Sismik taban yalıtımı ve enerji sönümleyici sistemlerin mimari tasarıma etkileri
Effects of seismic base isolation and energy damping systems on architectural design
Yazar: HİLAL GÜNAY
Danışman: PROF. DR. NECDET TORUNBALCI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Yapıları etkileyen sismik kaynaklı etmenlere karşı kuvvetler uygulanması ya da kendi içinde sönümlenmesini içeren ileri teknolojiye sahip malzeme ve sistemler olarak tanımlanabilen sismik kontrol sistemlerinin uygulanma metotlarına sismik kontrol yöntemleri adı verilmektedir. Sismik kontrol yöntemleri, sismik etkilerin yapının kendi dayanımıyla karşı konulmasını esas alan geleneksel sismik tasarım yöntemlerine alternatif oluşturmaktadır. Dünyada ve ülkemizde giderek yaygınlaşan sismik kontrol yöntemleri yeni, mevcut ve tarihi binaların kullanışlılığına katkı sağlarken fazladan yapısal gereksinimlerin de önüne geçmektedir. Öte yandan bir yapısal sistem kararı olarak öne çıkan sismik kontrol yöntemlerinin mimari tasarıma ilişkin de birçok etkisi olduğu gözlenmiştir.
Çalışmada öncelikle geleneksel sismik tasarım yaklaşımı ve bu sismik anlayışın kavramları olan düzenlilik, dayanıklılık, rijitlik, süneklik ve dayanım fazlalığı incelenmektedir. Geleneksel sismik tasarım anlayışının olumlu ve olumsuz yönleri değerlendirilmekte ve yeni bir tasarım yaklaşımı gereksinimi ortaya konmaktadır. Sonrasında yeni bir sismik tasarım yaklaşımı noktasında karşımıza çıkan modern sismik tasarım amacı ve anlayışı, tarihçesi, form, süreksizlik, hareket, esneklik, cihaz görünümü ve kullanıcı konforu kavramları üzerinden incelenmektedir. Modern sismik tasarım anlayışının olumlu ve olumsuz yönleri değerlendirilmektedir. Modern sismik tasarım anlayışı etkisinde ortaya çıkan sismik kontrol yöntemleri ele alınmaktadır. Sismik kontrol yöntemleri aktif ve pasif sismik kontrol yöntemleri olarak ikiye ayrılmakta daha yaygın uygulanan pasif kontrol yöntemleri ise kendi içinde pasif enerji sönümleyici sistemler ve sismik (taban) yalıtım sistemleri olarak çeşitlenmektedir. Sismik kontrol sistemleri, mekanizmaları, elemanları ve uygulama detayları üzerinden mimari tasarım bağlamında değerlendirilmektedir.
Çalışmanın üçüncü bölümünde ulusal ve uluslararası şartnameler taranmakta, özellikle ABD, Avrupa, Japonya, Yeni Zelanda ve Türkiye yapısal kodları incelenmektedir. ABD'den Federal Acil Durum Yönetim Kurumu (Federal Emergency Management Agency-FEMA), Amerikan İnşaat Mühendisleri Derneği (American Society of Civil Engineers-ASCE) ve Kaliforniya Yapısal Mühendisler Derneği (The Structural Engineers Association of California - SEAOC) Mavi Kitap; Avrupa'dan Eurocode 8; Japonya'dan Japonya Bina Standartları Yasası (Building Standard Law - BSL), Japonya Mimari Enstitüsü (Architectural Institute of Japan - AIJ) ve Japonya Mimarlar Enstitüsü ve Japonya Asismik Güvenlik Örgütü (Japan Aseismic Safety Organization - JASO); Yeni Zelanda'dan Yeni Zelanda Deprem Mühendisliği Derneği (New Zealand Society for Earthquake Engineering – NZSEE 2019) ve güncel Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018 (TBDY 2018) yönetmeliklerinde, sismik kontrol kullanımında mimari tasarıma yönelik hususların öncelikle mevcudiyeti araştırılmış ve irdelenmiştir. İncelenen şartnamelerde çoğu ülke için yapısal kararların ön planda olduğu, mimari tasarıma yönelik bilgilerin ise sınırlı olduğu gözlenmiştir.
Geleneksel sismik tasarım anlayışına dayanan yapısal şartnameler, yapıların hasar nedeniyle kullanılamadığı süreyi ve ekonomik kayıplarını etkileyen yönlerini kapsamamaktadır. Yapısal şartnamelerin odak noktası, binaların göçmesini önlemek ve can güvenliği performans seviyesi sunmak üzerinedir. Yönetmeliklerde yapıya bağlı veya yapı içindeki elemanların korunacağının bir garantisi olmamaktadır. Dolayısıyla olası bir sismik etkide yapı kullanımı işlevsel kesintiye uğrayabilmektedir. Buna karşılık modern sismik tasarım anlayışı ve buna bağlı sismik koruma yöntemleri ile binalarda performans seviyesi kesintisiz kullanım seviyesine yükselmekte ve bina içi ve çevresi önemli yapısal ve yapısal olmayan eleman ve değerlerin korunması sağlanmaktadır. Öte yandan bina kullanıcı ve çevre kullanıcılarında yaralanma ve psikolojik etki riskleri azalmakta, bina kullanımına kesintisiz devam edilebilmekte bu sayede deprem sonrası iyileştirme ya da yeniden bina üretimi konuları ortadan kalkmakta dolayısıyla karbon ayak izine olumsuz etki azalmakta ve sürdürülebilirliğe katkı sağlanmaktadır.
Çalışmanın dördüncü bölümünde modern sismik kontrol ve mimari tasarım esasları yeni, mevcut ve tarihi binalar özelinde incelenmektedir. Modern sismik tasarım anlayışı kavramları olarak belirlenen form, süreksizlik, hareket, esneklik, cihaz görünümü ve kullanıcı konforunun ayrı ayrı ve bir araya geldiklerinde yeni, mevcut ve tarihi binalarda mimari tasarıma etkileri açıklandıktan sonra dünyada ve Türkiye'de yer alan örnek projeler üzerinden mimari tasarım etkileri değerlendirilmektedir. Bu kısmın sonunda dünyada ve ülkemizde en yaygın kullanılan sismik kontrol yöntemlerinden olan taban yalıtımı ve enerji sönümleyici sistemler bağlamında yeni, mevcut ve tarihi binalarda mimari tasarım; sismik cihaz-bina formu ilişkisi, planlama ve konum, mimari detaylar, estetik ve kullanıcı konforu başlıkları altında değerlendirilmekte ve sismik kontrol yöntemlerinin kullanımına yönelik mimarlara/tasarımcılara/ uygulayıcılara/restoratörlere öneriler sunulmaktadır.
Çalışmanın son bölümünde genel bir değerlendirme yapılmakta ve çalışmanın amaçları, hedefleri, günümüz ve gelecek için önemi aktarılmaktadır.
Tez çalışması, literatür taraması, ulusal ve uluslararası yönetmelik ve standart araştırması ve yarı yapılandırılmış görüşme araştırma yöntemleri uygulanarak sismik tasarım anlayışının mimari tasarıma etkileri üzerine akademik bir çalışma sunmayı amaçlamaktadır. Öte yandan çalışma, bu alandaki öncü değişiklikleri mimari tasarım özelinde mimarlara/tasarımcılara/uygulayıcılara/restoratörlere olası problemler ve çözümler bağlamında aktarmayı hedeflemektedir. Çalışmanın ana hedeflerinden bir diğeri de mimarlara sismik kontrol yöntemleri bağlamında mimari tasarım hakkında bir el kitabı sunmaktır.

Abstract:
The application methods of seismic control systems, which can be defined as advanced technology materials and systems that involve the application of forces against the seismic factors affecting the structures or their internal damping, are called seismic control methods. Seismic control methods constitute an alternative to conventional seismic design methods based on resisting seismic effects with the structure's durability. Seismic control methods, which are becoming increasingly widespread in the world and Türkiye, contribute to the usability of new, existing, and historical buildings while preventing additional structural requirements. On the other hand, it is observed that seismic control methods, which stand out as structural system decisions, have many effects on architectural design.
In the study, the traditional seismic design approach and the concepts of regularity, durability, stiffness, ductility, and redundancy of this seismic approach are examined. The positive and negative aspects of the traditional seismic design approach are evaluated and the need for a new design approach is presented. Afterward, the purpose and understanding of modern seismic design, which we encounter at the point of a new seismic design approach, is examined through the concepts of form, discontinuity, movement, flexibility, device appearance, and user comfort. The positive and negative aspects of the modern seismic design approach are evaluated. Seismic control methods that emerged under the influence of the modern seismic design approach are discussed. Seismic control methods are divided into active and passive seismic control methods; passive control methods, which are more widely applied, are diversified as passive energy damping systems and seismic (base) isolation systems. Seismic control systems are evaluated in the context of architectural design through their mechanisms, members, and application details.
In Chapter 3 of the study, national and international specifications are reviewed and especially the structural codes of the USA, Europe, Japan, New Zealand, and Turkey are analyzed. Federal Emergency Management Agency (FEMA), American Society of Civil Engineers (ASCE), and Structural Engineers Association of California (SEAOC) Blue Book from the USA; Eurocode 8 from Europe; Building Standard Law of Japan (BSL), Architectural Institute of Japan (AIJ) and Japan Institute of Architects and Japan Aseismic Safety Organization (JASO) from Japan; New Zealand Society for Earthquake Engineering (NZSEE) from New Zealand and the current Turkish Building Earthquake Code 2018 (TBEC 2018), the existence of architectural design considerations in seismic control use has been investigated and analyzed. It has been observed that structural decisions are at the forefront for most countries in the analyzed specifications, while information on architectural design is limited.
Structural specifications based on the conventional seismic design approach do not cover the aspects of structures that affect the damage duration and economic losses. The focus of structural specifications is on preventing the collapse of buildings and providing a life safety performance level. In regulations, there is no guarantee that the elements connected to the structure or inside the structure will be protected. Therefore, the use of the building may be functionally interrupted in a possible seismic impact. On the other hand, the modern seismic design approach and related seismic protection methods increase the performance level of buildings to the level of uninterrupted use, and protection of significant structural and non-structural elements and values inside and around the building is ensured. On the other hand, the risks of injury and psychological effects on the building users and environmental users are reduced, and the use of the building can continue uninterruptedly, thus eliminating the issues of post-earthquake improvement or rebuilding, thus reducing the negative impact on the carbon footprint, and contributing to sustainability.
In Chapter 4 of the study, modern seismic control and architectural design principles are analyzed for new, existing, and historic buildings. After explaining the effects of form, discontinuity, movement, flexibility, the appearance of devices, and user comfort, which are determined as the concepts of the modern seismic design approach, on architectural design in new buildings separately and together, architectural design effects are evaluated through case studies in the world and Türkiye. In this section, architectural design in new, existing, and historic buildings in the context of base isolation and energy damping systems, which are the most widely used seismic control methods in the world and Türkiye, is evaluated under the topics of seismic device- building form relationship, planning and location, architectural details, aesthetics, and user comfort, and recommendations are presented to architects/designers/practitioners /restorers for the use of seismic control methods.
The modern seismic design approach and seismic control methods and the changing concepts and their effects on architectural design are varied in terms of new, existing, and historic buildings. One of the concepts of modern seismic design is that form should optimize both the control system used and the performance of the main masonry structure. This may lead to the selection of specific criteria for each building form or to new morphologies. On the other hand, the formal understanding can be freed from the limits imposed by traditional performance requirements, and architectural freedom can be achieved by changing the demands for regularity and uniformity in architectural design. The concept of discontinuity requires the disconnection between two or more parts of the building, one of which moves relative to the other under a seismic effect. In this case, special details are formed in structural and architectural elements, circulation elements, and facade elements at discontinuity points in buildings. The concept of movement requires movement area and related details for motion in the facades in architectural design. Therefore, the separation of adjacent elements around the masonry building, moat, and moat cover issues come to the agenda. By the concept of flexibility, flexibility details, and solutions should be provided to allow movement in non-structural elements of the building. The concept of device appearance includes decisions on the appearance or hiding of seismic control elements in masonry buildings. Psychological, social, economic, and sustainable solutions due to the uninterrupted use of building performance levels provided by new seismic protection systems have given rise to the concept of user comfort. In this study, some principles for architectural design have been determined by focusing on these concepts and making conclusions on examples.
Finally, the architectural design of new, existing, and historical buildings in the context of base isolation and energy-damping systems, which are the most widely used seismic control methods in the world and Türkiye, is evaluated under the topics of seismic device-building form relationship, planning and location, architectural details, aesthetics, and user comfort, and recommendations are presented to architects/designers/practitioners/restorers for the use of seismic control methods.
The thesis aims to present an academic study on the effects of the seismic design approach on architectural design by applying a literature review, national and international regulations and standards research, and semi-structured interview research methods. On the other hand, the study aims to convey the pioneering changes in this field to architects/designers/practitioners/restorers in the context of possible problems and solutions. Another of the main objectives of the study is to provide architects with a handbook on architectural design in the context of seismic control methods.