Farklı kat adetlerine sahip aynı planlı yapılarda taban yalıtımının efektifliği konusunda parametrik bir çalışma
A parametric study on the effectiveness of base isolation in structures with diffirent numbers of stories but same plan
Yazar: OĞUZHAN DOĞAN
Danışman: DOÇ. DR. BEYZA TAŞKIN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Deprem, dünya genelinde ciddi can ve mal kayıplarına yol açabilen doğal afetlerden biridir. Aktif bir deprem bölgesinde bulunan ülkemizde de depreme karşı dayanıklı yapıların inşa edilmesi büyük bir önem taşımaktadır. Bu yüksek lisans tezi, deprem mühendisliği alanında yapısal tasarım sürecinin iyileştirilmesi amacıyla hazırlanmıştır. Tez, depremlerin yapılar üzerindeki etkilerini incelemekte ve taban yalıtım sistemlerinin kat adedine bağlı efektifliğini araştırmaktadır. 
Giriş bölümünde, tezin amacı, önemi ve hedefleri tanıtılmıştır. Literatür taramasında daha önce yapılmış çalışmalar, bilimsel makaleler ve tezler incelenerek taban yalıtımının deprem etkilerini azaltmada nasıl etkili olduğu üzerine araştırmalar yapılmıştır. Tezin hipotezi, deprem etkileri altında taban yalıtım sisteminin kullanılmasının önemi ve kat adedinin artmasıyla taban yalıtım sisteminin efektifliğinin düşmesi üzerine kurulmuştur. Ortaya atılan hipotezin doğruluğu tezin ilerleyen bölümlerinde yapılan uygulama örneği ile test edilmiştir.
Taban yalıtım kavramının ele alındığı ikinci bölümde, taban yalıtımın ne olduğu ve yapılar üzerindeki etkileri açıklanmıştır. Taban yalıtımı, yapıların deprem esnasında oluşan sismik etkileri sönümlemek ve yapıya iletilen sismik dalgaları azaltmak amacıyla kullanılan bir tasarım yöntemidir. Bu yöntem, yapıyı doğrudan zemine bağlamak yerine araya yerleştirilen bir sistem ile yapıyı zeminden izole etmeyi hedefler. 
Taban yalıtım kavramı üç ana başlıkta ele alınmış olup bu başlıklar elastomerik mesnetli taban yalıtım sistemleri, kayma esaslı taban yalıtım sistemleri ve kauçuk kayıcı sismik izolasyon sistemleridir. Elastomerik mesnetli taban yalıtım sistemleri, taban yalıtımında kullanılan birçok farklı sistemden biridir. Bu sistemlerde, elastomerik malzemeler kullanılarak yapı ile zemin arasında bir mesnet oluşturulur. Bu mesnetler yapıya gelen deprem etkilerini sönümleyerek üst yapının hareketini sınırlar. Elastomerik mesnetli taban yalıtım sistemleri altında düşük sönümlü kauçuk tip mesnetler (LDRB), yüksek sönümlü kauçuk tip mesnetler (HDRB) ve kurşun çekirdekli kauçuk tip mesnetler (LRB) incelenmiştir. Bu farklı seçenekler, yapının özelliklerine ve tasarım taleplerine bağlı olarak tercih edilir.
Kayma esaslı taban yalıtım sistemleri arasında ise yapıyı zemine bağlayan kayma arayüzleri kullanılır. Bu arayüzler sürtünme kuvvetiyle çalışarak deprem etkilerini sönümler. Sürtünmeli sarkaç sistem (FPS) ve esnek sürtünmeli taban izolasyon sistemi (R-FBI) incelenmiştir. 
Son olarak kauçuk kayıcı sismik izolasyon sistemleri olarak bilinen Fransa Birleşik Kurumu Sistemi (EDF) ve EERC Birleşik Sistemleri taban yalıtımının bir başka türünü temsil eder. Bu sistemlerde yapıyı tamamen zeminden izole eden kauçuk malzemeler kullanılır. Yapıyı zeminin üzerinde bir sürgülü tabaka ile destekleyerek sismik etkileri büyük ölçüde azaltır.
Bu farklı taban yalıtım sistemleri, yapıların deprem etkilerine karşı daha dayanıklı hale getirilmesinde oldukça etkilidir. Her bir sistem farklı özelliklere ve avantajlara sahip olup tasarlayan mühendise, yapının özelliklerine, bölgenin depremselliğine ve zemin özelliklerine göre uygun olarak seçilir. Bu sistemlerin kullanılmasıyla yapılarda can ve mal kaybı korunarak insanlara güvenli bir alan sağlamak amaç edinilmiştir.
Üçüncü bölümde hem taban yalıtım sistemlerinin hem de taban ankastre sistemlerinin ülkemizde kullanılan yönetmelik ve şartnameler uyarınca hesap esaslarından ve modelleme teknikleri incelenmiştir. Bu kısım, tezin ilerleyen bölümlerinde uygulanacak olan yapı analizlerinin temelini oluşturmaktadır.
Dördüncü bölüm, tezin uygulama kısmını oluşturmaktadır. Bu bölümde, bir yapının taban ankastre ve taban yalıtım sistemi kullanılarak nasıl analiz edildiği  ve tasarlandığı ayrıntılı bir şekilde açıklanmaktadır. Genel bilgiler, yapı performans hedefleri, ön tasarım, deprem seçimleri ve ölçeklendirme gibi alt başlıklardan oluşmaktadır. Genel bilgilerde yapının amacı, sistemi, planı ve şekilsel özelliklerinden bahsedilmektedir. Yapı performans hedefleri ve ön tasarım kısmında yapının mevcut yönetmeliğe göre hedef performansının belirlenmesi ve bu hedefe uygun ön boyutlandırma çalışmaları gösterilmektedir. Daha sonra yapının karakteristik özelliklerine göre deprem kayıtlarının seçilmesi, bu kayıtların ölçeklendirilmesi ve kullanılması anlatılmaktadır. Son olarak tüm bu bilgilerin ışığında aynı plana sahip yapı 3, 6, 9 ve 15 katlı olarak ilk önce taban ankastre olarak çözülmüş ve bu çözümlerin sonucunda kat ötemeleri, kat ivmeleri, elemanların talep/kapasite oranları incelenmiştir. Daha sonra aynı yapıların taban izolasyon yöntemi ile çözülebilmesi için öncelikle izolatör tasarımı yapılmış, izolatörlerin tasarıma esas parametreleri belirlenmiş ve taban izolasyonlu modeller hazırlanmıştır. 3, 6, 9 ve 15 katlı yapılar muhtelif izolatör boyutları ile modellenip analiz edilmiş ve yine kat ötelemeleri, kat ivmeleri ve elemanların talep/kapasite oranları incelenmiştir. 
Sonuç bölümünde ise elde edilen veriler karşılaştırılmış ve aynı plana sahip yapılarda kat adedi arttıkça taban izolasyon sisteminin efektifliğinin düştüğü sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Earthquakes are natural disasters that can cause significant loss of life and property worldwide. In our country, located in an active seismic region, it is of great importance to construct earthquake-resistant structures. This master's thesis aims to improve the structural design process in the field of earthquake engineering. The thesis examines the effects of earthquakes on structures and investigates the effectiveness of base isolation systems in relation to the number of stories.
The introduction section introduces the purpose, significance, and objectives of the thesis. The literature review explores previous studies, scientific articles, and theses to investigate how base isolation effectively reduces the effects of earthquakes. During the literature review, various types of base isolation systems were examined, including elastomeric base isolation systems, sliding-based base isolation systems, and rubber sliding seismic isolation systems. Comprehensive research was conducted to acquire a thorough understanding of the distinctive features, benefits, and drawbacks associated with these systems. Particular emphasis was placed on the utilization of these systems to augment the structural resilience against seismic impacts, as well as the criteria governing their selection. 
Information was gathered from various sources during the literature review process, and this information was presented in the second section of our thesis to introduce the research purpose and hypothesis. Furthermore, information was provided that would form the basis for the subsequent analyses in the application section, allowing for the testing of previous study findings and the validity of the proposed hypothesis.
In this way, the foundation of the research process was established by the literature review, enabling existing knowledge to be synthesized, previous work to be leveraged, and gaps in the research field to be identified.
The hypothesis of the thesis is based on the importance of using base isolation systems under earthquake effects and the decreasing effectiveness of base isolation systems with an increasing number of stories. The validity of the proposed hypothesis is tested in the subsequent sections of the thesis through an application example.
The second section discusses the concept of base isolation, including what it is and its effects on structures. Base isolation is a design method used to dampen seismic effects during earthquakes and reduce seismic waves transmitted to the structure by isolating the structure from the ground. The concept of base isolation is addressed in three main categories: elastomeric bearing base isolation systems, sliding-based base isolation systems, and rubber sliding seismic isolation systems.
Elastomeric bearing base isolation systems are one of the many systems used in base isolation. Elastomeric bearings consist of layers of rubber or rubber-like materials reinforced with steel plates. These bearings are strategically placed between the structure and its foundation, allowing the structure to move independently during an earthquake. The rubber layers provide flexibility and damping properties, absorbing the seismic energy and reducing the transmitted forces to the superstructure. The steel plates help distribute the loads and provide stability. Elastomeric bearing isolators are known for their simplicity, cost-effectiveness, and ease of installation. Low-damping rubber bearings (LDRB), high-damping rubber bearings (HDRB), and lead-core rubber bearings (LRB) are examined under the category of elastomeric bearing base isolation systems. These different options are chosen depending on the characteristics and design requirements of the structure.
Sliding-based base isolation systems, on the other hand, use sliding interfaces that connect the structure to the ground. These interfaces work by frictional force to dampen earthquake effects. The friction pendulum system (FPS) and the flexible friction base isolation system (R-FBI) are examined in this category.
Finally, the rubber sliding seismic isolation systems represent another type of base isolation, known as the French Unified Organization System (EDF) and the EERC Unified Systems. These systems use rubber materials to completely isolate the structure from the ground. They support the structure with a sliding layer on top of the ground, significantly reducing seismic effects.
These different base isolation systems are highly effective in making structures more resistant to earthquake effects. Each system has different characteristics and advantages, and the appropriate system is selected based on the design engineer's preferences, the structure's characteristics, the seismicity of the region, and the soil properties. The use of these systems aims to protect lives and properties by providing a safe environment for people.
The third section examines the calculation principles and modeling techniques of both base isolation systems and base-fixed systems according to the regulations and specifications used in our country. This section forms the basis for the structural analyses that will be applied in the subsequent sections of the thesis.
The Turkish Building Earthquake Code emphasizes the importance of considering both strength and deformation capacity in the design of base isolation systems. The design philosophy aims to ensure that structures can withstand seismic forces while maintaining their integrity and functionality during and after an earthquake.
According to the code, the design process for base isolation systems should involve a thorough analysis of the structure's dynamic characteristics, including its natural frequencies, mode shapes, and damping properties. This analysis helps identify the appropriate type and configuration of isolators that can effectively mitigate the seismic forces.
The code also highlights the need for careful consideration of the design ground motions. Site-specific seismic hazard analysis and response spectrum analysis are recommended to determine the design parameters, including the peak ground acceleration, response spectrum, and design earthquake magnitude. In terms of design criteria, the code specifies the performance objectives that base isolation systems should meet. These objectives include limiting the displacements, accelerations, and inter-story drifts to acceptable levels during a design-level earthquake. The code provides criteria for both serviceability and ultimate limit states, ensuring that the structure remains functional and safe throughout its lifespan.
The fourth section comprises the application part of the thesis. This section provides a detailed explanation of how a structure is analyzed and designed using a base moment-resisting frame and base isolation system. It consists of subsections such as general information, structural performance objectives, preliminary design, seismic selection, and scaling. 
In the general information subsection, the purpose, system, layout, and geometric characteristics of the structure are discussed. The section on structural performance objectives and preliminary design demonstrates the determination of target performance according to the current regulations and showcases the preliminary sizing efforts to achieve the desired performance. Subsequently, the selection of earthquake records based on the structural characteristics, scaling of these records, and their utilization are explained.
Finally, based on all the aforementioned information, the same plan-type structures are initially solved using a base moment-resisting frame for various heights such as 3, 6, 9, and 15 stories. The outcomes of these solutions are then analyzed in terms of story drifts, floor accelerations, and demand-to-capacity ratios of the structural elements. Next, for the same structures, a design for the base isolation system is carried out, determining the essential parameters for the isolators and preparing models with base isolation. The 3, 6, 9, and 15-story structures are modeled and analyzed using different isolator sizes, and the story drifts, floor accelerations, and demand-to-capacity ratios of the structural elements are examined once again.
In the conclusion section, the obtained data were compared, and it was concluded that as the number of stories increased in structures with the same plan, the effectiveness of the base isolation system decreased.