Yapısal Tasarımda Dikkat Edilmesi Gerekenler

Bu yazımızda birtakım formüllerden ve yönetmelik kontrollerinden bahsetmek yerine mühendislik penceremizden hesaptan bağımsız olarak tasarım aşamasındaki adımlarda dikkat edilmesi gereken bizce önemli hususlardan bahsedeceğiz.

17. yy ortalarına kadar genel hakim görüş küçük yapı elemanlarını oran-orantı ile büyüterek benzer bir taşıyıcı sistemle yalnızca eleman boyutu ölçekleme ile daha büyük yapıların yapılabileceği idi. Fakat bu görüş ilk olarak Galileo, tarafından reddedildi. Çünkü bu görüşe engel olacak önemli bir kavram “öz ağırlık” vardı. Malzemelerin ya da elemanların kendi ağırlıkları (yoğunlukları) nedeniyle bazı ölçeklerde uygulanabilir ekonomik çözümler üretme açısından bazı sitemlerin/elemanların üst ve alt limitlere sahip olduğu anlaşıldı. Örneğin köprülerde 300-350 m açıklık için en uygun çözüm kafes sistem iken 1500 m gibi açıklarda tamamen farklı sistem olan kablolu asma köprü uygun çözüm olacaktır. Yıllar içinde çeşitli tecrübeler sonucu mühendisler farklı ölçekler için farklı yapı türleri, taşıyıcı sistemler geliştirildi [1]. Aşağıda Dr. S. Taranath’ın kitabından betonarme taşıyıcı sistemlerde yaygın kullanılan katsayıları bahsedilen limitlere örnek olması amacıyla verilmiştir. Burada doğru yaklaşım aynısını kopyalamak yerine mevcut tecrübelerden yararlanılarak projeye özgü zorlukları optimum ve gerekmesi halinde (ki genelde mühendisliğin doğası gereği gerekir) yenilikçi önerilerle çözmek olacaktır. Mevcut tecrübeler için Amerika’yı tekrar tekrar keşfetmeye gerek yoktur. Fakat “gerekmesi halinde” derken artan nüfus daha yüksek yapılara, coğrafi koşullar daha geniş açıklıklara zorlayabilir burada mühendisliğin yaratıcılığını zorlamamız gerekirken coğrafi engel yokken köprü inşa edilecek nokta olarak maksimum açıklığın bulunduğu yeri veya binlerce senedir geniş tabanın yere mesnetlendiği piramit formunu ters çevirmeyi seçiyorsak (Ters üçgen yaparak piramidi yere bir noktadan mesnetlemek) burada sebebimizi sorgulamalıyız.

Şekil 1. Betonarme Taşıyıcı Sistemler

Uzun bir girizgahtan sonra tasarım aşamasını ve yazımızı 4 ana başlık altında toplamak istersek aşağıdaki gibi gruplayabiliriz.

· Olmazsa olmaz genel kavramlarımız (Dayanım-Rijitlik-Süneklik)

· Ön tasarım ve koordinasyon

· Modelleme-Hesaplama-Yorumlama [2]

· Yönetmelik [3] bilgilendirme ekindeki önemli kurallar

1. Olmazsa Olmaz Genel Kavramlar.

Aşağıda yapılarda güçlendirme sempozyumunda Prof. Dr. Alper Hoca tarafından verilen bir slaytı paylaştık. Bu slayta ve mühendislik ilkelerine göre yeterli dayanımı, rijitliği ve sünekliği yapıda sağlayamazsak yapının kuvvet-şekildeğiştirme grafiğindeki kayıpları, azalımları görebilmekteyiz. Unutmamalıyız ki elemanlarımızın kapasiteleri yeterli olmalı yani yeterli dayanımları olmalı eğer düşey taşıyıcılar kapasitelerine çok yakın servis yüklerine maruz kalırsa bu onların kapasitesini koruyarak şekildeğiştirme kabiliyetini yok edecek yani sünek olmayacak. Ayrıca binadaki yerdeğiştirmeleri tutmak için binanın rijitliğinin önemi gibi ana kavramlar tasarımın her adımında aklımızda olmalıdır. Ayrıca hesapladığımız kuvvetleri, niye birtakım katsayılara bölüp (R) sonra neden başka katsayılarla çarpıyoruz (D). Eşit yer değiştirme kuralı nedir gibi sorular ve ayrıca cevapları her zaman aklımızda olmalıdır. Kavramları özümseyerek neyi neden yaptığımızın farkında olmalıyız. Tekrar hatırlatalım dayanım-rijitlik-süneklik önemlidir.

Şekil 2. Dayanım, Rijitlik, Süneklilik Kavramlarının Yapıdaki Etkisi [4]

2. Öntasarım ve Koordinasyon

Açıkçası bu başlık bizce yazımızın en önemli kısmı. Tasarımın ilk adımından itibaren her aşamada bulunması gereken inşaat mühendislerinin zamanla yerini kaybederek özellikle konut projelerinde mimari konseptin ilk oluşturulmaya başlandığı adımda işe dahil olmamasından tasarımın takip eden adımları güçleşmektedir. İnşaat mühendisliği gereklilikleri düşünülmeden oluşturulan avan mimari projeler düzgün bir taşıyıcı sistem kurulmasını güçleştirmektedir. Bu durum mimarın ilk adımdan itibaren inşaat mühendisi ile koordine bir süreç yürütmesi ile çözülebilir. Böylece düşey taşıyıcılara yeterli alan bırakılması ile mimariyi etkileyen eleman kesit büyütmeleri engellenmiş ve yatay ile düşeyde düzgün bir taşıyıcı sistem oluşturularak sağlıklı bir yük akışı sağlanmış olacaktır. İlaveten istenmeyen/konsept dışı zorlayıcı mühendislik problemlerinin oluşması engellenmiş olacaktır.

3. Modelleme-Hesaplama-Yorumlama

Ön boyutlandırmalar ve konsept tasarım safhasından sonra bilgisayar yardımı ile taşıyıcı sistem modellemesi, hesaplama ve sonuçların irdelenmesi adımları yapılır. En sonunda da çizimler oluşturulur. Açıkçası modelleme-hesaplama-yorumlama başlıkları Prof. Dr. G. H. Powell’ın kitabında da verilmiştir. Bizde kendi perspektifimize göre bu başlıkları irdeleyelim.

Modelleme

Bir yapısal analiz yazılımı ile bilgisayarda yapının analitik modelini oluşturuyoruz. Modelleme adımı için unutmamamız gereken bizim oluşturduğumuz model gerçek yapı ile asla birebir aynı olmayacak ve olmak zorunda da değildir. Yapının davranışı yeterli doğrulukta temsil edecek basitlikte olmalıdır. Örneğin yapının üzerindeki var olan bir anten mod şekillerinde çıkıp analiz sonuçlarına etki ediyorsa onun modelde olamamasının daha doğru olabileceği unutulmamalıdır. Meshleri döşeme geometrisinin düzensiz olan bölgelerinde daha küçük, geometrinin düzgün olduğu bölgelerde daha kaba yaparak hem analiz süresini azaltmış hem de yakalamak istediğimiz kuvvet değişimini de elde edebiliriz. Analitik modellerin mümkün olduğunca basit tutulması sonuçları yorumlamadaki karmaşıklıkları azaltacaktır.

Hesaplama

Bu başlıkta altını çizmemiz gereken noktalar yazılımların bir araç olduğunu unutmamak ve onların verdiği sonuçların sorgulanması gerektiğidir. Gelişen teknoloji ile tüm hesaplamalar bilgisayar yazılımları ile yapılmaktadır. Fakat yazılımın kendi içindeki bir hatadan veya modelleme safhasında kullanıcı kaynaklı yapılan bir hatadan elde edilen sonuçlar doğruluktan uzak olabilir. Açıkçası bu başlıkta bahsedilebilecek çoğu nokta sonuçları yorumlama başlığında da anlatılabilir. İki başlık keskin bir şekilde ayırmak kolay değil. Fakat modelleme kısmında değinilen husus bu başlıkta da geçerlidir. Analiz modelinin hesabını yaptığımızı ve sonuçların belirli bir yaklaşıkta olduğunu unutmamalıyız. Kuvvet taleplerindeki elde ettiğimiz ondalık basamaklar veya binlerce elemana sahip bir yapıdaki önemsiz bir elemandaki talep kapasite oranının 1.0001 çıkması kesit hesabında bulduğumuz sonucun ilk sıra donatı ile ikinci sıra donatının yer değişimi (burada kastedilen elaman döşeme) ile azalıp-arttığını düşündüğünüzde ne kadar önemsiz olduğunun farkına varabiliriz. Burada önemli olan nokta yapıları tasarlarken yönetmelikteki güvenlik katsayılarının ne olduğunu ve bizim tasarladığımız elemanların genel olarak ne kadar zorlandığının farkında olmamızdır.

Yorumlama

Çıkan sonuçları yorumlayıp çizimler oluşturulmaya başlanmadan önce artık tamamen bilgisayar ve yazılımlar ile elde edilen sonuçları kabaca el hesaplarımız ile kontrol etmeliyiz. Çıkan bina periyotları mantıklı mı? Ya da programda çıkan bina ağırlığı değeri ve kabaca el hesabı ile hesapladığımız değer ne kadar yakın? El ile hesaplanan taban kesmeler program çıktıları ile benzerlik gösteriyor mu? Bu gibi sorular önceki adımlarda yapılan hataların fark edilmesini ve tasarladığımız yapı üzerindeki hakimiyetimizi arttırmamızı sağlayacaktır. Gerekli kontrollerden sonra uygulama çizimlerinin oluşturulması ile tasarım sonlandırılabilir.

4. Yönetmelik Bilgilendirme Ekleri

Ana başlıklarımızdan sonuncusu ise yönetmelikte var olan bilgilendirme eklerinde değinilen tavsiyelerdir. Her ne kadar yönetmelik bilgilendirme ekleri ile yönetmeliğin daha iyi anlaşılasını ve uygulanmasını hedefleyerek bu kısımlardaki hükümleri zorunlu tutmasa da burada bizim değineceğimiz başlıklar daha iyi bir uygulama için çok çok önemlidir.

Eklerdeki iki madde yeterli dayanım, rijitlik ve süneklik hakkındadır. Bunların sağlanması için yapılması gereken tüm taşıyıcı sistem düzenlemeleri zorunluluktur.

Taşıyıcı sistem sade ve basit olması koşulu. Modelleme ve eleman davranışındaki belirsizlikler ile hesaplardaki yaklaşıklıklar sebebiyle durum daha komplike hale getirmemelidir. Sistemi basit ve sade tutarak hesaptaki dikkate tam olarak alamadığımız bazı durumlardan kurtularak daha güvenli bir sistem tasarlamış oluruz.

Taşıyıcı sistemin düzenli ve simetrik olması ile eylemsizlik kuvvetlerinin düşey taşıyıcıları düzgün aktarılması sağlanabilir. Ayrıca simetri ile rijitlik ve kütle merkezleri farkından doğacak ek dışmerkezlik etkileri azaltılmış olur. Ani değişimlerden kaçınarak yapının herhangi bir yerinde oluşacak gerilme/yük birikmesi durumu da azaltılmış olur.

Açıkçası yazımızda belirtmiş olduğumuz kavramlar ve yaklaşımlar çoğu inşaat mühendisliği kitabında, dersinde karşımıza çıkan, çıkabilecek önemli temel hususlardır. Çok temel olmalarına karşın ne yazık ki hala ya tam olarak kavranamamış ya da gereken önem gösterilmemektedir. Bu sebeple sürekli tekrar etmemiz camiamız açısından faydalı olacaktır.

Referanslar

[1] Taranath, B, S., Reinforced Concrete Design of Tall Buildings, New York. CRC Press, 2010.

[2] Powell, G, H., Modeling for Structural Analysis – Behavior and Basics, California. CSI, 2010.

[3] Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği, Deprem Etkisi Altında Binaların Tasarımı için Kurallar, Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı, Ankara, 2018.

[4] İlki, A., Yapılarda Güçlendirme Sempozyumu, Slayt 25, İzmir, 2023.