Kolonlarda Kesme Göçmesi: Binaları Yıkan Gevrek Kırılma Nasıl Olur?

Depremlerden sonra yıkılan binaların fotoğraflarında sık görülen bir görüntü vardır: Zemin kattaki kolonlar çapraz biçimde kırılmış, beton dökülmüş, boyuna donatılar dışarı doğru bükülmüş, etriyeler açılmıştır. Bu, kolonun kesme kuvveti altında gevrek biçimde kırıldığının işaretidir. Bu yazıda kesme göçmesinin ne olduğunu, eğilme hasarından farkını, neden bu kadar tehlikeli olduğunu, hangi yapım kusurlarının buna yol açtığını, yönetmeliğin yeni binalarda bunu nasıl önlediğini ve mevcut bir binada bu riskin nasıl tespit edilip giderildiğini anlatıyoruz.

Kolonda kesme göçmesi nedir?

Deprem sırasında binanın katları yatay yönde ötelenir. Kolonlar bu ötelenmeye karşı koyarken iki tür iç kuvvet taşır: kolonu bükmeye çalışan eğilme momenti ve kolonu enine kesmeye çalışan kesme kuvveti. Kolonun hangi kuvvete önce yenik düştüğü, kırılmanın türünü belirler.

• Eğilme kırılması: Kolonun uçlarında yatay çatlaklar oluşur, boyuna donatı akar ve kolon ucunda plastik mafsal denilen, büyük dönme yapabilen bir bölge meydana gelir. Kolon hasar görür ama çok sayıda tekrarlı hareketi kırılmadan taşıyabilir. Buna sünek davranış denir.
• Kesme kırılması: Kolon yüzeyinde eğik (çapraz) çatlaklar oluşur. Deprem ileri geri hareket ettiği için bu çatlaklar iki yönde gelişir ve X biçimini alır. Çatlakları dikiş gibi tutan şey kolonun etriyeleridir. Etriye seyrekse, inceyse veya kancası açılırsa çatlak bir anda açılır, beton ezilir ve kolon kırılır. Buna gevrek davranış denir.

TBDY 2018 mevcut binaların değerlendirilmesinde bu ayrımı açıkça yapar: Betonarme elemanlar, kırılma türü eğilme ise sünek, kesme ise gevrek olarak sınıflandırılır (madde 15.5.2.2).

Kesme göçmesi neden binaları yıkar?

Bir binanın çökmesi için düşey yükleri taşıma kabiliyetini kaybetmesi gerekir. Eğilme hasarı alan bir kolon çoğu zaman eğilmiş ve çatlamış haliyle de düşey yükü taşımaya devam eder. Kesme hasarı alan, etriyesi seyrek bir kolonda ise durum farklıdır. ABD’de Pasifik Deprem Mühendisliği Araştırma Merkezi’nde (PEER) yapılan sarsma tablası deneyleri ve analitik çalışmalar, etriyesi seyrek kolonlarda kesme hasarından sonra eksenel (düşey) yük taşıma kapasitesinin kaybedilebildiğini ve bu yükün komşu kolonlara aktarıldığını göstermiştir. Komşu kolonlar bu ek yükü taşıyamazsa hasar zincirleme büyüyebilir. Aynı çalışmaya göre kesme hasarı almış bir kolonun düşey yükü kaybetmeden yapabileceği ötelenme, etriye miktarı arttıkça büyür, kolona etkiyen eksenel yük arttıkça küçülür.

Bunun pratik anlamı şudur: Aynı katta birkaç kolon kesmeden kırılırsa o katın taşıdığı yük kalan kolonlara biner; onlar da aynı kusura sahipse kısa sürede onlar da kırılır ve kat, üstündeki katların ağırlığı altında çöker. Kesme göçmesinin büyük şekildeğiştirme yapmadan ve belirgin uyarı vermeden gerçekleşebilmesi, onu özellikle tehlikeli kılar.

Saha gözlemleri de bunu doğrular. 6 Şubat 2023 Kahramanmaraş depremleri sonrasında Hatay bölgesinde hasarlı binaları inceleyen bir çalışmada, kolonlarda gevrek kesme kırılmalarının genellikle binaların zemin katlarında görüldüğü ve yetersiz sargıyla ilişkili olduğu bildirilmiştir. Aynı çalışmada sarılma bölgelerinde etriye aralığının çoğu zaman yeterli olmadığı, etriye kancalarının 135 derece yerine 90 derece kıvrıldığı ve bu kancaların açılarak sargıyı etkisiz bıraktığı, kısa kolon kırılmalarının ise ani ve gevrek olduğu belirtilmiştir.

Kolonlarda kesme göçmesine yol açan nedenler

1. Seyrek veya ince etriye

Etriye, kesme çatlağını dikiş gibi tutan ve kolonun çekirdeğindeki betonu saran donatıdır. Eski binalarda kolon etriyeleri çoğu zaman ince çaplı, aralıkları geniş ve düzensizdir; kolon uçlarındaki kritik bölgelerde sıklaştırma yapılmamıştır. Böyle bir kolonda eğik çatlak açıldığında onu tutacak yeterli donatı yoktur.

2. 90 derece kıvrılmış etriye kancaları

Etriyenin uçları kolonun çekirdeğine doğru 135 derece kıvrılmazsa, deprem sırasında beton kabuğu döküldüğünde etriye açılır. Açılan etriye ne kesmeyi taşıyabilir ne betonu sarabilir; boyuna donatılar da dışarı doğru burkulur. Yönetmelik bu yüzden etriye uçlarında mutlaka 135 derece kıvrımlı kanca ister (madde 7.2.8.1).

3. Kısa kolon

Kolonun serbest boyu, bant pencereler, yarım yükseklikte bırakılan duvarlar, merdiven sahanlıkları veya bodrumdaki pencere boşlukları nedeniyle kısalabilir. Yönetmelikte kolonun kesme hesabına esas kesme kuvveti, kolonun alt ve üst uçlarındaki momentlerin toplamının kolonun serbest boyuna bölünmesiyle bulunur: V_e = (M_a + M_ü) / ℓ_n (madde 7.3.7.1). Formülden de görüldüğü gibi, uçlarındaki moment kapasitesi aynı kalırken serbest boy yarıya inerse kolonun taşıması gereken kesme kuvveti iki katına çıkar. Aynı katta normal boydaki kolonlar sünek davranırken kısa kolon kesmeden gevrek biçimde kırılabilir. Yönetmelik kısa kolon oluşumunun engellenemediği durumlar için özel kurallar koyar (madde 7.3.8).

4. Düşük beton dayanımı

Betonun kesme dayanımına katkısı beton dayanımıyla birlikte (yaklaşık olarak dayanımın kareköküyle) artar. Düşük dayanım ayrıca kolonun eksenel yük oranını büyütür ve donatı aderansını zayıflatır. Yukarıda andığımız Hatay çalışmasında, daha önceki deprem sonrası çalışmalara atıfla ağır hasarlı yapılarda yaklaşık 10 MPa düzeyinde beton dayanımlarına sık rastlandığı aktarılmıştır. Binanızın beton dayanımı karotla belirlenir; ancak tek başına bir karot sonucu yalnızca fikir verir, binanın güvenliği analizle anlaşılır.

5. Güçlü kiriş, zayıf kolon

Kirişler kolonlardan güçlü olduğunda deprem sırasında hasar kirişler yerine kolonlarda toplanır. Bu durum kolonlarda hem eğilme hem kesme zorlamasını artırır ve kat mekanizması dediğimiz, bir katın tüm kolonlarının birlikte hasar gördüğü tehlikeli bir göçme biçimine zemin hazırlar.

6. Yüksek eksenel yük, korozyon ve sonradan yapılan müdahaleler

• Yüksek eksenel yük: Kesiti küçük, üzerinde çok kat bulunan kolonlarda eksenel yük yüksektir. Yüksek eksenel yük, kesme hasarından sonra kolonun düşey yükü kaybetmeden yapabileceği ötelenmeyi azaltır.
• Korozyon: Paslanan donatı kesitini kaybeder. Etriyeler hem yüzeye daha yakındır hem de çapları küçüktür; bu yüzden aynı paslanma derinliğinde kesitlerinin daha büyük bir oranını kaybederler. Bu da kesme kapasitesini düşürür.
• Kolon traşlama, delme ve kesme: Dükkânı genişletmek, tesisat geçirmek veya cephe düzenlemek için kolon kesitini küçültmek ya da etriyeleri kesmek kolonun kesme kapasitesini doğrudan azaltır.

TBDY 2018 yeni binalarda kesme göçmesini nasıl önler?

Modern deprem yönetmeliklerinin temel fikri, eğer bir eleman hasar görecekse bunun gevrek kesme kırılmasıyla değil, sünek eğilme davranışıyla olmasını sağlamaktır. Buna kapasite tasarımı denir. TBDY 2018’in süneklik düzeyi yüksek kolonlara ilişkin kuralları (madde 7.3) bu amaca hizmet eder. Süneklik düzeyi sınırlı sistemlerdeki kolonlar için kurallar daha esnektir (madde 7.7); burada süneklik düzeyi yüksek kolonların kuralları özetlenmiştir:

• Kapasite tasarımı ile kesme kuvveti: Kolon enine donatısı, kolon uçlarında oluşabilecek en büyük momentlerden hesaplanan kesme kuvvetine göre belirlenir. Düğüm noktasında kolonlar kirişlerden güçlüyse kirişlerin, değilse kolonların moment kapasiteleri esas alınır (madde 7.3.7.1–7.3.7.4). Amaç, kolonun eğilme kapasitesine ulaşmadan kesmeden kırılmasını önlemektir.
• Kesme dayanımı ve kesit sınırı: Bu kesme kuvveti kolonun kesme dayanımını aşamaz ve ayrıca kesit boyutlarına bağlı bir üst sınırla kontrol edilir; bu sınır sağlanamazsa kesit büyütülür (madde 7.3.7.5).
• Betonun katkısının yok sayılması: Sarılma bölgelerinde, depremden oluşan kesme kuvveti toplam kesme kuvvetinin yarısından büyükse ve kolonun eksenel kuvveti N_d ≤ 0,05·A_c·f_ck koşulunu sağlıyorsa, betonun kesme dayanımına katkısı sıfır alınır; kesmeyi yalnızca etriyeler taşır (madde 7.3.7.6).
• Özel deprem etriyeleri: Kolon boyunca özel deprem etriyeleri (her iki ucu 135° kancalı) ve özel deprem çirozları kullanılır; 135° kancaların uç düz boyu nervürlü çubuklarda 6φ ve 80 mm’den az olamaz (madde 7.2.8 ve 7.3.4).
• Sarılma bölgeleri: Kolonun alt ve üst uçlarında, uzunluğu kolon serbest yüksekliğinin 1/6’sından, en büyük kesit boyutunun 1,5 katından ve 500 mm’den az olmayan sarılma bölgeleri oluşturulur. Bu bölgelerde etriye çapı en az φ8’dir; etriye aralığı en küçük kesit boyutunun 1/3’ünden, 150 mm’den ve boyuna donatı çapının 6 katından büyük, 50 mm’den küçük olamaz (madde 7.3.4.1).
• Kolon orta bölgesi: Sarılma bölgeleri arasında kalan bölgede de etriye çapı en az φ8’dir; aralık en küçük kesit boyutunun yarısını ve 200 mm’yi aşamaz (madde 7.3.4.2).
• Güçlü kolon, zayıf kiriş: Kolon-kiriş düğüm noktalarında, kolonların taşıma gücü momentlerinin toplamı kirişlerinkinden en az %20 büyük olmalıdır (madde 7.3.5.1; yönetmelik bazı istisnalar tanır, madde 7.3.5.3 ve 7.3.6).
• Kısa kolon kuralları: Kısa kolon oluşumu engellenemiyorsa kesme kuvveti kısa kolonun serbest boyu üzerinden hesaplanır ve sarılma bölgesi için tanımlanan enine donatı koşulları kısa kolonun tüm boyunca uygulanır (madde 7.3.8).
• Malzeme: Yeni betonarme binalarda C25’ten düşük dayanımlı beton kullanılamaz ve deprem etkisini karşılayan elemanlarda B420C veya B500C nervürlü donatı kullanılır (madde 7.2.5).

Kolon kurallarının ayrıntılı listesini ve kendi kolonunuzu kontrol edebileceğiniz hesap aracını TBDY 2018 Kolon Koşulları yazımızda bulabilirsiniz.

Mevcut binada kesme göçmesi riski nasıl tespit edilir?

Bugünkü kurallar yeni binalar içindir. Binanız 1998 öncesinde yapıldıysa bu kusurlarla karşılaşma olasılığı daha yüksektir. Daha yeni binalarda da uygulama projeye uymadıysa veya denetim yetersiz kaldıysa aynı kusurlar bulunabilir. Binanızın hangi kurallara göre yapıldığını Binam Hangi Deprem Yönetmeliğine Göre Yapıldı? yazımızda anlattık. Riskin gerçekten var olup olmadığı ise ancak yerinde inceleme ve analizle anlaşılır.

Yerinde inceleme

TBDY 2018’e göre yapılan deprem performans analizinde kolonların bir bölümünde beton örtüsü sıyrılarak donatı tespiti yapılır; etriye çapı, aralığı ve kanca şekli doğrudan görülür. Beton örtüsü sıyrılmayan kolonların bir bölümünde donatının yeri ve sayısı donatı tespit cihazlarıyla belirlenir. Her katta beton örneği (karot) alınarak mevcut beton dayanımı bulunur (madde 15.2).

Sünek mi, gevrek mi?

Analizde her kolon için, kolonun eğilme kapasitesine ulaştığında oluşacak kesme kuvveti hesaplanır ve mevcut malzeme dayanımlarıyla bulunan kesme dayanımıyla karşılaştırılır. Bu koşulu sağlayan kolon sünek, sağlamayan kolon gevrek olarak hasar gören eleman sayılır (madde 15.5.2.2). Gevrek elemanlar için sünek elemanlardaki hasar sınırları uygulanmaz (madde 15.3.1). Performans değerlendirmesinde ise şu kurallar geçerlidir:

• Binanın Sınırlı Hasar veya Kontrollü Hasar performans düzeyinde sayılabilmesi, varsa gevrek olarak hasar gören elemanların güçlendirilmesi kaydına bağlıdır (madde 15.8.3 ve 15.8.4).
• Göçmenin Önlenmesi performans düzeyinin değerlendirmesinde gevrek olarak hasar gören tüm elemanlar Göçme Bölgesi’nde kabul edilir (madde 15.8.5).

Kısacası yönetmelik, kesme göçmesine açık kolonları “biraz hasar görür” diye değil, en ağır sınıfta değerlendirir.

Deprem raporu iki yoldan alınır

Deprem raporu iki farklı yoldan alınır. Birincisi, TBDY 2018’e göre yapılan deprem performans analizidir; kolonların sünek mi gevrek mi olduğu ve güçlendirme ihtiyacı bu analizde ortaya çıkar. İkincisi, 6306 sayılı Kanun kapsamında Bakanlık lisanslı kuruluşların yaptığı riskli yapı tespitidir; bina riskli bulunursa tapuya şerh düşülür ve süreç kentsel dönüşüm mevzuatına göre yürür. Ayrıntılar için Deprem Dayanıklılık Raporu Nasıl Alınır? yazımıza bakabilirsiniz.

Kolonda kesme hasarının belirtileri

Bir depremden sonra veya binanızı incelerken aşağıdakileri görürseniz bir inşaat mühendisine başvurun:

• Kolon yüzeyinde eğik (çapraz) ya da X şeklinde çatlaklar,
• Kolon ortasında veya uçlarında beton kabuğunun dökülmesi, etriyelerin açıldığının veya koptuğunun görülmesi,
• Boyuna donatıların dışarı doğru bükülmesi,
• Bant pencere veya yarım duvar nedeniyle boyu kısalmış kolonlarda çatlak.

Deprem sonrasında kolonda belirgin eğik veya X şeklinde çatlak, beton dökülmesi, donatının görünmesi veya bükülmesi varsa binayı boşaltın, uzman incelemesi yapılana kadar binaya girmeyin ve AFAD’a veya belediyeye bildirin. Çatlak türlerinin ayrıntılı karşılaştırması için Kolon ve Kirişte Çatlak: Hangisi Tehlikeli? yazımızı okuyabilirsiniz. Depremden önce yapılan bir incelemede ise bu kusurlar çoğu zaman sıva altında kalır; bu yüzden göz kararı değil, donatı tespiti ve analiz esas alınır.

Kesme göçmesine karşı güçlendirme

Analiz kolonların gevrek olduğunu gösterirse iki yoldan biri veya ikisi birlikte izlenir: Kolonun kesme kapasitesi ve sünekliği artırılır ya da binaya yeni elemanlar eklenerek kolonlara gelen deprem etkisi azaltılır.

Eleman güçlendirmesi: kolonların sarılması

Yönetmelik, kolonların sünekliğini artırmak için kesme ve basınç dayanımlarının artırılmasına ve bindirmeli eklerin zayıflıklarının giderilmesine yönelik üç sargı yöntemi tanımlar (madde 15.10.1):

• Betonarme sargı: Mevcut kolonun çevresine en az 100 mm kalınlığında yeni betonarme sargı yapılır. Sarılmış kolonun kesme ve basınç dayanımı hesaplanırken elde edilen dayanımlar 0,9 ile çarpılarak azaltılır (madde 15.10.1.1).
• Çelik sargı: Kolon köşelerine boyuna köşebentler yerleştirilip yatay plakalarla kaynaklanır; sağlanan ek kesme dayanımı plakaların kalınlığı, genişliği ve aralığı ile kesitin faydalı yüksekliği ve çeliğin akma dayanımına bağlı olarak hesaplanır (madde 15.10.1.2, Denk. 15.3).
• Lifli polimer (LP; örneğin karbon lif) sargı: Kolonun çevresi tam sargı yöntemiyle sarılır; kolonun süneklik kapasitesi ile kesme ve basınç dayanımları artırılır. Sargı sonunda en az 200 mm bindirme yapılır, dikdörtgen kolonlarda köşeler en az 30 mm yarıçapla yuvarlatılır (madde 15.10.1.3).

Bu yöntemler kesme göçmesine karşı doğrudan etkilidir. Ancak yönetmeliğe göre kolon sargı yöntemleriyle kolonların eğilme kapasitesi artırılamaz (madde 15.10.1). Kolonların eğilme kapasitesinin de artırılması gerekiyorsa, kesit büyütme, yani boyuna donatısı döşemelerden geçirilerek katlar boyunca sürekli yapılan betonarme manto uygulanır (madde 15.10.2).

Sistem güçlendirmesi

Binada çok sayıda gevrek kolon varsa ya da bina genel olarak esnekse, kolonları tek tek sarmak yerine veya buna ek olarak betonarme perde ya da çelik çapraz eklenir. Yeni rijit elemanlar deprem kuvvetinin büyük bölümünü üstlenir, katların ötelenmesini azaltır ve böylece mevcut kolonlara gelen kesme kuvvetini düşürür. Kısa kolonlarda ise kısa kolon etkisine yol açan duvar düzeninin değiştirilmesi de çözümün parçası olabilir; bunun etkisi de analizle kontrol edilmelidir. Hangi yöntemin ne zaman tercih edildiğini Bina Güçlendirme Yöntemleri yazımızda, zemin kat kolonlarına sınırlı güçlendirmenin ne zaman yeterli olduğunu Yalnızca Zemin Katı Güçlendirmek Yeter mi? yazımızda anlattık.

Güçlendirme sonrasında bina yeniden analiz edilir; güçlendirilen binaların deprem güvenliği, mevcut binalar için verilen hesap yöntemleriyle belirlenir (madde 15.9.1).

Sık yapılan yanlışlar

• “Kolonlar kalın, bir şey olmaz” demek: Kolon kesitinin büyüklüğü tek başına kesme güvenliğini göstermez; içindeki etriyenin aralığı, çapı ve kancası belirleyicidir.
• Yalnızca karota bakmak: Beton dayanımı iyi çıksa bile etriyesi seyrek ve kancası 90 derece olan bir kolon gevrek davranabilir. Karot yalnızca fikir verir.
• Çapraz çatlağı sıvayla kapatmak: Kesme çatlağı taşıyıcı bir hasarın işaretidir; sıva veya boya ile kapatmak sorunu gizler, gidermez.
• Kolona dokunmak: Tesisat veya vitrin için kolonu traşlamak, delmek, etriyeleri kesmek kolonun kesme kapasitesini düşürür. Kolon, Kat Mülkiyeti Kanunu’na göre ortak yerdir; kat maliki kendi bağımsız bölümünde anayapıya zarar verecek değişiklik yapamaz.
• Bant pencere açmak veya duvarı yarıya indirmek: Tam boy duvarlar arasındaki bir kolonu kısa kolona çevirmek, o kolonun kesme talebini büyütür.

İlgili yazılar

• TBDY 2018 ve ASCE 41-23 Karşılaştırması
• Kolon ve Kirişte Çatlak: Hangisi Tehlikeli?
• TBDY 2018 Kolon Koşulları
• Bina Güçlendirme Yöntemleri Karşılaştırması
• Yalnızca Zemin Katı Güçlendirmek Yeter mi?
• Binam Hangi Deprem Yönetmeliğine Göre Yapıldı?
• Deprem Dayanıklılık Raporu Nasıl Alınır?

Sık sorulan sorular

Yönetmelik maddeleri ve kaynaklar

• TBDY 2018, madde 7.2.5 ve 7.2.8: Malzeme koşulları, özel deprem etriyeleri ve çirozları.
• TBDY 2018, madde 7.3.4, 7.3.5, 7.3.7 ve 7.3.8: Süneklik düzeyi yüksek kolonlarda enine donatı koşulları, kolonların kirişlerden güçlü olması, kolonların kesme güvenliği ve kısa kolonlar.
• TBDY 2018, madde 15.2, 15.3.1, 15.5.2.2 ve 15.8.3–15.8.5: Mevcut binalardan bilgi toplanması, kesit hasar durumları, sünek ve gevrek eleman sınıflandırması, performans düzeyleri.
• TBDY 2018, madde 15.9.1, 15.10.1 ve 15.10.2: Güçlendirilen binaların değerlendirilmesi, kolonların sarılması ve kesit büyütme.
• 634 sayılı Kat Mülkiyeti Kanunu, madde 4 ve 19.
• Elwood, K. J. ve Moehle, J. P., Shake Table Tests and Analytical Studies on the Gravity Load Collapse of Reinforced Concrete Frames, PEER Raporu 2003/01, 2003.
• Doğan, T. P. ve diğerleri, Investigation of RC structure damages after February 6, 2023, Kahramanmaraş earthquake in the Hatay region, Bulletin of Earthquake Engineering, 2024.

Bu yazı genel bilgilendirme amaçlıdır ve bir deprem performans analizinin veya güçlendirme projesinin yerine geçmez. Binanızın durumu ancak yerinde inceleme ve TBDY 2018’e göre yapılan analizle belirlenebilir. Raporlarımız ve projelerimiz, Yüksek İnşaat Mühendisi Uğur Özmen (İMO Sicil No: 78711) sorumluluğunda hazırlanır.