YAPI SAĞLIĞI İZLEME SİSTEMLERİ İLE BİR HASTANE BİNASININ DEPREM DAVRANIŞININ BELİRLENMESİ

Transkript

1 YAPI SAĞLIĞI İZLEME SİSTEMLERİ İLE BİR HASTANE BİNASININ DEPREM DAVRANIŞININ BELİRLENMESİ A. Özenir 1 ve A. C. Zülfikar 2 1 Doktora Öğrencisi, İnşaat Müh. Bölümü, Gebze Teknik Üniversitesi, Kocaeli 2 Yard.Doç.Dr., İnşaat Müh. Bölümü, Gebze Teknik Üniversitesi, Kocaeli ÖZET: T.C. Sağlık Bakanlığı tarafından yayımlanan genelgede 1. ve 2. derece deprem bölgelerinde yer alan, 100 yatak ve üzeri kapasiteli yeni yapılacak hastane binalarının sismik yalıtımlı yapılması ve bu binalara ivme ölçerler yerleştirilerek deprem sonrasında bina ve sismik yalıtıcıların durumunun değerlendirilmesi gerektiği belirtilmiştir. Bu çalışmada konvansiyonel taşıyıcı sisteme sahip bir hastane binasında katlara yerleştirilmiş ivme ölçerler tarafından iki farklı depremde elde edilen ivme kayıtları kullanılarak bina özellikleri ve davranışı belirlenmeye çalışılmıştır. Seçilen depremlerden bir tanesinin magnitüdü düşük düzeyde olmasına rağmen, söz konusu depremin yönelim (direktivite) etkisi içermesi ile elde edilen kat ivmelerinin özellikle yapısal olmayan elemanlarda hasar oluşturabilecek mertebede olduğu gözlenmiştir. ANAHTAR KELİMELER: Yapı Sağlığı İzleme, Direktivite, İvme ve Deplasman Tepkisi, Yapısal Olmayan Hasar DETERMINATION OF SEISMIC BEHAVIOUR FOR A HOSPITAL BUILDING WITH STRUCTURAL HEALTH MONITORING ABSTRACT: According to the circular released by the Ministry of Health in Turkey, it is stated that new hospital buildings both locating in the seismic zone 1 and 2 and possessing 100 bed capacities and over shall be done with seismic isolation and these buildings and isolators shall be evaluated after the earthquake event with the placement of acceleration sensors. In this study, characteristics and response of a hospital building having conventional structural system is worked with the acceleration records of two earthquake events obtained from the acceleration sensors locating in stories. Although, one of the selected earthquake events have smaller magnitude, it is observed that the level of story accelerations have the vulnerability on the non-structural components with the effect of directivity characteristic of the relevant event. KEYWORDS: Structural Health Monitoring, Directivity, Acceleration and Displacement Response, Non- Structural Damage 1. GİRİŞ Yapı Sağlığı İzlemesi sismik aktivitenin yüksek olduğu ülkelerde gerçekleştirilen deprem riski azaltılması programlarının önemli bir parçasıdır (M.Çelebi, 2013). Dünya da en yoğun cihazlandırmanın yapıldığı A.B.D. başta olmak üzere Japonya, Çin, Tayvan ve Meksika gibi ülkelere ek olarak İtalya, Türkiye, Yunanistan ve Şili de de çeşitli uygulamalar yapılmaktadır. A.B.D de en fazla sismik cihazlandırma iki kuruluş tarafından organize edilmektedir. Söz konusu kuruluşlardan biri Kaliforniya da faaliyet gösteren Kaliforniya Jeolojik Araştırmalar Kurumu (CGS) olup 1972 yılında başlatılan

2 Kalifornia Kuvvetli Hareket Cihazlandırma Programını yönetmekte (CSMIP), diğeri ise ulusal boyutta çalışmalar yapan Birleşik Devletler Jeolojik Araştırmalar Kurumunun (USGS) yürüttüğü Ulusal Kuvvetli Hareket Projesidir (NSMP). CSMIP kapsamında yaklaşık 200 bina, 27 baraj, 66 köprü ve 42 geoteknik dizi, NSMP kapsamında ise 130 bina ve 77 baraj cihazlandırılması yapıldığı belirtilmiştir. Şekil 1. CSMIP kapsamında Yıllara Göre Sensör Sayılarının Dağılımı Her iki kuruluş tarafından sağlık tesisleri için özel işbirliği ve programlar ile çeşitli cihazlandırma çalışmaları yapılmıştır. USGS tarafından, 1971 San Fernandao Depreminde bazı hastane binalarının yıkılmasından sonra ilk etapta 60 adet hastane binasında özellikle temel seviyesinde analog ivme ölçerler ile cihazlandırmalar başlamış, 2003 yılında 45 adedi dijital cihazlar ile değiştirilerek yenilenmiş, 2008 yılından itibaren ise 22 binada katlara yerleştirilen ilave ivme ölçerler ile özel diziler oluşturulmuştur. (USGS, 2012) Şekil 2. USGS kapsamında cihazlandırılan hastane binalarının dağılımı CSMIP programı kapsamında ise Kaliforniya Sağlık, Planlama ve Geliştirme Ofisi ile birlikte 1989 yılından bu yana toplam 29 hastane ve sağlık tesisi cihazlandırılmıştır. Her iki kuruluş tarafından yerleştirilen cihazlardan elde edilen ivme kayıtları ile birlikte cihazların yerleştirildiği bina ve saha özellikleri internet ortamında ücretsiz olarak (CESMD) sunulmaktadır ( Ülkemizde ise özellikle tarihi yapılar, ulaştırma yapıları ve yüksek yapılarda çeşitli uygulamalar bulunmaktadır. T.C. Sağlık Bakanlığı İnşaat ve Onarım Dairesi Başkanlığının 2012/6 sayılı genelgesinde 1. ve 2. Deprem bölgelerinde 100 yatak ve üzeri hastanelerin taşıyıcı sistemlerinin sismik izolatörlü olacağı belirtilmiştir. Söz konusu Bakanlık tarafından yayımlanan 2013/3 sayılı genelgenin ekinde ise deprem yalıtımlı olarak inşa edilecek yapılar için proje ve yapım standartları verilmiştir. Genelgenin maddesinde söz konusu binalara ivme kaydedicilerin yerleştirilmesi, her kayda değer büyüklükteki depremden sonra yapı, yalıtıcılar ve kuvvetli hareket cihazlarının kontrol edilerek raporlanması gerektiği belirtilmiştir. Son yıllarda özellikle Şehir Hastaneleri olarak anılan ve sayıları artan büyük sağlık kompleksleri söz konusu genelge kapsamında olup, bu binalarında Yapı Sağlığı İzlemesi amacıyla cihazlandırılmasına ve işletme prosedürlerinin belirlenmesine ihtiyaç duyulmaktadır.

3 Bu çalışma kapsamında A.B.D de yer alan bir hastane binası örnek bir uygulama amacıyla seçilerek binada bulunan ivme ölçer sensörler tarafından iki farklı deprem sırasında kaydedilen ivme kayıtları kullanılarak yapı davranışı tespit edilmeye ve elde edilen sonuçlar paylaşılmaya çalışılmıştır Bina ve İvme Ölçer Sensör Özellikleri Çalışma kapsamında göz önüne alınan üç katlı Alameda Hastanesi Kaliforniya da yer almaktadır. Bina 1976 UBC yönetmeliğine göre 1981 yılında tasarlanmıştır. Bina taşıyıcı sistemi her iki doğrultuda düzenlenmiş moment aktaran çelik çerçevelerden oluşmaktadır. Bina kazıklı temel sistemine sahiptir. Kuzey-güney doğrultusunda 5 adet, doğu batı doğrultusunda ise 6 adet 7.60m lik açıklık bulunmaktadır. Bina kat yükseklikleri sırasıyla 4.10m, 4.10m, 4.25m dir. Bina çatı katında kısmi bir kat bulunmakta olup bu katın yüksekliği 5.50m dir. Şekil 3. Alameda hastane binası a) görünüşü, b) lokasyonu Bina 2008 yılında cihazlandırılmış olup, dört farklı kat seviyesinde toplam 12 kanallı ve bina dışında zeminde bir adet 3 kanallı referans ivme ölçer bulunmaktadır. Binada yer alan ivme ölçer yerleşimi aşağıda verilmiştir. c) d) e) Şekil 4. Alameda hastane binası kat planları ve cihaz yerleşimleri, a) zemin kat, b) 1.kat, c) 2.kat, d) Çatı Kat, e) Kısmi Kat

4 1.2. Kuvvetli Yer Hareketleri ve Özellikleri İnceleme konusu binada bulunan ivme ölçerler tarafından bugüne kadar toplam 5 adet deprem kaydedilmiştir. Söz konusu depremler, 17 Ağustos 2015 Piedmont Depremi Mw 4.0, 20 Ekim 2011 Berkeley Depremi Mw 4.0, 24 Ağustos 2014 Güney Napa Depremi Mw 6.0, 5 Mart 2012 Elcerrito Depremi Ml 4.0, 3 Mayıs 2015 Concord Mw 3.6 depremleridir (CESMD). Bu çalışma kapsamında söz konusu depremler arasından Piedmont ve Güney Napa Depremlerine ait kayıtlar incelenmiştir. Söz konusu depremlerin özellikleri aşağıdaki tabloda verilmiştir. Tablo 1. Çalışmada Kullanılan Kuvvetli Yer Hareketleri ve Özellikleri Olay Adı Tarih Büyüklük (Mw) Derinlik (km) Faylanma Epicenter-Bina arası Uzaklık (km) Piedmont Depremi 17 Ağustos Yanal Atımlı 8.40 Güney Napa Depremi 24 Ağustos Yanal Atımlı 51.0 Güney Napa Piedmont Alameda Hospital 2. ANALİZ Şekil 5. Kuvvetlli Yer Hareketleri Epicenter- Bina lokasyonları Çalışma kapsamında öncelikle her bir kanaldan elde edilen ham ivme kayıtları filtrelenmiş ve lineer sıfır eksen düzeltmeleri yapılmıştır. Filtreleme işleminde Hz arasını geçiren 4. Dereceden Butterworh filtre kullanılmıştır Fourier Spektrumları Yapının frekans içeriği ve hakim modlarını tanımlayabilmek için Fourier dönüşümü yapının planda simetri eksenleri olan Kuzey-Güney (KG) ve Doğu-Batı (DB) olmak üzere her iki yönde alınan kayıtlara uygulanmıştır. Binanın zemin seviyesinde bulunan 2 ve 3 no lu kanallardaki ivme kayıtlarının fourier dönüşümü ile her iki yer hareketi hakim titreşim frekansları elde edilmiştir. Buna göre, Güney Napa Depreminin hakim titreşin frekansları DB yönünde 1.75Hz ve 0.76Hz, KG yönünde ise 1.70Hz ve 0.55Hz, Piedmont depreminde ise DB yönünde 6Hz, KG yönünde ise 5.2Hz olarak hesaplanmıştır. Binada bulunan diğer kanalların ivme kayıtları içinde benzer dönüşüm uygulanarak bina hakim titreşim frekansları belirlenmiştir. Güney Napa depremi kayıtları kullanıldığında

5 her iki doğrultuda da hakim titreşim frekansı 2.70Hz, Piedmont depremi kayıtlarında ise DB yönünde 2.50Hz, KG yönünde ise yaklaşık 2.85Hz olarak elde edilmiştir. c) d) Şekil 6. Tüm kanallar için Fourier Spektrumları, a) Güney Napa Depremi DB, b) Güney Napa Depremi KG, c) Piedmont Depremi DB, d) Piedmont Depremi KG 2.2. İvme-Hız-Deplasman Geçmişlerinin Elde Edilmesi Bir önceki bölümde frekans içeriği verilen ham ivme kayıtlarının düzeltme işlemleri yapıldıktan sonra Piecewise Exact Method ( M.N. Aydınoğlu, Y.M. Fahjan, 2003) kullanılarak İvme-Zaman, Hız-Zaman ve Deplasman- Zaman geçmişleri elde edilmiştir. Aşağıdaki resimlerde her iki depremde binanın zemin katında bulunan 2 no lu kanal ve çatı seviyesinde bulunan 11 no lu kanal için tepki geçmişleri Şekil 7 de verilmiştir. Buna göre her iki depremde de her iki istasyon arasında tepkinin büyütüldüğü görülmektedir.

6 c) d) Şekil ve 11. Kanallar için İvme-Hız-Deplasman Zaman Geçmişleri, a) Napa Depremi, b) Napa Depremi, c) Depremi, d) Depremi 2.2. Kuvvetli Yer Hareketi Enerji İçeriği ve Süresi Binanın zemin seviyesinde bulunan 2 ve 3 no lu kanallar kullanılarak yer hareketlerinin enerji içeriği ve süresi Şekil 8 ve 9 da verilmiştir. Buna göre Güney Napa depreminin DB yönü için anlamlı süre 34.09sn, KG yönü için ise 46.88sn olarak hesaplanmıştır. Piedmont depreminde ise DB yönünde 0.5sn, KG yönünde ise 4.59sn dir. Ayrıca, Piedmont depreminin DB yönü enerjisinin hem diğer doğrultunun hemde Güney Napa depreminin her iki doğrultusunun yaklaşık 4.5 katı olduğu görülmektedir. Tüm bu elde edilen bilgilerden Piedmont depreminin DB Yönü için yönelim (direktivite) etkisi bulunduğu görülmektedir. Şekil 8. Güney Napa ve Piedmont Depremleri 2.ve 3. kanallar için normalize edilmiş arias enerji grafiği

7 Şekil 9. 2.ve 3. kanallar için normalize edilmiş arias enerji içeriği, a) Güney Napa, b) Piedmont Depremi 2.4. İvme Spektrumları Tüm kanallardaki düzeltilmiş ivme kayıtları kullanılarak ivme spektrumları hazırlanmıştır. Elde edilen spektrumlar her iki deprem ve yön için ayrı ayrı referans elastik tasarım spektrumu ile karşılaştırımıştır. Fourier spektrumu ile uyumlu olarak en büyük ivme değerlerinin binanın hakim titreşim periyodunda meydana geldiği görülmektedir. Piedmont depreminde ise üst katlarda yer alan kayıtlarda da en büyük ivme değerleri hem bina hemde yer hareketinin hakim titreşim periyotlarında meydana geldiği görülmektedir. c) d) Şekil 10. Tüm istasyonlar için İvme Spektrumları, a) Güney Napa Depremi DB yönü, b) Güney Napa Depremi KG yönü c) Piedmont Depremi DB Yönü, d) Piedmont Depremi KG Yönü 2.5. İvme ve Deplasman Dağılımları Binada tüm kanallardan elde edilen kat ivmeleri ve deplasmanların bina yüksekliği boyunca dağılımı Şekil 11 de verilmiştir. Güney Napa depreminde çatı seviyesinde meydana gelen en büyük kat ivmesinin zemin katın yaklaşık 4 katı olduğu görülmektedir. En üst katta kısmi bir alanda yer alan ve rijitliği diğer katlara göre düşük olan katta KG doğrultusundaki en büyük kat ivmesi ise zemin katın yaklaşık 8 katıdır. Piedmont depreminde ise DB yönünde çatı katının zemin kata oranı yaklaşık 1.5, KG yönünde ise kısmi katın zemin kata oranı yaklaşık 8 dir. Güney Napa depreminde en üst kısmi katta meydana gelen en büyük kat ivmesi 0.11g, Piedmont depreminde ise 0.31g dir. Piedmont depreminde çatı seviyesindeki en büyük kat ivmesi ise 0.23g düzeyindedir. İncelenen üç katlı bina ve

8 Story No 4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı orta büyüklükteki Piedmont depremi göz önüne alındığında meydana gelen ivme değerleri yapısal olmayan elemanlar için hasar oluşturabilecek niteliktedir. Ayrıca, kat deplasmanlarından hesaplanan göreli kat ötelemelerinin ise düşük seviyede olduğu görülmektedir. Söz konusu değerler yapısal elemanlarda hasar oluşturmayacak düzeydedir. 4 Story Peak Accelerations for South Napa Earthquake 90 East-West Direction 360 North South Direction 4 Story Peak Accelerations for Piedmont Earthquake 90 East-West Direction 360 North South Direction Story No Story Peak Accelerations (g) Story Peak Accelerations (g) 3. SONUÇLAR c) d) Şekil 11. Her iki deprem için kat ivmeleri ve göreli kat ötelemeleri dağılımı, T.C. Sağlık Bakanlığı tarafından yayımlanan 2013/3 sayılı genelgede 1. ve 2. Deprem bölgelerinde 100 yatak ve üzeri hastanelerde kuvvetli hareket cihazları kullanılarak yapı ve sismik yalıtıcıların izlenmesi gerektiği belirtilmiştir. Bu çalışmada örnek bir uygulama olması açısından A.B.D Kaliforniya da yer alan üç katlı hastane binasına CSMIP kapsamında yerleştirilmiş 12 kanallı izleme sisteminde iki farklı deprem etkisinde oluşan ve CESMD tarafından internet ortamında paylaşılan ivme kayıtları kullanılarak yapı davranışı ve deprem sonrası durumu incelenmiştir. Çalışma yapılan yer hareketlerinden Güney Napa depremi Piedmont depremine göre daha büyük olup inceleme alanına daha uzak mesafede yer almaktadır. Piedmont depreminin enerji içeriği, süresi ve yapı tepkisinden Doğu-Batı yönünde yönelim (direktivite) etkisi bulunduğu tespit edilmiştir. Yapıda Piedmont depremi için elde edilen ivme, hız ve deplasman değerlerinin genel olarak Güney Napa Depreminden daha büyük olduğu görülmüştür. Piedmont depremi için binanın çatı seviyesinde bulunan kanallarda elde edilen kat ivmelerinin yapısal olmayan elemanlarda hasar oluşumuna sebep olabilecek büyüklükte olduğu görülmüştür. KAYNAKLAR E.Kalkan, K.Banga, H.S.Ulusoy, J.Peter, B.Fletcher, W.S.Leith, S.Rezai, T.Cheng, (2012). Advenced Earthquake Monitoring System for U.S. Department of Veterans Affairs Medical Building Instrumentation, Open-File Report , USGS. M.Çelebi (2013), Seismic Monitoring of Structures and New Developments, Chapter 2 for Earthquake and Health Monitoring of Civil Structures, Springer. M.N.Aydinoglu, Y.M.Fahjan (2003). A unified formulation of piecewise exact method for inelastic seismic demand analysis including P-delta effect, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 32: