Sismik İzolater nedir? Deprem anında nasıl çalışır?

Sismik izolasyon uygulaması; yapı mühendislerince kullanılan geleneksel yaklaşımlara kıyasla, depreme dayanıklı yapıtasarlamak üzere köklü ve radikal bir yaklaşımdır. Geleneksel yöntem olan ankastre temelli yapı tasarımında, yapıya üstün nitelikli bir sismik performans kazandırmak üzere yapı sistemini sağlamlaştırmak; yapının daha rijit olmasına yol açmakta, bu durum yapının ve ona bağlı diğer taşıyıcı elemanların daha fazla kuvvet karşılamasına neden olmaktadır. Sismik izolasyon, yapının depreme dayanma kapasitesini arttırmaktan daha ziyade, yapının depreme karşı tepkisini azaltma esasına dayanan bir tür depreme dayanıklı yapı tasarımı yaklaşımıdır. Bu teknolojinin düzgün ve doğru bir şekilde uygulanması, yapıların şiddetli depremler sırasında rijit davranış göstermesine ve zorlanmanın elastik sınırlar içinde kalmasına yol açmaktadır. (Naeim ve diğ., 1999) Sismik izolasyon sistemlerini uygulamak, mühendisin düşük fiyatlı yapı sistemleri kullanarak orta ve büyük şiddetli depremlerde, hem binanın taşıyıcı sisteminde hem de bina içindeki eşyalarda meydana gelebilecek hasarı sınırlandırmasını sağlar.

Bir binaya depreme karşı üstün bir dayanım kazandırmakla sorumlu olan yapı mühendisinin karşılaşacağı temel ikilem, göreli kat ötelemesini ve kat ivmelerini minimize etmektir. Büyük göreli kat ötelemeleri, yapısal olmayan elemanlarda hasara neden olmaktadır. Yapıyı daha rijit hale getirerek, göreli kat ötelemeleri sınırlandırılabilir. Ancak bu yöntem, yer hareketi etkisinin büyümesine ve hassas eşyalara zarar gelmesine neden olabilecek yüksek kat ivmelerinin meydana gelmesine yol açacaktır. Kat ivmeleri ise, yapı sistemini daha esnek hale getirerek azaltılabilir. Fakat bu kez de büyük göreli kat ötelemeleri meydana gelecektir. Göreli kat ötelemesini ve kat ivmelerini eş zamanlı olarak azaltmanın tek uygulanabilir yolu, sismik izolasyon yöntemini kullanmaktır. Sismik izolasyon sistemi gerekli esnekliği, izolasyon seviyesinde toplanan yer değiştirmeler vasıtası ile sağlamaktadır. (Naeim ve diğ., 1999) Sismik izolasyon kavramı oldukça basittir. Sismik izolasyon sistemi yapı ile temeli arasına düşük yatay rijitliği olan izolatörleri monte ederek yapıyı, deprem hareketinin yatay bileşenlerinden ayırmaktadır. Bu yöntem, uygulandığıyapıya; hem ankastre mesnetli sistemin frekansından hem de yer hareketinin hakim frekanslarından çok daha küçük olan bir asal frekans vermektedir. Sismik izolasyonlu yapının birinci dinamik modu sırasında yer değiştirme sadece izolasyon sisteminde olur. Üstyapı nerede ise tamamen rijit davranış gösterir. Sismik izolasyon sistemi, deprem enerjisini absorbe etmemekte ancak ondan ziyade sistemin dinamikleri vasıtası ile yönünü değiştirmektedir. Bu etki sönüme bağlı değildir. Bununla birlikte belirli düzeydeki bir sönüm, izolasyonlu yapının titreşim frekansında meydana gelebilecek olası bir rezonans durumu ile karşılaşmamak için faydalı olacaktır. (Naeim ve diğ., 1999) Bahsedilen tüm bu özelliklerinden ötürü sismik izolasyon sistemlerinin, özellikle içerisinde hassas cihazları barındıran ve bir ülkenin siyasal ya da ekonomik yapısı için kritik öneme sahip binalarda; deprem sonrasında işlevini sürdürmesi gereken ve kullanılabilir durumda kalması gereken binalarda (hastane, iletişim merkezleri gibi) kullanılmasıkaçınılmazdır. Sismik izolasyon sistemlerinin elemanı olarak kullanılan başlıca sismik izolatör tipleri; kurşun çekirdekli izolatör, çapraz doğrusal hareket sistemi, kayıcı tabakalı kauçuk izolatör ve çelik bilyalı izolatördür. Bu izolatör tiplerine ait açıklamalar aşağıdaki gibi sıralanabilir:

Kurşun Çekirdekli İzolatör (Lead Rubber Isolator)

Kurşun çekirdekli izolatör, tabakalar halinde bulunan yuvarlak şekildeki kauçuk ve çelik plakalardan imal edilmişizolatördür. İnce kauçuk tabakalar ile çelik plakaların bir sıcak preslemeden sonra yapıştırılması sureti ile imal edilmektedirler. Bu izolatörlerin ortasına, ayrıca bir enerji sönümleme kapasitesi sağlamak üzere, kurşun çekirdek yerleştirilmektedir (Şekil 1).

Çapraz Doğrusal Hareket Sistemi (Cross Linear Bearing)

Çapraz doğrusal hareket sistemi (CLB), birbirine dik olarak konumlandırılmış iki adet doğrusal raya monte edilen yine iki adet düşük sürtünmeli doğrusal hareket eden bloktan oluşmaktadır (Şekil 2). CLB ünitesi üzerinde yer alan tampon bloklar çok düşük bir sürtünme katsayısına sahip olup, çok az bir kesme kuvveti karşılamaktadır. Bir başka deyişle çok düşük büyüklüğe sahip yanal etkilerde dahi sistem aktive olabilmektedir. CLB’lerin bir başka avantajlı özelliği de; basınç kuvvetlerinin yanı sıra çekme kuvvetlerine karşı da çalışabilmesidir. CLB tipi izolatörler, kurşun çekirdekli izolatörler ve diğer sönümleyicilerle birlikte kullanılabilmektedir.

Kayıcı Tabakalı Kauçuk İzolatör (Sliding Laminated Reubber Isolator)Kayıcı tabakalı kauçuk izolatör (Şekil 3), diğer izolatörlerle (LRI, CLB tipi) birlikte kullanılır. Küçük genlikli yatay sarsıntılarda SLR, kauçuk tabakaların şekil değiştirmesi ile uygulandığı sisteme sönüm kapasitesi sağlar. Daha büyük sarsıntılarda ise, plakanın kayması ile üzerindeki yapıda meydana gelen salınım hareketi kontrol altına alınır.

Çelik Bilyalıİzolatör (Steel Ball Bearings)

Çelik bilyalı izolatör, düşük bir sürtünme katsayısı vermek üzere iki adet çelik levha arasında sıkıştırılmış çok sayıdaki bilyalardan oluşur (Şekil 4). Bilyaların sayısı, binanın düşey yüklerini yeterli düzeyde karşılayacak şekilde, sismik izolasyon sisteminin tasarımı esnasında kolayca ayarlanabilmektedir. Bu izolatörler genellikle kurşun çekirdekli izolatörler (LRI) ve diğer sönümleyicilerle kombine edilecek şekilde bir arada kullanılmaktadır.

Kullanılan Yöntem

Bu çalışmada birbirinden farklı yapısal sistemleri olan eş oturum alanına sahip iki yapı analiz edilecektir. Bunlardan ilki ankastre olarak modellenen perdeli bir yapıdır. Söz konusu perdeli binanın açıklıkları, analizi yapılan diğer binaya kıyasla göreli olarak daha küçüktür. Analizi yapılan ikinci bina ise sadece kolon-kirişten teşkil edilmiş taşıyıcı sisteme sahip çerçeve tipi bir yapı olup, bu yapı aynı zamanda sismik izolasyonlu olarak tasarlanmıştır. Her iki yapı aynıdeprem ivme kayıtlarına maruz bırakılarak, zaman tanım alanında bir dinamik analiz yapılmıştır. Yapılan dinamik analiz neticesinde; perdeli yapı ile sismik izolasyonlu ve perdesiz olarak modellenen yapının kesit tesirlerinde meydana gelen değişim gözler önüne serilecektir. Dinamik analiz sonuçları irdelenirken sismik izolasyonlu yapı için Japonya’da uygulanan yönetmelik şartları göz önüne alınacaktır. Buna göre meydana gelmesi gereken göreli kat ötelemesi oranı1/200 ve altında olacak şekilde tasarım yapılacaktır. Yine Japon Yönetmeliği uyarınca, izolatörler üzerine etkiyen eksenel yükler için 1.0 G (Sabit) + 1.0 Q (Hareketli) yükleme kombinezonuna ait değerler göz önüne alınacak ve sismik izolatörlere ait boyutlar buna göre tasarlanacaktır. Binanın ağırlık merkezi ile sismik izolasyon sisteminin rijitlik merkezi plan düzleminde mümkün olduğunca üst üste düşecek şekilde tasarım yapılmalıdır. Böylelikle sismik izolatörlerin burulması ya da burkulması gibi işlevlerini kesintiye uğratacak muhtemel olumsuz sonuçlara karşı bir emniyet tedbiri alınmaktadır. Bu adımlardan sonra, dizaynıyapılan sismik izolasyonlu yapı için belirlenmiş olan sismik izolatörlerin toplam fiyatı da dikkate alınarak yapının kaba ve toplam inşaat maliyetleri karşılaştırılacaktır. Binaların kaba inşaat maliyetine ait kalemlerin metrajları için STA 4 yazılımının vereceği sonuçlar esas alınacaktır. Ancak ince inşaat maliyeti için sadece basitleştirilmiş ampirik bir orantıkatsayısı ile söz konusu binanın kaba inşaat maliyeti üzerinden basit bir çarpan kabulü yapılarak hareket edilecektir.

Kullanılan Veriler

Bu çalışmada 8 katlı iki bina incelenecektir. Modellenecek olan; eş oturum alanına ve birbirinden farklı yapısal sistemlere sahip iki binanın, zaman tanım alanındaki dinamik analizi için Kocaeli ve Düzce depremlerine ait ivme kayıtları kullanılacaktır. Modellenen yapıların kaba inşaat kalemlerine ait metraj sonuçlarını elde etmek üzere STA 4 yazılımının verdiği sonuçlar dikkate alınacaktır.

Dizayn edilen binaların taşıyıcı sistem elemanlarının boyutları, modellemede kolaylık sağlaması bakımından her bir bina için tek tip olacak şekilde seçilmişlerdir. Aşağıda taşıyıcı sistem elemanlarının boyutları tablolaştırılmıştır (Tablo 1,2).



Sismik izolasyon sistemi 50 cm. yanal deplasman yapma kabiliyetine sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Sismik izolasyon sisteminin tasarımı sonucu belirlenen kurşun çekirdekli izolatör boyutları ve adetleri aşağıdaki tabloda belirtilmektedir (Tablo3):



Sonuç

İki bina için, zaman tanım alanında yapılan dinamik analiz sonucu elde edilen sonuç çıktıları aşağıdaki tablolarla ortaya konulmaktadır (Tablo 5, 6, 7).




Görüldüğü üzere sismik izolasyonlu binada (Şekil 6) aynı deprem etkisi altında meydana gelen göreli kat ötelemesi oranı ve taban kesme kuvveti değerleri nerede ise 1/20 oranında küçülmektedir. Sismik izolasyonlu binada meydana gelen yer değiştirme, sismik izolasyon seviyesinde yoğunlaşmış ve üstyapı adeta rijit bir cisim gibi hareket etmiştir. Perdeli ankastre binanın (Şekil 7), 1. doğal titreşim periyodu T = 0,4376 sn olarak belirlenmiştir. Buna karşın kurşun çekirdekli izolatör kullanılarak yeniden tasarlanan binanın 1. doğal titreşim periyodu T = 3,0443 sn olarak belirlenmiştir. Bu durumun doğal sonucu olarak depremlerin ivme spektrumunlarında çok düşük ordinatlarla yani ivme değerleri ile karşılaşılacağından yapılar depremi çok az hissedeceklerdir.

Sismik izolasyonlu yapıda meydana gelen kat deplasmanları tablolardan da anlaşıldığı üzere, perdeli ankastre binaya kıyasla çok daha büyüktür. Örneğin İzmit depreminin Y doğrultusundaki bileşeni etkisi altında perdeli ankastre binanın en üst katında oluşan kat deplasman değeri 10 cm’nin altında kalırken; aynı etki altında, açıklıkları arttırılmış sismik izolasyonlu yapıda, yine en üst katta oluşan kat deplasman değeri 46 cm’nin üzerinde (Şekil 7) ortaya çıkmıştır. Bununla birlikte göreli kat ötelemesi oranları karşılaştırıldığında; sismik izolasyonlu yapıda meydana gelen değerler, perdeli ankastre yapıda oluşan değerlerin 1/15’i ila 1/20’si gibi çok küçük bir oranda kalmıştır. Buradan çıkan sonuç odur ki, yapıyı sismik izolasyonlu hale getirmek, gereken esnekliği sağlamakla birlikte deplasmanları yapının sismik izolasyon seviyesinde tutmakta ve izolatörler üzerinde imal edilen üstyapı adeta rijit bir cisim gibi hareket etmektedir.

İki farklı yapısal sisteme sahip binaların dinamik analizleri sonucunda karşılaştırması yapılan bir başka parametre de aynı deprem itkileri altında binalarda oluşan taban kesme kuvveti değerleridir. Açıkça görülmektedir ki sismik izolasyonlu binada oluşan tepkiler, perdeli ankastre yapıda oluşanlara kıyasla 1/10 ila 1/25 gibi çok küçük oranlarda meydana gelmektedir. Dolayısı ile sismik izolasyonlu yapıda, taşıyıcı elemanlar ile bina içinde yer alan yapısal olmayan elemanlar yani eşyalar bu tür şiddetli depremler etkisi altında pratik olarak depremleri çok az hissedecek ve hiçbir hasar oluşmayacaktır. Ancak şu nokta da dikkatlerden kaçmamalıdır ki sismik izolasyonlu inşa edilecek yapıların, üzerine oturacaklarızeminlerin nispeten sıkı olmalarında mutlak yarar bulunmaktadır. Aksi taktirde sismik izolasyon uygulayarak suni olarak arttırılmış yapı titreşim periyodu ile zayıf zeminin sahip olduğu nispeten büyük zemin hakim periyodu değerleri birbirine yakınsayacağından kuazi-rezonans durumu ile karşılaşmak riski ortaya çıkacaktır. İki binayı mimari açıdan karşılaştıracak olursak, sismik izolasyonlu yapıda, taşıyıcı sistemin perdeden arındırılması için imkan doğmuş, açıklıklar plan düzleminde bir doğrultuda da olsa arttırılabilmiş ve sonuçta binadan hizmet görenler için daha geniş ve ferah bir kullanım alanı ortaya çıkmıştır. Böylelikle ileriki başlıklarda değinileceği üzere, binanın kaba inşaat kalemlerinde maliyet açısından daha ucuz bir çözüm üretmek mümkün olmuştur. Sonuç olarak yapıyı sismik izolasyonlu olarak inşa etmek ona ekstra bir güvenlik temin etmekle birlikte, ülkemizde en küçük şiddetli olanlarında bile can almaya devam eden deprem afetlerinden sonra oluşabilecek muhtemel hasar riskini ortadan kaldırmaktadır. Bu avantaj; deprem sonrası hasara uğrayan yapıların güçlendirme çalışması için ayrılacak finansmanın ülke ekonomisine kazandırılmasını da beraberinde getirecektir.

Maliyet Karşılaştırması

Analizi yapılan iki yapının STA 4 yazılımı ile yapılan modellemesi sonucu, yazılımın hesapla ortaya koyduğu metraj çıktı sonuçları aşağıdaki tablolarda görülmektedir (Tablo 8, 9). Tablo 8. Perdeli Ankastre Yapı Kaba İnşaat Metrajı (K.D.V. dahil)


Buna karşın salt sismik izolasyonlu yapının toplam kaba inşaat maliyetini inceleyecek olursak, kullanılacak olan sismik izolatörlerin maliyeti, toplam kaba inşaat maliyetinin % 40’ını teşkil etmiştir. Sonuç olarak sismik izolasyonlu yapının kaba inşaat maliyeti izolatörlerle birlikte hesaplandığında, perdeli ankastre yapıya göre % 29 oranında artmıştır. Bununla birlikte her iki yapının toplam inşaat maliyetini karşılaştırmak üzere, yapı sistemlerine ait mimari proje ve detaylar elde bulunmadığından, basit bir varsayımla ince inşaat maliyetinin kaba inşaat maliyetinin 1,5 katı olacağışeklinde kabul etmemiz halinde sismik izolasyonlu yapının toplam inşaat maliyetinin, perdeli ankastre yapıya göre % 2 oranında daha ucuza mal olduğu anlaşılmaktadır

Son olarak şunu da açıkça hatırlatmak gerekir ki, bu yapı karşılaştırmalarından da anlaşıldığı üzere yeterli rijitliği binaya kazandırmak şartı ile yapıyı sismik izolasyonlu hale dönüştürürken, yeterli iterasyon adımları sonucunda taşıyıcısistem elemanlarında kesit küçültmesine gitmek ve dolayısı ile binanın ağırlığını ve kesit tesirlerini azaltmak pekala mümkündür. Tüm bu faktörler göz önüne alındığında, en başta da ifade edildiği üzere, içerisinde çok hassas ve değerli eşyaların bulunduğu, siyasal, kültürel veya ekonomik açıdan o ülke için çok kritik öneme sahip yapılarda ve deprem sonrasında işlevini sürdürmesi gereken ve kullanılabilir durumda kalması gereken binalarda sismik izolasyon sistemlerinin kullanılması gerektiği açıktır.

İnşallah bundan böyle yapılar bu sistemle yapılır... Deprem insan öldürmez, yapı ve zemin öldürür derken, gerçekliğine şahit olduk... Herkes hesap verecek, lakin insanlarda biraz daha bu konuda daha uyanık olmalı... Ev alırken evin yapım ve yerleşimi e dikkat etmeli... Yani diyeceğim o ki İstanbula çok tehlike altında, rabbim esirgesin, bu kadar kalabalık bir şehir ne olur diye düşünüyor insan... Rabbime emanet yaşamaya devam ediyoruz...