İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
MİNİMAKS YAKLAŞIMI İLE YAPILARIN TİTREŞİM KONTROLÜ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
İnşaat Mühendisi Seyfettin Umut UMU
Anabilim Dalı : İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ Programı : DEPREM MÜHENDİSLİĞİ
İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
MİNİMAKS YAKLAŞIMI İLE YAPILARIN TİTREŞİM KONTROLÜ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
İnşaat Mühendisi Seyfettin Umut UMU (501051216)
Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 30 Nisan 2008 Tezin Savunulduğu Tarih : 10 Haziran 2008
Tez Danışmanı : Doç.Dr. Ünal ALDEMİR Diğer Jüri Üyeleri Prof.Dr. Reha ARTAN (İ.T.Ü)
Prof.Dr. R. Faruk YÜKSELER (Y.T.Ü)
ii ÖNSÖZ
Bu çalışmada, yapıların depremler karşısındaki tepkilerinin neler olduğu, bu tepkilere karşı yapıları korumak adına ne gibi önlemler alınabileceği araştırılmıştır. Bununla birlikte, yapı optimizasyonu üzerine bilgiler verilmiştir. Ayrıca, depreme karşı bu önlemlerin hesaplamalarına ilişkin çeşitli yöntemler anlatılmıştır. Minimaks yaklaşımı da bunlardan birisidir. Minimaks yaklaşımının tarihsel süreci ve matematiksel gösterimi incelenmiştir. Elde edilen veriler doğrultusunda ve programlama dillerinin aracılığıyla minimaks yaklaşımı değerlendirilmiştir.
Yüksek lisans tez çalışmamız esnasında, her türlü fikrini ortaya koyan ve bize sonuna kadar destek olan, ayrıca, çalıştığı diğer arkadaşlarımıza karşı da olmak üzere, bize güler yüzünü hiç eksik etmeyen saygıdeğer öğretmenim Doç.Dr. Ünal AYDEMİR’e, ileriki bilimsel çalışmalarımda da bana destek olacaklarını bildiğim ve bu noktaya kadar gelmemde her zaman yanımda bulunan aileme ve eşime;
Teşekkür ederim.
iii İÇİNDEKİLER
ÖNSÖZ ... ii
KISALTMALAR ... v
TABLO LİSTESİ ... vi
ŞEKİL LİSTESİ... viii
SEMBOL LİSTESİ ... xii
ÖZET... xiii
SUMMARY ... xiv
1.GİRİŞ ... 1
1.SİSMİK YALITIM ... 7
2.1 Sismik Yalıtımın Felsefesi ve Koşulları ... 7
2.2 Sismik Yalıtımın Temel Özellikleri ...10
2.3 Sismik Yapı Yalıtımının Sağladığı Avantajlar ...11
2.4 Sismik Yalıtımın Uygulama Alanları ...12
3.SİSMİK YALITIM YÖNTEMLERİ - KONTROL YÖTEMLERİ 13
3.1 Pasif Kontrol Sistemleri ...14
3.1.1 Taban Yalıtım Sistemleri ...15
3.1.2 Enerji Yutabilen Pasif Kontol Yöntemleri ...22
3.1.2.1 Metalik Sönümleyiciler ...22
3.1.2.2 Sürtünme Tipi Sönümleyiciler ...24
3.1.2.3 Visko-Elastik Sönümleyiciler ...25
3.1.2.4 Viskoz Akışkanlı Sönümleyiciler ...27
3.1.2.5 Ayarlı Kütle Sönümleyiciler ...29
3.1.2.6 Ayarlı Sıvı Sönümleyiciler...32
3.2 Aktif Kontrol Sistemleri ...34
3.2.1 Aktif Rijitlik Değiştirebilen Sistemler ...37
3.2.2 Aktif Kütle Sönümleyici Sistemler ...38
3.2.3 Kayan Modlu Kontrol Yöntemi ...41
3.3 Karma Kontrol Sistemleri ...41
3.4 Yarı Aktif Kontrol Sistemleri ...42
3.4.1 MR Sıvısı ...44
4.YAPISAL OPTİMİZASYON 44
iv
4.2 Çok Serbetlik Dereceli Sistemler ...48
4.2.1 Deprem ve Kontrol Kuvveti Etkisi Altında Çok Serbestlik Dereceli Bir Sistemin Genel Serbest Cisim Diyagramı ...49
4.3 Optimizasyonda Lagranj Çarpanları Yöntemi ...53
4.4 Optimizasyonda Hamilton-Jacobi Denklemi ...54
4.4 Optimizasyonda Mininaks Yaklaşımı Yöntemi ...58
5.MİNİMAKS YAKLAŞIMININ MATLAB İLE TASARLANMASI…………..60
5.1 Matlab Nedir? ...60
5.2 Yapının Matlab’de Modellenmesi ve Programın Anlatımı ...60
5.3 Matematiksel Modelleme ...63
5.3.1 4. Dereceden Runge-Kutta Metodu ...65
5.4 Grafikler ve Tablolar ...66
5.4.1 Depremlerin East-West ve North-South Kayıtlarına Ait Grafikleri, Tabloları...66
5.4.1.1 Kontrolsüz Durum ...67
5.4.1.2 Klasik LQR Kontrolü Durumu ...68
5.4.1.3 Gerçek Deprem Durumu(U=U*)...69
5.4.1.4 En Kötü Deprem Durumu(W=W*,U=U*) ...89
5.4.1.5 Zamana Bağlı Değişim Grafikleri ... 109
6.SONUÇLAR 126
KAYNAKLAR ... 128
v KISALTMALAR
TMD : Tuned Mass Dampers
AVS : Aktif Rijitlik Değiştirebilen Sistemler AMD : Active Mass Dampers
ER : Elektro Rheological Fluid MR : Magneto Rheological Fluid SMA : Shape Memory Alloy are : Algebric Ricati Equation
Eğ. : Eğim
ELCEW : El Centro Depremi Doğu Batı Kaydı ELCENS : El Centro Depremi Kuzey Güney Kaydı KOBEEW : Kobe Depremi Doğu Batı Kaydı
KOBENS : Kobe Depremi Kuzey Güney Kaydı
RIEW : Northridge Depremi, Rinaldi Doğu Batı Kaydı RINS : Northridge Depremi, Rinaldi Kuzey Güney Kaydı SYEW : Northridge Depremi, Sylmar Doğu Batı Kaydı SYNS : Northridge Depremi, Sylmar Kuzey Güney Kaydı LQR : Linear Quadratic Regulator
vi TABLO LİSTESİ
Sayfa No Tablo 3.1 Depreme Dayanıklı Yapı Tasarımında Kullanılan Sismik
Kontrol Sistemleri... 14
Tablo 3.2 Kauçuk Esaslı Sismik İzolatörün Teknik Özellikleri... 17
Tablo 5.1 Optimizasyonu yapılacak yapının karakteristik özellikleri... 61
Tablo 5.2 Optimizasyonda kullanılan deprem kayıtları hakkında genel bilgi …... 62
Tablo 5.3 El Centro Depremi East-West Kaydı Kontrolsüz Durum... 67
Tablo 5.4 El Centro Depremi Noth-South Kaydı Kontrolsüz Durum... 67
Tablo 5.5 Kobe Depremi East-West Kaydı Kontrolsüz Durum... 67
Tablo 5.6 Kobe Depremi North-South Kaydı Kontrolsüz Durum... 67
Tablo 5.7 Northridge Depremi, Rinaldi East-West Kaydı Kontrolsüz Durum... 67
Tablo 5.8 Northridge Depremi, Rinaldi North-South Kaydı Kontrolsüz Durum... 67
Tablo 5.9 Northridge Depremi, Sylmar East-West Kaydı Kontrolsüz Durum... 68
Tablo 5.10 Northridge Depremi, Sylmar Noth-South Kaydı Kontrolsüz Durum... 68
Tablo 5.11 El Centro Depremi East-West Kaydı Klasik LQR Kontrolü Durumu... 68
Tablo 5.12 El Centro Depremi North-South Kaydı Klasik LQR Kontrolü Durumu... 68
Tablo 5.13 Kobe Depremi East-West Kaydı Klasik LQR Kontrolü Durumu... 68
Tablo 5.14 Kobe Depremi North-South Kaydı Klasik LQR Kontrolü Durumu... 68
Tablo 5.15 Northridge Depremi, Rinaldi East-West Kaydı Klasik LQR Kontrolü Durumu... 68
Tablo 5.16 Northridge Depremi, Rinaldi North –South Kaydı Klasik LQR Kontrolü Durumu... 69
Tablo 5.17 Northridge Depremi, Sylmar East-West Kaydı Klasik LQR Kontrolü Durumu... 69
Tablo 5.18 Northridge Depremi, Sylmar North –South Kaydı Klasik LQR Kontrolü... 69
Tablo 5.19 El Centro Depremi East-West Kaydı, Gerçek Deprem Durumu(w , u = u*)... 69
Tablo 5.20 El Centro Depremi North-South Kaydı, Gerçek Deprem Durumu(w , u = u*)... 72
Tablo 5.21 Kobe Depremi East-West Kaydı, Gerçek Deprem Durumu(w , u = u*)... 74
vii
Tablo 5.22 Kobe Depremi North-South Kaydı, Gerçek Deprem Durumu(w , u = u*)... 77 Tablo 5.23 Northridge Depremi, Rinaldi East-West Kaydı, Gerçek Deprem
Durumu(w,u=u*)... 79 Tablo 5.24 Northridge Depremi, Rinaldi North-South Kaydı, Gerçek Deprem
Durumu(w,u=u*)... 82 Tablo 5.25 Northridge Depremi, Sylmar East-West Kaydı, Gerçek Deprem
Durumu(w,u=u*)... 84 Tablo 5.26 Northridge Depremi, Sylmar North-South Kaydı, Gerçek Deprem
Durumu(w,u=u*)... 87 Tablo 5.27 El Centro Depremi, East-West Kaydı, En Kötü Deprem
Durumu(w=w*,u=u*)... 89 Tablo 5.28 El Centro Depremi, North-South Kaydı, En Kötü Deprem
Durumu(w=w*,u=u*)... 92 Tablo 5.29 Kobe Depremi, East-West Kaydı, En Kötü Deprem
Durumu(w=w*,u=u*)... 94 Tablo 5.30 Kobe Depremi, North-South Kaydı, En Kötü Deprem
Durumu(w=w*,u=u*)... 97 Tablo 5.31 Northridge Depremi, Rinaldi East-West Kaydı, En Kötü Deprem
Durumu(w=w*,u=u*)... 99 Tablo 5.32 Northridge Depremi, Rinaldi North-South Kaydı, En Kötü
Deprem Durumu(w=w*,u=u*)... 102 Tablo 5.33 Northridge Depremi, Sylmar East-West Kaydı, En Kötü Deprem
Durumu(w=w*,u=u*)... 104 Tablo 5.34 Northridge Depremi, Sylmar North-South Kaydı, En Kötü
viii ŞEKİL LİSTESİ
Sayfa No Şekil 1.1 :Yalıtım sistemi yapılmış(Kontrollü)Yapı ve Klasik tasarımlı yapı. 6 Şekil 2.1 : Geleneksel olarak tasarlanmış ankastre temelli bina ile sismik
yalıtım tasarımı yapılmış binanın karşılaştırılması... 9
Şekil 3.1 : Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet sisteminin kesiti... 18
Şekil 3.2 : Kurşun çekirdekli kauçuk mesnetler ve birlikte kullanılan sönümleyiciler... 19
Şekil 3.3 : Sürtünmeli sarkaç sistemin kesiti... 19
Şekil 3.4 : Sürtünmeli sarkaç sisteminin uygulaması (San Francisco, ABD) (Kayma tipi izolatör)... 19
Şekil 3.5 : Sürtünmeli sarkaç sisteminin uygulanması.(İstanbul, Türkiye).... 20
Şekil 3.6 : Düşük sönümlü kauçuk izolatörler... 21
Şekil 3.7 : X Şekilli Metalik Sönümleyici... 23
Şekil 3.8 : Üçgen plakalı metalik enerji yutucu cihazların yapı üzerindeki montaj şekli... 23
Şekil 3.9 : Pall sürtünme tipi sönümleyici... 24
Şekil 3.10 : Pall tarafından geliştirilen sürtünmeli sönüm cihazı uygulaması... 25
Şekil 3.11 : Dünya Ticaret Merkezi, Dünya Ticaret Merkezinde kullanılan visko-elastik sönümleyicilerin yerleşim detayı... 26
Şekil 3.12 : Viskoz-sıvı sönüm cihazı kesiti... 27
Şekil 3.13 : Viskoz Akışkanlı Sönümleyici... 28
Şekil 3.14 : Japonya’nın Shizuoka şehrinde çelik taşıyıcı sistemli bu binada 170 adet sönüm duvarı kullanılarak yapı mukabelesinde %70–80 oranında azalma elde edilmiştir.(1993)... 28
Şekil 3.15 : Çelik kafes sisteme viskoz akışkanlı sönümleyici uygulanması... 29
Şekil 3.16 : Citicorp binası ve ayarlı kütle sönümleyicisi... 30
Şekil 3.17 : TMD’nin mekanik modeli... 30
Şekil 3.18 : TMD uygulanan Millennium Köprüsü, Londra... 32
Şekil 3.19 : Ayarlı sıvı sönümleyici uygulaması... 33
Şekil 3.20 : Aktif Kontrol Mantığını Gösteren Algoritma... 35
Şekil 3.21 : Aktif Rijitlik Değiştiren Sistem (AVS) ve şematik gösterimi... 37
Şekil 3.22 : Aktif kütle sönümleyici sistemin şematik şekli... 38
Şekil 3.23 : Aktif kütle sönümleyici sistem uygulaması... 39
Şekil 3.24 : Aktif Kütle Sönümleyicilerin yerleştirildiği Kyobashi Seiwa Binası (Tokyo, Japonya)... 40
Şekil 3.25 : En üst katta AMD bulunan Applause Kulesi, Japonya... 40
Şekil 4.1 : Tasarım Optimizasyon Akış Diyagram……... 47
Şekil 4.2 : İdealize edilmiş yapı... 49
Şekil 4.3 : i. kata ait serbest cisim diyagramı... 50
Şekil 5.1 : El Centro Depremi East-West Kaydı, Gerçek Deprem Durumu r1(max) Grafiği... 70
ix
Şekil 5.2 : El Centro Depremi East-West Kaydı, Gerçek Deprem Durumu
(r2-r1)(max) Grafiği... 71 Şekil 5.3 : El Centro Depremi East-West Kaydı, Gerçek Deprem Durumu
u1&u2(max) Grafiği... 71 Şekil 5.4 : El Centro Depremi North-South Kaydı, Gerçek Deprem Durumu
r1(max) Grafiği... 73 Şekil 5.5 : El Centro Depremi North-South Kaydı, Gerçek Deprem Durumu
(r2-r1)(max) Grafiği... 73 Şekil 5.6 : El Centro Depremi North-South Kaydı, Gerçek Deprem Durumu
u1&u2(max) Grafiği... 74 Şekil 5.7 : Kobe Depremi East-West Kaydı, Gerçek Deprem Durumu
r1(max) Grafiği... 75 Şekil 5.8 : Kobe Depremi East-West Kaydı, Gerçek Deprem Durumu
(r2-r1)(max) Grafiği... 76 Şekil 5.9 : Kobe Depremi East-West Kaydı, Gerçek Deprem Durumu
u1&u2(max) Grafiği... 76 Şekil 5.10 : Kobe Depremi North-South Kaydı, Gerçek Deprem Durumu
r1(max) Grafiği... 78 Şekil 5.11 : Kobe Depremi North-South Kaydı, Gerçek Deprem Durumu
(r2-r1)(max) Grafiği... 78 Şekil 5.12 : Kobe Depremi North-South Kaydı, Gerçek Deprem Durumu
u1&u2(max) Grafiği... 79 Şekil 5.13 : Northridge Depremi, Rinaldi East-West Kaydı, Gerçek Deprem
Durumu r1(max) Grafiği... 80 Şekil 5.14 : Northridge Depremi, Rinaldi East-West Kaydı, Gerçek Deprem
Durumu (r2-r1)(max) Grafiği... 81 Şekil 5.15 : Northridge Depremi, Rinaldi East-West Kaydı, Gerçek Deprem
Durumu u1&u2(max) Grafiği... 81 Şekil 5.16 : Northridge Depremi, Rinaldi North-South Kaydı, Gerçek Deprem
Durumu r1(max) Grafiği... 83 Şekil 5.17 : Northridge Depremi, Rinaldi North-South Kaydı, Gerçek Deprem
Durumu (r2-r1)(max) Grafiği... 83 Şekil 5.18 : Northridge Depremi, Rinaldi North-South Kaydı, Gerçek Deprem
Durumu u1&u2(max) Grafiği... 84 Şekil 5.19 : Northridge Depremi, Sylmar East-West Kaydı, Gerçek Deprem
Durumu r1(max) Grafiği... 85 Şekil 5.20 : Northridge Depremi, Sylmar East-West Kaydı, Gerçek Deprem
Durumu (r2-r1)(max) Grafiği... 86 Şekil 5.21 : Northridge Depremi, Sylmar East-West Kaydı, Gerçek Deprem
Durumu u1&u2(max) Grafiği u1&u2(max) Grafiği... 86 Şekil 5.22 : Northridge Depremi, Sylmar North-South Kaydı, Gerçek Deprem
Durumu r1(max) Grafiği... 88 Şekil 5.23 : Northridge Depremi, Sylmar North-South Kaydı, Gerçek Deprem
Durumu (r2-r1)(max) Grafiği... 88 Şekil 5.24 : Northridge Depremi, Sylmar North-South Kaydı, Gerçek Deprem
Durumu u1&u2(max) Grafiği... 89 Şekil 5.25 : El Centro Depremi East-West Kaydı, En Kötü Deprem Durumu
r1(max) Grafiği... 90 Şekil 5.26 : El Centro Depremi East-West Kaydı, En Kötü Deprem Durumu
x
Şekil 5.27 : El Centro Depremi East-West Kaydı, En Kötü Deprem Durumu
u1&u2(max) Grafiği... 91
Şekil 5.28 : El Centro Depremi, North-South Kaydı, En Kötü Deprem Durumu r1(max) Grafiği... 93
Şekil 5.29 : El Centro Depremi, North-South Kaydı, En Kötü Deprem Durumu (r2-r1)(max) Grafiği... 93
Şekil 5.30 : El Centro Depremi North-South Kaydı, En Kötü Deprem Durumu u1&u2(max) Grafiği... 94
Şekil 5.31 : Kobe Depremi, East-West Kaydı, En Kötü Deprem Durumu r1(max) Grafiği... 95
Şekil 5.32 : Kobe Depremi, East-West Kaydı, En Kötü Deprem Durumu (r2-r1)(max) Grafiği... 96
Şekil 5.33 : Kobe Depremi, East-West Kaydı, En Kötü Deprem Durumu u1&u2(max) Grafiği... 96
Şekil 5.34 : Kobe Depremi, North-South Kaydı, En Kötü Deprem Durumu r1(max) Grafiği... 98
Şekil 5.35 : Kobe Depremi, North-South Kaydı, En Kötü Deprem Durumu (r2-r1)(max) Grafiği... 98
Şekil 5.36 : Kobe Depremi, North-South Kaydı, En Kötü Deprem Durumu u1&u2(max) Grafiği... 99
Şekil 5.37 : Northridge Depremi, Rinaldi East-West Kaydı, En Kötü Deprem Durumu r1(max) Grafiği... 100
Şekil 5.38 : Northridge Depremi, Rinaldi East-West Kaydı, En Kötü Deprem Durumu (r2-r1)(max) Grafiği... 101
Şekil 5.39 : Northridge Depremi, Rinaldi East-West Kaydı, En Kötü Deprem Durumu u1&u2(max) Grafiği... 101
Şekil 5.40 : Northridge Depremi, Rinaldi North-South Kaydı, En Kötü Deprem Durumu r1(max) Grafiği... 103
Şekil 5.41 : Northridge Depremi, Rinaldi North-South Kaydı, En Kötü Deprem Durumu (r2-r1)(max) Grafiği... 103
Şekil 5.42 : Northridge Depremi, Rinaldi North-South Kaydı, En Kötü Deprem Durumu u1&u2(max) Grafiği... 104
Şekil 5.43 : Northridge Depremi, Sylmar East-West Kaydı, En Kötü Deprem Durumu r1(max) Grafiği... 105
Şekil 5.44 : Northridge Depremi, Sylmar East-West Kaydı, En Kötü Deprem Durumu (r2-r1)(max) Grafiği... 106
Şekil 5.45 : Northridge Depremi, Sylmar East-West Kaydı, En Kötü Deprem Durumu u1&u2(max) Grafiği... 106
Şekil 5.46 : Northridge Depremi, Sylmar North-South Kaydı, En Kötü Deprem Durumu r1(max) Grafiği... 108
Şekil 5.47 : Northridge Depremi, Sylmar North-South Kaydı, En Kötü Deprem Durumu (r2-r1)(max) Grafiği... 108
Şekil 5.48 : Northridge Depremi, Sylmar North-South Kaydı, En Kötü Deprem Durumu u1&u2(max) Grafiği... 109
Şekil 5.49 : El Centro Depremi, East-West Kaydı, r1 Değişim Grafiği... 110
Şekil 5.50 : El Centro Depremi, East-West Kaydı, (r2-r1) Değişim Grafiği... 110
Şekil 5.51 : El Centro Depremi, East-West Kaydı, u1 Değişim Grafiği... 111
Şekil 5.52 : El Centro Depremi, East-West Kaydı, u2 Değişim Grafiği... 111
Şekil 5.53 : El Centro Depremi, North-South Kaydı, r1 Değişim Grafiği... 112
xi
Şekil 5.55 : El Centro Depremi, North-South Kaydı, u1 Değişim Grafiği... 113
Şekil 5.56 : El Centro Depremi, North-South Kaydı, u2 Değişim Grafiği... 113
Şekil 5.57 : Kobe Depremi, East-West Kaydı, r1 Değişim Grafiği... 114
Şekil 5.58 : Kobe Depremi, East-West Kaydı, (r2-r1) Değişim Grafiği... 114
Şekil 5.59 : Kobe Depremi, East-West Kaydı, u1 Değişim Grafiği... 115
Şekil 5.60 : Kobe Depremi, East-West Kaydı, u2 Değişim Grafiği... 115
Şekil 5.61 : Kobe Depremi, North-South Kaydı, r1 Değişim Grafiği... 116
Şekil 5.62 : Kobe Depremi, North-South Kaydı, (r2- r1) Değişim Grafiği... 116
Şekil 5.63 : Kobe Depremi, North-South Kaydı, u1 Değişim Grafiği... 117
Şekil 5.64 : Kobe Depremi, North-South Kaydı, u2 Değişim Grafiği... 117
Şekil 5.65 : Northridge Depremi, Rinaldi East-West Kaydı, r1 Değişim Grafiği... 118
Şekil 5.66 : Northridge Depremi, Rinaldi East-West Kaydı, (r2-r1) Değişim Grafiği... 118
Şekil 5.67 : Northridge Depremi, Rinaldi East-West Kaydı, u1 Değişim Grafiği... 119
Şekil 5.68 : Northridge Depremi, Rinaldi East-West Kaydı, u2 Değişim Grafiği... 119
Şekil 5.69 : Northridge Depremi, Rinaldi North-South Kaydı, r1 Değişim Grafiği... 120
Şekil 5.70 : Northridge Depremi, Rinaldi North-South Kaydı, (r2-r1) Değişim Grafiği... 120
Şekil 5.71 : Northridge Depremi, Rinaldi North-South Kaydı, u1 Değişim Grafiği... 121
Şekil 5.72 : Northridge Depremi, Rinaldi North-South Kaydı, u2 Değişim Grafiği... 121
Şekil 5.73 : Northridge Depremi, Sylmar East-West Kaydı, r1 Değişim Grafiği... 122
Şekil 5.74 : Northridge Depremi, Sylmar East-West Kaydı, (r2-r1) Değişim Grafiği... 122
Şekil 5.75 : Northridge Depremi, Sylmar East-West Kaydı, u1 Değişim Grafiği... 123
Şekil 5.76 : Northridge Depremi, Sylmar East-West Kaydı, u2 Değişim Grafiği... 123
Şekil 5.77 : Northridge Depremi, Sylmar North-South Kaydı, r1 Değişim Grafiği... 124
Şekil 5.78 : Northridge Depremi, Sylmar North-South Kaydı, (r2-r1) Değişim Grafiği... 124
Şekil 5.79 : Northridge Depremi, Sylmar North-South Kaydı, u1 Değişim Grafiği... 125
Şekil 5.80 : Northridge Depremi, Sylmar North-South Kaydı, u2 Değişim Grafiği... 125
xii SEMBOL LİSTESİ
F(t) :Tek Boyutlu Deprem İvmesi U(t) :Kontrol Kuvveti Matrisi n :Serbestlik Derecesi i :Herhangi bir katın ifadesi mi :Herhangi bir kata ait kütle
ki :Herhangi bir kata ait rijitlik
ci :Herhangi bir kata ait sönüm
xi :Herhangi bir kata ait yer değiştirme
ui :Herhangi bir kata ait yer değiştirme
X(t) :Katların zemine göre rölatif deplasmanlarını ifade eden n boyutlu
vektör
M :n*n boyutlu kütle matrisi K :n*n boyutlu rijitlik matrisi C :n*n boyutlu sönüm matrisi
V :Birim vektör
L :n*n boyutlu kontrol elemanı matrisi Z(t) :2n boyutlu durum vektörü
Q :2n*2n boyutlu pozitif semi definit simetrik ağırlık matrisi R :r*r boyutlu pozitif semi simetrik ağırlık matrisi
(
x,y)
:Eyer noktasıx :Optimal çözüm
y :Optimal çözüm ile ilişkilendirilmiş çarpan vektörü x(t) :Sistemin herhangi bir andaki durumu
[t,T] :Zaman aralığı t
∆ :Zaman Değişim
Mw :Moment Magnitude
ML :Richter Magnitude(Local Magnitude)
w :Ağırlık katsayısı
xiii
MİNİMAKS YAKLAŞIMI İLE YAPILARIN TİTREŞİM KONTROLÜ ÖZET
Son zamanlarda, depremlerin etkisini ülkemizde de hissetmeye başladık. Klasik yöntemlerle tasarlanan yapıların, depremlerin güçlü etkilerine karşı davranışlarında zaman zaman eksikliklerle karşılaşılmaktadır. Bununla beraber, yaşam alanları tasarlanırken, daha az alan kullanan ama daha yüksek yapılar inşa edilmektedir. Yüksek yapıların inşasında çok daha karmaşık sorunlarla karşılaşılmaktadır.
Bu çalışmada, hem yüksek yapıların inşasında, hem de mevcut yapıların iyileştirmesi ve güçlendirilmesi amacıyla kullanılan sismik yalıtım teknikleri ve avantajları incelenmiştir. Sismik kontrol yöntemleri arasındaki farklılıklar, hesaplama sistemleri, yaklaşımları üzerinde durulmuş ve deneysel çalışmalar yapılmıştır.
Aktif ve pasif kontrol yöntemlerinin çalışma prensipleri anlatılmıştır. Aktif sönümleyicilerin kullanım alanları, avantajları, çeşitleri incelenmiştir. Aynı şekilde, pasif kontrol yöntemlerinin, çeşitleri üzerinde durulmuş ve aktif kontrole göre avantajları ve dezavantajları gözler önüne serilmiştir.
Klasik olarak düşünülürse, deprem etkilerinin kontrol yöntemleri kullanılarak engellenmesi durumunda, binanın yer değiştirmeleri kısıtlanırken, kontrol kuvvetlerinin çok yüksek değerlere ulaştığı görülmüştür.
Bu çalışmada bulunan teorik çalışmalarda, minimaks yaklaşımı incelenmiştir. Minimaks yaklaşımı bilgisayar ortamında tasarlanmıştır. Optimizasyonda minimaks yaklaşımı, binayı bir yandan depremin etkilerine karşı korurken, diğer yandan koruma etkisini yaratacak olan kontrol kuvvetlerinin etkilerini optimal düzeyde tutmaktadır. Bu yaklaşıma ait bilgiler özellikle yabancı kaynaklardan toparlanmıştır. Teorik çalışma ile ilgili olarak, çalışmanın sonuçları, grafikleri, farklı depremlerle kıyası ayrıntılı bir şekilde anlatılmıştır.
Depremlere karşı karşıya olduğumuz Türkiye’de de bu çalışmaların aktif olarak sürdürülmesi gerekmektedir.
xiv
VIBRATION CONTROL OF STRUCTURES BY MINIMAX APPROACH SUMMARY
Lately, we start to feel with influences of earthquakes in our country. Behaviors of structures that contemplated by classical method, against the powerful effects of earthquakes have been confronted with defectives in occasionally. However, when the designation of life spaces, structures that occupying less area and excelsior are consturcted. After all, when the construction of tall buildings, designers are confonted with complex problems.
In this study, the main investigation is that what is the response of structures against the earthquakes effects and what is the ensuring the success of protection against these influence. At the same time, informations on structural optimization were given. Somewhat apart, computation of various methods connected with control systems used against the earthquakes were explained. Principles of working of active and passive control systems were described. Usage area, advantages and various of active dampers have been studied. Likewise, various of passive control systems have been deliberated, advantages and disadvantages according to active control systems have been showed off.
In classical approach, when the influences of earthquakes on structures obstructing using control systems, while substitutions of structures are restrained, for all that control forces have been seen reaching astronomic values.
In this theoretical study, minimax approach has been investigated as solution of control systems. At the same time, historical process and mathematical designation of minimax approach was scrutinized. Minimax approach, by the mediation of data and with the aid of computer programs, was considerd. Minimax approach has been envisaged as a computer program.
In optimization, when the minimax approach protecting the structures against the powerful effects of earthquakes, at the same time, minimax approach get hold of the degrees of control forces in optimal level. Concerning with this theoretical study, results of different types of earthquakes have been described detailed using minimax approach.
1 1. GİRİŞ
Yapıların, kuvvetli dinamik yer hareketleri ve etkilere karşı korunması fikri insanların kafasını kurcalayan en önemli noktalardan birisidir. Bu hareketlerden en önemlisi elbette depremlerdir. Bu hareketler karşısında, yapılarda çok üstün teknolojide malzemeler veya tasarım teknikleri kullanılmasına rağmen, yapıların hasar görmeyeceği, hatta yıkılmayacağı kimse tarafından garanti gözüyle görülmemektedir.
Yapı kontrolü düşüncesi, gün geçtikçe değişen tasarımların dinamik etkiler karşısında eksiklerinin görülmesi ve yaşanan tecrübelerle, sürekli değişkenlik gösteren dinamik etkilere karşı yapıların kendilerini bu koşullara uydurabilme yeteneği kazanması gerektiği düşüncesi ile doğmuştur. Yapı kontrolü düşüncesi ilk olarak Japonya’da ortaya çıkmıştır. Prof. John Milne’nin küçük bir ahşap evi depremden yalıtım edebilmek için metal bilyeler üzerine yerleştirdiği bilinmektedir[1].
1900’lü yılların başından ortasına kadar lineer sistem teorisinin geliştirilmesi üzerine çalışmalar yapılmıştır. Bu dönemde, titreşim problemleri yanında özellikle yapı dinamiği uygulamaları, lineer sistem teorisi çalışmalarında uygulama alanı olarak yer almıştır. Otomotiv sektöründe ve uçaklarda kullanılan içten yanmalı motor sistemlerinin tasarımı esnasında karşılaşılan problemler, teori üzerine çalışmaları oldukça etkilemiş ve hızlandırmıştır. Titreşim problemlerinin en önemli adımı olan titreşim yalıtımı ve sönümü gibi uygulamalar ise ilk kez uçaklarda bu dönemlerde uygulanmıştır. Yapı mühendisliğinde ilk uygulamalar için 1900’lü yılların ikinci yarısı beklenmiştir. Yapı kontrolü ve lineer sistem teorisi bu yıllardan sonra hızlı bir gelişme gösteren teknoloji ile aynı hızda gelişme göstermiştir.
Depremlerin sebep olduğu zararlar ulusların gelişmişlik düzeyleriyle, ekonomileriyle, bilime ve teknolojiye yaptıkları yatırımlar ile ve hatta halkının okumuşluk düzeyiyle bile yakından ilişkilidir. Son yıllarda daha sık olmakla birlikte, takip ettiğimiz kadarıyla, benzer büyüklükteki depremler az gelişmiş veya gelişmekte olan ülkelerde, gelişmiş ülkelere oranla çok daha fazla yıkıma, ölüme, ulusal ekonominin zarar görmesine neden olmaktadır. Türkiye’yi az gelişmiş bir ülke olarak göremeyiz, hatta gelişmekte olan ülkeler arasında ön sıralarda yer almakta ve kalkınmasını her alanda olmasa bile sürdürmektedir. Ancak, oluşan depremlerden
2
zarar görme düzeyine göre kıyaslandığında ülkemiz, gelişmiş ülkelerle değil az gelişmiş ülkelerle aynı düzeyde yer almaktadır. Bunun nedenlerinden birisi, yerleşim bölgeleri oluşturulurken depremin göz önünde bulundurulmaması, bir diğer nedeni de bu tehlike göz önünde bulundurulsa bile deprem etkilerinin ve tehlikesinin yeterli düzeyde bilinmemesidir. Ancak bunlardan daha önemli ve aslında daha tehlikeli neden ise, deprem bölgelerinde bulunan şehirlerimizdeki yapılarımızın deprem hesaplarının ayrıntılı incelenmemesi, depreme karşı önlem olacak ek özelliklerinin olmaması ve dolayısıyla depreme karşı olan dayanımlarının son derece yetersiz olmasıdır. Ekonomik değişimlerinde sonucu olarak, özellikle 1960’lar sonrasında yaşanan hızlı kentleşme, çirkin yapılaşma ve büyüme aşamalarında oluşan yüksek bina talebinin karşılanma yöntemleri, sadece konut düzeyinde olmamak kaydıyla, her türlü kamu kurumlarının ve önemli yapıların inşasında deprem güvenliğinin tamamen göz ardı edilmesine neden olmuştur.
Ülke topraklarımızın yaklaşık olarak 2/3’si ve dolayısıyla nüfusunun büyük bir kısmı etkin deprem kuşağında bulunan ülkemiz, hasar yapıcı depremlerin etkisi altında bulunmaktadır. İstatistiksel analizler sonucu ve geçmiş dönemlerdeki kayıtlara göre her 8 ayda bir ülkemizde hasar yapıcı depremlerin meydana geldiği ve geleceği ortaya konmuştur. 1902 yılı ile 2003 yılları arasında büyüklüğü 4,5 ile 7,4 arasında değişen 140 adet yıkıcı deprem olmuş, bu depremler sonucunda büyük can ve mal kaybı meydana gelmiş, ülkemiz maddi ve manevi büyük zararlar görmüştür[2]. Bu depremlerde yaklaşık rakamlarla, 100.000 kişi hayatını kaybetmiş, 500.000 bina yıkılmıştır. Sadece 1999 yılındaki Kocaeli ve Düzce depremlerinde yaklaşık olarak 20.000 insanımız hayatını kaybetmiş, 124.000 yıkık-ağır hasarlı konut, 110.000 orta hasarlı konut ve 100.000 az hasarlı konut olmak üzere toplam 334.000 konutta hasar saptanmış, bu depremlerin ülkemize verdiği ekonomik zararlar 20 Milyar YTL’ye ulaşmıştır[3]. Marmara Bölgesi’nde 1999 yılında olan iki büyük deprem sonrasında da depremler devam etmektedir. 2000 yılında büyüklüğü 3,2 ile 6,1 arasında değişen 64 adet, 2001 yılında büyüklüğü 2,9 ile 5,5 arasında değişen 78 adet, 2002 yılında büyüklüğü 3,0 ile 5,3 arasında değişen 100 adet, 2003 yılında büyüklüğü 2,7 ile 6,3 arasında değişen 126 adet deprem meydana gelmiştir[2]. Depreme dayanıklı bina inşa etmenin ne denli önemli olduğu buradaki istatistiksel sonuçlara bakarak bile söylenebilir. Buradaki analizler ve ekonomik değerler gösteriyor ki, deprem soncunda yıkılma, hasarlar ve ölümler gibi yüksek düzeydeki risklerin azaltılması
3
için bilime, teknolojik inceleme ve gelişimlere gereksinim vardır. Özellikle önem arz eden binaların yapımında bile, İnşaat Mühendisliği’nin sınırları içersinde yapılacak önemli değişikliklerin, ekonomik olarak uzun vadede ülkelere faydaları gözükmektedir.
Kentlerin köprü, bina ve altyapıları da son yıllarda yaşanan depremlerden önemli ölçüde zararlar görmektedirler. Dolayısıyla, tasarım aşamalarında deprem gibi önemli bir etki göz ardı edilmiş bu tip önemli yapıların, deprem esnasında işlevselliğini yitirmesi ve buna bağlı olarak can kaybına ve yüksek hasarlara neden olması kaçınılmazdır. Bu tip problemler dünyanın her yerinde karşılaşılan problemlerdir, çünkü depremler dünyanın kaçınılmaz doğal afetlerinden birisidir. Bu sonuçlara bağlı olarak ve aynı zamanda 1960’lı yıllardan sonra dinamik davranış ve yapı kontrolü sistemlerinin geliştiğini, dolayısıyla bilgi birikimimizin de kısıtlı olduğunu düşünerek, sahip olduğumuz altyapı, köprü, bina ve önemli sanatsal yapıların yıkıcı depremlere karşı yeterliliklerinin ne derece olduğunu görmemiz gerekmektedir. Bu kıstaslar doğrultusunda, kentlerimizi planlarken depremlerin önemselliğini göz önüne almamız gerekliliği ortaya çıkmaktadır.
Yapı üzerindeki etkileri büyük olan doğal afetlerin önceden oluşumlarının bilinmesi mümkün değildir. Dolayısıyla yapıların tasarımında, bu afetlerin etkilerine karşı dayanım belirli kıstaslara göre yapılmaktadır. Yapılan tasarım sonucunda inşa edilmiş yapının önceden bilinemeyen bu yükler karşısında hasar alması kaçınılmaz bir durum olabilir. Dolayısıyla, yapıların depreme dayanıklı tasarımı, genellikle yapıların deprem ve bunu gibi dinamik yüklerden gelen zorlamaları taşıyabilecek ya da başka bir deyişle depremde meydana gelen titreşim enerjisini tüketebilecek güçte tasarlayıp inşa etmekle sağlanmaktadır[4].
Dinamik etkilere dolayısıyla deprem kuvvetlerine karşı yapı tasarımı, bilimsel ve teknolojik gelişmeler de göz önünde bulundurularak incelenirse, tasarımın gelişmesinde çeşitli dönemlerin olduğu ortaya çıkar. Başlangıçta, yapıların projelendirilmesinde ve tasarımında statik kuvvetlerin varlığı ön planda tutulmakta, dayanımı dolayısıyla rijitliği yüksek bina yaparak da dinamik etkilerin önlenebileceği düşünülmekteydi. Dinamik etkiler ile statik kuvvetlerin beraber hesaplandığı yapıların ortaya çıkması tasarımların gelişmesini sağlamış ve en önemlisi dinamik etkilerde, enerji yutma büyüklüğü yüksek olan sünek binaların yapımı ile aşılmıştır. Anlattığımız dönemler göz önünde bulundurularak anlaşılıyor ki, tasarım
4
aşamalarında hem statik hem de dinamik etkilere karşı hesaplamaları yapılmış binaların, taşıyıcı sistemlerinin kesitleri, dinamik etkilere sadece tek başlarına karşı koyduklarından dolayı büyük ve malzeme kalitesi, dolayısıyla maliyeti yüksek olması gibi sorunları ortaya çıkmıştır. Yapıların en önemli özelliği elbette yıkılmaması olacaktır. Burada anlatıldığı gibi belki tasarımı bu şekilde yapılmış binalar yıkılmıyorlardı ancak yıkılmama binalarda istediğimiz yegâne özellik değildir. Bunun yanında binanın içersinde barındırdığı ve yüksek değerlere sahip donanımların da zarar görmemesi gerekmektedir. Yukarıda anlattığımız yapıların bunu sağlaması elbette mümkün olmamaktadır.
Yapı tasarımında, kesit etkileri yapı elemanlarının boyutlandırılmasında önemli rol oynamaktadır. Kesit etkileri ise yapıların üzerinde durdukları zemine tam bağlı olarak oturduğu varsayılarak tasarım aşamasında hesaplanmaktadır. Bu yöntem geleneksel yapı tasarımı yaklaşımının önemli bir parçasını oluşturmaktadır. Dinamik etkileri büyük olan doğal afetler ve en önemlisi depremlerin etkileri, geleneksel olarak tasarlanan bu tip yapılarda direkt olarak yapının elemanlarına etkimekte ve dolayısıyla yapı elemanlarının bu etkileri karşılaması beklenmektedir. Az önce de anlattığımız gibi yapıların tasarımında bu etkilerin süneklik ve rijitlikle karşılanması gerekmektedir.
Buradaki en önemli sorunlardan birisi yapıların tam sünek ya da tam rijit olarak tasarlanamayacağıdır. Bunun nedenleri ise, hem tam anlamıyla ideal sünek bir malzemenin olmaması, hem de tasarım ve uygulama aşamasında yapının tam sünek davranış gösterecek şekilde inşa edilememesi veya ekonomik dengelerden dolayı tam rijit davranış gösterecek şekilde uygulama yapılamaması şeklinde özetlenebilir. Belirli bir süneklik yapıların tasarımında ön planda tutulmalıdır. Ancak her zaman, hem inşa aşamasındaki zorluklar, hem de projelerin uygulama esnasındaki hatalar belirlenen sünekliğin tam anlamıyla tasarıma yansıtılamamasına neden olur. Bu sorun yapıların dinamik hareketlerde hasar görmelerine neden olur. Yapıların bu hasarlardan dolayı kullanılamaz hale gelmesi ve ayrıca kullanımında doğacak olan olumsuzluklar ile maliyet konusundaki nedenler bu süreçte büyük zararlar doğurabilir. Buna ek olarak yapının kullanılamamasından dolayı yıkılıp tekrar yapılması da ayrıca başlı başına büyük bir ekonomik zarar demektir.
Teknolojinin gelişmesi ile yapı malzemelerin mukavemetleri artarken, malzemenin karakteristik özelliği olan elastisite modülü aynı oranlarda artmamaktadır. Bunun en
5
önemli etkisi yapıların tasarımında önemli ikili olan süneklik ve rijitlik ilişkisi üzerinedir. Yani yapılar sağlam olmakta ve aynı zamanda esnek olmaktadır. Ancak bu durum, yüksek dinamik etkiler altında yapıların aşırı deplasmanlarının ortaya çıkmasına neden olur.
Göreli yer değiştirmeleri küçültmek veya yapının hâkim periyodunu uzatmak, yapıya gelebilecek deprem yüklerinin etkilerini azaltmak için alınan önlemlerdendir. Burada yine, göreli yer değiştirmeleri küçültmek için sönümü arttırmak gerekmektedir. İşte, yukarıda anlatılan ve yapıları olumsuz yönde fazlasıyla etkileyen bu olumsuzluklar, deprem mühendisliği ve inşaat mühendisliği gibi bilimsel alanda çalışmalarını yürüten ve bunları görsel öğelere dönüştüren insanları yapı tasarımında yeni ve farklı sistemler tasarlamaya itmiştir. Yeni tasarımlarla birlikte mühendisler, özellikle acil durumlarda mutlaka kullanılabilir durumda olması gereken hastane, itfaiye, ticaret merkezleri, iletişim merkezleri, nükleer enerji santralleri, kamu kurumları, bazı oteller, afet koordinasyon merkezleri ve hatta insanların artık yoğunlukla yaşadığı büyük kentlerdeki önemli apartmanlar ve yaşam merkezleri gibi yapıların, hem kendilerinin hem de içindeki yaşayanların ve teknik aletlerin zarar görmemesi için depremin etkisini, yapının klasik taşıyıcı elemanları yerine, yapıya yerleştirilmiş özel sistemler üzerinde biriktirerek emilmesini sağlayacak cihazlar geliştirmişlerdir. Burada istenen, depremlerden doğan dinamik etkilerin, binaların yer değiştirmelerini emniyetli sınırlar içerinde tutarak yapının ve özellikle içindekilerin korunmasını sağlamaktır.
Binalara yerleştirilen bu cihazlar aracılığıyla depremden dolayı doğan enerjiyi, yapısal hasara razı olarak sönümleme yerine bu cihazlar ile yok etme, yeni ve önemli bir yaklaşım olarak görülmektedir.
Bu amaçla yola çıkan bilim ve teknoloji, mühendislik alanında yeni tasarımları 20.yy’nin ikinci yarısından itibaren hızla geliştirmiş ve aktif veya pasif sistemler olarak inşaat mühendisliğine kazandırmıştır. Gelişmiş ülkeler, bu tasarımları uzun süredir yapılarında uygulamaktadırlar. Yapı kontrol sistemleri olarak da adlandırılan bu tasarımlar özellikle Japonya’da çok fazla uygulanmakta ve geliştirilmektedir. Yapılan deneyler ve uygulamalar sonucunda görülmüştür ki yapı kontrol sistemleri, depremler gibi yüksek dinamik etkilere sahip doğal afetler karşısında önemli derecede iyi sonuçlar vermiştir. Buradan da anlaşılacağı üzere yapı kontrol sistemleri, depremlerden korunmak için geliştirilmiş mühendislik tasarımlarıdır.
6
Yapı kontrol sistemleri ve yapılan çalışmalar gösteriyor ki bu tip tasarımlar hem yeni yapılacak yapılarda hem de iyileştirme çalışmalarında kullanılabilecek sistemlerdir. Yapı kontrol sistemleri, kullanılan malzeme ve çalışma prensipleri açısından birbirlerine benzer özellikler taşısa da uygulama kolaylığı gerekse maliyet yönünden birbirlerinden ayrılmaktadır[2].
Yapı kontrol sistemlerinin uygulama şekilleri ve kullanılacak yapıların özellikleri birçok ülkenin deprem yönetmeliklerinde yer almaktadır. Örnek vermek gerekirse, DIN 4025, BS 6472, ENV 1998, AASHTO, EN 1337, CEN TC 340, NEHRP, UBC-97, FEMA273, ATC gibi. Ancak topraklarımızın %98’i aktif deprem kuşağında olan ülkemizde yapı kontrol sistemleri bugün yürürlükte bulunan yönetmeliklerde yeni yeni yer almaktadır[2]. Ülkemizde de kontrol sistemleri konusunda çalışmalar yapılması gerekmektedir. Türkiye’nin, depremlerden dolayı karşılaşacağı büyük sorunları bilim ve teknoloji yardımıyla atlatabileceğini düşünmekteyiz.
Şekil 1.1 Yalıtım sistemi yapılmış(Kontrollü)Yapı ve Klasik tasarımlı yapı[4]. Yukarıda anlatılanlar ışığında görülmelidir ki tasarım aşamasında dinamik etkilere karşı yalıtım yapılan yapılarda, depremden dolayı oluşan etki azalmakta ve gerek yapının gerekse yapıda bulunan insanlar ile donanım ve cihazların hasarlardan dolayı zarar görmesi engellenmektedir. Depremlerden sonra ayakta kalması istenen ve önem derecesi yüksek olan köprü, otoyol, afet koordinasyon merkezleri, kamu kuruluşları, ciddi fabrikalar ve altyapıları, itfaiye binası, hastane, iletişim binası gibi yapılarda deprem yalıtımı yapılması artık birçok ülkede uygulanmaktadır. Şöyle ki, Amerika Birleşik Devletleri’nde 1986 yılından bu yana teknik yönetmeliklere girmiş bulunan sismik yalıtım teknolojisi diğer ülkelerin yönetmeliklerine dâhil edilmiş bulunmaktadır[5]. Ülkemizde Bayındırlık ve İskân Bakanlığı tarafından hazırlanan
7
ve 1998 yılında yürürlüğe giren deprem yönetmeliğinde sismik yalıtıma yeşil ışık yakılmış ve Amerikan Deprem Yönetmeliği kurallarına uyulmasının yeterli olduğu belirtilmiştir[5]. Buna rağmen, 2006 yılında yenilenen deprem yönetmeliğinde, “Bina taşıyıcı sistemi deprem hareketinden yalıtılmak amacı ile temelleri ile zemin arasında özel sistem ve gereçlerle donatılan veya diğer aktif ve pasif kontrol sistemlerini içeren binalar, bu yönetmeliğin kapsamı dışındadır[6]” ifadesi bulunmaktadır. Dinamik etkilere karşı yapıların korunması, yani sismik yalıtım tekniği, yapı tasarımı ve uygulaması alanında, 20.yy’ın en önemli ve son yılların hızla gelişen sistemlerinden birisidir. Özellikle çok gelişmiş ülkelerde, artık birçok binanın tasarımında şart koşulan yöntemlerdendir. Depremle yaşamasını öğrenmeye başladığımız son yıllarda, sismik yalıtım sistemi, artık ülkemizde de gelişmesi gereken bir teknik olarak literatürde yerini alacaktır.
2. SİSMİK YALITIM
2.1 SİSMİK YALITIMIN FELSEFESİ ve KOŞULLARI
Yüksek süneklik veya yüksek dayanım ilkesi, hasar yapıcı ve yıkıcı dinamik hareketlere, yani depremlere karşı bina dayanımını sağlayan geleneksel yapı tasarım yöntemleridir. Yani, yapının deprem yükü taşıma kapasitesini, rijitliğini, sünekliğini, stabilitesini ve elastik ötesi şekil değiştirmelerini artırarak, depremden gelen titreşim enerjisini tüketebilecek güçte taşıyıcı sistemi güçlendirmek veya iyileştirmek temeline dayanmaktadır[5]. Ülkemizde yeni yeni kullanılmakta olan ve yerleşen deprem yalıtımı yani sismik yalıtım ilkesi, hem yukarıda anlattığımız geleneksel tasarımlara yeni bir seçenek olarak karşımızda durmakta, hem de tasarım mantığı olarak bu uygulamalardan ciddi bir biçimde ayrılmaktadır. Bu yöntemin en temel özelliği, zeminden yapıya aktarılan deprem yüklerinin azaltılmasıdır. Yapıların çeşitli bölgelerine enerji sönümleyici elemanlar yerleştirerek yapının hâkim periyodunun değiştirilmesi ile zeminden gelen bu yükler azaltılabilirler.
8
Ülkemizde yapılan yapıların büyük bir çoğunluğunun etkin titreşimleri deneyimlerimizden bildiğimiz kadarıyla 0.1 saniye ile 1.0 saniye aralığındadır. Buna paralel olarak ülkemizin karşılaştığı yıkıcı ve hasar yapıcı güçlü yer hareketlerinin de baskın titreşim aralıkları bu saniyelere karşılık gelmektedir. Buradan da anlaşılacağı üzere yapı hâkim titreşimleri 0.1 saniye ile 1.0 saniye arasında bulunan yani depremin baskın titreşim aralığına denk düşen yapılar, zeminden aktarılan deprem ivmelerini kendi yükseklikleri boyunca aktarırlar ve artırırlar. Bu tür bir yapının tasarımında, düşünülmesi ve hesaba katılması gereken zorluklar ortaya çıkar. Bunlardan en önemlileri, göreli kat ötelenmeleri ve kat ivmeleridir. Bu etkiler yapıyı yıkacak boyuta ulaşabilirler. Göreli kat ötelenmelerindeki dengesizlik binaların, döşemeler arasındaki kolonları ve bölme duvarları, tavanları veya hafif donanımları gibi elemanlarında zarara neden olmaktadır. Dolayısıyla anlaşılmalıdır ki, göreli kat ötelenmelerinin sınırlandırılması zararların da azaltılması anlamına gelmektedir. Bununla beraber bir diğer sorun olan kat ivmeleri de, binanın içersindeki hassas ve korunması gereken donanımlara, makinelere ve doğal olarak binada bulunan insanlara zarar vermemesi açısından azaltılması gerekmektedir. Göreli kat ötelenmelerini azaltabilmek için ilk akla gelecek geleneksel yöntem, yapının kuvvet veya moment etkisi altında şekil değiştirmemesini sağlamak yani rijitliğinin artırılması olacaktır. Bu durumun getireceği negatif durum ise, rijitliği artan yapının, zeminden yapıya gelen deprem yüklerinin güçlenmesiyle nedeniyle kat ivmelerinin artması olacaktır. Bu durumu çözümlemek için uygulanan geleneksel yöntemlerinden bir diğeri ise yapının esnekliğini artırmak, yani yapıya esneklik katmak olacaktır. Ancak bu durumda da yine aynı sorunla yani, göreli kat ötelenmelerinin artması problemiyle karşı karşıya kalınacaktır. Bununla beraber binada, küçük etkilerde dahi ötelenmeler ortaya çıkabilir. Buradan da anlaşılacağı üzere her iki sorunu da aynı anda çözüme kavuşturmak ve daha dengeli tasarımlar yapmak için sismik yalıtım yöntemi kullanılmalıdır. Bu yöntem ile, yapıya zarar verdiğini düşündüğümüz iki sorun, hem göreli kat ötelenmeleri hem de kat ivmeleri aynı anda kontrol altına alınabilir ve azaltılabilir.
9
Şekil 2.1 Geleneksel olarak tasarlanmış ankastre temelli bina ile sismik yalıtım tasarımı yapılmış binanın karşılaştırılması[7].
Kısaca özetlersek, sismik yalıtım, yapının ve deprem ivmesinin özellikleri dikkate alınarak; yapının rijitliğini azaltmak, salınımını ve sönümünü artırarak yapıya daha küçük deprem kuvvetlerinin gelmesini sağlamak ve yapının küçük veya orta büyüklükteki depremlerdeki hasarının önlenmesi ve yıkıcı depremlerdeki hasarının da en aza indirgenmesi temel mantığına dayanmaktadır[5].
Eğer sismik yalıtımlı bir yapının doğal frekansı, eşleniği olan ankastre temelli yapının frekansına ve zemin hareketlerinin baskın frekansına kıyasla çok daha küçük olursa, yapının davranışı, üstyapının hemen hemen rijit kaldığı ve sadece yalıtım sisteminin deformasyona uğradığı birinci dinamik modu tarafından belirlenir. Birinci modun dışındaki daha yüksek modlar daha yüksek enerjiler içerirler ve dolayısıyla daha yüksek deformasyona neden olurlar. Burada sadece birinci mod belirleyici olduğu için ve diğer modlar harekete katılmayacaklarından dolayı bu yüksek modların içeriği üstyapıya aktarılmayacaktır[7].
Depremlerin karakteristik özellikleri incelendiğinde görülmektedir ki, çoğu zaman depremlerin binalara olan yatay etkileri düşey etkilerinden fazladır. Sismik yalıtım sağlamak amacıyla, temellere yerleştirilen yalıtım donanımları da depremin bu mantığına dayanılarak imal edilirler. Depremin büyük yatay etkisine karşı düşük yatay rijitlik, depremin düşük düşey etkisine karşı yüksek düşey rijitlik imalattaki en önemli noktadır. Buradaki püf nokta, deprem gibi rijitlik üzerinde yatay etkisi büyük olan ve yıkıcı etki yapan dinamik hareketin yine yatay rijitliği düşük olan sistemle
10
karşılanması fikridir. Fizik bilimi yönünden ele alırsak bu çeşitle tasarlanmış bina yatay yönde tek serbestlik dereceli sarkaç gibi davranacaktır. Yukarıdaki şekillerden de anlaşılacağı üzere, geleneksel temelleme mantığı ile yapılan yapılar, sismik yalıtım elemanları kullanılarak yapılan yapılardan farklı salınımlar göstermektedir. Burada yine amaçlanan, depremin hâkim frekansından uzak binalar tasarlamaktır. Tek serbestlik dereceli sistemlerdeki kütle, rijitlik ve frekans ilişkisi göz önünde bulundurularak, dikkatli ve özenli bir tasarımla, belirli bir kütleye sahip temel yalıtımlı bir yapı, zemin hareketlerinin baskın frekanslarından yeterince uzak bir doğal frekansa sahip olacak şekilde tasarlanabilir[7]. Temel olarak amaç; bütün deplasmanların temel ile üst yapı arasında olmasını sağlamak ve sönümleyici elemanın mümkün olduğu kadar deprem enerjisini yutmasını ve sönümlemesini temin etmektir[5].
2.2 SİSMİK YALITIMIN TEMEL ÖZELLİKLERİ
Herhangi bir sismik yalıtım sisteminin, depreme karşı koruma sağlayabilmesi için sahip olması gereken temel özellikler aşağıda madde madde sıralanmıştır[7].
1- Sismik yalıtımlı yapının frekansının, eşleniği olan ankastre temelli yapının frekansından ve pek çok yıkıcı depremin zemin hâkim frekansından çok daha düşük olabilmesi için “yeterince düşük yatay rijitlik”,
2- Rüzgâr yükleri ve küçük depremler gibi düşük düzeydeki dinamik yüklemeler altında yapının hareketini engelleyebilmek için “nispeten yüksek yatay rijitlik”,
3- Üstyapının ağırlığını bozulmadan taşıyabilmek için “yüksek düşey rijitlik”, 4- Sistemdeki yer değiştirmelerin nispeten kabul edilebilir düzeyde kalabilmesi
ve olası bir titreşim(rezonans, tınlaşım) durumunu yok edebilmek için “yeterince sönüm”,
5- Üstyapının hemen hemen hareket öncesindeki orijinal pozisyonuna geri dönebilmesi için “geri-merkezleştirme etkisi”,
6- Beklenmeyen büyüklükteki bir depremde önce izolatörlerin, daha sonra yapının göçmesini engelleyecek bir “göçmeyici önleyici sistem”,
11
7- Çekme kuvvetlerine maruz kalma riski varsa “çekme yüklerine karşı yeterince dayanım”
olması gerekir.
2.3 SİSMİK YAPI YALITIMININ SAĞLADIĞI AVANTAJLAR
Sismik yapı yalıtımının sağladığı en önemli avantaj elbette ki can güvenliği olacaktır. Can güvenliği yapı mühendisliğinin, yapının yapımının her aşamasında göz önünde bulundurduğu ve her şeyden üstte tuttuğu bir durumdur. Bu durumu takiben göz önünde tutulan bir diğer durum ise yapının değerli eşya ve cihaz içeriğine etkin koruma sağlamasıdır. Sismik yapı yalıtımının sağladığı avantajlar aşağıda madde madde verilmiştir.
1- Can güvenliğinin ön planda olması,
2- Yapıda bulunan teknik ekipmanların korunması
3- Eğer yapının içeriği nükleer enerji kaynakları ve nükleer atıklar ise bunlarında korunması gerekmekte ve güvenlik sağlanmakta,
4- Yapıyı oluşturan ve yapının elbette belkemiği olan taşıyıcı sistemin ve elemanların dinamik hareketlerden dolayı hasarının en asgari düzeyde tutulması,
5- En önemli olan özellik ise, elbette yapının kuvvetli yer hareketleri sonucu ayakta kalması ve kullanımının yitirilmemesi,
6- Ekonomik olarak, yapının hasar almadan ya da en asgari hasarla deprem etkisinden kurtulması elbette sonradan yapılacak olan onarımlarda da bize avantaj sağlayacaktır,
7- Yapının tasarımında büyük kesitler ve yüksek malzeme kalitesi ile güçlendirme yerine, sismik izolasyon yaparak hem yapıyı daha dayanıklı yaparız, hem de ekonomik olarak daha avantajlı duruma gelebilir,
12
Yukarıda saydığımız maddeler, ilk aşamada gözümüze çarpan önemli avantajlardır. Bunun yanında, gelişen teknoloji ve bilim, bize daha iyi sonuçları her zaman doğuracaktır.
2.4 SİSMİK YALITIMIN UYGULAMA ALANLARI
Sismik yalıtımın sağladığı artılar düşünüldüğünde şöyle bir sonuca ulaşabiliriz ki; sismik yalıtım yöntemleri genellikler güçlü dinamik yer hareketlerinden sonra hasar alması istenmeyen yapılara uygulanmaktadır. Ülkemizde yaşanan depremlerle kontrol sistemleri arasında, neden ve sonuca bağlı bir düşünce ile hareket edilir ve ortaya bir ilişki çıkartılmak istenirse, kontrol sistemlerinin, depreme karşı yüksek performans sağlaması gereken binalara, hastanelere, değerli donanım içeren yapılara, bilgi işlem merkezlerine, kriz ve acil yardım merkezlerine, tarihi yapılara(otellere), tehlikeli kimyasal madde içeren yapılara, okullara, itfaiye, önemli ulaşım yollarına, köprülere, polis karakolu, enerji dağıtım ve haberleşme merkezlerine ve nükleer enerji santralleri gibi hasarları doğal tehlikeler doğurabilecek, yaratabilecek yapılar da dâhil olmak üzere ihtiyaç duyulduğu hissedilen ve istenen tüm yapılara uygulanması gerekmektedir.
Yatay yönde gerekli sünekliğe sahip olmayan(zayıf ve gevrek) yapıların güçlendirilmesinde sismik yalıtım sistemlerinin uygulandığı son zamanlarda görülmektedir. Ülkemizde, gerek duyulduğu için Tarabya Oteli’ne de sismik yalıtım uygulanmıştır. Dolayısıyla eski binaların güçlendirilmesi esnasında mimari özellikler değiştirilmeden sismik yalıtım tekniği uygulanabilmektedir. Yıkıcı deprem riski yüksek olan bölgelerde yapılmış ve ilk yapıldıklarında yıkıcı ve büyük dinamik etkilere karşı dayanımları yeterli düzeyde tasarlanmamış yapıların güçlendirilmesinde sismik yalıtım yöntemleri uygulanmaktadır.
Yapıların salınımlarının uzatılması yumuşak zeminler üzerine inşa edilmiş yapılar için zararlıdır. Yumuşak zeminlerde sismik yalıtım yerleştirilerek yapı salınımının artırılması halinde yapıya gelecek deprem yükü artacaktır, bu gibi durumlarda sismik yalıtım yapılması uygun olmayabilir. Ayrıca, bitişik nizam yapılarda sismik yalıtım yapılması uygun değildir[5].
13
Böylece söz konusu yapılarda, yani sismik yalıtımı yapılmış yapılarda, biraz önce madde madde sıraladığımız sismik yalıtım yöntemlerinin avantajlarını, gözle ve deneylerle hatta depremler karşısındaki gerçek davranışlarıyla görmekteyiz.
Depreme dayanıklı yapı tasarımında kullanılan yapı kontrol sistemleri, yapı toplam maliyetini %5-10 arasında artırmaktadır. Meydana gelen yıkıcı depremlerden sonra büyük oranda can ve mal kaybının oluşması göz önüne alınırsa söz konusu maliyet artışının hiç de fazla olmadığı açıktır[2].
Ülkemiz gibi gelişmekte olan ülkelerde kullanılmak amacıyla düşük maliyetli sismik yalıtım sistemlerinin geliştirilmesi gerekmektedir. Deprem nedeniyle oluşan zararların ki en önemlisi can kaybıdır, büyük ölçülerde azaltılabilmesi için, birçok gelişmiş ülkede kullanıldığı gibi sismik yalıtım yöntemlerinin de ülkemizde kullanılması ve bu konularda bilimsel araştırmalar yapılması gerekmektedir.
3. SİSMİK YALITIM YÖNTEMLERİ - KONTROL YÖNTEMLERİ
Sürekli olarak değişkenlik gösteren dinamik etkilere karşı yapıların titreşim kontrolü, pasif, aktif, karma ve yarı aktif kontrol yöntemleriyle gerçekleştirilmektedir. Pasif kontrol yöntemleri, herhangi bir dış enerji kaynağına ihtiyaç duyulmadan taban yalıtım sistemleri ve pasif sönümleyiciler gibi enerji yutan sistemleri içermektedir[8]. Aktif kontrol sistemleri ise, ihtiyaç duydukları enerjiyi uygulandıkları sistemden hazır olarak kullanmaktadırlar. Aktif kontrolde, yapıya uygulanacak olan kuvvet daha önceden belirlenmiştir.
Sismik kontrol sistemleri, tasarım şekillerine göre sınıflandırıldığı takdirde dört ana başlık altında incelenebilir.
1. Pasif Kontrol Sistemleri 2. Aktif Kontrol Sistemleri 3. Karma Kontrol Sistemleri 4. Yarı Aktif Kontrol Sistemleri
14
Aşağıda verdiğimiz şematik tabloda, sismik yalıtım teknikleri ve bu teknikleri uygulamak için geliştirilmiş özel elemanların isimleri ve bu elemanların hangi sismik yalıtım tekniği alltında uygulanabileceği verilmiştir.
Tablo 3.1 Depreme dayanıklı yapı tasarımında kullanılan sismik kontrol sistemleri[2].
3.1 PASİF KONTROL SİSTEMLERİ
Teknolojik gelişmeler sonucunda, depreme dayanıklı yapı tasarımının klasik yöntemlerine alternatif olarak, herhangi bir dış enerji kaynağına ihtiyaç duymayan ve sismik yalıtım sağlayan pasif kontrol yöntemi geliştirilmiştir. Pasif Kontrol yöntemleri, deprem etkileri dışında herhangi bir ilave enerjiye gereksinim duymadan çalışmaktadırlar[2]. Dolayısıyla, binaya gelen sismik kuvveti kendi içlerinde sönümlerler. Değişken dinamik etkilere adaptasyon kabiliyeti olmayan bu sistemler çalışma prensipleri ve malzeme özellikleri itibari ile farklılıklar gösterir[9]. Yapının dış kuvvetlere karşı dayanımını arttırmak için yapıya yerleştirilen bu elemanların maliyetleri düşüktür.
Deprem gibi dinamik etkilere maruz yapılardaki titreşim enerjisinin sönümlenmesi klasik olarak iç sürtünme ve plastik deformasyonlar ile sağlanmaktadır. Bilindiği üzere yapıların enerjiyi yok etme kapasitesi ne kadar fazla ise titreşim genliği de o
15
kadar küçüktür. Örnek vermek gerekirse, çelik yapılarda sönüm oranı %2, betonarme yapılarda ise %5 civarındadır. Bu bilgilerden yola çıkarak anlaşılmalıdır ki, titreşim genliğini azaltmak, yapının enerji yutma kapasitesini arttırmak ile doğru orantılıdır. Modelleme yapılırken, klasik olarak tasarlanmış yapıların elemanlarının kütle ve rijitlik özellikleri, yakınsak bir doğruluk çerçevesinde belirlenebilmektedir. Buna karşın, yapı elemanlarının enerjiyi sönümleme güçleri ve ideal olmayan davranışların belirsizliği, yapının sönümleme özelliğinin tam olarak karakterize edilememesine neden olmaktadır. Bunlara bağlı olarak, analiz yaparken, analizi basitleştirmek için en genel olarak tasarlanan modellemede, yapının sönümleme kapasitesini tasarıma orantılı olarak kabul etmek gerekmektedir. Günümüzde, kullanılan yapı analizi programları ve tasarım yöntemleri işte bu şekilde bir yaklaşımı kabul etmektedirler. Sismik yalıtım sistemlerinin bir basamağı olan pasif kontrol yöntemleri, sönüm, rijitlik ve dayanımı arttırıcı özellikteki malzemelerden meydana geldiğinden, bu tip sistemler, hem yeni yapılacak yapılarda hem de yaşı ilerlemiş yapıların veya hasarlı yapıların güçlendirilmeleri için de kullanılabilmektedir.
Vermiş olduğumuz tablo 3,1’den anlaşılacağı üzere, pasif kontrol sistemleri taban yalıtım sistemleri ve enerji yutabilen sistemler olarak iki ana grupta incelenebilirler. 3.1.1 TABAN YALITIM SİSTEMLERİ
Sismik taban yalıtım sistemleri, yapıların titreşimini ve deprem esnasında oluşan hasarı azaltmak için yaygın olarak kullanılan başarılı yöntemlerden birisidir. Taban yalıtım sistemleri bugüne kadar pek çok yapıda uygulanmıştır[10].
Taban yalıtım sistemleri, deprem nedeniyle oluşan yer hareketlerini kısmen izole ederek depremden dolayı üst yapıda oluşabilecek etkileri önlemektedir[2]. Taban yalıtımı yapılmış yapılar, kuvvetli dinamik yer hareketleri sırasında zemin ile farklı salınımlar yapmaktadır. Yapıya gelen kuvvetlerin azaltılmasındaki en geçerli önlem, zemin ile yapı arasındaki bu farktır. Dolayısıyla yapının salınımı ne kadar uzatılırsa, yük o kadar azalmaktadır. Buna imkân veren ise yatay yönde oldukça esnek, düşey yönde ise rijit olmalarıdır[1]. Taban yalıtımı için yaygın olarak kullanılan sistemler “kurşun çekirdekli kauçuk mesnet sistemi” ve “sürtünmeli sarkaç sistemleridir”[2]. ABD ve Japonya’da taban yalıtım sistemlerinin alçak ve orta yükseklikteki yapılar için çok başarılı uygulamaları bulunmakla birlikte özellikle yüksek yapılarda bir takım kısıtlar da söz konusudur[1]. Sistemi etkileyen bu kısıtlardan en önemlisi, ki
16
sistemi kullanılmaz hale dahi getirebilir, güçlü dinamik yer etkilerinden sonra taban izolasyon sistemlerinde oluşan kalıcı şekil değişiklikleridir. Bundan dolayı kuvvet-şekil değişikliği etkisi önem kazanmaktadır. Şekil değişikliklerinin kalıcı boyutlara ulaşmasının istenmediği gözle görülür bir gerçektir. Bundan dolayıdır ki, rüzgâr yükünün de etkili olduğu yüksek yapılarda, pasif enerji yalıtım sistemlerinin elemanları, yapının sistemine uygun şekilde yerleştirilerek bu şekil değişikliklerinin kalıcı olması engellenmek istenir. 2001 yılında terörist saldırılar sonucunda yıkılan New York Dünya Ticaret Merkezi’nde ve California’da birçok binada bu tür sönümleyici elemanlar kullanılmıştır[1].
Taban yalıtım sistemlerinden kauçuk izolatörler ilk kez 1956 yılında İngiltere’de Pelham Bridge in Lincoln köprüsünde ısıl genleşmeye karşı kullanılmıştır[2]. Daha sonra da Yugoslavya Skopje’de bir ilkokul binasında izolatörler kullanılmış ve taban yalıtımına yeni yaklaşımlar getirilmiştir[2]. Burada mesnet sistemi olarak kullanılan kauçuklar arasında tabakalı halde çelik levhalar bulunmadığından mesnetler yanlara doğru şişmiş ve bu nedenle düşey yönde istenilen rijitlik elde edilememiştir[2]. Kauçuk izolatörlerin en büyük özelliği yatay ve düşey yöndeki rijitliklerinin farklı olmasıdır. Kauçuk izolatörlerin düşey yöndeki rijitliğini arttırıcı en büyük özelliği, içeriğinde bulunan çelik levhalarıdır. Yukarıdaki sorun işte bu noktadan kaynaklanmaktadır. Çelik levhalar ile donatılmamış olan kauçuk yalıtım sisteminin düşey yöndeki ve yatay yöndeki rijitlikleri birbirleriyle aynı olurlar, dolayısıyla yapı yatay yönde hareket ederken düşey yönde de hareketlenme meydana gelir. Tabaklandırma işleminde, birkaç milimetre kalınlığında rulo biçiminde üretilen kauçuk, daire biçiminde kesilerek ve aralarına birkaç milimetre çelik levhalar konularak yapılmaktadır[2].
Aşağıdaki tabloda, pasif sönümleyici sistemlerden olan kauçuk esaslı sismik yalıtım elemanın bazı teknik detayları verilmiştir.
17
Tablo 3.2 Kauçuk Esaslı Sismik İzolatörün Teknik Özellikleri[4]. Kopma Birim Uzaman Miktarı : %425
Emniyetli Uzama Miktarı : %150 Kesme Dayanımı : 18 – 20 N/mm2 Kesme Modülü (G) : 0,4 – 1,4 N/mm2 Eşdeğer viskoz sönümü : %10-%16
Bir diğer taban yalıtım sistemi ise kurşun çekirdekli kauçuk mesnet sistemidir. Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet sistemi ile tabakalı kauçuk mesnet sistemi birbirine benzemektedir. Bu sisteme “kurşun” sözcüğünün eklenmesinin nedeni, içeriğinde bulunan ve ek bir rijitlik sağlaması amacıyla yerleştirilmiş kurşun çekirdekten kaynaklamaktadır. Kurşun çekirdekli yalıtım sistemlerinin, deprem süresince enerji yutabilme kapasitesi fazladır. Bundan dolayı, yer değiştirme oranı da düşüktür. Devamlı olarak yapıya gelen güçlü dinamik yer hareketleri malzemeyi yormaktadır. Buna karşın, kurşun çekirdekli deprem izolatörlerinde, bu güçlü dinamik yer etkilerinin devamlılığından dolayı yorulma daha az düzeydedir. Tüm bu olumlu yönlerine nazaran, kurşun çekirdekli kauçuk sistemlerin en önemli sakıncalarından biri, içeriğinde barındırdığı kurşun çekirdeğin, güçlü depremler ve dinamik etkiler karşısında zarar görüp görmediğinin belirlenememesidir.
İlk defa 1970’lerin sonlarında Yeni Zelanda’da uygulanan kurşun çekirdekli kauçuk mesnet sistemi Japonya’da ve Amerika Birleşik Devletleri’nde birçok yapıda kullanım alanı bulmuştur[2]. Kuvvetli dinamik yer hareketleri sonucunda yapıların yer değiştirmeleri çok yüksek boyutlara ulaşabilmektedir. Sadece kauçuk mesnetler kullanılarak yapılan ve sismik yalıtımın sadece bu elemanlar tarafından karşılandığı yapılarda meydana gelebilecek olan büyük yer değiştirmeler, bu mesnetlerin aşırı derecelerde şekil değiştirmesine neden olurlar. Bunun sonucunda kalıcı bozukluklar bu elemanlarda görülebilir. Sismik yalıtım için, tek boyutta düşünme fikrinin ne derece eksik olduğu burada görülmektedir. Bu nedenle söz konusu izolatörler, damperler(viskoz sönümleyicilerle), çelik sönümleyiciler ya da sürtünmeli sarkaç sistemlerle karma olarak kullanılmaktadır[2].
18
Şekil 3.1 Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet sisteminin kesiti[2].
Daha önceden yapılmış yapılar için sismik yalıtım tekniklerinden bazıları uygulanabilir. Bunlardan birisi elbette taban izolasyon sistemleridir. Bütün izolasyon tekniklerinde olduğu gibi, taban izolasyon sistemleri de özellikle eski ve tarihi yapılara uygulanabilirler. Bunun yanı sıra deprem ya da benzeri sebeplerden dolayı hasar görmüş yapıların onarım ve güçlendirilmesi amacıyla da kullanılabilen izolatörlerle güvenilir bir uygulama yapılabilmektedir[2].
Taban izolasyon sistemlerinin bir diğer tekniği de “sürtünmeli sarkaç” sistemidir. Teknolojik gelişim açısından, sürtünmeli sarkaç sistemi diğerlerine göre yeni bir sistemdir. Güçlü dinamik yer etkileri karşısında binaya gelen yük binayı hareket ettirir. Sarkaç sisteminde ise gelen bu yük küçük hareketlerle karşılanır. Aşağıda şekille belirtilen “sürtünmeli sarkaç” sistemi şöyle tarif edilebilir; iki yanından koruyucu silindirlerle desteklenmiş kayıcı bir mafsalın küçük genliklerle hareketi serbest bırakılıp deprem esnasında binaya gelen yük sürtünme ile yok edilmek istenmektedir. Bütün taban izolasyon sistemleri gibi sürtünmeli sarkaç sistemleri de mevcut yapılara uygulanabilirler. Özellikle köprüler bu uygulamanın başında gelmektedir.
19
Şekil 3.2 Kurşun çekirdekli kauçuk mesnetler ve birlikte kullanılan sönümleyiciler[2].
Şekil 3.3 Sürtünmeli sarkaç sistemin kesiti[2].
Şekil 3.4 Sürtünmeli sarkaç sisteminin uygulaması (San Francisco, ABD)(Kayma tipi izolatör)[2].
Sürtünmeli sarkaç sisteminin koruyucu silindirler ile sınırlandırılması, güçlü dinamik yer hareketlerinin binayı haddinden fazla zorlaması durumda çok etkili olduğu mantık açısından da görülmektedir. Hesaplamalar dışında gelen deprem yükleri karşısında bu sınırlayıcı silindirler, binanın aşırı yer değiştirme yapmasını da
20
engellemektedir. Sürtünmeli sarkaç sisteminde bina salınımı da kontrol altında tutulmaktadır.
Şekil 3.5 Sürtünmeli sarkaç sisteminin uygulanması.(İstanbul, Türkiye)[2].
Yukarıda anlatılan ve kullanış açısından yaygın olan taban izolasyon sistemlerinden kurşun çekirdekli kauçuk mesnet ve sürtünmeli sarkaç sistemlerine ek olarak aşağıda kısaca anlatılan ek sistemlerde bulunmaktadır. Bunların başlıca özellikleri, ucuzluğu ve kolayca üretilmeleridir.
Düşük sönümlü doğal sentetik kauçuk izolatörlerin aşağıdaki şekilde görüldüğü üzere, her iki ucunda çelik levha bulunmaktadır. Bu çelik levhalar, kauçuk malzemeye tek bir seferde yüksek ve belirli bir basınç ile birleştirilirler. Yatay rijitlik bakımından çelik levhaların herhangi bir etkisi yoktur. Kayma düzleminde doğrusal bir hareket gösteren malzeme davranışına sahiptirler. Sönüm oranı, kritik sönümün %2-3 oranındadır. Kompozit eleman olarak nitelendirebileceğimiz bu elemanların en büyük avantajı kolay üretimleridir. Modellenmesi basittir. Mekaniksel davranış gösteren bu elemanlar, çevre şartlarından da az etkilenirler. Yine aynı sorun bu tip sönümleyiciler için de geçerlidir; yani ek elemanlarla kullanılmaları gerekmektedir.
21
Şekil 3.6 Düşük sönümlü kauçuk izolatörler[9].
Yüksek sönümlü doğal kauçuk izolatörler, düşük sönümlü kauçuk izolatörlerin ek sönümleyici ihtiyacını ortadan kaldırmak için Malezya kauçuk üreticileri birliği tarafından 1982’de yüksek sönümlü doğal kauçuk izolatörler geliştirilmiştir. Sönüm, eklenen karbon blokları, reçineler veya yağlar ve diğer dolgu maddeleri ile arıtılmıştır. Bu sönüm %100 kayma deformasyonları altında %10-20 oranında artırılmıştır. İzolatörlerdeki sönüm ne viskoz ne de çevrimseldir. İkisinin arasında bir davranışı vardır. Deney sonuçları göstermiştir ki bu elemanların davranışı lineer viskoz ve elasto-plastik elemanların davranışının bir birleşimidir. Bu izolatörlerin diğer avantajı da, trafik ve trenlerden kaynaklanan yüksek frekanslı düşey titreşimlerin filtre edilmesinde başarılı olmalarıdır[9].
Sismik taban yalıtımlı yapıların, Northridge ve Kobe depremleri kayıtlarında olduğu gibi, yakın fay etkisinin neden olduğu büyük zemin hızına sahip depremler söz konusu olduğu zaman, yeterli koruma sağlayamayacağı endişesi, araştırmacıları düşündürmüştür. Faya yakın bölgelerdeki yapılar için sismik taban yalıtımı projeleri hazırlanırken, sismik taban yalıtımı ile ilgili yönetmelikler, yalıtım seviyesinde çok büyük tasarım yer değiştirmeleri bırakmayı öngörmektedir. Bu sakıncaları azaltmak için izolatörlere ek sönümleyici aygıtlar eklenmektedir. Taban yer değiştirmesi bu şekilde azaltılırken, kat ivmeleri ve katlar arası ötelenmeler, ek sönümleyicisiz taban yalıtımı sistemlerine göre bir miktar artmaktadır[10].
Yarı aktif izolasyon tekniği, mühendislere ayarlanabilen sönüm olanağı sağlamaktadır. Yukarıda anlatılan bu yöntemlere ek olarak yarı aktif sönümleyiciler, yapıların deprem yalıtımı bakımından daha çok avantaja sahiptir. Sönüm katsayısı ayarlanabilen bu sistemler ile kontrol kuvvetinin önceden belirlenmiş bir değeri için yer değiştirmeler daha rahat kontrol altında tutulabilir.
