SİSMİK YALITIM KULLANIMININ YAPISAL PERFORMANS ÜZERİNDEKİ ETKİSİNİN DEĞERLENDİRİLMESİ

Transkript

1 SİSMİK YALITIM KULLANIMININ YAPISAL PERFORMANS ÜZERİNDEKİ ETKİSİNİN DEĞERLENDİRİLMESİ ÖZET: T. Tibet Akbas 1, Cem Haydaroğlu 1, ve Timurhan Timur 2 1 İnşaat Yük. Müh., Arup Müh. ve Müş. Ltd. Şti., İstanbul 2 Dr. İnşaat Yük. Müh., Arup Müh. ve Müş. Ltd. Şti., İstanbul tunc.akbas@arup.com Yoğun sismik aktivite bulunan bölgelerde, özellikle önemli yapıların tasarımında istenilen performans seviyelerini sağlayabilmek için sismik yalıtım sistemleri sıklıkla tercih edilmektedir. Yapıya etkiyen deprem yüklerinin azaltılmasında oldukça etkili olan sismik yalıtım sistemleri değişik çeşitlerde tasarlanabilmektedir. Ancak farklı tiplerde de olsa yapının periyodunu arttıran ve yapısal sisteme ilave sönüm getiren davranış değişim göstermemektedir. Bu bildiride sismik yalıtımlı yapıların tasarım esasları belirtilerek, Filipinlerde yapılması planlanan Yeni Havalimanı Terminal binasının sismik yalıtımlı ve yalıtımsız olarak sağlanacak performans seviyelerindeki değişim karşılaştırılmıştır. Yapısal tasarım hesapları Filipinler in deprem şartnamesi göz önüne alınarak ve sahaya özel olarak hazırlanan deprem raporu doğrultusunda yapılmıştır. Değerlendirmeler sonucunda yapısal ve yapısal olmayan elemanlardaki hasar seviyesi değişimleri çıkartılmıştır. Bu hasarlara bağlı olarak yapıda sismik yalıtım sistemi kullanılmasının ilave getireceği maliyetler hesaplanmış ve deprem sonrası oluşabilecek yapı hasarlarının maliyetleriyle karşılaştırılmıştır. ANAHTAR KELİMELER: Deprem, Sismik Yalıtım, Yapısal Performans, Yapısal Deprem Mühendisliği 1. GİRİŞ Gelişen inşaat teknolojileri ve tasarım şartnameleri doğrultusunda günümüzde yapıların istenilen yapısal performans seviyelerine göre tasarımı giderek yaygınlaşmaktadır. Sıklıkla ve büyük ölçekte depremler üretebilen fayların bulunduğu alanlarda inşa edilecek yapılarda öncelikle deprem sonrası oluşacak hasarın tahmini ve yapının önemine bağlı olarak bu hasarın sınırlandırılması gerekmektedir. Bu kapsamda yapının tasarım aşamasında işveren gereksinimleri doğrultusunda depremde oluşacak yapısal ve yapısal olmayan elemanlardaki hasarı belirli seviyelerde olacak şekilde tasarım yapmak mümkündür. Bu çalışma Filipinlerin Cebu şehrinde yapılması planlanan Havalimanı Terminal binasının hedeflenen performans seviyesine ulaşmak amacıyla sismik yalıtım sistemleri kullanılması durumunda gerek hasar seviyesi, gerekse de maliyet açısından değerlendirilmesi amacıyla yapılmıştır. 2. YAPISAL SİSTEMİN TANIMI Tasarımı yapılmakta olan Filipinlerdeki Yeni Terminal binası Şekil 1 de görüldüğü üzere beş bloktan oluşmaktadır. Filipinler dünya üzerinde bulunduğu yer itibariyle deprem ve kasırga gibi doğa olaylarının sıklıkla görüldüğü bir alandır. Bu sebeple yapısal tasarımlarda olası doğal afetleri ve özellikle depremi gözönüne almak büyük bir önem arz etmektedir.

2 3. Türkiye Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı Şekil 1. Terminal binasının yerleşim planı Terminal binası planda 90x135m boyutlarında olup gelen ve giden olmak üzere iki katlı bir yapıdır. Giden yolcu katının üzerinde açıklığı 30m ve yüksekliği 17m olan üç adet kemerden oluşan çelik çatı yapılması planlanmaktadır. Düzgün bir aks sistemi olan yapıda kısa doğrultuda her biri 15.0m olan altı açıklık ve uzun doğrultuda da 13.5m lik on adet açıklık yer almaktadır. Terminal binası Etabs V9.7.2 ile modellenmiş olup modelden görünüşler Şekil 2 de verilmiştir. Şekil 2. Terminal binasının model görünüşü 3. FİLİPİNLER DEPREM ŞARTNAMESİ Filipinler bulunduğu bölge itibariyle fırtına ve kasırgaların sıkça gözlemlendiği bir yer olmasının haricinde deprem olarak da fayların aktif olduğu bir ülkedir. Değişik büyüklüklerde ve sıklıklarda depremler üretebilen çok sayıda fay bulunduğundan, ülkede faylar Tablo 1 de görüldüğü şekilde kategorize edilmiş olup Tablo 2 de zemin tiplerine karşılık gelen zemin katsayıları Ca ve Cv verilmiştir.

3 Bölgesel olarak değerlendirildiğinde, yapısal tasarım yönetmeliğinde (NSCP, 2010) iki sismik bölge tanımlaması yapılmıştır. Tasarım şartnamesinde belirtildiği üzere ülkenin Palawan, Sulu ve Tawi-Tawi yerleşkeleri 2. deprem bölgesinde, kalan kısımlarıysa 4. deprem bölgesinde olup hesaplarda alınacak en büyük deprem ivmeleri sırasıyla 0.20g ve 0.40g olarak verilmiştir. Fayın Tipi A B C Tablo 1. Fayın tipi Fayın Açıklaması Büyük ölçekteki depremleri yüksek sıklıkla üreten faylar A ve C tipi tanımına girmeyen faylar Büyük ölçekte deprem üretmeyen faylar Fayın Tanımı Maksimum Moment Büyüklüğü, M M M < 7.0 M < 6.5 Zemin Tipi C a Sismik Bölge Z Z = 0.2 Z = 0.4 Tablo 2. Zemin katsayıları Zemin Tipi C v Sismik Bölge Z Z = 0.2 Z = 0.4 S A N a S B N a S C N a S D N a S E N a S F S A N v S B N v S C N v S D N v S E N v S F Yapıya etkiyecek deprem kuvvetlerinin belirlenmesinde sismik bölge ve zemin sınıfı asıl belirleyici kısımlar olmakla birlikte yapının faya yakın olması durumu da hesaplarda göz önüne alınmaktadır. Tablo 3 te görüldüğü şekilde fay tipine ve uzaklığa bağlı olarak yakın fay etkisinden dolayı oluşacak deprem kuvveti artışı tasarıma dahil edilmektedir. Tablo 3. Yakın fay etkisi katsayıları Fayın Tipi N a 5 km Faya Olan Mesafe 10 km A B C Tasarımda kullanılması gereken deprem taban kesme kuvveti aşağıda verilen (1) formülüne göre hesaplanmakta olup (2) den elde edilecek değeri geçmemesi gerekmektedir. Fayın Tipi N v Faya Olan Mesafe 5 km 10 km 15 km A B C

4 V CvI = W (1) RT V 2.5C ai = W (2) R Burada I yapı önem katsayısı ve R taşıyıcı sistem davranış katsayısıdır. Etkitilecek deprem kuvvetinin minimum değeri de (3) ve (4) te belirtilen değerlerden büyük olanı olarak hesaplanır. V V = 0.11C IW (3) a 0.8ZN vi = W (4) R 3.1. Sahanın Sismik Özellikleri Tasarımı planlanan havalimanı Filipinler in Cebu şehrinde inşa edileceğinden 4. deprem bölgesinde bulunmakta olup hesaplarda alınması gereken deprem ivmesi katsayısı 0.40g dir. Etki edecek fayın tipi ise B olarak belirlenmiştir. Zemin raporuna göre C sınıfı zemindeki yapı, bilinen en yakın faya 10.4km uzaklıkta olduğundan N a = 1.0 ve N v = 1.0 alınacaktır. Tasarımda yapı önem katsayısının I = 1.0 alınması kararlaştırılmıştır. Filipinler sismik risk haritası Şekil 3 te verilmiştir. Cebu Şekil 3. Filipinlerin sismik haritası

5 4. SİSMİK TALEP VE PERFORMANS HEDEFİNİN TANIMLANMASI Havalimanları dünyanın pek çok yerinde olduğu üzere önemli yapılar sınıfına girdiğinden, olası bir deprem sonrasında büyük hasar almaması istenmekle birlikte faaliyetine devam edebilecek şekilde tasarlanması gereken yapılardır. Günümüzde kullanım alanı giderek artan, istenilen ve gerekli performans seviyesine göre tasarım yapılması böyle önemli bir yapıda zorunluluk olarak ön plana çıkmaktadır. Bu sebeple binanın olası üç farklı deprem durumundaki yapısal ve yapısal olmayan eleman performansları değerlendirilmiş olup performans sesviyeleri matrisi Şekil 4 te görülmektedir. a. Operasyonel Seviye 50 yılda aşılma olasılığı 50% olan ve 75 yıllık dönüş periyodu olan deprem b. Hemen Kullanım Performans Seviyesi 50 yılda aşılma olasılığı 10% olan ve 475 yıllık dönüş periyodu olan deprem c. Can Güvenliği Performans Seviyesi 50 yılda aşılma olasılığı 2% olan ve 2475 yıllık dönüş periyodu olan deprem 5. SİSMİK YALITIM SİSTEMİ ÖN TASARIMI Şekil 4. Performans seviyeleri matrisi Yapının ilk tasarımı sismik yalıtım sistemleri kullanılmadan, konvansiyonel yapı sistemleri göz önüne alınarak yapılmıştır. Filipinler deprem yönetmeliğine göre yapılan tasarımda 50 yılda aşılma olasılığı %10 olan deprem kullanılarak tasarım yapılmış yatay yük taşıyıcı sistemi perde ve çerçevelerden oluşturulmuştur. Yatay yükün önemli bir kısmı perdelerle taşınırken çerçeve elemanları büyük ölçüde düşey yük taşıyıcı elemanlar olarak tasarlanmıştır Deprem yönetmeliklere göre bahsedilen deprem seviyesi ve yapı önem katsayısı (I=1.0) ile tasarım yapıldığında sağlanan performans seviyesi Can Güvenliği seviyelerinde olmaktadır. Sismik yalıtım sistemine ait ön tasarım yapılırken hedeflenen durum aşağıda özetlenmiştir: 1. Şekil 4 te verilen performans seviyeleri matrisinde önemli yapılar için belirlenen kriterlerin sağlanması. Bu durumda 50 yılda aşılma olasılığı %10 olan deprem için hedeflenen performans seviyesi Hemen

6 Kullanım olmaktadır ki konvansiyonel sistemin deprem yönetmeliğine göre tasarımında dikkate alınan seviyenin bir kademe üzerindedir. 2. Üst yapı maliyetlerini azaltmak amacıyla taşıyıcı sistem sadece çerçevelerden oluşturulacaktır. 3. Konvansiyonel sistemle yapılan tasarımda çerçeve sisteme ait düşey elemanların boyutları önemli ölçüde düşey yüklere göre tasarlanmıştı. Sismik yalıtımlı durumda da kolon boyutlarının ilk durumdaki ile aynı kalacak şekilde tasarım yapılacaktır. Dolayısıyla taban kesme kuvveti seviyesinin kolon tasarımında düşey yüklerin etkin olacağı şekilde azaltılması gerekmektedir. Sismik yalıtım sisteminin özellikleri bu durum dikkate alınarak belirlenecektir. Sismik yalıtım sisteminin yapıya eklenmesi durumunda yapının periyodunda artış ile birlikte sönüm değeri de artmaktadır. Söz konusu parametreler tasarımda hedeflenen taban kesme kuvveti seviyesini yakalayacak şekilde belirlenmekte ve buna göre sismik yalıtım sistemi tasarlanmaktadır. Sismik yalıtım sisteminin sönüm oranı yapıya etkiyecek deprem kuvveti değerlerini önemli ölçüde etkilemektedir. Farklı sönüm oranları için hazırlanan spektrum eğrileri Şekil 5 te görülmektedir. Şekil 5. Yalıtım sistemi sönümüne bağlı olarak spektrumun değişimi Terminal binasının sismik yalıtım elemanları kullanılmadan hesaplanan yapısal modelinden perde elemanları çıkarıldıktan sonra düşey yüklere göre tasarlanmış olan kolonların yatay yük taşıma kapasiteleri belirlenmiş ve seçilmiş olan kolon boyutlarını değiştirmeyecek şekilde hedeflenen performansın sağlanabileceği taban kesme kuvveti seviyesi belirlenmiştir. Bu seviyedeki taban kesme kuvvetinin sağlanabilmesi için sismik yalıtım sisteminin hedeflenen periyot ve sönüm değerleri hesaplanmıştır. Aşağıda listelenen bu değerler aynı zamanda sismik yalıtım sisteminin tasarımına esas oluşturmaktadır. T = 3.0 s (Perdelerin sistemden çıkarıldığı durumdaki konvansiyonel yapı periyodunun yaklaşık 3 katı) ξ = 25 ~ 30% (Kritik sönüm oranı) P = kn (izolatör başına gelen ortalama eksenel kuvvet) Moment çerçeveli konvansiyonel sistemle, sismik yalıtımlı sistemin etkilerinin karşılaştırılması Şekil 6 ve Şekil 7 de görünen kompozit spektrumlarda gösterilmiştir. Yapının 3.0sn lik hedef periyotta yaklaşık 0.12g lik deprem kuvvetine maruz kalacağı ve sismik yalıtım elemanlarının hedef deplasmanının yaklaşık 300mm olacağı görülmektedir.

7 Günümüzde yüksek sönümlü kauçuk yalıtım elemanı, kurşun çekirdekli yalıtım elemanı ya da ters sarkaç tipi sürtünme kontrollü yalıtım elemanı gibi değişik özellik ve performanslarda ürünler bulunmaktadır. Değerlendirmede yalıtım elemanı çeşidinden bağımsız olarak mevcut yapısal sistemde belirtilen yalıtım elemanı tiplerinin her biri için de sağlanabilecek bir hedef periyot belirlenmiştir. Farklı ürünler için gerekli boyutlar hesaplanarak, firmalardan alınan yaklaşık maliyetlerle genel bir karşılaştırma yapılmıştır. Şekil 6. Kompozit ivme spektrumu

8 Şekil 7. Kompozit deplasman spektrumu 6. SİSMİK YALITIMLI VE YALITIMSIZ SİSTEMLERİN DAVRANIŞLARININ KARŞILAŞTIRILMASI Yapının konvensiyonel olarak tasarlandığı durumda ülke deprem şartnamesine göre moment çerçeveli ve perdeli sistemler için hesaplarda alınması gerekli taşıyıcı sistem davranış katsayısı 6.5 tir. Bu şekilde tasarlanan bir yapıda hakim periyodun 1.0sn mertebesinde olduğu görülmüştür. Buna göre oluşacak taban kesme kuvveti (5) te hesaplanmıştır. V CvI 0.56x1.0 = W = W = W (5) RT 6.5x1.0 Binanın Şekil 8 de görüldüğü üzere sismik yalıtımlı olarak tasarlandığı durumda üst yapı sadece moment çerçevelerinden oluşan bir sisteme çevrilmektedir. Şartanemede bu durum için belirtilen davranış katsayısı 8.5 tir. ASCE 7.10 şartnamesinin ilgili kısmında belirtildiği üzere sismik yalıtım sistemi seviyesi üstünde kalan 2 ;3 8 R değerlerinden küçük olanına göre yapısal elemanların tasarımında taşıyıcı sistem davranış katsayısı ( ) belirlenmelidir. Sismik yalıtım sistemi periyodu 3.0sn. olarak planlandığından bu durumda oluşacak taban kesme kuvveti (6) da verildiği gibidir. CvI 0.56x1.0 V = W = W = W (6) RT 2.0x3.0

9 Görüldüğü üzere yapının sismik yalıtımlı olarak tasarlandığı durumda hesaplarda kullanılacak olan taban kesme kuvvetinde yaklaşık %8 lik bir artış olmaktadır. Yalıtımlı ve yalıtımsız yapı modelleri arasında yapılan detaylı karşılaştırmalar sonucunda taban kesme kuvvetinde oluşan bu artışın üst yapı kolon boyutlarında değişikliğe sebep olmadığı görülmüştür. Benzer şekilde 13.5m ve 15.0m lik aks aralıkları sebebiyle aslen düşey yük kombinasyonlarından zorlanan betonarme kiriş boyutlarında da artışa gidilmesine gerek olmadığı sonucuna ulaşılmıştır. Taban kesme kuvveti hesaplarında kullanılan yapı davranış katsayısı taşıyıcı sistemin plastik deformasyonlarla enerji sönümleme seviyesini göstermektedir. Konvensiyonel olarak çözülen yapıda 6.5 olan bu değer yalıtımlı sistemde 2.0 olarak sınırlandırılmaktadır. Rakamsal değerler arasında kabaca yapılabilecek karşılaştırmaya göre deprem sonrası konvensiyonel çözülmüş yapıda yalıtımlı yapıya nazaran çok daha fazla hasar oluşacağı açıktır. Ayrıca yalıtımlı sistemde göreli kat ötelemelerinin de büyük ölçüde azaldığı gözlenmiş ve bunun yapısal ve yapısal olmayan elemanların performansına önemli katkı sağlayacağı tespit edilmiştir. 7. SİSMİK YALITIMLI VE YALITIMSIZ DURUMDA YAPISAL VE YAPISAL OLMAYAN ELEMANARIN VE MALİYETLERİN KARŞILAŞTIRILMASI Yapıda yalıtım elemanı temel seviyesinde tasarlanmış olup yerleşimleri Şekil 8 de gösterilmiştir. Belirtilen kotta yalıtım elemanı kullanılması durumunda, özellikle zemin suyu ile temasın oluşturacağı olumsuz etkilerin önüne geçmek adına izolatörlerin 50cm yükseklikte bir kaide üzerine oturtulduğu kabulü yapılmıştır. Yapının ankastre ayaklarla tasarlanan konvansiyonel durumunda temeller kotunda düşünülmüş olup ilave temel kazısı maliyeti olmaması açısından aynı temel seviyesinin sismik yalıtımlı durumda da korunabileceği kabulü yapılmıştır. Ancak sismik yalıtım kullanılması durumunda zemin seviyesi altında kalan kısımların depremde yalıtım sisteminin yapacağı deplasmandan dolayı hasar görmemesi için bina çevresinde olası yalıtım sistemi deplasmanı kadar boşluk bırakıp, binayla araziyi toprak perdesiyle ayırmak gerekmektedir. Bilindiği üzere yalıtım sistemi seviyesi üzerinde sistemin düzgün bir şekilde çalışabilmesi için rijit bir diyafram teşkil edilmesi gerekmektedir. Bu sebeple yalıtımsız durumda yapılması planlanan zemin döşemesi yerine ilave bir betonarme döşeme sistemi yapılması gerekmektedir. Yapılması gereken bu döşemenin altında yalıtım elemanlarının bakımı ve olası bir deprem sonrasında hasar görenlerinin değiştirilebilmesi için yaklaşık 2m. yüksekliğinde bir bakım alanı yaratılması gerektiği kabulü yapılmıştır. Önceki bölümlerde belirtildiği üzere yapının sismik yalıtımlı olarak tasarlanması durumunda 3.0sn de yaklaşık 300mm lik bir talep deplasman oluşmaktadır. Bu sebeple bodrumdaki çevre duvarlarının yapıdan minimum 300mm aralık teşkil edecek şekilde yapılması gerekmektedir. Benzer şekilde, terminal binasına komşu diğer yapılarda da sismik yalıtım kullanılması durumunda iki yapı arasındaki mesafenin toplam talep deplasman kadar olması gerektiği açıktır. Belirtilen yapısal kısımlarda ilave edilecek ve kaldırılacak elemanları özetlemek istersek; 1. Konvansiyonel sistemde tasarlanmış olan perdeli ve moment çerçeveli yapısal sistemdeki perde elemanlar, sismik yalıtım sistemi kullanılması durumunda kaldırılabilmekte ve sistem sadece moment çerçeveleriyle çözülebilmektedir. 2. Mevcut zemin döşemesi yerine sismik yalıtım sistemi üzerinde rijit diyafram oluşturabilmek için betonarme bir döşeme sistemi yapılması gerekmektedir. 3. Yapının zemin seviyesi altında kalan kısımlarının, deprem durumunda yalıtım sisteminin yapacağı yanal hareket sebebiyle çarpışmaması için çevre toprak perdeleri yapılması gerekmektedir.

10 4. Zemin döşemesi seviyesinin altından binaya girişinin yapılması gereken mekanik ve elektrik tesisatlarının, yalıtım sisteminin yapacağı yanal deplasman değeri düşünülerek, uygun esneklikte bağlantı elemanları kullanılarak tasarlanması gerekecektir. Şekil 8. Sismik yalıtım sistemi olası yerleşimi Sismik yalıtımlı durumda yapıya eklenip çıkarılacak elemanlar ve sismik yalıtım sisteminin maliyeti göz önüne alındığında sismik yalıtımlı yapı maliyetinin konvansiyonel sistemli yapı maliyetine oranla %5-10 mertebesinde fazla olduğu tespit edilmiştir. Ancak oluşan ilave maliyetlerin haricinde yapının deprem sonrasındaki kullanıma açılma süresi ve oluşacak hasarın onarım maliyeti dikkate alındığında yalıtım sistemi kullanılmasının önemli etkisinin olacağı açıktır. 8. SONUÇ Sismik yalıtımlı yapı için yapılan ön tasarım sonucunda konvansiyonel sisteme göre üst yapı taşıyıcı sisteminden önemli ölçüde eleman azaltarak hedeflenen performans seviyesinin Can Güvenliğiénden Hemen Kullanım seviyesine çıkarılabildiği görülmüştür. Ancak yalıtım sisteminin gerektirdiği rijit diyafram gibi yeni elemanlar eklenmesi ve yalıtım sisteminin kendi maliyeti de göz önüne alındığında yalıtımlı yapı maliyetinin konvansiyonel sisteme oranla %5-10 civarında daha fazla olduğu tespit edilmiştir. Taşıyıcı sistem elemanlarının haricinde yapıyı düşey dolaşım elemanları, mekanik ve elektrik ekipmanlar açısından da değerlendirmek gerekmektedir. Yalıtım sistemi deplasmanından dolayı bırakılacak sismik derz noktasındaki tesisat geçişlerinin yalıtım sisteminin yapacağı deplasman talebini karşılayacak kapasitede olması gerekmektedir. Binaya bağlanan tesisatlardaki bu detaylar ilave maliyetler gerektirmektedir. Yapının faaliyetinin kesintiye uğramadan devam etmesi, depremden sonra oluşacak hasarların onarım maliyeti gibi yapım maliyeti artışı dışındaki etmenler düşünüldüğünde sismik yalıtımlı yapının konvansiyonel sistemle inşa edilecek yapıya oranla daha avantajlı olduğu sonucuna varılabilir. KAYNAKLAR ASEP, (2010). National Structural Code of the Philippines ASCE41-13, (2014). Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings