Bir veri merkezi yapısının farklı sismik yalıtım birimleri kullanılarak TBDY-2018 yönetmeliğine göre değerlendirilmesi ve sonuçlarının karşılaştırılması
Evaluation of a data center structure using different seismic isolator units according to TBDY-2018 code and comparison of the results
Yazar: ŞAFAK KURT
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, 2022
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Deprem yönetmelikleri = Earthquake regulations ; Sismik yalıtım = Seismic insulation ; Veri merkezleri = Data centers

Özet:
İnternet ile globalleşen günümüz dünyasında, veri çok önemli bir yere sahiptir. Yapılan her bir işlemin kayıt altına alındığı teknoloji şirketleri, bankalar, ulusal güvenlik kurumları gibi birçok organizasyonun bu verileri yönetme ve saklama ihtiyacı bulunmaktadır. Günden güne artan veri hacminin güvenli bir şekilde depolanması ve her an ulaşılabilir olması bu kurumlar için kritik önem arz etmektedir. 
Ülkemizde can ve mal kayıplarına neden olan doğal afetlerin başında deprem gelmektedir. Ülke nüfusunun ve sanayinin çok büyük bir kısmı aktif fay hatlarının üzerine kurulan şehirlerde bulunmaktadır. Olası bir deprem durumunda, veri merkezi yapısının taşıyıcı sistemine ve içerisinde bulunan hassas ekipmanlara zarar gelmemesi için önlem almak zorunlu hale gelmektedir.
Sismik yalıtım, yapıların ve yapısal olmayan elemanların deprem etkilerine karşı korunmasında kendini ispatlamış en etkin yöntemlerden biridir. Sismik yalıtımda temel amaç, deprem kuvvetlerini karşılayacak yapının dayanımını arttırmak yerine yapıya gelen deprem kuvvetlerini azaltmak prensibine dayanmaktadır. Zemin ile yapının taşıyıcı sistemi birbirinden ayrılarak deprem ivmelerinin yapıya erişmesinin önlenmesi, sismik yalıtımın birincil amacıdır. Yapıya etkiyen deprem ivmelerinin azalması nedeniyle sismik yalıtımlı binalarda kat ivmeleri ve göreli kat ötelemeleri standart binalara göre oldukça düşüktür. Sismik yalıtım sayesinde hem taşıyıcı sistem hem de bina içinde yer alan yapısal olmayan eleman ve ekipmanlardaki hasar oluşma ihtimalleri büyük oranda azaltılabilmektedir.
Bu tez çalışmasında, bir veri merkezi yapısının iki farklı yalıtım birimi ile ankastre mesnetli olması durumları için deprem etkisi altında davranışı incelenmiştir. Uygulamada en çok kullanılan, kurşun çekirdekli kauçuk yalıtım birimi ile eğri yüzeyli sürtünmeli yalıtım birimi çalışma kapsamında değerlendirilmiştir. 
Kurşun çekirdekli kauçuk yalıtım birimi (LRB), kauçuk katmanlarının arasına ince çelik plakalar yerleştirilerek oluşturulan içerisinde bir veya daha fazla kurşun çekirdek bulunan sismik yalıtım sistemidir. Yeni Zelanda'da icat edilen bu yalıtım biriminin çevresel etkilere karşı dayanıklılığı fazladır. TBDY-2018 yönetmeliğinde tarif edilen kurşun çekirdekli kauçuk yalıtım birimi elastik ötesi rijitliği; kauçuk kayma modülüne, kauçuk alanına ve kauçuk yüksekliğine bağlıdır. Bu parametreler değiştirilerek istenilen yalıtım birimi davranışları elde edilebilmektedir. 
Eğri yüzeyli sürtünmeli yalıtım birimi (FPS), sürtünmeli sarkaç sistem olarak da adlandırılmaktadır. Taşıyıcı sistem, eğrisel yüzeylerin arasında bulunan düşük sürtünmeli bir çekirdek üzerinde hareket eder. Deprem esnasında yapı, yalıtım biriminin iç bükey yüzeyinde yükselip alçalarak enerji sönümler. Eğri yüzeyli sürtünmeli yalıtımın biriminin diğer sürtünmeli yalıtım birimlerinden en önemli farkı, yapısı gereği geri merkezlenme özelliğinin bulunmasıdır. Yapıya etkiyen dinamik etki ortadan kalktığında sürtünme kuvveti yardımıyla, yapı ilk konumuna dönme eğilimindedir. Eğri yüzeyli sürtünmeli yalıtım biriminin elastik ötesi rijitliği, TBDY-2018 yönetmeliğinde belirtildiği gibi eksenel yükün, etkin eğrilik yarıçapına bölünmesi ile bulunmaktadır. Yapı hakim titreşim periyodu ve yalıtım birimi yerdeğiştirmesi doğrudan etkin eğrilik yarıçapına bağlıdır.
Yalıtım birimi mekanik özellikleri, TBDY-2018 yönetmeliğinde tarif edilen etkin deprem yükü yöntemi kullanılarak hesaplanmıştır. Yalıtım birimlerinin mekanik özellikleri belirlenirken DD-2 deprem yer hareketi düzeyi için deplasman ve periyot değerlerinin benzer olmasına dikkat edilmiştir. Kurşun çekirdekli kauçuk yalıtım birimi ve eğri yüzeyli sürtünmeli yalıtım birimi için ayrı ayrı elde edilen özellikler ETABS programında doğrasal olmayan link elemanlara atanmıştır. Link elemanlar kolonların yalıtım arayüzüne bastığı noktalara girilmiştir. 
Deprem parametreleri, yapı konumu ve zemin sınıfı gözönüne alınarak AFAD Türkiye Deprem Tehlike Haritaları İnteraktif Web Uygulaması'ndan elde edilmiştir.  PEER veritabanından, DD-1 ve DD-2 deprem yer hareketi düzeyi için hesaplanan yatay ivme spektrumuna uygun 11 adet deprem kaydı takımı seçilmiştir. Yapı konumunun depremsellik özelliklerini belirleyen fay tipi, faya olan uzaklık ve deprem büyüklüğü parametreleri veritabanında filtreleme yaparken gözönüne alınmıştır. Seçilen deprem kaydı takımları TBDY-2018 yönetmeliğinde belirtilen periyot aralıkları için DD-1 ve DD-2 deprem yer hareketi düzeyinde ayrı ayrı SeismoMatch programında ölçeklendirilmiştir. 
Ankastre mesnetli, kurşun çekirdekli kauçuk yalıtım birimli ve eğri yüzeyli sürtünmeli yalıtım birimli mesnet koşulları için DD-1 ve DD-2 deprem yer hareketi düzeyinde herbiri için iki adet, toplamda altı adet hesap modeli oluşturulmuştur. Analiz sonuçları, zaman tanım alanında doğrusal olmayan hesap yöntemi kullanılarak ETABS programından elde edilmiştir. 
Yapılan modal analiz sonucunda ankastre mesnetli yapının hakim periyodu 0.515 s, LRB yalıtım birimli yapının DD-1 ve DD-2 deprem yer hareketi düzeyi için hakim periyotları sırasıyla 3.933 s ve 1.516 s, FPS yalıtım birimli yapının DD-1 ve DD-2 deprem yer hareketi düzeyi için hakim periyotları ise sırasıyla 2.182 s ve 1.504 s bulunmuştur. Yalıtım birimi ön tasarımında bulunan periyot değerleri ile analiz sonucunda elde edilen periyot değerlerinin oldukça yakın olduğu görülmektedir.
DD-2 deprem yer hareketi düzeyinde kat kesme kuvvetleri ankastre mesnetli yapıya kıyasla, LRB yalıtım birimli yapıda %90, FPS yalıtım birimli yapıda %78.5 oranında azalmıştır.
Çalışmada elde edilen DD-1 ve DD-2 deprem yer hareketi düzeyi için en üst katın ortalama kat yerdeğiştirmeleri incelendiğinde, ankastre mesnetli yapıya kıyasla yalıtım birimli yapıların kat yerdeğiştirmeleri beklenildiği gibi artmıştır. Yalıtım birimli modellerde üst yapının rijit kütle davranışı sergilediği gözlemlenmiştir.
Yapılan analizler sonucunda elde edilen göreli kat ötelemeleri incelendiğinde, DD-1 ve DD-2 deprem yer hareketi düzeyi için yalıtım birimli yapıların kesintisiz kullanım performans düzeyini rahatlıkla sağladığı ancak ankastre mesnetli yapının sınırlı hasar performans düzeyi limitlerini aştığı görülmektedir.
Analizler sonucunda DD-2 deprem yer hareketi düzeyinde en üst katta oluşan ivmeler, ankastre mesnetli yapı için 1.854 g, LRB yalıtım birimli yapı için 0.073 g ve FPS yalıtım birimli yapı için 0.230 g olarak elde edilmiştir. Kat ivmelerinin ankastre yapıya kıyasla, LRB yalıtım birimli yapıda %96, FPS yalıtım birimli yapıda %87.6 oranında azalmıştır. Ayrıca LRB yalıtım birimli yapının kat ivmelerinin 0.2 g limit değerini aşmadığı, ancak FPS yalıtım birimli yapının kısa doğrultuda 0.2 g limit değerini bir miktar aştığı gözlemlenmiştir.
Elde edilen veriler göz önüne alındığında, deprem gibi bir doğal afet sonrasında kesintisiz kullanım gerektiren veri merkezi tipi bir yapıda sismik yalıtım birimlerinin kullanılmasının, göreli kat ötelenmelerini ve kat ivmelerinin sınırlandırılmasında etkili bir yöntem olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
In today's world, which has become globalized with the Internet, data has a very important place.  Many organizations, such as technology companies, banks, national security institutions, where each transaction is recorded, need to manage and store this data. It is of critical importance for these institutions that the data volume increasing day by day is stored securely and accessible at any time.
Earthquakes are the leading natural disasters that cause loss of life and property in our country. A large part of the country's population and industrial plants are located in cities built on active fault lines. In the event of a possible earthquake, it becomes necessary to take precautions to prevent damage to the strucutral system of the data center building and the sensitive equipment inside. 
Seismic isolation is accepted as one of the most effective methods that has proven itself in the protection of buildings and non-structural elements inside the building against the effects of earthquakes. The main purpose of seismic isolation is based on the principle of reducing the earthquake forces coming into the structure instead of increasing the strength of the structure to meet the earthquake forces. The primary purpose of seismic isolation is to prevent earthquake accelerations from reaching the structure by separating the ground and the structural system of the building. Due to the reduction of earthquake accelerations affecting the structure, the story accelerations and story drifts in seismic isolated buildings are considerably lower than in conventional buildings. Thanks to seismic isolation, the risk of damage to both the structural system and non-structural elements and equipment in the building can be effectively reduced.
In this thesis, the behavior of a data center structure under the influence of earthquakes was investigated in cases where two different isolation units and a fixed support are used. The most commonly used lead rubber bearing (LRB) and friction pendulum system (FPS) were evaluated within the scope of the study.
The lead rubber bearing (LRB) is a seismic isolation system formed by placing thin steel plates between the rubber layers with one or more lead cores. This isolation unit, which was invented in New Zealand, is highly resistant to environmental effects. The inelastic stiffness of the lead rubber bearing described in the TBDY-2018 code; it depends on rubber shear modulus, rubber area and rubber height. By changing these parameters, desired isolation unit behaviors can be obtained.
Friction pendulum system (FPS) consists of a low friction core located between curved steel surfaces. During an earthquake, the structural system absorbs energy by rising and falling on the concave surface of the isolation unit. The most important difference of the friction pendulum system from other friction isolation units is that it has a re-centring feature due to its nature. When the dynamic effect on the structure disappears, the structure tends to return to its original position with the help of friction force. The inelastic stiffness of the friction pendulum system is found by dividing the axial load by the effective radius of curvature, as specified in the TBDY-2018 code. The structure period and the isolation unit displacement are directly dependent on the effective radius of curvature.
The mechanical properties of the seismic isolation units were calculated using the effective earthquake load method described in the TBDY-2018 code. While determining the mechanical properties of the isolation units, attention was paid to ensure that the displacement and period values were similar for the DD-2 earthquake ground motion level. The properties obtained separately for the lead rubber bearing and the friction pendulum system were assigned to the non-linear link elements in the ETABS program. Link elements are inserted at the points where the columns located on the isolation interface.
Earthquake parameters were obtained from AFAD Turkey Earthquake Hazard Maps Interactive Web Application, considering the building location and soil class. 11 earthquake record sets were selected from the PEER database, which are suitable for the horizontal acceleration spectrum calculated for the DD-1 and DD-2 earthquake ground motion levels. Fault type, distance to fault and earthquake magnitude parameters, which determine the seismicity of the building location, were taken into account while filtering the database. The selected earthquake record sets were scaled separately in the SeismoMatch program at the DD-1 and DD-2 earthquake ground motion levels for the period intervals specified in the TBDY-2018 code.
For the support conditions with fixed support, lead rubber bearing and friction pendulum system, two structural models for each at DD-1 and DD-2 earthquake ground motion levels, a total of six structural models were created. Analysis results were obtained from the ETABS program using the nonlinear time history analysis method.
As a result of the modal analysis, the period of the fixed support structure was 0.515 s, the periods for the DD-1 and DD-2 earthquake ground motion levels of the structure with LRB isolation unit were 3.933 s and 1.516 s, respectively, and the periods of the structure with FPS isolation unit were found as 2.182 s and 1.504 s, respectively. It is seen that the period values found in the preliminary design of the isolation unit and the period values obtained as a result of the analysis are quite close.
At the DD-2 earthquake ground motion level, the story shear forces decreased by 90% in the structure with LRB isolation unit and by 78.5% in the structure with FPS isolatin unit, compared to the fixed support structure.
When the average displacements of the top story were examined for the DD-1 and DD-2 earthquake ground motion levels obtained in the study, the story displacements of the structures with isolation units increased as expected compared to the fixed support structure. It has been observed that the superstructure exhibits rigid mass behavior in the models with isolation units.
When the story drifts obtained as a result of the analyzes are examined, it is seen that the structures with isolation units easily provide the operational performance level for the DD-1 and DD-2 earthquake ground motion levels, but the fixed support structure exceeds the life safety performance level limits.
As a result of the analysis, the accelerations at the top floor at the DD-2 earthquake ground motion level were obtained as 1.854 g for the fixed support structure, 0.073 g for the structure with LRB isolation unit, and 0.230 g for the structure with FPS isolation unit. Compared to the fixed support structure, floor accelerations decreased by 96% in the structure with LRB isolation unit and by 87.6% in the structure with FPS isolation unit. In addition, it was observed that the floor accelerations of the LRB isolation unit did not exceed the limit value of 0.2 g, but the structure with FPS isolation unit slightly exceeded the 0.2 g limit value in the short direction of the building.
Considering the information obtained, it has been concluded that the use of seismic isolation units in a data center type structure that requires operational performance level after a natural disaster such as an earthquake is an effective method in limiting the relative story drifts and floor accelerations.