Deprem mühendisliği

Deprem mühendisliği, binalar ve köprüler gibi yapıları depremler göz önünde bulundurularak tasarlayan ve analiz eden disiplinler arası bir mühendislik dalıdır. Genel amacı, bu tür yapıları depreme karşı daha dayanıklı hale getirmektir. Deprem (veya sismik) mühendisi, küçük sarsıntılarda hasar görmeyecek ve büyük bir depremde ciddi hasar veya çökmeyi önleyecek yapılar inşa etmeyi hedefler. Uygun şekilde tasarlanmış yapı mutlaka aşırı sağlam veya pahalı olmak zorunda değildir. Kabul edilebilir bir hasar seviyesini sürdürürken sismik etkilere dayanacak şekilde uygun tasarlanmalıdır.
Tanım
Deprem mühendisliği, sismik riski kabul edilebilir sosyo-ekonomik seviyelerle sınırlayarak toplumu, doğal çevreyi ve insan yapımı çevreyi depremlerden korumakla ilgilenen bilimsel bir alandır. Geleneksel olarak, sismik yüklemeye maruz kalan yapıların ve jeo-yapıların davranışlarının incelenmesi dar şekilde tanımlanmıştır; yapı mühendisliği, geoteknik mühendisliği, makine mühendisliği, kimya mühendisliği, uygulamalı fizik vb. nin alt kümesi olarak kabul edilir. Ancak, son depremlerde yaşanan muazzam maliyetler, kapsamının inşaat mühendisliği, makine mühendisliği, nükleer mühendislik ve sosyal bilimler özellikle sosyoloji, siyaset bilimi, ekonomi ve finans disiplinlerini kapsayacak şekilde genişlemesine yol açtı.
Deprem mühendisliğinin amaçları şunlardır:
Güçlü depremlerin kentsel alanlar ve sivil altyapı üzerindeki olası sonuçlarını önceden görmek.
Beklentilere ve bina yönetmeliği'ne uygun depreme dayanıklılıkta sismik performans sağlayacak yapılar tasarlamak, inşa etmek ve bakımını yapmak.
Sismik yükleme
Sismik yükleme bir yapıya deprem kaynaklı sarsıntının uygulanmasıdır. Yapının zeminle, bitişiğindeki yapılarla veya tsunami kaynaklı yerçekimi dalgalarıyla temas eden yüzeylerinde sismik yükleme oluşur. Dünya yüzeyinde belirli bir konumda beklenen yükleme, mühendislik sismolojisi tarafından tahmin edilir. Konumun sismik tehlikesi ile ilgilidir.
Sismik titreşim kontrolü
Sismik titreşim kontrolü, binalarda ve bina dışı yapılarda sismik etkileri azaltmayı amaçlayan bir dizi teknik araçtır. Tüm sismik titreşim kontrol cihazları aşağıdaki durumlarda pasif, aktif veya hibrit olarak sınıflandırılabilir:
pasif kontrol cihazları, yapı elemanları ve zemin arasında geri besleme yeteneğine sahip değildir;
aktif kontrol cihazları, deprem girdi işleme ekipmanı ve yapı içindeki aktüatörler ile entegre zeminde gerçek zamanlı kayıt aletlerini kapsar;
hibrit kontrol cihazları, aktif ve pasif kontrol sistemlerinin özelliklerini birleştirir.
Yer sismik dalgaları yükselip bir binanın tabanına nüfuz etmeye başladığında, yansımalar nedeniyle enerji akışı yoğunluğu genellikle %90'a kadar azalır. Ancak, büyük bir deprem sırasında olay dalgalarının kalan kısımları hala çok büyük yıkıcı potansiyel taşır.
Sismik dalgalar üst yapıya girdikten sonra, hasar verici etkilerini hafifletmek ve binanın sismik performansını iyileştirmek için onları kontrol etmenin birkaç yolu vardır, örneğin:
uygun şekilde tasarlanmış sönümleyiciler ile üst yapı içindeki dalga enerjisini dağıtmak;
dalga enerjisini daha geniş bir frekans aralığında dağıtmak;
kütle sönümleyicilerin yardımıyla tüm dalga frekansları bandının rezonans kısımlarını soğurmak.
Uygun şekilde ayarlanan ("pasif") için TMD, "aktif" için AMD ve "hibrit kütle sönümleyiciler" için HMD olarak kısaltılan son türden cihazlar üzerinde çeyrek asırdır çoğunlukla Japonya'da çalışılmış ve yüksek binalara kurulmuştur.
Ancak oldukça farklı bir yaklaşım vardır: sismik veya taban izolasyonu denilen üstyapıya sismik enerji akışının kısmen bastırılması. Bunun için, üst yapıyı sarsıntılı zeminde duran alt yapısından ayırması için bina tabanındaki tüm ana yük taşıma elemanlarının içine veya altına bazı yastıklar yerleştirilir.
Temel izolasyon ilkesini kullanarak depremden korunmanın ilk kanıtı, eski İran'da, şimdi İran'ın Pasargad şehri olan yerde keşfedilmiş olup geçmişi MÖ 6. yüzyıla kadar uzanır. Aşağıda, günümüzün sismik titreşim kontrol teknolojilerinden bazı örnekleri vardır.
Peru'nun kuru taş duvarları
Peru oldukça sismik bir ülkedir. Burada yüzyıllarca kuru taşın inşaat harcı kullanmaktan daha depreme dayanıklı olduğunu kanıtlandı.
İnka uygarlığı insanları, kesme taşlar denilen cilalı "kuru taş duvarların" ustalarıydı. Burada taş bloklar, herhangi bir harç olmadan sıkıca birbirine uyacak şekilde kesilirdi. İnkalar, dünyanın gördüğü en iyi taş ustaları arasındaydı ve duvarlarındaki birçok birleştirme o kadar mükemmeldi ki taşların arasına çimen bile girmiyordu.
İnkalar tarafından inşa edilen kuru taş duvarların taşları, hem enerji dağılımı (coulomb sönümleme) hem de rezonans amplifikasyonları bastırma prensibini kullanan pasif yapısal kontrol tekniğine uygun şekilde duvarlar çökmeden hafifçe hareket edip yeniden yerlerine yerleşebiliyordu.
Ayarlı kütle sönümleyici
Tipik olarak ayarlı kütle sönümleyiciler, gökdelenlere veya diğer yapılara yerleştirilmiş devasa beton bloklardır ve bir tür yay mekanizması aracılığıyla yapıların rezonans frekansı salınımlarına karşı hareket ederler.
Taipei 101 gökdeleninin, Asya/Pasifik'in bu bölgesinde yaygın olan tayfun rüzgarlarına ve deprem titremelerine dayanması gerekir. Bu amaçla, ayarlı kütle sönümleyici görevi yapan 660 metrik ton ağırlığında bir çelik sarkaç tasarlanıp yapıya yerleştirilmiştir. 92. kattan 88. kata kadar sarkıtılan sarkaç, binada deprem ve şiddetli fırtına nedeniyle oluşan yanal yer değiştirmelerin rezonans amplifikasyonlarını azaltmak için sallanır.
Histeretik amortisörler
Histeretik sönümleyici, sismik girdi enerjisinin dağılımını artırıp geleneksel bir yapınınkinden daha iyi ve güvenilir sismik performans sağlamayı amaçlar. Bu amaçla kullanılan beş ana histeretik sönümleyici grubu vardır:
Akışkan viskoz damperler (FVD'ler)
Viskoz Damperler, tamamlayıcı bir sönümleme sistemidir. Oval histeretik döngülüdür ve sönüm, hıza bağlıdır. Bazı küçük bakımlar gerekli olsa da, viskoz damperlerin genellikle depremden sonra değiştirilmesi gerekmez. Diğer sönümleme teknolojilerinden daha pahalı olmalarına rağmen hem sismik hem de rüzgar yükleri için kullanılabilir ve en sık kullanılan histeretik sönümleyicilerdir.
Sürtünme amortisörleri (FD'ler)
Sürtünme sönümleyicileri doğrusal ve döner olmak üzere iki ana tiptir ve enerjiyi ısıya çevirerek dağıtır. Sönümleyici Coulomb sönümleyici prensibine göre çalışır. Tasarıma bağlı olarak, sürtünme amortisörleri yapışma-kayma olayı ve Soğuk kaynak yaşayabilir. Kötü yanı, sürtünme yüzeylerinin zamanla aşınması ve bu nedenle rüzgar yüklerini dağıtmak için önerilmemeleridir. Sismik uygulamalarda kullanıldığında aşınma sorunu olmaz ve bakım gerektirmez. Dikdörtgen histeretik döngülüdürler ve bina yeterince elastik olduğu sürece depremden sonra asıl konumlarına geri dönme eğilimindedirler.
Metalik akma sönümleyiciler (MYD'ler)
Metalik akma sönümleyiciler, adından da anlaşılacağı gibi, depremin enerjisini emmek için eğilirler. Bu tür sönümleyiciler büyük miktarda enerji emer ama depremden sonra yenisiyle değiştirilmeleri gerekir ve binanın eski konumuna geri dönmesini engelleyebilirler.
Viskoelastik amortisörler (VED'ler)
Viskoelastik amortisörler, hem rüzgar hem de sismik uygulamalarda kullanılabilmeleri açısından kullanışlıdır ve küçük yer değiştirmelerle sınırlıdırlar. Bazı markaların Amerika Birleşik Devletleri'ndeki binalarda kullanılması yasaklandığından, teknolojinin güvenilirliği konusunda bazı endişeler vardır.
Üst üste binen sarkaç amortisörleri (salınım)
Temel izolasyonu
Temel yalıtımı, depremin kinetik enerjisinin binada elastik enerjiye aktarılmasını engellemeyi amaçlar. Bu teknolojiler yapıyı zeminden yalıtıp böylece yapının bağımsız hareket etmesini sağlar. Enerjinin yapıya ne ölçüde aktarıldığı ve enerjinin nasıl dağıldığı kullanılan teknolojiye göre değişir.
Kurşun kauçuk yatak
Kurşun kauçuk yatak veya LRB, ağır sönümleme kullanan taban izolasyonu türüdür. Yeni Zelandalı Bill Robinson tarafından icat edilmiştir.
Titreşim kontrol teknolojilerine ve özellikle taban izolasyon cihazlarına dahil edilen ağır sönümleme mekanizması, genellikle titreşimleri bastırmanın ve böylece binanın sismik performansını artırmanın değerli bir kaynağı olarak kabul edilir. Ancak, nispeten az taşıma sertliğine sahip ama yüksek sönümleme ile izole edilmiş taban yapıları gibi oldukça esnek sistemler için, "sönümleme kuvveti" olarak adlandırılan kuvvet, güçlü bir depremde ana itme kuvvetini ortaya çıkarabilir. Video, UCSD Caltrans-SRMD tesisinde denenen Kurşun Kauçuk Yatağı göstermektedir.
Yatak, kurşun çekirdekli kauçuktan yapılmıştır. Yatağın aynı zamanda tam yapı yükü altında olduğu tek eksenli bir testti. Hem Yeni Zelanda'da hem de başka yerlerde birçok bina ve köprü, kurşun sönümleyiciler ve kurşun ve kauçuk mesnetlerle korunmaktadır.
Te Papa Tongarewa, Yeni Zelanda ulusal müzesi ve Yeni Zelanda Parlamento Binaları yataklarla donatıldı. Her ikisi de bir aktif fay üzerinde oturan Wellington'dadır.
Amortisörlü yay taban izolatörü
Kaliforniya, Santa Monica'daki üç katlı kasaba evinin altına kurulan sönümleyicili yay tabanlı izolatör, 1994 Northridge depremi maruziyetinden önce çekilmiş fotoğrafta görülüyor. Kavramsal olarak Kurşun Kauçuk Yatağa benzeyen bir temel izolasyon cihazıdır.
Katlarda ve zeminde hem dikey hem de yatay ivmelerin kaydedilmesi için iyi donatılmış, bunun gibi iki üç katlı kasaba evinden birisi, Northridge depremi'indeki şiddetli sarsıntıdan kurtuldu ve daha ileri çalışmalar için değerli bilgiler verdi.
Basit makaralı yatak
Basit makaralı yatak, çeşitli bina ve bina dışı yapıların güçlü depremlerin zarar verme güçlü yan etkilerine karşı korumasını amaçlayan temel izolasyon cihazıdır.
Bu metalik taşıyıcı destek belirli önlemler alınarak, sismik izolatör olarak gökdelenler ve yumuşak zeminli binalara uyarlanabilir. Son zamanlarda Tokyo, Japonya'daki 17 katlı bir konut kompleksi metalik makaralı yatak adıyla kullanıldı.
Sürtünme sarkaç yatağı (FPB), 'sürtünme sarkaç sisteminin (FPS) başka bir adıdır. Üç sütuna dayanır:
mafsallı sürtünme sürgüsü;
küresel içbükey kayma yüzeyi;
yanal yer değiştirme kısıtlaması için kapalı silindir.
Katı bina modelini destekleyen FPB sisteminin sarsma masa testinin video klibi anlık görüntüsü sağda sunulmuştur.