Yapıların Sismik İzolasyonu

Yapılar sismik kuvvetlere karşı koyacak şekilde tasarlanmış olsalar bile, deprem, tarih boyunca insanoğluna büyük maddi kayıplar vermiştir. Bu sebeple depremin yıkıcı etkisinden kurtulmak için birçok çözüm üretilmiştir. Teknolojik gelişmeler ve bunun ışığında ortaya çıkan “akıllı binalar” kavramı, deprem hakkında araştırma yapanların üzerinde durduğu hassas bir konu halini almıştır[5] Yer hareketinin meydana getirdiği enerjinin yapı elemanları tarafından sönümlemesi fikrine dayalı olarak birçok yapı kontrol mekanizmaları oluşturulmuştur. Kontrol mekanizmaları Tablo 1.3’te de görüldüğü gibi genelde üç bölüm altında incelenebilir:

Pasif kontrol sistemleri Aktif kontrol sistemleri Yarı aktif, karma sistemler

17

Tablo 1.3 Pasif ve aktif kontrol sistemleri çeşitleri[6]

Pasif kontrol sistemleri genel olarak taban izolasyon sistemleri ve pasif enerji sönümleyen sistemler olarak 2 gruba ayrılır. Yapıların tabanına yerleştirilen kauçuk esaslı taban izolasyon malzemesi, deprem sırasında yapının tabanında büyük deplasmanlar oluşturarak meydana gelen enerjiyi sönümler ve yapının üst kısımlarının zarar görmesini önler. Taban izolasyonu görüşü ilk olarak 1920’li yıllarda klasik depreme dayanıklı yapı tasarımına (Rijit yapı görüşü) bir alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Klasik depreme dayanıklı yapı tasarımında rijit yapı anlayışı hakimdir. Amaç, çok kuvvetli depremlerde bile binanın bağıl deplasmanını minimuma indirebilmektir[5]. Bilindiği gibi deprem anında oluşan kuvvetli yer hareketlerinin yatay bileşenleri yapılar için en tehlikeli olanlarıdır. İşte taban izolasyonunun esas amacı, yapıya sismik enerji girişini azaltmak, diğer bir ifade ile titreşimi kendi üzerinde absorbe ederek, yapıya iletilen yatay deprem kuvvetlerini azaltmaktır. Daha açık olarak ifade etmek gerekirse, yapı iki kısımdan oluşmaktadır. Birinci kısım, taban izolasyonu sistemidir. Burada kullanılan malzemenin esas özelliği dikey yönde oldukça rijit, yatay yönde ise oldukça esnek olmasıdır. İkinci kısım ise taban izolasyon sistemine göre oldukça rijit olan üst yapıdır. Taban izolasyon sistemi kullanıldığı zaman taban izolasyon sistemi dahil bütün yapının temel frekansı azalmakta, yani yapı depreme karşı daha uzun bir periyotla mukabelede bulunmaktadır. Daha uzun periyot daha fazla yatay deplasmanı neticesini doğurduğundan deplasmanın büyük kısmı üst yapıya göre yatay yönde daha esnek olan taban izolasyon sistemine iletilmektedir. Yani taban izolasyonlu yapılarda, taban izolasyon sisteminde büyük deplasmanlar, üst yapıda ise taban izolasyon sistemine göre oldukça küçük deplasmanlar oluşmaktadır. Yani üst yapıda katlar arası bağıl deplasman çok küçük olduğundan, üst yapı esnek taban izolasyonu sistemi

18

üzerinde hemen hemen rijit bir yapı olarak davranmaktadır. Taban izolasyonlu sistemlerin pratikte çok başarılı uygulamalar olmakla birlikte, birtakım sınırlamalar da söz konusudur. Her şeyden önce taban izolasyon sistemleri, değişen deprem kuvvetlerine karşı kendini adapte edebilme kabiliyetinden mahrum olduğundan, genel olarak aktif ve pasif sistemler olarak ikiye ayrılan ve yapıları deprem gibi sürekli değişen dinamik etkilere karşı korumak için geliştirilen sistemler içinde pasif sistemlere girmektedir.

Pasif enerji sönümleyen, yapıya yerleştirilen viskoelastik ve sürtünme araçları ile enerjinin sönümlemesi, böylece yer değiştirme ve zorlanmalarının azaltılması amaçlanmıştır. Pasif sistemler efektif olarak yüksek olmayan yapılara uygulanabilmektedir. Çünkü yüksek binalarda taban izolasyon sisteminde uplift(yukarı kaldırma) kuvvetleri oluşabilmekte ve bunlar da yapının stabilitesini bozabilmektedir. Ayrıca büyük yatay deplasmanlardan dolayı bir kısım taban izolasyon sistemlerinde depremlerden sonra kalıcı deformasyonlar oluşmakta ve bunlar zamanla birikerek sistem devre dışı kalmaktadır. Ayrıca, büyük deplasmanlardan dolayı yapıyı devirmeye yönelik büyük momentler oluşabilmektedir. Her iki pasif kontrol sisteminde boyutlandırma, yapının inşa edileceği bölgedeki deprem karakteristiklerine bağlı olarak belirlenir. Bu nedenle taban izolasyon ve pasif sönümleyici sistemler boyutlandırıldıkları deprem şiddetinde maksimum korumayı sağlar. Ancak bu sönümleyici sistemler ve taban izolasyon sistemleri belirli sınırlar içinde etkilidirler. Ayrıca sistemin karakteri gereği, oluşabilecek çok şiddetli dış etkileri karşılayabilmek için gerekli kontrol kuvvetlerini üretecek enerji sistemde olmadığından, bu gibi durumlarda pasif sistemler etkisiz kalmaktadır.

Buna mukabil aktif kontrol sistemleri, mekanizmayı denetleyen ve belli zaman aralıklarında deprem titreşimlerini algılayıp, bu titreşimlerin şiddetine göre hesaplar yapan bir kontrol ünitesine sahip olduğu için teorik olarak her şiddetteki depreme dayanacak şekilde tasarlanmışlardır. Yani pasif kontrol ile hangi şiddetteki depremler için koruma sağlanması isteniyorsa, koruma sistemi o seviyeye göre tasarlanır. Buna karşılık, aktif kontrol ile tasarım zemin hareketinin şiddetinden bağımsızdır. Zemin hareketinin şiddetine göre sistem, özelliklerini (rijitlik vs.) ya da hareket miktarını değiştirir. Bu yüzden, aktif yapısal kontrol ile yapılan tasarımda meydana gelecek zemin hareketlerinin belirsizliği ya da tahmin edilmemesi düşüncesi yer almaz. Dünyada bu tür araçların ilk uygulaması 1990 yılında Tokyo’da bir kamu binasına AMD (Active Mass Damper) sistemin uygulanması ile gerçekleştirilmiştir[4].

Büyük depremlere karşı yapının kontrolünün sağlanması amacıyla AVS (Active Variable Stiffness) olarak adlandırılan başka bir sistem oluşturulmuştur. Bu metotta, sistemi

19

harekete geçirici kontrol kuvvetini oluşturmaya gerek yoktur. Ancak, yapının frekansı ile yer hareketinin frekansının aynı olmasıyla meydan gelen rezonans olayından kaçınmak için özel kuşaklama mekanizmasıyla sistem için uygun rijitliği seçmek ve buna göre sistemi tasarlamak gerekir.

Son yıllarda geliştirilen başka bir yapısal kontrol sistemi de aktif ve pasif sistemin birlikte kullanılması ile oluşan karma ayarlanmış kütle sönümleyici APTMD (Active Passive Composite Tuned Mass Damper)’dir. Bu sistem, bir pasif ayarlanmış kütle sönümleyici ve bunun üzerine inşa edilen aktif ikinci bir kütleden oluşur. Özenle hazırlanmış kontrol algoritması ve aracın aktif kısmının kütlesinin az olması nedeni ile ekonomik ve yüksek kalitede aktif titreşim kontrol edici olarak çalışabilmektedir.

Aktif kontrol sistemin mekanizması genel olarak, deprem titreşimlerinin algılanması, bir kontrol aracı ile bu bilgilerin değerlendirilmesi ve bina üzerine yerleştirilmiş olan aygıtlarla, binanın titreşimlere karşı çeşitli biçimlerde (rijitlik değiştirme, kütle sönümleyiciler gibi) uyum sağlayarak yer hareketinin veya şiddetli rüzgarların yapının taşıyıcı sistemi üzerindeki zarar verici etkisinden kurtulması prensibine dayalı olarak kurulmuştur. Böylece bir yapı, aktif kontrolü kullanarak deprem, rüzgar veya patlama gibi şiddetli ve ani yüklere karşı davranışını değiştirerek, yüklerden dolayı oluşan enerjiyi sönümleyebilir. Kendini yükün şiddetine göre ayarlama kabiliyetine sahip bu tür yapılara akıllı yapılar (smart structures) ya da uyumlu yapılar (adaptive structures) denmektedir. Akıllı yapılar teknolojisi, yapı ve deprem mühendisliğinde yeni bir devrim yaratacak niteliktedir. Aktif kontrollü yapılar can kaybını önleyici, yapının ve içindeki eşyaların zarar görmeden kurtulmasını sağlayıcı özelliğe sahiptirler. Bir örnek vermek gerekirse aktif kontrol sayesinde yüksek katlı yapının deprem anındaki yer değiştirmeleri lineer sınırlar içinde tutulur ve bu sayede kalıcı yapısal veya yapısal olmayan hasarlar önlenirse bazı durumlarda yapının kendisinden daha değerli olan içindeki eşyalara veya ekipmanlara zarar gelmesi önlenmiş olur. Aktif kontrol sistemi birçok yarar sunmasının yanında önemli bazı sakıncaları da mevcuttur. Deprem sırasında enerji nakil hatlarında meydana gelebilecek veya depremden sonra yangın çıkmaması için kesilen enerji hatları, sistemin çalışması için gerekli olan enerji sorununu beraberinde getirir. Bu sorunu çözebilmek için kesintisiz enerji kaynağı gibi çözümler üretilmiştir. Ayrıca titreşimleri sönümleyecek olan aygıtların harekete geçirilmesi büyük enerji gerektirir. Kullanılan ileri teknoloji ve gerekli enerji kaynağı temini maliyeti arttıran başlıca dezavantajlardan bir kaçıdır.

20

Ekonomik bakımdan uygulanması pahalı olan aktif kontrol sistemi yerine çeşitli alternatifler düşünülmüş bunun sonucu olarak pasif kontrol sistemlerinin ucuz ve kalıcı çözümleri ile aktif kontrolün etkin ve kendini yüke göre ayarlayabilen mekanizmasının avantajları kullanılarak karma sistemler oluşturulmuştur. Aktif kontrol sistemini, sadece içinde insan barındıran konutlara uygulamakla yetinilmemiş, ayrıca medeniyetin önemli göstergelerinden biri olan köprülerin inşasında da akıllı yapı teknolojisinden yararlanılmıştır. Köprünün taşıyıcı kablolarının ucuna yerleştirilen mekanizma trafik, rüzgar veya depremden meydana gelen titreşimlerin sönümlemesinde son derece kullanışlıdır.