1 metre altına gömmeyi içeriyor.

Sismik dalgalar halkalara girerken hareket kolaylığı onları dış halkalara doğru gitmeye zorlar. Sonuç olarak, aslında binadan uzağa yönlendirilirler ve zemine dağılırlar.

4- Binanın Yapısını Güçlendirme

Binalar, yıkıma dayanmak için sismik bir olay sırasında içlerinden geçen kuvveti yeniden dağıtmalıdır. Perde duvarlar, çapraz bağlantılar, diyaframlar ve moment dayanımlı strüktürler, bir binanın güçlendirilmesinde büyük öneme sahiptir.

Perde duvarlar, deprem kuvvetlerinin aktarılmasına yardımcı olabilecek faydalı bir yapı teknolojisidir. Birden çok panelden oluşan bu duvarlar, bir binanın hareket halindeyken şeklini korumasına yardımcı olur. Perde duvarlar genellikle çelikten yapılmış diyagonal çapraz bağlantılarla desteklenir. Bu kirişler, basınç ve itme kuvvetlerine karşı koymaya yardımcı olarak sıkıştırma ve gerilimi destekleyebilir.

Diyaframlar, aynı zamanda binanın yapısının merkezi bir parçasıdır. Binanın katları, çatısı ve üzerlerine yerleştirilen tabliyelerden oluşan diyaframlar, zemindeki gerilimin giderilmesine ve kuvvetin binanın dikey strüktürel elamanlarına doğru itilmesine yardımcı olur.

Moment dayanımlı çerçeveler, bir binanın tasarımında fazladan esneklik sağlar. Bu yapılar bir binanın derzleri arasına yerleştirilir ve derzler rijit kalırken kolon ve kirişlerin bükülmesine izin verir. Böylece bina, daha büyük bir depremin kuvvetine karşı koyabilirken, tasarımcılara yapı elemanlarını düzenleme özgürlüğü vermeye devam eder.

Depreme Dayanıklı Malzemeler

Amortisörler, sarkaçlar ve “görünmezlik pelerinleri” enerjiyi bir ölçüde dağıtmaya yardımcı olabilirken, bir bina için seçilen malzemeler de aynı derecede dayanıklığından sorumludur.

Çelik ve Ahşap

Bir malzemenin baskı ve titreşime dayanabilmesi için, büyük deformasyonlara ve gerilime maruz kalma yeteneği olan yüksek sünekliğe sahip olması gerekir. Modern binalar genellikle, çeşitli şekillerde olan ve binaların kırılmadan bükülmesini sağlayan bir bileşen olan yapısal çelik ile inşa edilir. Ahşap, hafif yapısına göre yüksek mukavemeti nedeniyle şaşırtıcı derecede sünek bir malzemedir.

Yenilikçi Malzemeler

Bilim adamları ve mühendisler, şeklini daha da fazla koruyan yeni yapı malzemeleri geliştiriyorlar. Şekil hafızalı alaşımlar gibi yenilikler, hem ağır baskılara dayanma hem de orijinal şekillerine geri dönme yeteneğine sahiptirler.

Ek olarak, çeşitli polimerlerden yapılan fiber takviyeli plastik örtü kolonların etrafına sarılabilir ve %38’e kadar ek güç ve süneklik sağlar.

Mühendisler ayrıca binaları güçlendirmeye yardımcı olmak için doğal unsurlara yöneliyorlar. Midyelerin yapışkan ama sert lifleri ve örümcek ağının güç-boyut oranı, yapı oluşturma konusunda ümit verici yeteneklere sahiptir.

Bambu ve 3D baskılı malzemeler, binalar için potansiyel olarak daha da fazla direnç sağlayabilen sınırsız formlara sahip hafif, birbirine kenetlenen yapılar olarak da işlev görebilir.

Yıllar boyunca, mühendisler ve bilim adamları depreme dayanıklı etkin binalar yaratmak için çok sayıda teknik geliştirdiler. Bununla birlikte, günümüzde teknoloji ve malzemeler ne kadar gelişmiş olursa olsun, binaların güçlü depremlere zarar görmeden tamamen dayanması her zaman mümkün değil. Yine de, bir bina yıkımı önleyip hayatları kurtarabiliyorsa, bunu büyük bir başarı olarak kabul edebiliriz.

Kaynak