Binalarda Deprem Yalıtımı. Mustafa Erdik, Boğaziçi Üniversitesi

Transkript

1 Binalarda Deprem Yalıtımı Mustafa Erdik, Boğaziçi Üniversitesi

2 Türkiye Cumhuriyeti nin kuruluşundan sonra yaşadığı ilk büyük deprem olan 1939 Erzincan Depremi ülkemizde depreme dayanıklı yapı kavramının ortaya çıkması ile Başlayan Deprem Mühendisliği sürecin çıkış noktasıdır. Bayındırlık Bakanlığı nca 1940 da yürürlüğe konulan yönetmeliği 1947, 1953, 1961, 1968, 1975, 1997(1998) ve 2006(2007) yönetmelikleri izlemiştir de AFAD Tarafından Kurulan Bir Komisyon Vasıtası İle 2007 Deprem Yönetmeliğinin Güncellenmesi Çalışmalarına Başlanmıştır. (Pasif Deprem Kontrolü bölümü eklenecektir) Soyluk ve Harmankaya, 2012

3 YALITIM SİSTEMLERİNİN TEMEL TASARIM İLKELERİ Performans Amaç ve Kriterleri (Üst Yapı, Yalıtım Sistemi, Alt Yapı) Deprem Yer Hareketi Özellikleri Yalıtım Sistemi Temel Tasarım Özellikleri Deprem Yalıtımı Uygulanan Binaların Modellenmesi Eşdeğer doğrusal ve doğrusal olmayan modellenmeler. DEPREM YER HAREKETİ Tasarım Depremi - 50 yılda %10 aşılma olasılığına sahip deprem yer hareketi Enbüyük Deprem 50 yılda %2 aşılma olasılığına sahip deprem yer hareketi ANALİZ YÖNTEMLERİ Eşdeğer Yatay Yük Yöntemi ile Doğrusal Analiz Mod Birleştirme Yöntemi ile Doğrusal Analiz Zaman Tanım Alanında Doğrusal Analiz Zaman Tanım Alanında Doğrusal Olmayan Analiz

4 DEPREM YALITIM ŞARTNAMELERİ ABD (ASCE7-10, IBC), EC8, Japonya, Çin, Tayvan ABD şartnamelerinin taşınılabilirliği vardır. ABD şartnamelerine de kullanılan performans kriterleri Türkiye de binalar (deprem güçlendirmesi) ve ulaşım yapıları (demiryolu köprüleri ve limanlar) için kullanılanların benzeridir (Özel, önemli veya kritik yapılar için 2475 yıllık depremde kontrollü hasar veya can emniyeti) EuroCode8 Şartnamesi, ilgili ulusal kural ve parametreler tamamlandıktan sonra Türkiye de kullanılabilir. Ancak bu şartnamede hedef spektrumu sadece enbüyük yer ivmesine bağlı olarak bulunmaktadır. Güncel bilgilerimiz dahilinde: deprem yalıtımı için gerekli yüksek periyotlu spektral genliklerin bu şekilde tesbiti doğru değildir. Japon Şartnamesi Japonya koşullarına özgü bir şartnamedir ve diğer ülkelere taşınabilirliği bulunmamaktadır. Kullanılan performans kriterleri Türkiye de kullanılanlardan farklıdır.

5 ABD - ASCE/SEI 7-10 (2010), FEMA P-750 (NEHRP. 2009) ve IBC (2009) İki aşamalı tasarım: 2/3MCE (475 yıl) ve MCE (2500 yıl). Genelde doğrusal olmayan zaman tanım alanında analiz (T > 3* To, Yumuşak zemin, Fay yakını) Alyapı dogrusal elastik, Üstyapı R<=2.0 ve relatif kat ötelemesi sınırlamaları. Bağımsız Denetim (Deprem tehlikesi, tasarım, yalıtıcı deneyleri) Kalifornia hastaneleri için OSPHD Eşdeğer Statik analiz ile Tasarım sınırları belirleniyor: Deplasmanlar ve Kesme Kuvveti> Eşdeğer Statik değerlerin %80 - %90. Yalıtım sistemi 2500 yıllık depremde negatif rijitlik gösteremez.

6 USA - TASARIM SPEKTRUMU 0.2s ve 1s deki Spektral İvmeler ve TL periyotu ile belirlenir yıl ve 475-yıl (2/3 x 2475 yıl) dönüş süreleri. Fa ve Fv zemin bağımlı spektral büyütme katsayıları (2/3) faktörü 2500 yıllık dönüş süresini 475 yıla çevirmek için kullanılır

7 AB (EUROCODE 8) Tek aşamalı tasarım (475-yıl dönüş süresi), Ancak önem katasayısı var. Genelde doğrusal olmayan zaman tanım alanında analiz ( F-δ, birim yer değiştirme hızı, iki doğrultuda deprem). Özelde rijit üstyapı kabulüne dayalı yanal yük yaklaşımı (Düzenli yapı, plan boyutu <50m, T < 3s) Üst ve alt yapı doğrusal elastik olarak tasarlanıyor (Üstyapı için q=1.5). Yalıtıcı deplasman kapasitesi ilave emniyet için %20 arttırılabiliyor. En iyi şartname uygulaması İtalya da.

8 EUROCODE-8 TASARIM SPEKTRUMU Herbir üye ülke tarafından Enbüyük deprem ivmesi cinsinden (tek parametre) hazırlanmış deprem tehlike bölgeleri haritaları tarafından belirlenir. (Tavsiye edilen dönüş süresi 475 yıl) 1. Tip: Yüksek Depemsellik 2. Tip: Düşük Depremsellik (Ms < 5.5).

9 JAPONYA ŞARTNAMESİ Bayındırlık Bakalığı (MOLIT) Notification No (Ekim, 2000) Küçük binalar için ayrıntılı hesap gerekmiyor. Konstrüktif ve geomtrik kurallar geçerli. Ancak deplasman kapasitesi > 35cm. 60m den daha yüksek binalar için IBC-2000 ve EC-8 benzeri analiz metodları. Relatif kat deplasmanları < 1/300. Yaltım seviyesindeki eksantrisite oranı < Yapıya tabela asılması mecburi. Şartnamede tanımlanmış durumlarda MOLIT tarafından kurulmuş bir komisyonun denetimi gerekiyor.

10 JAPON ŞARTNAMESİ (2000, MOLIT) GROUND MOTİON Tasarım Spektrumu Sa(T) = Z * Gs(T) * So(T) Tasarım Spektrumu = Bölge Katsayısı * Zemin Faktörü * Kaya Spektrumu Kaya Spektrumu Bölge Katsayısı Büyük Deprem = Ortalama 500 yılda bir oluşan deprem (Kabule dayalı) Küçük Deprem = Ortalama 50 yılda bir oluşan deprem (Kabule dayalı)

11 GENEL KARŞILAŞTIRMA

12 Deprem Yalıtımı Deplasman Bazlı Tasarımı BİNA VE TSD MODELİ EŞDEĞER RİJİTLİK Esas Unsurlar: Deplasman ve Eşdeğer Rijitlik İlişkisi Deplasman ve Eşdeğer Sönüm Oranı İlişkisi Deplasman Spektrumu Eşdeğer Sönüm Oranı Deplasman 1-Bilinen kütle ve deplasman kabulüne dayalı eşdeğer rijitlik, periyot ve sönüm oranını bul 2-Deplasman spektrumundan periyot ve sönüm oranına dayalı yeni bir deplasman bul 3- İterasyonu yenile

13 YER BAĞIMLI ÖZEL ETÜDLER Birçok şartnamede enbüyük deprem senaryosu aletsel büyüklüğüne (6.5 ve daha büyük) ve fay uzaklığına (15km ve daha az) bağlı olarak ve ASCE 7-10 ve AASHTO (2010) şartnamelerinde ise 2475 yıllık 1s periyotlu spektral ivmenin 0.6g değerini aştığı durumlarda (Ülkemizde, sert zeminler için, 1. ve 2. derece deprem bölgesi) tasarım bazlı spektrum ve yer hareketlerinin yer-bağımlı özel etüdlerle bulunması istenmektedir. Bu tip özel etüdlerde güncel azalım ilişkilerinin belirlenmiş standart sapma değerleri ile kullanılması ve direktivite etkilerinin belirlenmesi için uygun fiziksel modellere dayalı deprem yer hereketi simülasyonlarının yapılması gerekmektedir. ASCE 7-10 şartnamesi yapılacak yer-bağımlı özel etüdlerin bir teknik hakem (Peer Review) denetimine tabi tutulmasını şart koşmaktadır. Ancak bu özel-etüdlere dayalı olarak bulunan spektral değerlerin şartname bazlı deprem tehlikesi haritalarından bulunan değerlerin çok altında olmasına izin verilmemektedir. Deprem yalıtımı tasarımı için kullanılacak tasarım spektrumlarının belirlenmesi için öngörülen yüksek yinelenme sürelerine ve periyotları 3-6s arasında değişen spektral değerlerin tasarımı kontrol etmeleri nedeni ile deprem yer hareketinin rasyonel ve güncel yöntemlerle belirlenmesi hususu zorunlu olmaktadır.

14 Enbüyük Spektral Genlik ve GMRotI50 Arasındaki İlişki Yer hareketi tahmin ilişkilerinde enbüyük spektral ivmeler (SA(T)): yatay bileşenlerin döndürülerek elde edilen geomerik bileşkesinin en büyük hareketi (GRMRotI50) olarak verilmektedir. Hedef spektrumun elde edilmesi için geometrik bileşke değerleri kısa peritotlarda 1.1, orta ve uzun periyotlarda ise 1.3 iie çarpılmalıdır. Spektrum ölçeklenmiş ivme kayıtları spektral ivmelerinin kareleri toplamının karekökü hedef spektrum ile uyumlu olmalıdır. Fay yakını bölgelerde deprem kaydı seçerken faya dik yöndeki kayıtlar kullanılmalıdır.

15 Reduction Factor Sönüm ölçeklenmesi (Spektrum azaltma katsayıları) Deprem yönetmeliklerinde, sönüm oranı %5 in üzerinde olan spektrumların bulunması için sönüm oranı %5 olan spektral ordinatlara ölçeklendirme katsayıları uygulanır. EC8 (1998) EC8 (2003) Fay Yakını Deprem Priestley vd. (2007) Damping ratio (%) Forward Directivity(?) Newmark+Hall EC8 (new) EC8 (old)

16 YAKIN FAY BÖLGESI DAVRANIŞ SPEKTRUMU Yakın Fay Bölgesi yer hareketi özelliklerinin spektrum şekline yansıtılması gerekir Fay hattı, merkezüstü ve ilgili mahal arasındaki geometrik özelliklere bağlı olarak periyodun 0.6s den daha yüksek olduğu bölgelerde ortalama spektrum genlikleri büyütmektedir. Faya normal yöndeki deprem spektrumu ile ortalama deprem spektrumu arasındaki oranlar 0.6s lik periyot değerinden sonra artmaya başlamakta ve 6s civarında 1.6 mertebesine kadar varmaktadır. (Somerville ve diğ.,1997)

17 FAY YAKINI DİREKTİVİTE ETKİLERİ 1. Faya normal yöndeki deprem spektrumu ile ortalama deprem spektrumu arasındaki oranlar (Somerville ve diğ., 1997)

18 Eşdeğer Yer Hareketi Pulsları (2003)

19 PROBABİLİSTİK UZUN PERIYOT SPEKTRAL DEPLASMAN HARİTALARI SD(3s) 2475 Yıl SD(4s) 2475 Year

20 FAY YAKINI BÖLGELER İÇİN ASGARİ YALITICI DEPLASMAN TALEBİ (ÖNERİSİ) 2475-yıllık deprem, Deterministik hesaplama, Vs30>760m/s Ana Faydan Uzaklık Asgari Deplasman Talebi x (Direktivite Faktörü) T=2s T=3s 0-5km 60cm x ( ) 90cm x ( ) 5-10km 50cm x (1.1) 70cm x (1.2) 10-20km 40cm x (1.05) 60cm x (1.1) 20-30km 30cm x (1) 40cm x (1.05) Vs30 değeri m/s ise bu deplasmanların ayrıca 1.2 faktörü ile çarpılması gerekir

21

22 KURŞUN ÇEKİRDEKLİ KAUÇUK YALITIM BİRİMİ (LRB) Yanal rijitlik kauçuk kesme modülü ve kauçuk alanı ile doğru, toplam kauçuk kalınlığı ile ters orantılıdır. Kauçuk kesme modülü = MPa (sıcaklık ve basınçla değişebilir). Yalıtım periyodu taşınan kütlenin karekökü ile orantılıdır. Enbüyük Kayma Birim Yerdeğiştirmesi = 250% (ABD), % (Japonya) Etkin sönüm oranı = %10 - %40

23 LRB LİMİT GERİLMELER Basınç (0%) = 50MPa Basınç (400% kayma birim yer değiştirmesi) = 15MPa Çekme (250% kayma birim yer değiştirmesi ) = -1.3MPa TASARIM GERİLMELERİ Uzun süreli statik basınç = 15 MPa Kısa süreli basınç (250% kayma birim yer değiştirmesi) = 20-25MPa (Japonya) Kısa süreli basınç (250% kayma birim yer değiştirmesi) = 10-15MPa (USA) Kısa süreli çekme= 1MPa Negatif Rijitlik

24 Kurşun Çekirdekli Kauçuk Yalıtım Birimi Devir adedi ile etkin sönüm oranı %50 azalabilir.

25 Kurşun Çekirdekli Kauçuk Yalıtım Birimi Sıcaklığa bağlı olarak etkin yanal rijitlik ve sönüm oranı değişebilir. After Constantinou, 2011

26 Kurşun Çekirdekli Kauçuk Yalıtım Birimi Etkin yatay rijitlik (düşey yükten bağımsız olarak) yatay yükleme hızı ile en az %50 artar (prototip testlerinde yükleme hızları konusu) Benzoni, 2013

27 Eğri Yüzeyli Sürtünmeli Yalıtım Birimi Dinamik Sürtünme Katsayısı yüzey kaplama malzemesi, hız, basınç ve sıcaklıkla %3 - %8 arasında değişebilir. Başlangıç Sürtünme Katsayısı %10 olabilir.

28 Eğri Yüzeyli Sürtünmeli Yalıtım Birimi Etkin yatay rijitlik yatay yükleme hızı ile %10 civarında artar. Benzoni, 2013

29 Eğri Yüzeyli Sürtünmeli Yalıtım Birimi Bir dönümde yutulan enerji (etkin sönüm oranı) basınca, dönüm sayısına ve yatay yükleme hızına bağlı olarak değişir. Benzoni, 2013

30 YALITIM SİSTEMİ ÜST ve ALT SINIR DEĞERLERİ Elastomer yalıtım birimlerinin eşdeğer doğrusal rijitlikleri ve eşdeğer sönüm oranları elastomer malzemenin kayma modülünün alt ve üst sınır değerlerine bağlı olarak değişir. Bu sınır değerler, üretim farklılaşmasını, sıcaklık, yaşlanma, etkilerini yansıtacak şekilde Düz ve Eğri Yüzeyli Sürtünmeli yalıtım birimlerinin eşdeğer doğrusal rijitlikleri ve eşdeğer sönüm oranları sürtünme katsayısının alt ve üst sınır değerlerine bağlı olarak değişir. Bu sınır değerler, üretim farklılaşmasını aşınma, çevresel kirlenme ve yaşlanma etkilerini yansıtacak belirlenmelidir. Yalıtım sistemindeki eşdeğer rijitlik, sönüm ve sürtünme katsayısının: Alt sınır (enküçük) değerleri kullanılarak enbüyük yalıtıcı deplasmanları, Üst sınır (enbüyük) değerleri kullanılarak enbüyük üstyapı ivmeleri, atalet kuvvetleri, yapısal gerilme ve deplasmanlar bulunur.

31 Yalıtmış Binanın Modellemesi Yalıtıcı sistem ve üstyapı modelinde düşey serbestlik derecelerinin göz önüne alınması ve analizlerde, özellikle düşey etkilerin belirlenmesi için, deprem yer hareketinin yatay ve düşey bileşenleri ile kullanılması gereklidir. Yalıtım sisteminin tasarımı için zaman tanım alanında enaz iki boyutlu analiz gereklidir. Tek boyutlu ve/veya spektrum bazlı analizler doğru sonuç vermez. Analiz Metodları Ön değerlendirme için Eşdeğer Yatay Yük Yöntemi Mod Birleştirme Yöntemi ile Doğrusal Analiz Nihai Değerlendirme İçin Zaman Tanım Alanında Doğrusal Olmayan Analiz Özellikle çok katlı (5-10 katlı, fleksibil) üstyapıların tasarımı için zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz kullanılmalıdır.

32 YATAY KAY İVMELERİ MİMARİ UNSUR VE DONANIM HASARI Devrilme Stabilitesi, Pik İvme=0.15g, Pik İvme=0.5m/s, (Constantinou, 2011) İvme 130cm yükseklik ve 30cm derinliğinde bir kabinenin devrilme stabilitesi (Shimizu) Periyot

33 KAT SPEKTRUMLARI ve ENBÜYÜK YATAY KAT İVMELERİ Hastanelerde deprem yalıtımı gerek yapısal sistemin, gerekse mimari unsurların, tıbbi donanımın ve hastaların sağlığının korunması için gereklidir. Deprem yalıtımlı yapılarda üstyapının artan fleksibilitesi ile kat pik ivmeleri artar. Az katlı (2-5 katlı, rijit) üstyapılarda kat pik ivmeleri temel pik ivmelerine yakın değerle haizdir. Çok katlı (5-10 katlı, fleksibil) üstyapı için kat kat pik ivmeleri (özellikle orta katlarda) temel pik ivmelerinin %50 si civarındadır. Ancak üst katlarda artabilir. (Kat ivmelerinin azaltılması için ek kat arası sönümleyiciler kullanılabilir). ABD nde ATC-58 kılavuzunda yapısal olmayan hasarların önlenmesi için 2%/50 (2475 yıl) depremi pik kat ivmesi 0.35g olarak belirlenmiştir. Bu şartın özellikle fay yakını bölgelerde ilave kat arası söndürücüler kullanılmadan sadece yalıtım sistemi ile sağlanması olanaksızdır.

34 DÜŞEY KAT İVMELERİ Hokuriki Lisesi Niigata-Chuetsu Depremi (Kani et. al, 2006) 2005 M7.2 Hanshin Awaji Depremi

35 2005,M7 Fukuoka Depremi

36 Tohoku Depremi (Miwida, 2012)

37 Iiba et al., Tohoku Depremi

38 Iiba et al., 2013 Üstyapı ve Temelde Maksimum İvme Üstyapı ve Temelde Maksimum İvme Oranı

39 ÜST YAPI DÜŞEY TİTREŞİMLERİ Yalıtım sistemi elastomer yalıtıcılardan oluşan binalarda üst katlardaki düşey ivmeler temeldeki düşey pik ivmenin 2-3 katına çıkabilmektedir. Deprem yalıtımı yapılmış binanın düşey doğrultudaki temel titreşim periyodunun 0.1s den daha büyük olması durumunda, gerek üstyapıda oluşacak düşey hareketlerin ve etkilerin, gerekse yalıtım sistemimde oluşacak kalkma ve çekme gerilmelerinin belirlenmesi için deprem yer hareketi iki yatay ve bir düşey bileşeni ile göz önüne alınacaktır. Bu durumda yapısal modelde düşey serbestlik dereceleri de kullanılmalıdır

40 DEPREM YALITIMI UYGULAMALARI 30 Ülkede yaklaşık 20,000 uygulama

41 ÜLKEMİZDE DEPREM YALITIMI UYGULANMIŞ BİNALAR (20) İstanbul-Ataturk Airport Terminal (Retrofit) (FPS, EPS) Antalya Airport Terminal (Retrofit) (LRB, Alga) Bilkent School - Erzurum (LRB, Maurer) Sabiha Gökçen Airport Maintenance Building (LRB, Robinson) Sabiha Gökçen Airport Terminal Building (FPS, EPS) Data Center at İstanbul Technical University (LRB, Robinson) Aykent Condominium at Silivri, İstanbul (LRB, Robinson) UDİM Building at KOERİ, İstanbul (FPS, EPS) Bilkent University Campus Building, Erzurum (LRB, Maurer) Maintenance Hangers, Diyarbakır Air Base (LRB) MHP Building Roof, Ankara (Shock Transmitters, Italy) Ayazağa Cultural & Convention Center, İstanbul (LRB, Robinson) Turkcell Data Center, Gebze Ülker Data Center, Istanbul Avrasya Exihibition Center, Halkalı, Istanbul Kocaeli University Hospital (FPS, EPS) Erzurum State Hospital (LRB, DIS) Erzurum Medical Campus (Under construction, FPS, Maurer) Van Health Campus (Under construction, FPS, FIP) Başıbüyük Hospital (Retrofit) (LRB, Freysinet-Alga) Sağlık Bakanlığı'nın aldığı karar gereğince 1. ve 2. Derece Deprem Bölgelerindeki tüm Hastanelerde Deprem Yaltımı kullanılacaktır. (Halen inşaatı veya projelendirmesi devam eden 42 Hastane binası vardır)

42 Istanbul Sabiha Gökçen Uluslararası Havaalanı Terminali (2008) Toplam kat alanı: 200,000 m 2, 160m x 272m, 4+1 katlı, Yoplam yalıtıcı sayısı: 296

43 Direktivite Analizi