sİsm İk yalitim kullaniminin yapisal … · bölgesel olarak de ğerlendirildi ğinde, yapısal...

3. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı 14-16 Ekim 2015 – DEÜ – İZMİR

SİSMİK YALITIM KULLANIMININ YAPISAL PERFORMANS ÜZERİNDEKİ ETKİSİNİN DEĞERLENDİRİLMESİ

T. Tibet Akbas1, Cem Haydaroğlu

1, ve Timurhan Timur

2

1 İnşaat Yük. Müh., Arup Müh. ve Müş. Ltd. Şti., İstanbul

2 Dr. İnşaat Yük. Müh., Arup Müh. ve Müş. Ltd. Şti., İstanbul

Email: [email protected]

ÖZET: Yoğun sismik aktivite bulunan bölgelerde, özellikle önemli yapıların tasarımında istenilen performans seviyelerini sağlayabilmek için sismik yalıtım sistemleri sıklıkla tercih edilmektedir. Yapıya etkiyen deprem yüklerinin azaltılmasında oldukça etkili olan sismik yalıtım sistemleri değişik çeşitlerde tasarlanabilmektedir. Ancak farklı tiplerde de olsa yapının periyodunu arttıran ve yapısal sisteme ilave sönüm getiren davranış değişim göstermemektedir. Bu bildiride sismik yalıtımlı yapıların tasarım esasları belirtilerek, Filipinlerde yapılması planlanan Yeni Havalimanı Terminal binasının sismik yalıtımlı ve yalıtımsız olarak sağlanacak performans seviyelerindeki değişim karşılaştırılmıştır. Yapısal tasarım hesapları Filipinler’in deprem şartnamesi göz önüne alınarak ve sahaya özel olarak hazırlanan deprem raporu doğrultusunda yapılmıştır. Değerlendirmeler sonucunda yapısal ve yapısal olmayan elemanlardaki hasar seviyesi değişimleri çıkartılmıştır. Bu hasarlara bağlı olarak yapıda sismik yalıtım sistemi kullanılmasının ilave getireceği maliyetler hesaplanmış ve deprem sonrası oluşabilecek yapı hasarlarının maliyetleriyle karşılaştırılmıştır. ANAHTAR KELİMELER: Deprem, Sismik Yalıtım, Yapısal Performans, Yapısal Deprem Mühendisliği 1. GİRİŞ Gelişen inşaat teknolojileri ve tasarım şartnameleri doğrultusunda günümüzde yapıların istenilen yapısal performans seviyelerine göre tasarımı giderek yaygınlaşmaktadır. Sıklıkla ve büyük ölçekte depremler üretebilen fayların bulunduğu alanlarda inşa edilecek yapılarda öncelikle deprem sonrası oluşacak hasarın tahmini ve yapının önemine bağlı olarak bu hasarın sınırlandırılması gerekmektedir. Bu kapsamda yapının tasarım aşamasında işveren gereksinimleri doğrultusunda depremde oluşacak yapısal ve yapısal olmayan elemanlardaki hasarı belirli seviyelerde olacak şekilde tasarım yapmak mümkündür. Bu çalışma Filipinlerin Cebu şehrinde yapılması planlanan Havalimanı Terminal binasının hedeflenen performans seviyesine ulaşmak amacıyla sismik yalıtım sistemleri kullanılması durumunda gerek hasar seviyesi, gerekse de maliyet açısından değerlendirilmesi amacıyla yapılmıştır. 2. YAPISAL SİSTEMİN TANIMI

Tasarımı yapılmakta olan Filipinlerdeki Yeni Terminal binası Şekil 1’de görüldüğü üzere beş bloktan oluşmaktadır. Filipinler dünya üzerinde bulunduğu yer itibariyle deprem ve kasırga gibi doğa olaylarının sıklıkla görüldüğü bir alandır. Bu sebeple yapısal tasarımlarda olası doğal afetleri ve özellikle depremi gözönüne almak büyük bir önem arz etmektedir.


Şekil 1. Terminal binasının yerleşim planı

Terminal binası planda 90x135m boyutlarında olup gelen ve giden olmak üzere iki katlı bir yapıdır. Giden yolcu katının üzerinde açıklığı 30m ve yüksekliği 17m olan üç adet kemerden oluşan çelik çatı yapılması planlanmaktadır. Düzgün bir aks sistemi olan yapıda kısa doğrultuda her biri 15.0m olan altı açıklık ve uzun doğrultuda da 13.5m’lik on adet açıklık yer almaktadır. Terminal binası Etabs V9.7.2 ile modellenmiş olup modelden görünüşler Şekil 2’de verilmiştir.

Şekil 2. Terminal binasının model görünüşü

3. FİLİPİNLER DEPREM ŞARTNAMESİ

Filipinler bulunduğu bölge itibariyle fırtına ve kasırgaların sıkça gözlemlendiği bir yer olmasının haricinde

deprem olarak da fayların aktif olduğu bir ülkedir. Değişik büyüklüklerde ve sıklıklarda depremler üretebilen

çok sayıda fay bulunduğundan, ülkede faylar Tablo 1’de görüldüğü şekilde kategorize edilmiş olup Tablo 2’de

zemin tiplerine karşılık gelen zemin katsayıları Ca ve Cv verilmiştir.


Bölgesel olarak değerlendirildiğinde, yapısal tasarım yönetmeliğinde (NSCP, 2010) iki sismik bölge tanımlaması

yapılmıştır. Tasarım şartnamesinde belirtildiği üzere ülkenin Palawan, Sulu ve Tawi-Tawi yerleşkeleri 2. deprem

bölgesinde, kalan kısımlarıysa 4. deprem bölgesinde olup hesaplarda alınacak en büyük deprem ivmeleri

sırasıyla 0.20g ve 0.40g olarak verilmiştir.

Tablo 1. Fayın tipi

Tablo 2. Zemin katsayıları Ca Cv

Yapıya etkiyecek deprem kuvvetlerinin belirlenmesinde sismik bölge ve zemin sınıfı asıl belirleyici kısımlar olmakla birlikte yapının faya yakın olması durumu da hesaplarda göz önüne alınmaktadır. Tablo 3’te görüldüğü şekilde fay tipine ve uzaklığa bağlı olarak yakın fay etkisinden dolayı oluşacak deprem kuvveti artışı tasarıma dahil edilmektedir.

Tablo 3. Yakın fay etkisi katsayıları Na Nv

Tasarımda kullanılması gereken deprem taban kesme kuvveti aşağıda verilen (1) formülüne göre hesaplanmakta olup (2)’den elde edilecek değeri geçmemesi gerekmektedir.

Fayın Tipi

Fayın Açıklaması

Fayın Tanımı

Maksimum Moment Büyüklüğü, M

A Büyük ölçekteki depremleri yüksek sıklıkla üreten faylar

M ≥ 7.0

B A ve C tipi tanımına girmeyen faylar

6.5 ≤ M < 7.0

C Büyük ölçekte deprem üretmeyen faylar

M < 6.5

Zemin Tipi

Sismik Bölge Z

Z = 0.2 Z = 0.4

SA 0.16 0.32Na

SB 0.20 0.40Na

SC 0.24 0.40Na

SD 0.28 0.44Na

SE 0.34 0.44Na

SF

Zemin Tipi

Sismik Bölge Z

Z = 0.2 Z = 0.4

SA 0.16 0.32Nv

SB 0.20 0.40Nv

SC 0.32 0.56Nv

SD 0.40 0.64Nv

SE 0.64 0.96Nv

SF

Fayın Tipi

Faya Olan Mesafe

≤ 5 km ≥ 10 km

A 1.2 1.0

B 1.0 1.0

C 1.0 1.0

Fayın Tipi

Faya Olan Mesafe

≤ 5 km 10 km ≥ 15 km

A 1.6 1.2 1.0

B 1.2 1.0 1.0

C 1.0 1.0 1.0


WRT

ICV v= (1)

WR

ICV a5.2

= (2)

Burada I yapı önem katsayısı ve R taşıyıcı sistem davranış katsayısıdır. Etkitilecek deprem kuvvetinin minimum değeri de (3) ve (4)’te belirtilen değerlerden büyük olanı olarak hesaplanır.

IWCV a11.0= (3)

WR

IZNV v8.0

= (4)

3.1. Sahanın Sismik Özellikleri Tasarımı planlanan havalimanı Filipinler’in Cebu şehrinde inşa edileceğinden 4. deprem bölgesinde bulunmakta

olup hesaplarda alınması gereken deprem ivmesi katsayısı 0.40g’dir. Etki edecek fayın tipi ise B olarak

belirlenmiştir. Zemin raporuna göre C sınıfı zemindeki yapı, bilinen en yakın faya 10.4km uzaklıkta olduğundan

Na = 1.0 ve Nv = 1.0 alınacaktır. Tasarımda yapı önem katsayısının I = 1.0 alınması kararlaştırılmıştır. Filipinler

sismik risk haritası Şekil 3’te verilmiştir.

Şekil 3. Filipinlerin sismik haritası

Cebu


4. SİSMİK TALEP VE PERFORMANS HEDEFİNİN TANIMLANMASI Havalimanları dünyanın pek çok yerinde olduğu üzere önemli yapılar sınıfına girdiğinden, olası bir deprem

sonrasında büyük hasar almaması istenmekle birlikte faaliyetine devam edebilecek şekilde tasarlanması gereken yapılardır.

Günümüzde kullanım alanı giderek artan, istenilen ve gerekli performans seviyesine göre tasarım yapılması

böyle önemli bir yapıda zorunluluk olarak ön plana çıkmaktadır.

Bu sebeple binanın olası üç farklı deprem durumundaki yapısal ve yapısal olmayan eleman performansları

değerlendirilmiş olup performans sesviyeleri matrisi Şekil 4’te görülmektedir.

a. Operasyonel Seviye – 50 yılda aşılma olasılığı 50% olan ve 75 yıllık dönüş periyodu olan deprem

b. Hemen Kullanım Performans Seviyesi – 50 yılda aşılma olasılığı 10% olan ve 475 yıllık dönüş periyodu olan deprem

c. Can Güvenliği Performans Seviyesi – 50 yılda aşılma olasılığı 2% olan ve 2475 yıllık dönüş periyodu olan deprem

Şekil 4. Performans seviyeleri matrisi

5. SİSMİK YALITIM SİSTEMİ ÖN TASARIMI Yapının ilk tasarımı sismik yalıtım sistemleri kullanılmadan, konvansiyonel yapı sistemleri göz önüne alınarak yapılmıştır. Filipinler deprem yönetmeliğine göre yapılan tasarımda 50 yılda aşılma olasılığı %10 olan deprem kullanılarak tasarım yapılmış yatay yük taşıyıcı sistemi perde ve çerçevelerden oluşturulmuştur. Yatay yükün önemli bir kısmı perdelerle taşınırken çerçeve elemanları büyük ölçüde düşey yük taşıyıcı elemanlar olarak tasarlanmıştır Deprem yönetmeliklere göre bahsedilen deprem seviyesi ve yapı önem katsayısı (I=1.0) ile tasarım yapıldığında sağlanan performans seviyesi “Can Güvenliği” seviyelerinde olmaktadır. Sismik yalıtım sistemine ait ön tasarım yapılırken hedeflenen durum aşağıda özetlenmiştir:

1. Şekil 4’te verilen performans seviyeleri matrisinde önemli yapılar için belirlenen kriterlerin sağlanması. Bu durumda 50 yılda aşılma olasılığı %10 olan deprem için hedeflenen performans seviyesi “Hemen


Kullanım” olmaktadır ki konvansiyonel sistemin deprem yönetmeliğine göre tasarımında dikkate alınan seviyenin bir kademe üzerindedir.

2. Üst yapı maliyetlerini azaltmak amacıyla taşıyıcı sistem sadece çerçevelerden oluşturulacaktır. 3. Konvansiyonel sistemle yapılan tasarımda çerçeve sisteme ait düşey elemanların boyutları önemli

ölçüde düşey yüklere göre tasarlanmıştı. Sismik yalıtımlı durumda da kolon boyutlarının ilk durumdaki ile aynı kalacak şekilde tasarım yapılacaktır. Dolayısıyla taban kesme kuvveti seviyesinin kolon tasarımında düşey yüklerin etkin olacağı şekilde azaltılması gerekmektedir. Sismik yalıtım sisteminin özellikleri bu durum dikkate alınarak belirlenecektir.

Sismik yalıtım sisteminin yapıya eklenmesi durumunda yapının periyodunda artış ile birlikte sönüm değeri de artmaktadır. Söz konusu parametreler tasarımda hedeflenen taban kesme kuvveti seviyesini yakalayacak şekilde belirlenmekte ve buna göre sismik yalıtım sistemi tasarlanmaktadır. Sismik yalıtım sisteminin sönüm oranı yapıya etkiyecek deprem kuvveti değerlerini önemli ölçüde etkilemektedir. Farklı sönüm oranları için hazırlanan spektrum eğrileri Şekil 5’te görülmektedir.

Şekil 5. Yalıtım sistemi sönümüne bağlı olarak spektrumun değişimi

Terminal binasının sismik yalıtım elemanları kullanılmadan hesaplanan yapısal modelinden perde elemanları çıkarıldıktan sonra düşey yüklere göre tasarlanmış olan kolonların yatay yük taşıma kapasiteleri belirlenmiş ve seçilmiş olan kolon boyutlarını değiştirmeyecek şekilde hedeflenen performansın sağlanabileceği taban kesme kuvveti seviyesi belirlenmiştir. Bu seviyedeki taban kesme kuvvetinin sağlanabilmesi için sismik yalıtım sisteminin hedeflenen periyot ve sönüm değerleri hesaplanmıştır. Aşağıda listelenen bu değerler aynı zamanda sismik yalıtım sisteminin tasarımına esas oluşturmaktadır.

• T = 3.0 s (Perdelerin sistemden çıkarıldığı durumdaki konvansiyonel yapı periyodunun yaklaşık 3 katı)

• ξ = 25 ~ 30% (Kritik sönüm oranı)

• P = 11.000 kN (izolatör başına gelen ortalama eksenel kuvvet)

Moment çerçeveli konvansiyonel sistemle, sismik yalıtımlı sistemin etkilerinin karşılaştırılması Şekil 6 ve Şekil

7’de görünen kompozit spektrumlarda gösterilmiştir. Yapının 3.0sn’lik hedef periyotta yaklaşık 0.12g’lik

deprem kuvvetine maruz kalacağı ve sismik yalıtım elemanlarının hedef deplasmanının yaklaşık 300mm olacağı görülmektedir.


Günümüzde yüksek sönümlü kauçuk yalıtım elemanı, kurşun çekirdekli yalıtım elemanı ya da ters sarkaç tipi

sürtünme kontrollü yalıtım elemanı gibi değişik özellik ve performanslarda ürünler bulunmaktadır.

Değerlendirmede yalıtım elemanı çeşidinden bağımsız olarak mevcut yapısal sistemde belirtilen yalıtım elemanı tiplerinin her biri için de sağlanabilecek bir hedef periyot belirlenmiştir. Farklı ürünler için gerekli boyutlar hesaplanarak, firmalardan alınan yaklaşık maliyetlerle genel bir karşılaştırma yapılmıştır.

Şekil 6. Kompozit ivme spektrumu


Şekil 7. Kompozit deplasman spektrumu

6. SİSMİK YALITIMLI VE YALITIMSIZ SİSTEMLERİN DAVRANIŞLARININ KARŞILAŞTIRILMASI Yapının konvensiyonel olarak tasarlandığı durumda ülke deprem şartnamesine göre moment çerçeveli ve perdeli sistemler için hesaplarda alınması gerekli taşıyıcı sistem davranış katsayısı 6.5’tir. Bu şekilde tasarlanan bir yapıda hakim periyodun 1.0sn mertebesinde olduğu görülmüştür. Buna göre oluşacak taban kesme kuvveti (5)’te hesaplanmıştır.

WWx

xW

RT

ICV v 086.0

0.15.6

0.156.0=== (5)

Binanın Şekil 8’de görüldüğü üzere sismik yalıtımlı olarak tasarlandığı durumda üst yapı sadece moment

çerçevelerinden oluşan bir sisteme çevrilmektedir. Şartanemede bu durum için belirtilen davranış katsayısı

8.5’tir. ASCE 7.10 şartnamesinin ilgili kısmında belirtildiği üzere sismik yalıtım sistemi seviyesi üstünde kalan

yapısal elemanların tasarımında taşıyıcı sistem davranış katsayısı ( )R83;2 değerlerinden küçük olanına göre

belirlenmelidir. Sismik yalıtım sistemi periyodu 3.0sn. olarak planlandığından bu durumda oluşacak taban kesme kuvveti (6)’da verildiği gibidir.

WWx

xW

RT

ICV v 093.0

0.30.2

0.156.0=== (6)


Görüldüğü üzere yapının sismik yalıtımlı olarak tasarlandığı durumda hesaplarda kullanılacak olan taban kesme

kuvvetinde yaklaşık %8’lik bir artış olmaktadır. Yalıtımlı ve yalıtımsız yapı modelleri arasında yapılan detaylı

karşılaştırmalar sonucunda taban kesme kuvvetinde oluşan bu artışın üst yapı kolon boyutlarında değişikliğe

sebep olmadığı görülmüştür. Benzer şekilde 13.5m ve 15.0m’lik aks aralıkları sebebiyle aslen düşey yük

kombinasyonlarından zorlanan betonarme kiriş boyutlarında da artışa gidilmesine gerek olmadığı sonucuna ulaşılmıştır.

Taban kesme kuvveti hesaplarında kullanılan yapı davranış katsayısı taşıyıcı sistemin plastik deformasyonlarla

enerji sönümleme seviyesini göstermektedir. Konvensiyonel olarak çözülen yapıda 6.5 olan bu değer yalıtımlı sistemde 2.0 olarak sınırlandırılmaktadır. Rakamsal değerler arasında kabaca yapılabilecek karşılaştırmaya göre

deprem sonrası konvensiyonel çözülmüş yapıda yalıtımlı yapıya nazaran çok daha fazla hasar oluşacağı açıktır.

Ayrıca yalıtımlı sistemde göreli kat ötelemelerinin de büyük ölçüde azaldığı gözlenmiş ve bunun yapısal ve

yapısal olmayan elemanların performansına önemli katkı sağlayacağı tespit edilmiştir.

7. SİSMİK YALITIMLI VE YALITIMSIZ DURUMDA YAPISAL VE YAPISAL OLMAYAN ELEMANARIN VE MALİYETLERİN KARŞILAŞTIRILMASI Yapıda yalıtım elemanı temel seviyesinde tasarlanmış olup yerleşimleri Şekil 8’de gösterilmiştir. Belirtilen kotta

yalıtım elemanı kullanılması durumunda, özellikle zemin suyu ile temasın oluşturacağı olumsuz etkilerin önüne

geçmek adına izolatörlerin 50cm yükseklikte bir kaide üzerine oturtulduğu kabulü yapılmıştır. Yapının ankastre

ayaklarla tasarlanan konvansiyonel durumunda temeller -1.50 kotunda düşünülmüş olup ilave temel kazısı

maliyeti olmaması açısından aynı temel seviyesinin sismik yalıtımlı durumda da korunabileceği kabulü

yapılmıştır. Ancak sismik yalıtım kullanılması durumunda zemin seviyesi altında kalan kısımların depremde

yalıtım sisteminin yapacağı deplasmandan dolayı hasar görmemesi için bina çevresinde olası yalıtım sistemi deplasmanı kadar boşluk bırakıp, binayla araziyi toprak perdesiyle ayırmak gerekmektedir.

Bilindiği üzere yalıtım sistemi seviyesi üzerinde sistemin düzgün bir şekilde çalışabilmesi için rijit bir diyafram

teşkil edilmesi gerekmektedir. Bu sebeple yalıtımsız durumda yapılması planlanan zemin döşemesi yerine ilave bir betonarme döşeme sistemi yapılması gerekmektedir. Yapılması gereken bu döşemenin altında yalıtım

elemanlarının bakımı ve olası bir deprem sonrasında hasar görenlerinin değiştirilebilmesi için yaklaşık 2m.

yüksekliğinde bir bakım alanı yaratılması gerektiği kabulü yapılmıştır.

Önceki bölümlerde belirtildiği üzere yapının sismik yalıtımlı olarak tasarlanması durumunda 3.0sn’de yaklaşık

300mm’lik bir talep deplasman oluşmaktadır. Bu sebeple bodrumdaki çevre duvarlarının yapıdan minimum

300mm aralık teşkil edecek şekilde yapılması gerekmektedir. Benzer şekilde, terminal binasına komşu diğer

yapılarda da sismik yalıtım kullanılması durumunda iki yapı arasındaki mesafenin toplam talep deplasman kadar

olması gerektiği açıktır.

Belirtilen yapısal kısımlarda ilave edilecek ve kaldırılacak elemanları özetlemek istersek;

1. Konvansiyonel sistemde tasarlanmış olan perdeli ve moment çerçeveli yapısal sistemdeki perde elemanlar, sismik yalıtım sistemi kullanılması durumunda kaldırılabilmekte ve sistem sadece moment çerçeveleriyle çözülebilmektedir.

2. Mevcut zemin döşemesi yerine sismik yalıtım sistemi üzerinde rijit diyafram oluşturabilmek için betonarme bir döşeme sistemi yapılması gerekmektedir.

3. Yapının zemin seviyesi altında kalan kısımlarının, deprem durumunda yalıtım sisteminin yapacağı yanal hareket sebebiyle çarpışmaması için çevre toprak perdeleri yapılması gerekmektedir.


4. Zemin döşemesi seviyesinin altından binaya girişinin yapılması gereken mekanik ve elektrik tesisatlarının, yalıtım sisteminin yapacağı yanal deplasman değeri düşünülerek, uygun esneklikte bağlantı elemanları kullanılarak tasarlanması gerekecektir.

Şekil 8. Sismik yalıtım sistemi olası yerleşimi

Sismik yalıtımlı durumda yapıya eklenip çıkarılacak elemanlar ve sismik yalıtım sisteminin maliyeti göz önüne alındığında sismik yalıtımlı yapı maliyetinin konvansiyonel sistemli yapı maliyetine oranla %5-10 mertebesinde fazla olduğu tespit edilmiştir. Ancak oluşan ilave maliyetlerin haricinde yapının deprem sonrasındaki kullanıma açılma süresi ve oluşacak hasarın onarım maliyeti dikkate alındığında yalıtım sistemi kullanılmasının önemli etkisinin olacağı açıktır. 8. SONUÇ Sismik yalıtımlı yapı için yapılan ön tasarım sonucunda konvansiyonel sisteme göre üst yapı taşıyıcı sisteminden

önemli ölçüde eleman azaltarak hedeflenen performans seviyesinin “Can Güvenliğiénden “Hemen Kullanım”

seviyesine çıkarılabildiği görülmüştür. Ancak yalıtım sisteminin gerektirdiği rijit diyafram gibi yeni elemanlar eklenmesi ve yalıtım sisteminin kendi maliyeti de göz önüne alındığında yalıtımlı yapı maliyetinin

konvansiyonel sisteme oranla %5-10 civarında daha fazla olduğu tespit edilmiştir.

Taşıyıcı sistem elemanlarının haricinde yapıyı düşey dolaşım elemanları, mekanik ve elektrik ekipmanlar açısından da değerlendirmek gerekmektedir. Yalıtım sistemi deplasmanından dolayı bırakılacak sismik derz

noktasındaki tesisat geçişlerinin yalıtım sisteminin yapacağı deplasman talebini karşılayacak kapasitede olması

gerekmektedir. Binaya bağlanan tesisatlardaki bu detaylar ilave maliyetler gerektirmektedir.

Yapının faaliyetinin kesintiye uğramadan devam etmesi, depremden sonra oluşacak hasarların onarım maliyeti

gibi yapım maliyeti artışı dışındaki etmenler düşünüldüğünde sismik yalıtımlı yapının konvansiyonel sistemle

inşa edilecek yapıya oranla daha avantajlı olduğu sonucuna varılabilir.

KAYNAKLAR ASEP, (2010). National Structural Code of the Philippines ASCE41-13, (2014). Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings

sİsm İk yalitim kullaniminin yapisal … · bölgesel olarak de ğerlendirildi ğinde, yapısal...

Documents