Taban ve orta kat sismik izolasyonu uygulanmış yapılarda yapı-zemin etkileşiminin incelenmesi
Soil-structure interaction in base and mid-storey seismically isolated buildings
Yazar: HAKAN TOPALOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. ARCAN YANIK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering
Dizin: Sismik yalıtım = Seismic insulation ; Yapı-zemin etkileşimi = Soil-structure interaction ; Yer kabuğu = Earth crust

Özet:
Yer kabuğu katmanlarının kırılıp yer değiştirmesi sonucu ortaya çıkan enerjinin sismik dalgalarla yüzeye ulaşması sonucu insanlık tarihi büyük felaketlere tanık olmuştur. Türkiye, bulunduğu konum nedeniyle sismik faaliyetlerin yoğun olduğu bir bölgededir. Bilindiği gibi ülkemizin yüzölçümünün %92'si, nüfusumuzun %94'i deprem kuşağının içerisinde yer almaktadır. Tarih boyunca depremler sonucunda ülkemizde çok sayıda can ve mal kaybı oluşmuştur.
Yapıya etkiyen dinamik kuvvetler yapıda ağır hasarlar oluşturmaktadır. Deprem gibi yapıya doğrudan etkiyen dinamik kuvvetler karşı yapıda oluşabilecek hasar seviyesi engellemek veya en minimum seviyeye indirmek için yapıya eklenen ilave elemanlarla yapısal kontrol sağlanır. Pasif kontrol sistemleri, aktif kontrol sistemleri, yarı aktif sistemler ve karma sistemler olmak üzere yapısal kontrol sistemleri dört gruba ayrılır. Bu çalışmada pasif kontrol sistemi olan sismik izolasyon sistemleri ele alınmıştır. Mühendislik yapılarında deprem etkisinin azaltılması için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Sismik izolasyon yöntemi de geliştirilen bu yöntemlerden biridir.
18.yüzyılın sonlarında Japonya'da sismik izolasyon kavramı ile ilgili akademik çalışmalar yapılmış olup ilk bildiri yayınlanmıştır. Buna ek olarak ABD'de yapılan çalışmalar ile depreme karşı etkili olduğu sonucuna varılmış olup patentler alınmıştır. Sismik dalgalanma etkisiyle yer kabuğunda açığa çıkan enerji mevcut yapıya kinetik ve potansiyel enerji olarak etki eder. Yapıya etki eden bu enerji, yapıya ilave edilen sismik taban izolasyonu gibi elemanlarla sönümlenerek ve bunun sonucunda yapının depreme karşı olan performansı arttırılır.
Sismik izolasyon, yapının temel ile arasına yerleştirilen deprem yalıtım cihazları aracılığıyla yapı ve zemin arasında bir katman oluşturarak yapının depreme maruz kalmasıyla ortaya çıkan etkilerden korunmasını sağlayan bir yöntemdir. Yapıdaki sönüm oranını ve enerji tüketme kapasitesi arttırılarak yapının kat deplasmanları kontrol altına alınır.
Sismik izolasyonda amaç yatay doğrultuda esnek, düşey doğrultuda rijit elemanları yapının tabanına yerleştirerek üst yapıyı yüksek frekanslı deprem etkisine maruz kalmasının önüne geçmektir. Bunun sonucunda yapıya ve yapı elemanlarına gelen deprem kuvveti azalmaktadır. Azalan deprem kuvvetiyle göreli kat ötelemeleri ve kat ivmeleri sınırlandırılmış olur. Dolayısıyla yapısal ve yapısal olmayan hasarın önüne geçilir.
Yönetmeliklerde yer alan kısıtlamalardan ötürü taban izolasyonu düşük ve orta yükseklikteki binalarda kullanılırken yüksek binalarda kullanılamamaktadır. Temel mantık taban izolasyonuyla temelde sağlanan esnekliği üst yapıda katlar arasında da sağlayarak yapının deprem anındaki yatay ötelenmesini azaltmaktır. Yüksek binalarda katlar arası ilave sönüm elemanları konulması düşünülmüş olup geçmişten günümüze yapılmış olan çalışmalarda katlar arası izolasyon sistemlerinin yüksek binalarda kata gelen maksimum kesme kuvvetini önemli bir şekilde azalttığı gözlemlenmiştir.
Deprem etkisi altında zeminin göstermiş olduğu tepki yapıyı, yapının göstermiş olduğu tepki de zemini etkilemektedir, bu duruma yapı-zemin etkileşimi denilmektedir. Meydana gelen deprem dalgaları zemin içerisinde yayılarak yapı temeline ulaşır, bir kısmı geri yansırken bir kısmı üst yapıya geçerek yapıda yer değiştirmelere yol açar.
Yapıların sismik performanslarını daha detaylı araştırmak ve deprem etkilerinin sebep olabileceği hasarlara karşı güvenliği sağlayabilmek için yapı zemin etkileşiminin dikkate alınması gerekmektedir. Bu çalışmanın ana kapsamı, çok katlı yapılarda deprem etkisini azaltmak için katlar arası izolasyon sistemlerinin yapı-zemin etkileşimini göz önüne alarak değerlendirmektir.
Binalardaki taban ve orta kat izolasyonun etkisini gözlemlemek için örnek modeller oluşturulmuştur. Analizler, SAP2000 programı kullanılarak yapılmıştır. Bu analizlerde örnek olarak beş ve on beş katlı kayma binaları kullanılmıştır. Tabanı ankastre olan model, taban izolasyonu uygulanmış model ve hem taban izolasyonu hem orta kat izolasyonu uygulanmış model ve bu modellerin yapı zemin etkileşiminin hesaba katıldığı ve katılmadığı durumlar dikkate alınmıştır. Zaman tanım alanında analiz için üç farklı deprem yer hareketi seçilmiştir. Taban ve orta kat sismik izolasyon uygulamasının özellikle 15 katlı modellerde binanın sismik performansının iyileştirdiği sonucuna ulaşılmıştır. Yapı zemin etkileşiminde referans alınan zemin türüne göre bina performanslarını az da olsa etkilediği görülmüştür.

Abstract:
The Earth's crust is the outer layer of the planet's core. The Earth's crust layers are unstable and in constant contact with each other. An energy is released thus the breaking and displacement of the layers of the earth's crust. The reaching of this energy to the earth by seismic waves has caused great disasters. Due to its location, Turkey is in a region where seismic activities are intense. Turkey is located in the Himalaya-Alpine seismic zone, which is one of the most active seismic zone in the world. 92% of the country's land is within the earthquake zones and the majority of the population lives in these regions. As a result of the earthquakes, many deaths and damages occurred in Turkey. It is important to take the necessary precautions against earthquakes. Earthquake resistant structure design, research of construction methods, reduction of damage due to earthquakes are engineering problems of high importance. Earthquake resistant structures must either exhibit an elastic behavior without any damage or exhibit a ductile behavior with limited damage during an earthquake. Earthquake motions are defined by time-dependent acceleration, velocity, and displacement parameters. These parameters are significant in building design.
It is very important to prevent or minimize the level of damage that may occur in the structure against dynamic forces that directly affect the structure such as earthquakes. Various methods have been developed to reduce the earthquake effects in engineering structures. One of the relatively newest method is structural control. Structural control can be provided with additional elements implemented to the structure. Structural control systems are divided into four groups: passive control systems, active control systems, semi-active systems and hybrid control systems.
Passive control systems work without the need of any external energy. These systems can be divided into two as base isolation systems and energy absorbing systems. In this study, seismic isolation approach, which can be defined as passive control systems, are researched. Seismic isolation is one of the mostly used methods. In terms of increasing the earthquake resistance of building systems, one of the most up to date development in construction technology is seismic isolation systems.
At the end of the 18th century, academic studies on the concept of seismic isolation were started in Japan and the first paper was published. In addition, studies conducted in the USA have concluded that it is effective against earthquakes and patents have been obtained. The energy released in the earth's crust by the seismic fluctuation affects the existing structure in terms of kinetic and potential energy. This energy affecting the structure is damped with elements such as seismic base isolation implemented to the structure, and as a result, the performance of the structure under the effect of earthquakes is improved.
Seismic isolation is a method developed to protect the structure from the effects of earthquakes. Seismic isolation devices are placed between the building and the foundation and form a layer between the structure and the ground, decreasing the effect of the earthquake on the structure. Seismic isolation reduces floor accelerations and inter story deflections simultaneously. Deflections between floors are decreased thanks to the rigid body movement of the superstructure. Reducing the deflection of the structure between floors results in minimization of structural or non-structural damage. Although the increase in flexibility enhances the period of the building, the floor accelerations of the building decrease. In addition, the seismic isolation system can reduce the torsion effects caused by the eccentricities of the superstructure. Seismic isolation can be applied to both new and existing structures, and bridges. Proper sized seismic isolators can be used to control the distribution and transfer path of lateral forces. For this reason, seismic isolation can provide significant cost savings compared to traditional seismic retrofitting approaches. It shows the necessity of seismic improvement of existing bridges in order to remain operational after such events such as strong earthquakes. Many bridges have been built with inadequate seismic performance requirements. These bridges must be seismically improved and seismic isolation is an inexpensive and effective method of doing this. And can be easily implemented without significant disruption to the bridge's operation.
This isolation system can also be used for retrofitting existing structures that are not properly designed for seismic loads, and especially for historical buildings that need to preserve their architectural features. In such cases, instead of increasing the ability of the structure to withstand seismic loads for a rigidly supported structure, the loads on the structure can be significantly reduced by using seismic isolation.
In systems without base isolation, the earthquake effect is transmitted directly to the structure through the foundation. Although these effects cause small displacements between the foundation and the upper structure, they can cause damage to the building elements and joints. In the base isolation system, special elements are used to ensure that vertical loads are transferred safely between the foundation and the upper structure. This causes increase in the structural period. Thus, the acceleration and the base shear force on the structure decrease. The storey displacements of the building are controlled by increasing the damping rate and energy consumption capacity of the structure. The seismic isolation system should have high horizontal stiffness under the influence of low dynamic loads such as wind loads. Although it does not have a direct effect on the structure and the seismic isolation, dynamic loads may be disturbing for the people in the building. Seismic isolation elements must have high rigidity in the vertical direction in order to carry the vertical forces coming from the upper structure. On the other hand high rigidity in the vertical direction is important to increase the rotational stiffness of the building.
Because of the restrictions in the codes, base seismic isolation (base isolation) is used in low and medium-height buildings, but not in high-rise buildings. The basic logic is to reduce the horizontal displacement, of the building during the earthquake by achieving the flexibility provided in the foundation with the base isolation interstorey in the upper structure.
It has been considered to implement additional isolation elements to the mid story in high-rise buildings. And it has been observed that, seismic isolation systems implemented to interstorey, significantly reduce the maximum shear force coming to the storey in high-rise buildings.
The reaction of the ground under the influence of the earthquake affects the structure, and the reaction of the structure impacts the ground, this situation is called soil-structure interaction. It has been observed by instrumental measurements and damage observed in earthquakes that local soil conditions has significant impact on the ground movements that occur in earthquakes. The earthquake waves spread through the ground and reach the foundation of the building. While some of them are reflected back, some of them pass to the upper structure and cause displacements in the structure.
In order to investigate the seismic performance of buildings in a detailed way and to ensure safety against damages that may be caused by earthquakes, it is necessary to consider the soil-structure interaction. The main goal of this study is to analyze the isolation systems, by implementing isolation to the base and interstorey of the buildings together, in order to reduce the earthquake impact in multi-storey buildings. In addition the soil-structure interaction for these cases are taken into consideration.
Example building models were composed to observe the effect of base isolation and mid-storey isolation numerically. Analyzes were performed by using SAP2000 software. Five and fifteen storey buildings were used as example structures. Investigations were carried out for six different combinations that are: fixed base buildings, buildings with soil-structure interaction, buildings incorporating single base isolation system with and without consideration of soil-structure interaction, buildings with base and mid storey isolation system with and without consideration of soil-structure interaction. Three different earthquake motions were selected for Time-history analysis. The results obtained from time-history analysis were discussed comparatively, for all the base-isolation cases including and excluding soil-structure interaction. It has been concluded that the seismic isolation application of the base and mid-storey improves the seismic performance of the buildings, especially in the 15-storey models. In addition, it has been observed that the soil-structure interaction affects the building seismic performances according to the reference ground type.