Endüstriyel Binaların Çatılarında Büyük Risk

Özellikle yüksek sismik tehlikeye sahip bölgelerde yer alan endüstriyel binaların çatılarına, dinamik analiz yapılmadan kurulan güneş enerjisi panellerinin büyük depremler sırasında getirdiği ilave deprem yüklerinden dolayı binalarda önemli ölçüde yapısal hasarlar meydana geldiği görülmüştür.

Çatı Tipi Güneş Panelleri İlave Deprem Yükü Yaratıyor

Son zamanlarda çevresel riskler ve iklim değişikliğinin etkinlerinin azaltılmasına yönelik önemli adımlar atılırken temiz enerji kaynaklarının başında gelen güneş enerjisine de talebin artığı bilinmektedir. Bu çerçevede endüstriyel binalarımızda da çatı tipi güneş panelleri kullanımı son dönemde yüksek oranda artmaya başlamıştır.

6 Şubat 2023’te yaşadığımız yıkıcı Kahramanmaraş Depremleri sonrasında bölgede yapılan incelemelerde yapısal anlamda ağır hasar gören ve çatı çökmelerinin de yaşandığı endüstriyel binaların büyük çoğunluğunun çatısında güneş paneli bulunduğu tespit edilmiştir. (Şekil 1)

1680’li yıllarda İngiliz Bilim Adamı Isaac Newton’un geliştirdiği ve deprem mühendisliğinde kullanılan formüllerin başında gelen 2. Hareket Yasası’nda özetlenen F = m.a (kuvvet = kütle x ivme) formülünden anlaşılacağı üzere yer hareketine yol açan kuvvet, deprem dalgasının yüzeyde yarattığı en yüksek ivme ile ilişkilidir. Yani bir bina ne kadar ağırsa o kadar fazla deprem kuvvetine maruz kalacağı öngörülebilir. Binanın tasarımı aşamasında hesaba katılmayan çatıdaki bu ek yüklerin, ilave deprem yükleri yarattığı ve geniş açıklıklara sahip prefabrik betonarme binalardaki kolonların yer değiştirmeleri sırasında ikincil yüklere maruz kaldığı söylenebilir.

Süneklik düzeyi yüksek kolonlar, büyük eksenel yükler altında P-∆ etkileri olarak adlandırılan ikincil moment yüklemelerine de maruz kalırlar. Bu etkiler karşısında hem kolon rijitliği (k) hem de taşıma gücünde düşüş meydana gelir. Denklem 1’de, eşdeğer statik kuvvet (f_s) kullanılarak yeni rijitlik (k′) değeri; denklem 2 ile de akma ve nihai yatay yük taşıma kapasitelerinin yeni değerleri hesaplanabilir.

P-∆ etkilerinden ötürü kesitin dayanımındaki azalmayı da hesaba katabilmek için prefabrik betonarme kolonlar üzerinde yapılan deney sonuçlarıyla da uyumlu olacak şekilde dayanımdaki azalmanın %20 olduğu andaki tepe yer değiştirmesi, yeni nihai yer değiştirme değeri olarak kabul edilmektedir. (Şekil 2 ve Şekil 3)

Kahramanmaraş Depremleri sonrası gerçekleştirilen incelemelerde genel olarak tek katlı prefabrik betonarme yapı tarzındaki endüstriyel binalardan ağır hasarlı olanların (inşaat tarihleriyle de ilişkilendirilebilecek şekilde) 35×35 cm ya da 45×45 cm kolon kesitlerine sahip olduğu anlaşılmıştır.

Orta ve ağır seviyede hasar alan prefabrik betonarme kolonlarda yapılan analitik çalışmalarda, varsayıldığı gibi birden fazla makasa sahip yapılarda taşınan eksenel yük açısından en elverişsiz kolon olan orta kolonlarda hasar yaşandığı gözlenmiştir. İncelenen en çarpıcı hasarlardan birinde gerek donatı oranı gerekse etriye sıklığı (10 cm) Deprem Yönetmeliği’ne uygun olan 45×45 cm’lik kesite sahip 6,5 m yüksekliğindeki prefabrik betonarme bir kolonun önemli seviyede plastik şekil değiştirmeye maruz kalarak tepe yer değiştirmesinin 105 cm olduğu ölçülmüştür. (Şekil 4)

Özellikle geniş açıklığa sahip prefabrik betonarme yapı tarzında inşa edilmiş olan endüstriyel binaların orta hol bölümüne denk gelen kritik kolonlar, çatı yükleri ile prekast kiriş, oluk kirişi, kurulu tesisatı, varsa vinç kirişi gibi yüklerin taşınmasında önemli role sahiptir.

Güneş enerjisi panellerinin metrekare başına getirdiği düşey yükün yaklaşık 20 kg gibi düşük bir seviyede olduğu düşünülse de (örneğin 20 metrelik açıklığa sahip tek katlı endüstriyel bir binada kolon başına düşen etkili alan 150 – 200 metrekarelere çıkabilmekte) kurulan bu paneller, orta holdeki tek bir kolona yaklaşık 3 – 4 tonluk ilave yük getirebilmektedir. Bu ilave eksenel yükler kolonların P-∆ etkileri olarak adlandırılan ikincil moment yüklemelerine maruz kalmasına neden olurlar. Sonuç olarak deprem sırasında kolonlara gelen ilave yer değiştirme durumu karşılanamadığında yapısal hasarlar ve çökmeler yaşanabilir.

Statik Analiz Yetersiz, Dinamik Analiz de Yapılmalı

Deprem sırasında endüstriyle binalarda yaşanan çatı çökmelerinin tek nedeni olarak güneş enerjisi panellerinin kurulması gösterilemese de özellikle yüksek sismik tehlikeye sahip bölgelerdeki endüstriyel binaların çatılarına güneş enerjisi paneli kurulması planlandığında en uygun çözüm, binanın tasarımı aşamasında bu ilave yüklerin değerlendirilmesidir.

Mevcut endüstriyel binaların çatılarına güneş paneli kurulmak istendiğinde ise sadece statik analiz değil olası deprem yüklerine karşı dinamik analiz de yapılmalıdır. İlave ağırlığın bina performansında olumsuz bir etki yaratıp yaratmayacağı ortaya çıkarılmalıdır. Bu durumda binanın performans seviyesi, tasarımda öngörülen değerlerden daha olumsuz bir bölgeye geliyorsa panel kurulumunun binada yapılacak uygun güçlendirme çalışmaları sonrasında gerçekleştirilmesi daha doğru olacaktır.

Kaynaklar

• Deprem Mühendisliğinde Temel Kavramlar, Prof. Dr. Mehmet Nuray Aydınoğlu, Boğaziçi Üniversitesi Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü Deprem Mühendisliği Anabilim Dalı
• Kayhan, A.H., Şenel, Ş.M., Fragility Based Damage Assessment in Existing Precast Industrial Buildings: A Case Study for Turkey, Structural Engineering and Mechanics, Vol. 34, No.1, 2010.
• Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik, T.C. Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, Afet İşleri Genel Müdürlüğü, Ankara, 2007.
• Eren, C., Tek Katlı Betonarme Sanayi Yapıları için Hızlı Hasar Hesaplama Yöntemi, TMMOB İnşaat Mühendisleri Odası, Teknik Dergi, Cilt 25, Sayı 2: 6725-6756, 2014
• Eren, C., Lus, H., A Risk Based PML Estimation Method for Single-Storey Reinforced Concrete Industrial Buildings and Its Impact on Earthquake Insurance Rates, Springer Science and Business Media Dordrecht, Bulletin of Earthquake Engineering, DOI 10.1007/s10518-014-9712-z, 2014
• Karaesmen, E, Prefabrication in Turkey: Facts and Figures, Department of Civil Engineering, Middle East Technical University, Ankara, Turkey, 2001
• Kayhan, A., H., Şenel, Ş., M., Tek Katlı Prefabrike Sanayi Yapıları için Hasar Görebilirlik Eğrileri, TMMOB İnşaat Mühendisleri Odası, Teknik Dergi, Cilt 21, Sayı 4, 2010.
• Yüksel, E., Ataköy, H., Barka, G., Yanık, F., Güner, Ş., Özkan, Ü., 06 Şubat 2023 Kahramanmaraş Depremlerinin Önüretimli Betonarme Yapılara Etkisinin Değerlendirilmesi, Beton Prefabrikasyon Dergisi, Sayı: 147, Türkiye Prefabrik Birliği, Ankara, 2023
• Zorbozan, M., Aydemir, C., Tek Katlı Prefabrike Yapılarda Etkin Kat Yerdeğiştirme ve İkinci Mertebe Koşullarını Sağlayan en Küçük Kolon Kesitlerinin Saptanması, Beton Prefabrikasyon Dergisi, Sayı: 87, Türkiye Prefabrik Birliği, Ankara, 2008.
• Kayhan, A., H., Şenel, Ş., M., Performance Evaluation of Single-spanned, Single-storeyed Precast Industrial Buildings, 2005 Kocaeli Earthquake Symposium, 2005.
• Fischinger, M., Kramar, M., Isakovic, T., Cyclic response of slender RC columns typical of precast industrial buildings, Springer Science and Business Media B.V. (2008), Earthquake Engineering 6:519-534, 2008.
• Yüksel, E., Ataköy, H., Barka, G., Yanık, F., Güner, Ş., Özkan, Ü., 06 Şubat 2023 Kahramanmaraş Depremlerinin Önüretimli Betonarme Yapılara Etkisinin Değerlendirilmesi, Beton Prefabrikasyon Dergisi, Sayı: 147, Türkiye Prefabrik Birliği, Ankara, 2023