Yapılarda taban izolasyonu sistemleri
Base isolation systems in structures
Yazar: AHMET CANER BAŞDOĞAN
Danışman: PROF. DR. ÜNAL ALDEMİR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering
Dizin: Sismik güçlendirme = Seismic strengthening ; Sismik taban yalıtımı = Seismic base isolation

Özet:
YAPILARDA TABAN İZOLASYONU SİSTEMLERİÖZETDeprem hadisesi dünyanın oluşumundan bu yana üzerinde yaşayan canlıların zarar görmesine yol açan doğal afetlerden biridir. Geçmişte yaşanan büyük depremlerde milyonlarca insan hayatını kaybetmiş, yaralanmış, maddi ve manevi birçok zarara uğramıştır. Bu yüzden insanlar önceden bir uyarı gelmeden ortaya çıkan depremlerde hayatlarını kaybetmemek için önlemler almıştır.İnsanlık tarihinde geçmişten bu güne birçok bilim adamı yapıları sağlam inşa etmek için çaba sarf etmiştir. Ancak teknolojik yetersizlikler yapıların depreme karşı dayanıklı olarak tasarlanmasında engeller ortaya çıkarmıştır. Depreme karşı önlem almak adına yapılar az katlı olarak inşa edilerek büyük kütlelere sahip taşıyıcı sistemlerle ayakta tutulmaya çalışılmıştır.İnsan nüfusunun giderek artması ve buna bağlı olarak insanların barınma ihtiyacının karşılanabilmesi için çok katlı binaların inşa edilmesi son zamanlarda zorunlu hale gelmiştir. Deprem bölgelerinde inşa edilmesi planlanan yapılarda geleneksel tasarım yapının sık ve küçük şiddetteki depremleri elastik sınırlar içinde kalarak; orta şiddetteki depremleri elastik sınırların ötesinde, fakat taşıyıcı sistemde onarılabilecek hasarlarla; çok seyrek ve şiddetli depremleri, büyük hasarlarla fakat taşıyıcı sistem tamamen göçmeden, can kaybı olmaksızın karşılayabilmesine yönelik yapılmaktadır.Geleneksel yaklaşımda yapıya iletilen sismik enerjinin tüketilmesi esas olarak plastik mafsalların oluşumu ile gerçekleşmektedir. Bu da yapının hasar görmesini kabul etme anlamına gelmektedir. Depreme dayanıklı yapı tasarımı için geleneksel yaklaşıma göre binanın projelendirilmesi, hesaplanan deprem kuvvetine göre binanın yeterli mukavemet, rijitlik ve inelastik deformasyon kapasitesine sahip olması ilkesine göre yapılmaktadır. Buna karşılık, depreme dayanıklı yapı tasarımı için kullanılabilecek daha gelişmiş bir yöntem binayı güçlendirmek yerine, deprem esnasında binaya etkiyebilecek deprem kuvvetlerini azaltmak ilkesine dayanmaktadır.Dinamik etkilere karşı tasarıma yönelik yeni yaklaşımlar esas olarak kontrol kuvvetlerini üretebilmek için harici bir güç kaynağına ihtiyaç duyulan aktif kontrol sistemleri, harici bir güç kaynağına ihtiyaç duymayan ve sismik enerjiyi kendi içlerinde sönümleyen pasif kontrol sistemleri ve sönüm ve rijitlikleri deprem esnasında kontrol edilebilen yarı aktif kontrol sistemleri olmak üzere üç ana başlıkta toplanabilmektedir.Etkili bir pasif kontrol yaklaşımı olan taban izolasyonu sistemleri kauçuk gibi yatay rijitliği düşük olan bir malzeme üzerine inşa edilmiş bir binada esnek bir taban sistemi sağlamaktadır. Deprem esnasında bu esnek taban sistemi zemin hareketinden meydana gelen yüksek frekansları süzebilmekte ve binanın hasar görmesini veya çökmesini önlemektedir. Bu nedenle taban izolasyonu; yüksek frekanslara sahip az katlı ve orta yükseklikteki binalarda sismik koruma sağlaması açısından etkili bir yöntemdir.Taban izolasyonu sistemleri genellikle iki ana grupta toplanmaktadır. Bunlar, elastomerik ve kayıcı tip mesnetlerdir. Elastomerik mesnetler, tipik olarak kauçuk ve çelik levhalardan oluşmakla birlikte, kayıcı tip mesnetler özel olarak işlenmiş birleştirici birimler arasındaki sürtünmeli yüzeylerden oluşmaktadır. Her iki tip mesnetteki çalışma mekanizması benzerdir. İzolasyon sisteminin altında bulunan temel tabakasının aşırı rijit olduğu varsayılarak yapısal sistemin hareketinin ağırlıklı olarak izolasyon sisteminde oluşması sağlanmaktadır. Dolayısı ile taban izolasyonlu bina tasarlanırken binanın sismik kuvvetlere karşı koyan sisteminin izolasyon sisteminden daha rijit olduğu düşünüldüğünde, inelastik deformasyonun izolasyon sisteminde yoğunlaşacağı ön görülebilmekte ve izolasyon sistemi üstünde bulunan yapının depremde rijit cisim hareketine yakın bir hareket göstermesi hedeflenmektedir.İzolasyonlu sistemlerin bilgisayarda modellenmesi, tek serbestlik dereceli sistem modellemesinden yola çıkılarak izolasyon sistemi üzerinde bulunan yapının rijit olması varsayımı ile yalnızca izolasyon birimlerindeki nonlineerliğin hesaba katılması sayesinde geliştirilmiştir. Fakat, bilgisayar teknolojisinin gelişmesi ile birlikte, izolasyon sistemlerinin iki ve üç boyutlu yapısal analizlerinin bilgisayar programları vasıtası ile gerçekleştirilebilmesi mümkün olmuştur. Nonlineer davranışa sahip izolasyon birimlerinin ve izolasyon sistemi üstünde bulunan yapıların analizi ve dizaynına imkan sağlayan güçlü bilgisayar programlarının geliştirilmesi sismik izolasyonlu binaların analiz ve tasarımında güvenilir sonuçlar elde edilmesini sağlamıştır. ETABS programı bunlardan biridir.Bu tez çalışmasında, sekiz katlı bir bina ETABS programında modellenmiş ve analizi yapılmıştır. Bu binaya ait taşıyıcı sistem; perdeli sistem, perdesiz çerçeve sistem ve perdesiz çerçeve sistem tabanına yerleştirilen izolasyon sistemi ile oluşturulmuş izolasyonlu bina olmak üzere üç farklı şekilde tasarlanmıştır. İlk aşamada öncelikle perdeli bina programda oluşturulmuş ve ASCE 7-05 yönetmeliği Eşdeğer Deprem Yükü Yöntemine göre çözülmüştür. Bu işlem sonucunda ortaya çıkan taban kesme kuvvetleri, perde ve kolonlarda oluşan iç kuvvetler program vasıtası ile bulunmuştur. Daha sonra, perdeli binada bulunan perdeler kaldırılarak yerine kolonlar yerleştirilmiş ve sistem ASCE 7-05 yönetmeliği Eşdeğer Deprem Yükü Yöntemine göre çözülmüştür. Binaya etkiyen taban kesme kuvvetinin belirgin oranda düştüğü gözlenmiştir.İkinci aşamada perdesiz çerçeve sistem ve perdesiz çerçeve sistem tabanına yerleştirilen izolasyon sistemi ile oluşturulmuş izolasyonlu bina ETABS programında modellenerek yedi farklı deprem kaydına göre zaman tanım alanında analizleri yapılmıştır. Özellikleri birbirinden farklı bu depremler büyüklüklerine göre seçilmiş ve analizde kullanılacak deprem kayıtlarından yakın beş tanesi yakın fay etkisinin görülebilmesi amacı ile faya yakın olan kayıtlardan seçilmiştir.Bu deprem kayıtları düzenlenmemiş olan txt formatından Excel ortamına aktarılmış ve bir dizi işlemden geçirilerek saniye ve ivme değerleri aynı satırda olmak üzere alt alta sıralanarak ivme grafikleri oluşturulmuştur. Her bir deprem kaydının Doğu-Batı, Kuzey-Güney bileşenleri ayrı ayrı filtrelenerek maksimum ivme değerleri bulunmuştur. Bulunan bu pik ivmelere göre sıralama yapılmış ve bu yedi adet deprem kaydı pik ivmelerine göre ölçeklenerek çarpım faktörleri ile ayrı ayrı çarpılmıştır. Dolayısı ile, faya uzaklık, magnitüd ve pik ivme değerleri gibi özellikleri birbirinden farklı yedi adet deprem kaydı oluşturulmuştur. Böylelikle, kullanılacak izolatörün performansı tek bir deprem kaydı için değil, birbirinden farklı yedi deprem için belirlenebilecektir. Son olarak, bu kayıtlar tekrar txt formatına dönüştürülerek ETABS programında tanımlanmaya hazır hale getirilmiştirİzolatör seçimi yapılırken, seçilen izolatörün binanın periyodunu makul bir düzeyde artırmasına ve ETABS programı ile yapılan analiz sonucunda, binanın rijit cisim hareketine benzer bir hareket göstermesine ve taban kesme kuvvetlerinin kayda değer bir düşüş göstermesine özen gösterilmiştir.Dokuz adet kurşun çekirdekli kauçuk izolatör tasarlanmış ve hesaplamaları yapılmıştır. Bu hesaplamalar sonucunda belirlenen izolatör özellikleri ETABS programına tanıtılarak bu modeller ayrı ayrı analiz edilmiştir. Bu analizler sonucunda en uygun performansı gösteren izolatör seçilerek kullanılmasına karar verilmiştir. Tasarlanan diğer izolatörler ya binanın periyodunu düşük tutmuş ve küçük deplasmanlar yaparak taban kesme kuvvetini makul bir düzeyde düşürmemiş, ya da çok büyük deplasmanlar yaparak izolatör kullanımını imkansız hale getirmiştir.En iyi performansı gösteren izolatör kullanılarak oluşturulan ETABS modelinde ve izolatör kullanılmadan oluşturulan ankastre temelli yapıya ait ETABS modelinde yedişer adet deprem kaydı programda ayrı ayrı tanımlanmış ve analizleri yapılmıştır. Yapılan bu analizler sonucunda, taban seviyesinde ve en üst kattaki yer değiştirmelerin birbirine çok yakın olduğu görülmüştür. Bu durum da binanın rijit cisim hareketine benzer bir davranış sergilediğini göstermiştir. Ayrıntılı açıklama SONUÇLAR bölümünde yapılmıştır.

Abstract:
BASE ISOLATION SYSTEMS IN STRUCTURESSUMMARYThe earthquakes are one of the natural disasters which have caused damage on living creatures since the evolution of the Earth. Millions of people lost their lives, got injured and incurred financial and emotional damages and loses in the past earthquakes. Therefore, people have taken measures to save their lives from the earthquakes which have occured without warning.Through the human history, great numbers of scientists have striven to construct solid structures. However, technological inadequacies had obstructed designs of earthquake resistant structures.Progressive population growth and, in parallel with this, meeting sheltering requirement of people have necessitated construction of multistorey buildings in recent years.In conventional approach, depletion of seismic enegry which is transmitted to the structure occurs principally with the constitution of plastic hinges. This means acceptance of damage to the structure. For the designment of earthquake resistant structures, according to conventional approach, planning of the building is made with respect to the principle which suggests that the building should have strength, stifness and inelastic deformation capacity with regard to measured earthquake force. On the other hand, a much more developed method for designment of earthquake resistant structure is based on the principle which prefers reducing earthquake forces that can affect during the earthquake rather than building reinforcement.New approaches which are aimed at desings that are resistant to dynamic effects principally can be gathered in three main topics which are active control systems in which an external power pack is required to produce control forces, passive control systems which does not require an external power pack and which damps seismic energy in itself and semi active control systems which can control damping and stiffnesses during the earthquake.Base isolation systems which have an effective passive control approach provide with an elastic structure that are built on a material of which horizontal stiffness is low such as rubber. During the earthquake, this elastic base system can filter high frequencies result from soil movement and prevent the building from collapse and being damaged. For that reason base isolation, is an effective method in low-rise and medium high buildings that have high frequencies in terms of providing seismic protection.Base isolation systems are generally gathered under two main groups. These are, elastomeric and sliding bearings. Elastomeric bearings typically consist of rubber and steel plates, while sliding bearings consist of frictional surfaces between distinctively dressed connective unities. Operating mechanism in both types are similar. Structural system movement is provided to occur predominantly on the isolation system assuming that the base course underlying isolation system is extremely rigid. Accordingly,in desinging of base isolated building, when considered that the system of the structure which resist to seismic forces is more rigid than the isolation system, it is aimed that inelastic deformation intensifies on the isolation system and the structure upon the isolation system shows a movement similar to rigid body movement in the course of the earthquake.Modelling of isolation systems in computer has been developed, based on one degree of freedom system modelling, and by taking account of the hypothesis of that the sturucture on the isolation system is rigid, and by taking account of nonlinearity only in isolation units.However, with the developments in computer technology, two or three d structural analysis of isolation systems have been made possible via computer programs. Development of high-powered computer programs which enables analysis and design of isolation units which have nonlinear behaviour and of structures upon isolation systems has enabled to obtain reliable results in analysis and design of seismic isolated structures. ETABS program is one of them.In this thesis study, an eight storey building has been modelled and analysed in ETABS program. The carrier system of this building is designed in three different ways as being shear wall system, fixed base concrete frame system and base isolated concrete frame system. In the first step, primarily, shear wall building is formed in the program and is solved in accordance with ASCE 7-05 Equivalent Lateral Force Procedure. Base shear forces resulted from this operation and internal forces originated in columns have been found via the program. After that, by removing shear walls standing on the building, instead, columns have been placed and the system is solved in accordance with ASCE 7-05 Equivalent Lateral Force Procedure. It has been observed that base share force which affects the building has reduced.In the second step, the isolated building which is constructed with concrete frame system and isolation system placed on the concrete frame system has been anaylsed in accordance with time history method and has been modelled in ETABS program according to seven different seismograms. These different featured earthquakes have been chosen according to their magnitudes and five close ones of the seismograms which are to be used in analysis have been chosen from seismograms that are close to fault to see close fault effect.These seismograms have been transferred from text format into Excel format and, exposed to a range of processes, acceleration graphics have been constituted by ordering second and acceleration values top and bottom in the same lines. Maximum acceleration values have been found by filtering East-West, North-South components of each earthquake records. Ordering has been made according to these found peak acceleration and these seven seismograms have been multiplied separately with multiplication factors by being scaled in accordance with peak acceleration. Consequently, seven different earthquake records have been constituted, of which features such as near fault effect, size, peak acceleration are different from one another. Thus, the performance of the isolator can be defined not only for one earthquake record, but also seven different eartquakes as well. Finally, these earthquake records have been tranferred into text format and made ready to use in ETABS program.While choosing the isolator, it has been paid attention to that the choosen isolator increases the period of the building within reason, and as a result of analysis carried out with ETABS program, the building shows a movement similar to rigid body movement and base shear forces show a remarkable decrease.Nine lead plug rubber isolators have been designed and calculated. As a result of these calculations, defined isolator features have been analysed seperatley by introducing them in ETABS program. In consequence of these analysis, the isolator which shows the most appropriate performance has been chosen and agreed to utilize. Other designed isolators either have kept the period of the building low and have not decreased base share forces within a reasonable degree by making slight displacements or have made impossible to utilize the isolator by making major displacements.Seven earthquake records have been defined and analysed separately In ETABS model which has been constituted by using the isolator that has the best performance and in other ETABS model which has been constituted without using an isolator and which belongs to fixed foundation. As a consequence of these analysis, it has been shown that displacements on the base level and on the top floor are very close to each other. This situation has indicated that the building has shown a behavior similar to rigid body movement.After all, it has been decided that it is more appropriate to construct the eight-storey concrete building with the isolation system.