Yapı Zemin Etkileşimi

Yapı-zemin etkileşimi en genel ifade ile üstyapı-zemin ortam ve varsa kazıkların deprem etkisi altında karşılıklı olarak birbirlerini (zemin tepkisinin yapıyı, yapı tepkisinin de zemini) etkilemesi olarak tanımlanır. Şekil 1 ‘de görüleceği gibi taban kayasında tanımlanan deprem hareketi zemin ortam içerisinde yayılarak yapı temeline ulaşır, deprem dalgalarının bir kısmı temelden yansıyarak zemin ortam içerisine tekrar yayılır bir kısmı ise üstyapıya geçerek üstyapı ve temelde eylemsizlik kuvvetlerine yol açar.

Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği ile kapsamı genişletilen ve belirli zemin, deprem tasarım ve bina yükseklik sınıfı kriterlerine göre yapılması zorunlu tutulan yapı-zemin etkileşim analizleri genel olarak deprem davranışının önemli olduğu rijit ve büyük ölçekli : nükleer güç santralleri, yüksek binalar, barajlar , viyadükler, asma köprüler vb. yapılarda ve aynı zamanda makine temelleri, demiryolu-karayolu trafiğinin yoğun yerleşim bölgesinden geçmesi gibi durumlarda sürekli dinamik etkiye maruz kalınması ve yüksek seviyedeki titreşimlerin çevre yapılara etkilerinin değerlendirilmesi açısından gerekli olmaktadır.

Deprem etkisi altında yapılan geleneksel analiz yöntemlerinde: yapının taşıtıldığı zemin ortamın şekil değiştirmediği kabulü ile rijit temel varsayımı söz konusu olur. Bunun sonucu olarak yapı, temelinden zemine ankastre bağlı (fixed base) bir sistem, yer hareketi de (deprem verisi) yapının varlığından etkilenmeyen yatay bir rijit ötelenme olarak ele alınır. Yapı-zemin etkileşimi yapı elemanlarının zemin ortam içerisindeki varlığı nedeniyle temel tabanındaki deprem hareketinin serbest zemin hareketine göre değişimini içermektedir. Yapı-zemin etkileşiminin etkilerinin incelenmesi amacıyla bir yapının kaya veya zemin ortam üzerine oturtulduğu durumlarda deprem etkisine vereceği tepkiler incelenebilir.

Yapı Zemin ilişkisinin Deprem etkisindeki davranışların incelenmesi:

Şekil-2’de içi dolu oklar parçacık hareketini, içi boş oklar ise düşey doğrultuda yayılan dalga hareketini göstermektedir. İçi dolu okların uzunlukları gözlemlenen deprem etkisinin büyüklüğü ile orantılıdır. Kaya ortam için temel tabanına etkiyen deprem hareketi ile tabanda kesme ve dönme momenti etkileri ortaya çıkacaktır. Ancak kaya ortamın yüksek rijitliği nedeniyle zemine göre temelde farklı deplasman ve dönme oluşmayacak temel ve zeminin deplasmanları aynı olacaktır. Dolayısıyla kaya ortam üzerine oturtulmuş yapıda, deprem hareketi ile oluşan etkiler açısından yapının özellikleri belirleyici olacaktır. Daha yumuşak zemin ortamlara oturtulan zeminlerde ise Şekil 2-a’da O noktasındaki hareket, A noktasında belirtilen hareketten farklı olacaktır. Bu farklılık yapı ve zeminin bileşik hareketinden kaynaklanmaktadır.

Öncelikle serbest zemin davranışında, yapının ve kazının olmaması durumlarında, zemin ortamda sahada gözlemlenen hareket kaya ortamda gözlemlenenden farklı olacaktır (Şekil 2-c). Eğer Şekil 2-c’de gösterilen kaya mostrasındaki C noktası üzerinde zemin ortam olmasaydı (Şekil 2-b) bu noktadaki deprem hareketi Şekil 2-a’da belirtilen A noktasındaki hareketten çok farklı olmazdı. C noktası üzerinde zemin tabakalarının olması bu noktadaki hareketi azaltacaktır.

Zemin ortam içerisinde yayılan deprem dalgaları D ve E noktalarının C noktasına göre farklı deplasman yapmasına neden olacaktır. D ve E noktaları serbest zeminde ve daha sonra yapı temeli inşa edildiğinde zemin-yapı ara yüzündeki yer alacak noktalardır. Deprem hareketi genellikle frekans içeriğine de bağlı olarak yüzeye doğru büyütülerek çıkar. Bu durumda C noktasından E noktasına doğru yatay deplasmanlar artacaktır. İkinci olarak kazının ve zemine gömülü rijit temelin varlığı deprem hareketini değiştirecektir (Şekil 2-d).

Rijit temelde dönme ve yatay deplasmanlar gerçekleşecek Parçacık Hareketi Kaya Ortam Zemin Ortam Dalga yayılım yönü ve kaya ortamda karşılaşılandan farklı olarak rijit cisim hareketi nedeniyle yapı yüksekliğince değişen ivmelenmeler (eylemsizlik kuvvetleri) ortaya çıkacaktır (Kinematik Etkileşim). Üçüncü olarak ise yapıda oluşan eylemsizlik kuvvetleri O noktasında bir devrilme momentine ve taban kesmesine yol açacaktır (Şekil 2-e). Bu durum temelin serbest zemine göre dönme ve ötelenmesine yol açacak ve temel seviyesindeki deprem hareketini değişikliğe uğratacaktır (Eylemsizlik Etkileşimi).

Ayrıca Şekil 2 üzerinden yapı-zemin etkileşimin ana etkilerine dair aşağıdaki genel sonuçlara ulaşılabilir:

• Zemin içerisinde yapının varlığı nedeniyle deprem hareketinin gerek genlik gerek frekans içeriği değişime uğrayacaktır.

• Dinamik modelde zeminin varlığının hesaba katılması (Şekil 2-e) ile sistem daha esnek hale gelecek ve sonsuz rijit zemin durumuna göre hakim frekans değeri azalacaktır.

• Radyasyon sönümü ile, temelden zemin ortam içerisine doğru dalga yayılması ile ilgili sönüm, nihai dinamik sistemin sönüm oranında artış sağlanacaktır.

Bina türü yapıların dinamik davranışını önemli şekilde değiştiren yapı zemin etkileşiminin üç etkisini “Temel rijitliği ve Sönüm, Temel seviyesindeki yer hareketi -serbest zemin hareketi arasındaki değişim ve Temel deformasyonu” olarak belirtmektedir.