Yapı-Zemin Etkileşimi: Deprem Davranışı Üzerine Etkileri

Yapı Zemin Etkileşimi: Deprem Davranışı Üzerine Etkileri ve Mühendislik Yaklaşımları

1. Giriş

Yapılar, yalnızca taşıyıcı sistemleri ve malzemeleri açısından değil, aynı zamanda üzerinde yer aldıkları zemin ile de sürekli bir etkileşim içindedir. Yapı zemin etkileşimi, bir yapının taşıyıcı sisteminin yüklerini zemine aktarması ve aynı zamanda zeminin de bu yükleri taşıma kapasitesine sahip olmasıyla şekillenen bir ilişkidir. Ancak bu etkileşim, yalnızca statik yükler açısından değerlendirilmemeli, dinamik yükler, özellikle de deprem etkileri bağlamında detaylı olarak incelenmelidir.

Deprem sırasında zemin hareketleri, yapıya iletilerek atalet kuvvetlerinin oluşmasına neden olur. Daha sonra, yapıda meydana gelen bu kuvvetler tekrar zemine aktarılır. Bu karmaşık geri besleme süreci, yapı ile zemin arasındaki etkileşimin doğrusal olmayan ve dinamik bir süreç olduğunu gösterir. Bu nedenle, yapı-zemin etkileşiminin modellenmesi ve mühendislik açısından doğru bir şekilde analiz edilmesi büyük önem taşımaktadır (Korkmaz & Korkmaz, 2012).

Bu çalışma kapsamında, yapı-zemin etkileşiminin teorik temelleri, deprem sırasındaki dinamik etkiler ve mühendislik açısından dikkate alınması gereken tasarım kriterleri incelenecektir.

2. Yapı Zemin Etkileşimi Mekanizması

Yapı ile zemin arasındaki etkileşimin en temel bileşeni, yük aktarımıdır. Yapıların taşıyıcı sistemleri, üzerine etki eden ölü yükleri, hareketli yükleri ve çevresel etkileri doğrudan zemine iletmekle görevlidir. Eğer zemin, bu yükleri taşıyabilecek yeterli dayanıma ve rijitliğe sahipse, yapıda herhangi bir stabilite sorunu oluşmaz. Ancak, zemin taşıma kapasitesinin düşük olması veya oturma davranışının yapının rijitliğini olumsuz yönde etkilemesi durumunda, yapısal bütünlük risk altına girebilir (Girgin, Mısır, Özden, & Kahraman, 2008).

Zemin, yalnızca yükleri taşımakla kalmaz, aynı zamanda depremler sırasında bir enerji iletim ortamı olarak da işlev görür. Deprem hareketi, zeminde başlar ve yapı temeline iletilerek yapıda titreşimlerin oluşmasına neden olur. Yapının dinamik tepkisi, zemin türüne, yapı rijitliğine ve yapının doğal periyoduna bağlı olarak değişkenlik gösterir. Eğer yapının periyodu ile zeminin periyodu birbirine yakınsa, yapı deprem kuvvetlerinden daha fazla etkilenebilir. Bu duruma rezonans etkisi denir ve yapı için büyük bir risk oluşturur (Kara, Bozdoğan, & Keskin, 2020).

3. Deprem Etkisinde Yapı-Zemin Etkileşimi

Deprem sırasında yapı-zemin etkileşimini belirleyen en önemli faktörlerden biri doğal periyot ilişkisidir. Zeminin doğal periyodu ve yapının doğal periyodu arasındaki fark, yapının depremden nasıl etkileneceğini belirleyen kritik bir parametredir.

Yapı-zemin etkileşimi şu temel faktörlere bağlı olarak değişmektedir:

• Sert zeminler, daha kısa periyotlu titreşimlere sahiptir ve yapılar üzerinde ani ivme değişimlerine neden olabilir. Bu tür zeminlerde inşa edilen yapılar, daha büyük kuvvetlere maruz kalabilir.
• Yumuşak zeminler, uzun periyotlu hareketlere sahiptir ve bu durum, yapılar için rezonans riski doğurabilir. Eğer yapının periyodu ile zeminin periyodu birbirine çok yakınsa, deprem etkisi büyüyebilir ve yer hareketlerinin büyütülmesi (zemin büyütme etkisi) meydana gelir (Al-Dayyeni, 2019).
• Temel sistemi, yapı-zemin etkileşiminde belirleyici bir faktördür. Esnek temeller, zemin hareketlerine uyum sağlayarak kuvvetleri azaltabilirken, çok rijit temeller ani yük değişikliklerine karşı daha duyarlı hale gelebilir (Garip, 2005).

Bu durum, yapısal tasarım açısından doğru temel sisteminin ve rijitlik dengesinin belirlenmesi gerektiğini göstermektedir.

4. Yapı Zemin Etkileşimi Modelleme Teknikleri

Mühendislik uygulamalarında yapı-zemin etkileşimini hesaplamak ve modellemek için farklı yöntemler geliştirilmiştir. Bu modelleme teknikleri, yapının temele ankastre olarak bağlanmış idealize edilmesinden, zemin-yapı etkileşimli karmaşık sonlu eleman analizlerine kadar geniş bir yelpazede değişebilir.

Genellikle kullanılan modelleme yaklaşımları şunlardır:

• Ankastre Temel Modeli: Yapının zemine tam olarak bağlı olduğu kabul edilir. Ancak gerçekte, yapı-zemin etkileşimi nedeniyle yapının periyodu bu modelden daha büyük çıkar.
• Esnek Temel Modeli: Zemin deformasyonlarını dikkate alan modellerdir. Gerçek duruma daha yakın sonuçlar üretir ve özellikle yumuşak zeminler için uygundur.
• Tam Yapı-Zemin Modeli: Zemin-yapı sisteminin birlikte modellenerek etkileşimli olarak analiz edildiği gelişmiş yöntemdir. Bu modelleme, sonlu elemanlar yöntemi (FEM) veya sınır elemanlar yöntemi (BEM) ile yapılabilir (Girgin et al., 2008).

Bu modelleme teknikleri, temel tasarımında, deprem etkilerinin belirlenmesinde ve yapıların sismik dayanımının artırılmasında kritik bir rol oynamaktadır.

5. Sonuç ve Değerlendirme

Yapı-zemin etkileşimi, yalnızca zemin taşıma gücü ve temel tasarımıyla sınırlı olmayan, karmaşık ve dinamik bir süreçtir. Deprem mühendisliği açısından bakıldığında, zemin-yapı periyot ilişkisinin dikkatle değerlendirilmesi ve rezonans etkisinin önlenmesi büyük önem taşımaktadır.

Bu çalışma kapsamında, yapı-zemin etkileşiminin temel ilkeleri, dinamik deprem yükleri altındaki davranışları ve mühendislik açısından dikkate alınması gereken tasarım kriterleri ele alınmıştır. Sonuç olarak:

• Zemin ve yapının doğal periyotlarının birbirine çok yakın olması, deprem kuvvetlerinin büyümesine neden olabilir.
• Sert ve rijit temeller, ani ivme değişikliklerine karşı hassastır ve yüksek ivmeli zemin hareketleri altında zorlanabilir.
• Esnek temel sistemleri, zemin hareketlerine uyum sağlayarak sismik yükleri azaltabilir.
• Yumuşak zeminlerde, zemin büyütme etkisi nedeniyle deprem kuvvetleri önemli ölçüde artabilir.
• Yapı-zemin etkileşimini dikkate almayan analizler, gerçek durumu tam olarak yansıtmaz ve mühendislik hesaplarında sapmalara neden olabilir.

Bu nedenle, mühendislik tasarım süreçlerinde zemin özelliklerinin detaylı incelenmesi ve yapı-zemin etkileşimli analizlerin yapılması, yapı güvenliği açısından kritik bir gerekliliktir.

Kaynakça

• Korkmaz, K. A., & Korkmaz, S. Z. (2012). Yapı-zemin etkileşiminin yapıların deprem davranışına etkileri. Teknik Dergi, 23(4), 1347-1355.
  Erişim Adresi: https://dergipark.org.tr/tr/download/article-file/181628

• Kara, D., Bozdoğan, K. B., & Keskin, E. (2020). Çerçeve sistemlerin yapı-zemin etkileşimli serbest titreşim analizi. Politeknik Dergisi, 23(4), 1347-1355.
  Erişim Adresi: https://dergipark.org.tr/tr/download/article-file/962740

• Girgin, S. C., Mısır, S., Özden, G., & Kahraman, S. (2008). Yapı-zemin etkileşiminin yapısal tasarımdaki rolü. DEÜ Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi, 10(1), 27-37.
  Erişim Adresi: https://arastirmax.com/tr/system/files/dergiler/31877/makaleler/10/1/arastirmax-yapi-zemin-etkilesiminin-yapisal-tasarimdaki-rolu.pdf

• Garip, Z. Ş. (2005). Deprem etkisindeki betonarme yapılarda yapı-zemin etkileşimi (Yüksek lisans tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü).
  Erişim Adresi: https://acikerisim.sakarya.edu.tr/xmlui/bitstream/handle/20.500.12619/81424/T02662.pdf?isAllowed=y&sequence=1

• Al-Dayyeni, N. H. M. (2019). A study on modeling soil-structure interaction effects in buildings (Yüksek lisans tezi, Atılım Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü).
  Erişim Adresi: https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/tezDetay.jsp?id=m0NPfQ-LIXE7o1bSeJ_9aA&no=xH8eCBoOcBlHmMfKBqgSOA