Sismik taban yalıtımlı bir binanın deprem yalıtım birimi ankrajlarının incelenmesi
Investigation of the seismic isolator anchors of a base-isolated building
Yazar: İLKCAN CEYLAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ PINAR ÖZDEMİR ÇAĞLAYAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Dünya'da nüfusun önemli bir kısmı, aktif fay hatları nedeniyle deprem tehlikesiyle iç içe yaşamaktadır. Geçmişten günümüze birçok kez depremin yıkıcı etkilerine şahit olunmuştur. İnsanların ve diğer canlı ve cansız varlıkların üzerindeki depremin bu yıkıcı etkisini azaltmak için yapıların tasarımında ve inşasında birçok yöntem geliştirilmiştir. Akademisyenler ve mühendisler tarafından geliştirilen ve uygulanan bu yöntemlerin içerisinde, günümüzde geleneksel olarak kabul edilen uygulamaların yanı sıra bazı yenilikçi uygulamalarda mevcuttur. Sismik taban yalıtımı da bu yenilikçi yöntemlerin içerisine dahil edilmektedir.
Sismik izolatörler yapıya düşey eksende rijitlik, yatay eksende esneklik sağlamaktadır. Bu cihazların kullanımının temel amacı, yapının periyodunu artırarak üstyapıya etkiyen deprem kuvvetini azaltmaktır. Bunun yanı sıra düşey yüklerin taşınması, yeniden merkezleme ve yapıya ilave sönüm katma gibi fonksiyonları da bulunmaktadır. Sismik izolatörler, deplasman talebinin çok fazla olduğu binalarda sismik sönümleyicilerle beraber de kullanılmaktadır.
Bu tez çalışmasının amacı, sismik izolatör katı dahil toplam 5 katlı bir binaya uygun yalıtım biriminin tasarlanıp, bu yalıtım biriminin ankrajlarının ACI 318 ve Eurocode 2-4 yönetmeliklerine göre kontrol edilmesidir. Çalışma kapsamında kurşun çekirdekli elastomer yalıtım birimleri tercih edilmiştir. Bu yalıtım birimleri, iki kalın çelik plaka arasına birer sıra doğal kauçuk veya neopren ve ince çelik sac konularak vulkanizasyon işlemi ile birleştirilerek üretilmektedir. Yalıtım biriminin ortasında ise sönüm kapasitesinin artırılması amacıyla kurşun çekirdek yerleştirilmiştir. Kauçuk katmanlar yalıtım birimine yatayda esneklik sağlarken, aynı zamanda deprem sonrası yeniden merkezleme görevini üstlenmektedir. Çelik katmanlar üstyapıdan gelen eksenel basınç kuvvetlerine karşı koyarak yalıtım biriminin yüksek basınç kuvveti etkisi altında yanal olarak şişmesini (bulging) engellemektedir. 
Yalıtım birimlerinin tasarımı TBDY-2018 Bölüm 14'e göre gerçekleştirilmiştir. Yönetmeliğe göre altyapı ve üstyapı için belirli şartlar dahilinde doğrusal analiz yapılabilirken, yalıtım birimlerinin tasarımı doğrusal olmayan analiz yöntemlerine göre yapılmalıdır. Bu çalışma kapsamına üstyapı tasarımı dahil edilmemiş olup, yalnızca altyapı ve yalıtım birimi tasarımı değerlendirilmiştir. Yapıya uygun sismik izolatörlerin seçimi için zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizden önce bir ön tasarım yapılması uygundur. Böylelikle doğrusal olmayan nihai tasarımdaki deneme-yanılmanın önüne geçerek zaman tasarrufu yapılabilmektedir. 
Çalışma kapsamında üstyapı değerlendirilmediği için ön tasarım ve diğer analizler sadece tekrarlanma periyodu 2475 yıl olan DD-1 seviyesinde en büyük deprem yer hareketine göre gerçekleştirilmiştir. Ön tasarım, sismik izolatör parametrelerinin hem alt sınır hem üst sınır özelliklerine göre yapılmıştır. Ön tasarımda kullanılacak spektrum AFAD veri tabanından, çalışma kapsamında incelenen binanın lokasyonuna ve bu lokasyondaki ZC zemin sınıfına göre DD-1 deprem yer hareketi düzeyinde elde edilmiştir. Ön tasarımda, seçilen hedef deplasman ile ilgili periyotta spektrumdaki deplasman eşitleninceye kadar iterasyon yapılmıştır. Bu hesaplar sonucunda sismik izolatör parametrelerinin alt sınır değerleri için bina etkin periyodu 2.32 saniye ve sismik izolatörün yer değiştirmesi ise 379 mm elde edilmiştir. Sismik izolatör parametrelerinin üst sınır değerleri için ise bina etkin periyodu 1.32 saniye, sismik izolatörün yer değiştirmesi ise 171 mm bulunmuştur. Ön tasarım sonrası mekanik özellikleri belirlenen sismik izolatörler, SAP2000 programında link eleman olarak modellenmiştir. Çalışma kapsamında sadece yalıtım biriminin tasarımı yapılacağı için nihai tasarım için hızlı zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz (FNA) tercih edilmiştir. PEER veri tabanından çekilen 11 adet deprem, TBDY-2018'deki kurallara uygun olarak ölçeklendirilmiştir. Bu depremlerin her iki doğrultudaki ivme kayıtları dikkate alınarak toplam 22 adet deprem kaydı ile yapılan analizde ön tasarımdaki sonuçlar kontrol edilmiştir. Ayrıca 11 adet ölçeklenmiş depremin ortalama ivme spektrumuyla mod birleştirme yöntemine göre doğrusal analiz yapılmıştır.
Tüm bu yapılan doğrusal ve doğrusal olmayan analizlere göre sismik izolatörlere etkiyen maksimum çekme kuvveti 380.46 kN, maksimum kesme kuvveti 268.95 kN olarak belirlenmiştir. Elde edilen bu kuvvetlere göre sismik izolatör ankrajları, ACI 318 ve Eurocode 2-4 yönetmeliklerinde yerinde döküm başlı ankrajlar için verilen göçme mekanizmalarına karşı kontrol edilmiştir. Her iki yönetmelikte de bu tip ankrajlar için çekme etkisinde 4 adet, kesme etkisinde 3 adet olmak üzere toplam 7 adet göçme mekanizması bulunmaktadır. Çekme etkisindeki göçme mekanizmaları, ankraj çeliği hasarı, beton konik kopma hasarı, ankraj sıyrılması hasarı ve beton yan yüz patlama hasarı olarak verilmiştir. Kesme etkisinde ise, ankraj çeliği hasarı, beton kenar kopma hasarı ve beton kaldıraç hasarı gibi göçme mekanizmaları bulunmaktadır. Yapılan hesaplamalar sonucu her iki yönetmeliğe göre de çekme kuvveti etkisinde beton konik kopma dayanımı ve kesme etkisinde beton kenar kopma dayanımı yetersiz kalmıştır. Bu sebeple tasarım dayanımın sağlanması için her iki yönetmelikte verilen detaylara ve koşullara uygun olarak ilave donatı eklenmiş olup yeterli dayanımın sağlandığı kontrol edilmiştir. Diğer göçme mekanizmaları için yapılan kontrollerde öngörülen tasarımın yeterli olduğu görülmüştür. Bu göçme modlarının kontrolü dışında, çekme ve kesme etkileşimi hesabı da yapılmıştır. Çekme ve kesme etkileşimi hesabı ACI 318 için, çekme ve kesme kuvveti etkisindeki en kritik göçme modlarına göre yapılmaktadır. Eurocode 2-4'te ise bu hesap ankraj çeliği, beton ve ilave donatının göçme modlarına göre ayrı ayrı incelenmektedir. Taban plakası tasarımı, bu tez çalışması kapsamına dahil edilmemiştir.
Son olarak sonuç bölümünde ise her iki yönetmelikteki farklılıklar ve benzerlikler irdelenmiştir. Tez kapsamında incelenen ankraj tasarımı özelinde her bir göçme modu için Eurocode 2-4'ün ACI 318'e göre daha güvenli tarafta kaldığı saptanmıştır. Ayrıca bazı durumlarda Eurocode 2-4'ün daha özelleşmiş hesaplamalara yer verdiği gözlenmiştir. Bu karşılaştırmaların yanı sıra ankraj tasarımında ve uygulamasında önemli olduğu düşünülen hususlara yer verilmiş ve bu hususlar hakkında çeşitli öneriler getirilmiştir.

Abstract:
A significant part of the world's population lives close to earthquake hazards due to active faults. The destructive effects of earthquakes have been witnessed numerous times throughout history. To mitigate the destructive impact of earthquakes on humans and other living and inanimate beings, various methods have been developed in the design and construction of structures. Among these methods, which are developed and implemented by academics and engineers, there are both conventional practices and some innovative solutions. Seismic base isolation is also included among these innovative methods.
Seismic isolators provide vertical stiffness and horizontal flexibility to the structure. The primary purpose of using these devices is to reduce the earthquake force acting on the superstructure by increasing the period of the structure. In addition, they have functions such as carrying vertical loads, re-centering, and adding additional damping to the structure. Seismic isolators are also used in conjunction with seismic dampers in buildings where the displacement demand is very high.
The aim of this thesis is to design a seismic isolator suitable for a 5-storey building including the seismic isolation floor and to investigate the anchors of this seismic isolator according to ACI 318 and Eurocode 2-4 codes. Lead rubber bearings were preferred within the scope of the study. These bearings are produced by combining a layer of natural rubber or neoprene and a thin steel sheet between two thick steel plates by vulcanization. A lead core is placed in the middle of the bearing to increase the damping capacity. The rubber layers provide flexibility to the bearing in the horizontal direction and also perform the re-centering after the earthquake. The steel layers resist the axial compressive forces coming from the superstructure and prevent the bulging of the seismic isolator under high compressive forces.
The design of seismic isolators was conducted according to TEC-2018 Section 14. According to the code, linear analysis can be performed for the infrastructure and superstructure under specific conditions, while the design of seismic isolators should be performed according to nonlinear analysis methods. The superstructure design was not included in the scope of this study, and only the infrastructure and seismic isolation design were evaluated. In order to select seismic isolators that are suitable for the structure, it is advisable to perform a preliminary design before time-history analysis. Thus, time can be saved by preventing trial-and-error in the nonlinear final design.
Since the superstructure was not evaluated within the scope of the study, the preliminary design and other analyses were performed only according to the maximum earthquake ground motion at DD-1 level with return period of 2475 years. The preliminary design was carried out according to both the lower and upper limit values of the seismic isolator parameters. The spectrum to be used in the preliminary design was obtained from the AFAD database at DD-1 earthquake ground motion level according to the location of the building investigated in the scope of the study and the ZC soil class in this location. In the preliminary design, iterations were performed until the displacement in the spectrum is matched with the selected target displacement in the relevant period. As a result of this calculations, the effective period of the building for the lower limit values of the seismic isolation parameters was obtain to be 2.32 seconds and the displacement of the seismic isolator was 379 mm. For the upper limit values of the seismic isolation parameters, the effective period of the building was 1.32 seconds and the displacement of the seismic isolator was 171 mm. After the preliminary design, the seismic isolators, whose mechanical properties were determined, were modelled as link elements in the SAP2000 program. Since only the design of the seismic isolator will be carried out within the scope of the study, fast nonlinear time-history analysis (FNA) was preferred for the final design. 11 earthquakes taken from the PEER database were scaled in accordance with the rules in TEC-2018. The results in the preliminary design were checked with the analysis performed with a total of 22 earthquake records by considering the acceleration records in both directions of these earthquakes. In addition, linear analysis was performed according to the mode combination method with the average acceleration spectrum of 11 scaled earthquakes.
According to all these linear and nonlinear analyses, the maximum tensile force acting on the seismic isolators was determined as 380.46 kN and the maximum shear force as 268.95 kN. According to these forces, the seismic isolator anchors were investigated against the failure mechanisms given for cast-in-place headed anchors in the ACI 318 and Eurocode 2-4 codes. There are a total of 7 failure mechanisms for this type of anchor in both codess: 4 in tension and 3 in shear. The failure modes in tension are anchor bolt steel failure, concrete breakout failure, pullout failure, and concrete side face blowout failure. In shear, there are failure modes such as anchor bolt steel failure, concrete edge failure, and concrete pryout failure. The calculations revealed that the concrete cone failure strength under tensile force and the concrete edge failure strength under shear force were inadequate in accordance with both codes. Therefore, additional reinforcement was incorporated in accordance with the details and conditions provided in both codes to ensure adequate strength, and it was demonstrated that sufficient strength was achieved. The results of the checks conducted for the other failure mechanisms indicated that the proposed design was adequate. In addition to the control of these failure modes, a tension and shear interaction was also performed. In accordance with the provisions of ACI 318, the tension and shear interaction calculation is conducted on the basis of the most critical failure modes, taking into account the influence of tensile and shear forces. In Eurocode 2-4, the aforementioned calculation is examined separately according to the failure modes of the anchor steel, concrete, and additional reinforcement. The design of the base plate was not included in the scope of this thesis.
Finally, in the conclusion section, the differences and similarities between the two codes were examined. It was determined that, for each failure mode specific to the anchor design studied within the scope of the thesis, Eurocode 2-4 remains on the safer side compared to ACI 318. Furthermore, it was observed that Eurocode 2-4 incorporates more intricate calculations in certain instances. In addition to the aforementioned comparisons, issues deemed crucial in the context of anchorage design and application are also addressed, accompanied by a series of recommendations pertaining to these matters.