4 katlı bir hastane binasının üstyapısının konvansiyonel yöntemlerle ve sismik izolasyon yöntemiyle Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018'e göre analizi
Analysis of the superstructure of a 4 story hospital building by using conventional methods and seismic base isolation method according to Turkish Building Seismic Code 2018
Yazar: FATİH FURKAN ERGENÇ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ PINAR ÖZDEMİR ÇAĞLAYAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Yapısal tasarımda göz önünde bulundurulması gereken en önemli etkilerden biri deprem kuvvetleridir. Özellikle güçlü yer hareketlerinin sık ve şiddetli olduğu bölgelerde mühendisler ve akademisyenler tarafından birçok farklı yöntem ve yapısal sistem geliştirilmiş, kullanılmış ve kullanılmaya devam etmektedir. Bu yöntemlerin en güncel ve en yeni teknoloji olanlarından birisi sismik yalıtım tekniğidir. Sismik yalıtım yöntemi, son zamanlarda depreme dayanıklı yapılar tasarlamada biz mühendislerin en etkili silahlarından biri olmuştur. 
Bu çalışmanın amacı 4 katlı bir hastane binasının konvansiyonel yöntemlerle ve sismik yalıtım yöntemiyle analiz edilip sonuçların karşılaştırılmasıdır. Tasarımların yapılması için iki farklı hesap modeli oluşturulmuştur. Bunlardan birincisi ankastre mesnetli bina olup çalışma kapsamında "Ankastre Mesnetli Bina" olarak, ikincisi ise sismik yalıtım uygulanan bina olup çalışma kapsamında "LRB Mesnetli Bina" olarak anılmıştır. Çalışma kapsamında üstyapı elemanlarına odaklanılmış olup altyapı elemanlarının tasarımı yapılmamıştır.
Sismik yalıtım tekniği diğer yöntemlere göre daha yeni ve teknolojik bir yöntem olarak düşülebilir. Bu teknik, alışılagelmiş yöntemlerden farklı olarak depreme dayanıklı yapı tasarımı için yapının deprem dayanımını arttırmak yerine yapı üzerindeki deprem kuvvetlerinden oluşacak olan talebi azaltmaya dayanan bir tasarım yaklaşımıdır. Sismik yalıtım yönteminin hedeflerinden biri de binanın hakim titreşim periyodunu arttırarak binalar için tehlikeli bir durum olan deprem hareketi periyoduyla rezonans halinde bulunma durumundan binayı uzaklaştırmaktır.
Sismik yalıtım uygulamak için kullanılabilecek farklı türde cihazlar vardır. Bunlardan kurşun çekirdekli elastomer ve eğri yüzeyli sürtünmeli yalıtım birimleri en yaygın olarak kullanılan iki yalıtım cihazı türüdür. Sismik yalıtım cihazlarının 4 temel fonksiyonu vardır. Bunlar yalıtım, düşey yüklerin taşınması, sönümleme ve yeniden merkezleme olarak sıralanmaktadır. Ancak her tür yalıtım cihazı bu temel fonksiyonların tümünü yerine getiremeyebilir. Bundan dolayı bazı yalıtım cihazları başka yalıtım birimleriyle veya ilave sönümleme cihazlarıyla birlikte kullanılmayı gerektirebilir Bu çalışma kapsamında yalıtım sistemini oluşturmak üzere farklı geometrik özelliklere sahip iki farklı kurşun çekirdekli elastomer mesnet kullanılmıştır. 
Kurşun çekirdekli elastomer cihazları katmanlar halinde kauçuk malzeme ve çelik plakalar, bunların çevrelediği merkezde bulunan bir kurşun çekirdek ve cihaz bileşenlerinin dış ortamla temasını kesmek maksadıyla yapılan bir dış kaplama ile tüm bunları alt ve üstten bir sandviç gibi arasına alan, cihazın bina üstyapısı ve altyapısıyla bağlantısını sağlayan başlık plakalarından oluşur. Cihazın katmanlı yapıya sahip olmasının nedeni yalıtım cihazına yüksek düşey rijitlik kazandırmaktır. Kauçuk malzeme, çelik plakalarla katmanlar halinde güçlendirilmediği durumda yüksek basınç kuvvetleri altında yanlardan şişkinlik yapacak ve düşey yükler altında rijit olmayan bir davranış sergileyecektir. Kurşun çekirdekli elastomer cihazların belirleyici özelliği ise cihazın merkezinde silindirik bir kurşun çekirdek bulunmasıdır. Bu kurşun çekirdek sayesinde sönümleme özelliği kazanılır. Cihazda yeniden merkezleme görevini ise kauçuk malzeme üstlenmektedir.
Kurşun çekirdekli elastomer cihazlar doğrusal olmayan mekanik özelliklere sahiptir. Cihazın mekanik özellikleri hesaplanırken ilgili deprem seviyesinde cihazda oluşan deplasman değeri sonuçları doğrudan etkilemektedir. Bu deplasman değerinin hesaplanmasında ise cihazın mekanik özellikleri doğrudan etkin rol oynamaktadır. Bunun sonucunda tasarım mühendisi, tasarımda kullanılacak olan cihazı belirlerken bir deneme-yanılma hesap sürecine girmektedir. Yalıtım cihazının ön tasarımı yapıldıktan sonra nihai tasarımını sonuçlandırmak için zaman tanım alanında doğrusal olmayan hesap yöntemi kullanılmaktadır. Dolayısıyla ön tasarımda uygun cihazı seçmek, nihai tasarım sonucunda yalıtım cihazının uygun olmadığının anlaşılması ve hesapların baştan alınarak çokça vakit kaybedilmesini önlemek adına oldukça önemlidir.
TBDY-2018'e göre sismik yalıtımlı bina tasarımında Bina Önem Katsayısı I=1 alınacaktır. Yapısal hesap modeli kurulurken yalnızca yalıtım birimlerinin doğrusal olmayan davranışa uygun olarak modellenmesi, altyapı ve üstyapı elemanlarının doğrusal elastik olarak modellenmesi mümkündür. Sismik yalıtımlı binaların tasarımında kullanılmak üzere TBDY-2018'de tanımlanan üç hesap yöntemi vardır. Bunlar Etkin Deprem Yükü Yöntemi, Mod Birleştirme Yöntemi ve Zaman Tanım Alanında Doğrusal Olmayan Hesap Yöntemi olarak sıralanabilir. Bu hesap yöntemlerinin uygulama koşulları mevcut olup her bina için her hesap yöntemini uygulamak mümkün olmamaktadır. Ancak Zaman Tanım Alanında Doğrusal Olmayan Hesap Yöntemi her durumda kullanılabilir.
Çalışma kapsamında ele alınan binanın analiz ve tasarımı öncelikle konvansiyonel yöntemle yapılmıştır. Bu hesap yönteminde bina kolonları temel seviyesinden ankastre mesnetli olarak modellenmiştir. Bina taşıyıcı sistemi moment aktaran betonarme çerçevelerden oluşmaktadır. Deprem yüklerinin hesabı Mod Birleştirme Yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Hesaplarda yalnızca düşey yükler (ölü yükler ve hareketli yükler) ve deprem yükleri göz önüne alınmıştır. Binanın analizi ve betonarme elemanların tasarımı TBDY-2018 uyarınca yapılmış olup yüksek süneklik kontrollerini de içeren çeşitli kontroller yapılmış, gerekliliklerin sağlandığı hesapla doğrulanmıştır. Bunun hesaplamalar sonucunda eleman boyutları olarak 70x70 cm2 ebatlarında kare enkesitli kolonların ve 40x70 cm2 ebatlarında dikdörtgen enkesitli kirişlerin yeterli olduğu bulunmuştur.
Aynı binanın tasarımı daha sonra sismik yalıtım yöntemiyle de yapılmıştır. Ancak sismik yalıtım yöntemiyle hesapta farklı olarak 80 cm kalınlığa sahip bir izolasyon döşemesi ilave edilmiş ve kolonların altındaki ankastre mesnetler yerine yalıtım cihazlarını temsil etmek üzere doğrusal olmayan özelliklere sahip "link" elemanlar modellenmiştir. Ayrıca izolasyon döşemesinin altında da 150x150 cm2 ebatlarında ters kaideler modele eklenmiştir. Hesap modelinde yalıtım birimlerini temsil eden "link" elemanlar haricindeki tüm elemanlar doğrusal olarak modellenmiştir. Sistemin analizinde diğer yöntemde olduğu gibi Mod Birleştirme Yöntemi kullanılmıştır. Üstyapı elemanları için hesap yapılırken DD-2 deprem yer hareketi düzeyinde yalıtım birimlerine ait parametrelerin üst sınır değerleri, yalıtım birimleri için hesap yapılırken ise DD-1 deprem yer hareketi düzeyinde yalıtım birimlerine ait parametrelerin alt sınır değerleri kullanılmıştır. Bu iki durum karşılaştırıldığında yalıtım sistemi rijitliklerinin, dolayısıyla bina hakim titreşim periyotlarının önemli ölçüde farklılık gösterdiği görülmektedir. Yalıtım birimlerinin tasarımında kullanılan malzeme özellikleri ve cihaz geometrik özellikleri, kullanılan katalogdan elde edilmiş olup bazı değerlerin TBDY-2018'de verilen değerlerden farklı olduğu göze çarpmıştır.
Yapıların modal analizi sonucunda elde edilen periyotlar kıyaslandığında, ankastre mesnetli bina periyotlarının X ve Y yönleri için sırasıyla 0.872 s ve 0.987 s olduğu, LRB mesnetli bina periyotlarının DD-2 depreminde yalıtım birimi parametrelerinin üst sınır değerleri için 1.348 s ve 1.395 s olduğu, ve yine LRB mesnetli bina periyotlarının DD-1 depreminde yalıtım birimi parametrelerinin alt sınır değerleri için 2.987 s ve 3.004 s olduğu görülmektedir.
Tasarım sonuçları kıyaslandığında, LRB mesnetli bina tasarımında üstyapı elemanlarının boyutlarının küçültülemediği, hatta kolon boyuna donatılarının arttırılması gerektiği sonucuna ulaşılmıştır. Taşıyıcı sistem davranış katsayısının (R) göz önüne alınmasıyla elde edilen tasarım kuvvetleri altında, LRB mesnetli binada elde edilen taban kesme kuvvetleri ve üstyapı elemanlarının iç kuvvetlerinde azalma olmadığı, aksine ankastre mesnetli binaya kıyasla daha büyük değerler okunduğu görülmüştür. Ancak göreli kat ötelenmelerinin kontrolü TBDY-2018'de anlatıldığı gibi taşıyıcı sistem davranış katsayısı göz önüne alınmadan, yani R=1 ve I=1 kabul edilerek yapılmıştır. Bu doğrultuda elde edilen veriler, LRB mesnetli binadaki göreli kat ötelenmelerinin ve kat ivmelerinin ankastre mesnetli binaya kıyasla çok daha düşük olduğunu ortaya koymaktadır. 
Elde edilen bu bulgulara göre sismik yalıtım yönteminin kat ivmeleri ve göreli kat ötelenmelerini epeyce azalttığı, binanın kullanım konforunu oldukça olumlu yönde etkilediği, ancak üstyapı elemanlarının boyutlarında bir tasarruf yapmayı mümkün kılmadığı sonucuna varılmaktadır. Bu bağlamda bina kullanımındaki hassasiyetin önemli görüldüğü yüksek ehemmiyetli yapılarda sismik yalıtım yönteminin uygulanması isabetli bulunmuştur.
Ayrıca TBDY-2018'e göre iki farklı yöntemle tasarım yapılırken aynı bina için tanımlanan bina performans hedeflerinin farklı tasarım yöntemleri için farklılık gösterdiği (Kesintisiz Kullanım ve Kontrollü Hasar) ve bu iki tasarımda bina kullanım amacının değişmediği de bulgular arasındadır.
Yapılan çalışma kapsamında elde edilen sonuçlar değerlendirilirken, bu sonuçların çalışmada ele alınan bina özelinde elde edildiği, farklı özellikteki binalar için daha farklı sonuçlara ulaşılabileceği ihtimali unutulmamalıdır.

Abstract:
Seismic forces are one of the most important effects to be taken into account in structural design. Especially the places where ground motions are frequent and intense, engineers and academics have developed and been using various methods and structural systems. One of the most recent and technological method among these techniques is seismic isolation method. This method has become one of the most effective ways to design earthquake-resistant struuctures in recent years.
The aim of this study is to compare the conventional method of analyzing the superstructure of a 4-story hospital building with the seismic base isolation method. Two different mathematical models are created for the designs. The first model has fixed restraints under the columns and is called "Fix Based Building". The second model is the one with seismic isolation and called "LRB Design". Especially the superstructure is focused on for this scope of investigation, and the design of substructure is not performed.
Seismic isolation method can be considered as a more recent and technological method compared to other methods. This method follows an approach of decreasing the seismic force demand on structure, rather than increasing the strength of the structure against earthquake forces, which differs it from other methods. One of the purpose in seismic isolation is to increase the natural period of the structure, and move it away from the dangerous area, which coincides with the natural period of earthquakes commonly.
There are several device types can be used to implement seismic isolation. Two of them, lead rubber bearing and friction pendulum system, are the most commonly used isolation device types. Seismic isolation devices basically have four main functions: isolation, support of vertical loads, damping and restoration (recentering). However, all types of devices may not afford these four main functions. Therefore, some type of isolation devices may require to be used with one other type of device or some type of damping devices, additionally. In this study, two different types of lead rubber bearing devices which have different geometric characteristics are used to create the seismic isolation system.
Lead rubber bearing devices consist of layers of rubber material and steel plates, with a lead core at their center, enclosed by an outer coating intended to isolate the device components from the external environment, and flange plates that provide connections between the device and the building superstructure and substructure. The laminated structure of the device aims to provide high vertical stiffness to the isolation device. If the rubber material is not reinforced with steel plate layers, it would bulge laterally under high compression forces and cannot provide a rigid behaviour under vertical loads. The most defining feature of lead rubber bearings is the cylindirical lead core located at the center of the device. The lead core provides damping property, and the recentering property is provided by the rubber material.
Lead rubber bearing devices have nonlinear mechanical properties. When calculating the mechanical properties of the device, the displacement occured in the device under consideration of relevant earthquake level directly affects the results. Also, the mechanical properties of the device has a significant role in calculation of displacement value. This outcomes with a trial-and-error process used to select the appropriate device to be used in design. After the preliminary design of isolation device, a non-linear time history analysis is needed to be performed to finalize its design. Therefore, selecting the appropriate device in the preliminary design is crucial to avoid realizing that the selected device is not proper for final design, which leads to repeat all calculations and a significant time loss.
According to TBSC-2018, for seismic isolation building design, the Building Importance Factor will be considered as I=1. In the analysis model, only isolation units may be modeled as non-linear, and the superstructure and substructure members may be modeled as linear elastic. There are three analysis methods defined in TBSC-2018 to be used in design of seismically isolated buildings. These methods can be listed as the Equivalent Earthquake Load Method, Modal Superposition Method, and Nonlinear Time History Analysis Method. There are limits for applications of these analysis methods, and not all methods can be used for all type of structures. However, the Nonlinear Time History Analysis Method can be used for all cases.
The analysis and design of the building considered in this study were initially performed using the conventional method. In this method, columns are fixed at ground level. The seismic force resisting system of the building consists of reinforced concrete moment frames. The calculation of earthquake forces are made by using Modal Superposition Method. Only vertical loads (dead loads and live loads) and earthquake loads are considered in the analysis. The analysis of the building and the design of reinforced concrete elements were performed according to TBSC-2018. Various checks, including high ductility checks, were verified with calculations to meet the requirements. As a result of these calculations, it was determined that square columns with dimensions of 70x70 cm² and rectangular beams with dimensions of 40x70 cm² were sufficient in terms of member sizes.
The analysis and design of the same building was later performed by using seismic isolation method. However, in the calculation by using seismic isolation, an additional isolation slab with 80 cm thickness is modeled and non-linear "link" members are modeled representing the isolation devices instead of fixed restraints under columns. Besides, inverted pedestals which have 150x150 cm² dimensions are located under the isolation slab. All members except the "link" members representing the isolation devices have linear elastic properties in mathematical analysis model. Similar to the previous analysis, Modal Superposition Method is used in the analysis of the system. The upper boundary limit values for the isolation units at the DD-2 earthquake level are used in calculations of superstructure members, whereas the lower boundary limit values for the isolation units at the DD-1 earthquake level are used in calculations of isolation units. When comparing these two cases, it can be observed that the stiffness of the isolation system, and thus the natural periods of the building, differ significantly. The material properties and geometric characteristics used in the design of the isolation units were obtained from a catalog, and it was noticed that some values differed from those provided in TBSC-2018.
When comparing the periods obtained from the modal analysis of the structures, it is seen that the periods in the fixed base design are 0.872 s and 0.987 s in the X and Y directions, respectively. On the other hand, the periods in the LRB design are 1.348 s and 1.395 s when the upper boundary limit values for the isolation units at the DD-2 earthquake level are used, whereas they are 2.987 s and 3.004 s when the lower boundary limit values for the isolation units at the DD-1 earthquake level are used.
When comparing the design results, it was concluded that the dimensions of the superstructure elements could not be reduced in the design of the building with LRB devices, and in fact, the longitudinal reinforcement of the columns needed to be increased. Under the design forces obtained by considering the response modification factor (R), it was observed that there was no decrease in the base shear forces and internal forces of the superstructure elements in the LRB design; on the contrary, larger values were observed compared to the fix based design. However, the check of story drifts was carried out without considering the response modification factor, which means assuming R=1 and I=1, as described in TBSC-2018. In this regard, the obtained data shows that the story drifts and floor accelerations in the LRB design are significantly lower compared to the fixed base design.
According to these findings, it can be concluded that the seismic isolation method significantly reduces floor accelerations and story drifts, positively impacts the overall user comfort of the building. However, it does not allow for any reduction in the dimensions of the superstructure members. In this context, using seismic isolation method is found to be quite appropriate in the design of buildings that are high-valued and have where the sensitivity in usage of the building is seem to be important.
Furthermore, according to TBSC-2018, it has been observed that the defined building performance goals for the same building differ between different design methods (Immediate Occupancy and Controlled Damage), while the occupancy category of the building remains the same in both designs.
When evaluating the results obtained within the scope of this study, it should be noted that these results were obtained for the specific building considered in the study, and it is possible to obtain different results for buildings with different characteristics.