SİSMİK İZOLATÖRLER Yapı Elemanlarının Davranışı Yrd. Doç. Dr. Barış ÖZKUL Sismik yapı yalıtımı yapıların deprem etkilerinden korunması amacıyla geliştirilmiş bir sistemdir. Sistemin amacı, bir yapıya etkiyen deprem yüklerinin azaltılmasıdır. Bu cihazların özel tasarımları sayesinde deprem hareketi sırasında üst yapıya etkiyen deprem yükleri temele ankastre bağlı yapılara oranla önemli ölçüde azaltılabilmektedir. Normal bir yapıda, deprem sırasında katlar arası oluşan farklı deplasmanlar sonucu kolon kiriş birleşim bölgelerinde büyük hasarlar meydana gelmektedir. Sismik izolasyon yapılmış bir yapıda katlar arası farklı deplasmanlar normal bir yapıda oluşacak olandan çok daha az olacağı için kolon ve kirişlerde minimum zorlanma olacaktır. Küresel Mafsal Kauçuk İzolatör Sismik yalıtım teknolojisinin doğru uygulamaları büyük depremler sırasında bile binaların elastik davranmasını sağlar. Şaşırtıcı olan da bu yaklaşım prensibinin hayli basit olmasıdır. Sismik yalıtım ile bir yapıda oluşan katlar arası farklı yer değişimleri etkili biçimde azaltılabilir. Katlar arası hareket farklılıklarının küçülmesi yapının daha kontrollü salınım göstermesini sağlar. Böylece yapının kendisinin, içindeki canlıların, değerli eşya ve hassas cihazların etkin bir şekilde korunması sağlanır. Oakland City Hall, ABD
Sismik izolasyon uygulamasının ana amacı; bütün deplasmanların temel ile üst yapı arasında olmasını sağlamak ve sönümleyici elemanın mümkün olduğu kadar deprem enerjisini yutmasını ve sönümlemesini temin etmektir. Video 1 Yüksek can güvenliği Sismik Yalıtımın Avantajları Yapının taşıyıcı sistemi ve mimarî elemanlarında minimum deprem hasarı Şiddetli depremlerden sonra bile hemen kullanım Hemen kullanım sayesinde iş kaybının önlenmesi ve pazar payının korunması Yapının değerli eşya ve cihaz içeriğine etkin koruma Ulaşım yapılarında süreklilik Yıkılma ve hasar olmayacağından yeniden inşaat ya da onarım maliyetlerine gerek kalmaması Minimum bakım gereksinimi Tarihî bina ve değerlerin korunması Sismik Yalıtımın Kullanım Alanları Yüksek deprem performansı istenen tüm yapılar Hastaneler, dispanserler, sağlık ocakları Stratejik öneme sahip binalar (askerî, sivil savunma vb. binalar) İtfaiye bina ve tesisleri PTT ve diğer iletişim tesisleri Ulaşım istasyonları, hava alanları ve terminaller, köprü, viyadük gibi sanat yapıları Enerji üretim ve dağıtım tesisleri İlk yardım, kriz merkezleri, afet planlama merkezleri Toksik, patlayıcı vb. özellikleri olan maddelerin bulunduğu veya depolandığı tesisler Bilgi işlem merkezleri Tarihî binalar, müzeler Sismik yalıtım sistemlerin üç ana başlık altında toplayabiliriz. Kauçuk esaslı sismik izolatörler Sürtünme esaslı sismik izolatörler Sönümlendirici cihazlar Kauçuk Esaslı Sismik İzolatörler Aktif ve Pasif Kontrol Sistemlerinin henüz çok yeni olmasından dolayı farklı kaynaklarda daha değişik sınıflandırmalara da rastlamak mümkündür.
Yapıların deprem kuvvetlerinden etkilenimini azaltmak için, uygulanabilecek en basit çözüm; kauçuk esaslı izolatörlerin kullanılmasıdır. Bu elemanlar yerleştirildikleri yerde topladıkları deprem kuvvetini sönümlemek suretiyle yapının üst bölgelerinin sarsıntılardan çok daha az etkilenmesini sağlarlar. Bu sistemi arabalarda bulunan süspansiyona benzetmek mümkündür. Bozuk yol yüzeyindeki sarsıntılar, amortisörler yardımıyla nasıl araç içindeki aksama iletilmiyorsa; kauçuk izolatörler de, yapının deprem sarsıntılarından daha az etkilenmesini sağlarlar. Böylece temel zeminindeki sarsıntılardan yapı yalıtılmış olur. Kauçuk esaslı sismik izolatörler, yatay birim şekil değiştirmesi ve kayma deformasyonu yüksek olan doğal kauçuğun içine rijitlik ve sönüm artışı için karbon siyahı eklenerek üretilir. Ayrıca dinamik sönümü ve yatay stabilitesini yükseltmek amacıyla kurşun çekirdek yerleştirilir. Kauçuk esaslı sismik izolatörlerde yatayda her yönde kayma deformasyonu 150% ye yakındır. İzolatör cihazının deformasyondan sonra eski konumuna geri dönmesi üzerindeki düşey yüke, içindeki çelik levhalara ve kurşun çekirdeğe bağlıdır. Kauçuk Esaslı Sismik İzolatörün Üretimi Doğal Kauçuğa; ozon dayanımı, mekanik dayanım, çekme dayanımı, rijitlik ve sönüm artırıcı katkı maddeleri konur. Rijitlik ve sönüm artışı için doğal kauçuğa karbon siyahı konulur ve karıştırılır. Hazırlanan kauçuk rulo yapılır. Birkaç milimetre kalınlıkta daire biçiminde kesilir. Kauçuklar kat kat yerleştirilir. Aralarına yine bir kaç milimetre kalınlıkta çelik levhalar konulur. Levhaların iyi yapışması için, yüzeyleri parlatılır. Yüzeylere yapıştırıcı maddeler konulur. Bir kat kauçuk bir kat çelik, ağır çelik kalıba konur. Alt ve üst ile kalıpla arasına da kauçuk konur. 135 santigrat derece sıcaklıkta 14 saat bekletilir. Bu işlem sırasında kauçuk kalıptan taşabilir. İzolatörün etrafını saran kauçuk, çeliği korozyon ve yangından korur.
Kauçuk: Amerika, Asya ve Afrika nın çeşitli ağaçlarından, özellikle de lastik ağacından elde edilen, dayanıklı ve esnek maddedir. Kauçuk kükürtle karıştırılarak daha iyi işlenir, daha çok dayanır ve esnek bir hale gelir. Kauçuk, saf lastik olarak da tanınır. Zira lastik, ağacından elde edilen lastik, ancak % 90 oranında saftır. Doğal lastiğin yapısındaki değişkenlikler, katkı maddesindeki değişimler, karıştırma ve kür sırasındaki koşullardaki farklılıklar nedeniyle; kauçuk esaslı sismik izolatörlerin özelliklerinde, kalite ve dayanımlarında önemli farklılıklar olabilir. İlk kez 1970 lerde, Yeni Zelanda da Dr. Robinson tarafından bulunup geliştirilmiş olan pasif kontrol sistemi, bugün de dünyanın pek çok yerinde kullanılan kurşun-kauçuk izolatörlerdir. Sismik yalıtım ürünleri çok kapsamlı araştırmalar ve geliştirmeler sonucu ortaya çıkmaktadır. Deprem izolatörlerinin ileri imalat teknolojileri ve gelişmiş mühendislik tekniklerine sahip uzman firmalar tarafından imal edilmeleri ve patentlerinin alınmaya başlanması ise 25 yıl öncelerine dayanmaktadır. 1980 li yıllardan itibaren başta Japonya, Amerika Birleşik Devletleri, Kanada, Yeni Zelanda, İtalya olmak üzere; Türkiye, İngiltere, Hindistan, Yunanistan, Romanya, Çin, Malezya, Şili, Meksika, Portekiz, Bangladeş, Danimarka, Azerbaycan, Fransa, Dubai gibi pek çok ülkede deprem izolatörlerinin birçok farklı uygulamaları bulunmaktadır. Ülkemizin deprem davranışları üzerindeki bilgi ve birikimi pek çok ülkeninkinden daha fazladır. Ancak bu deneyimlere rağmen, sismik yalıtım sistemleri üzerindeki uygulamalar, yeterli düzeyde gelişmemiştir.
İstanbul Sabiha Gökçen Havalimanında 292 adet sismik izolatör cihazı kullanılmıştır. Yapıların statik hesaplarına göre kauçuk esaslı sismik izolatörler; Temele, Kat Altına, Kolon Üstüne,olmak üzere üç şekilde yerleştirilebilir.
Temelde Sismik İzolatör Teşkili Kat Altında Sismik İzolatör Teşkili Kolon Üstünde Sismik İzolatör Teşkili Kolon Üstünde Sismik İzolatör Teşkili Sürtünme esaslı sismik izolatörler, içbükey küresel yüzey üzerinde kayabilen özel metallerden imal edilmiş bir mesnet elemanının yatay hareket sırasında binayı yükseltmesi esasına dayanır. Böylelikle deprem enerjisi sönümlenir ve depremin etkisi 80% azaltılır. Sürtünme Esaslı Sismik İzolatörler
Deprem enerjisi, içbükey kısmın sarkaç prensibine dayanarak yapı ağırlığının kullanılmasıyla sönümlenmiş olur. Yükü çok fazla olan yapılarda sarkaç altındaki plakanın yırtılma riski olacağından, kauçuk esaslı izolatörlerin tercihi düşünülebilir. Burada hatırlatılması gereken bir nokta da; tüm izolatörlerin hazır üretilmiş bir raf ürünü olmadığıdır. Tüm izolatörler, üretici firmalar tarafından projelendirme esaslarına ve siparişe göre üretilir. Video 2 Sürtünme Esaslı İzolatörlerin Avantajları Kompakt yapısal özelliklerden dolayı montajı kolaydır. Atmosferik ve çevre şartlarından olumsuz etkilenmez ve çok uzun ömürlüdür. Yangına karşı dayanıklı olup ayrıca ilave tedbir alınması gerekmez. Tasarım özelliğinden dolayı öngörülen deprem şiddetinden daha büyük bir deprem ile karşılaşılması durumunda bile izolatör parçalanmayıp görevine devam edebilir. Yapıdaki ısıl genleşmelere imkan tanır. Basit sarkaç prensibi ile çalışmasından dolayı statik ve dinamik modellemesi çok kolaydır. Gerektiğinde çekmeye karşı çalışan tipte de üretim yapılabilir. Gerçek boyutlarda test yapılabildiğinden tüm teknik özellikler kontrol edilebilmektedir. Zamana bağlı olarak teknik özellikleri değişmez ve bakım gerektirmez. Her iki yönlü kullanılabilme özelliğinden dolayı yapısal optimizasyon imkanı tanır Boyutları diğer alternatiflere göre daha küçük olduğundan daha az hacim kaplar ve yapıdaki mimari disiplinleri etkilemez. Şekilde görülen çelik yapının dış kolonlarının altında kauçuk esaslı, yükün daha az olduğu iç kolon altlarında ise sürtünme esaslı izolatör kullanıldığı görülmektedir. Tarabya Oteli, İstanbul
Sönümlendirici Cihazlar Yapıda yatay hareketleri minimuma indirmek ve deprem enerjisini absorbe etmek amacıyla kullanılan sönümleyiciler yatay rijitlik sağlaması gereken akslara yerleştirilir. Yatay yükleri lineer olmayan bir mantıkla sönümledikleri için rijit bağlantılardan daha kullanışlı ve elverişlidirler. Yapıdaki yatay hareketleri minimuma indirmek ve yatay deprem enerjisini sönümlendirmek amaçlı kullanılan bu sistem, hidrolik esaslı sıvıların sıkışması prensibine dayanarak çalışır.
Video 3 Oakland City Hall, ABD
SONUÇ: Depremlerden sonra hizmet vermesi hayati önem taşıyan köprü, viyadük, itfaiye binası, hastane, iletişim binası gibi yapılarda sismik izolasyon yapılması gelişmiş ülkelerde şart koşulmaktadır. Amerika Birleşik Devletleri nde 1986 yılından bu yana teknik yönetmeliklere girmiş bulunan sismik izolasyon teknolojisi diğer ülkelerin yönetmeliklerine de dahil edilmiş bulunmaktadır. Ülkemizde Bayındırlık ve İskan Bakanlığı tarafından hazırlanan deprem yönetmeliğinde sismik izolasyona olumlu bakılmakta ve Amerikan Deprem Yönetmeliği kurallarına uyulmasının yeterli olduğu belirtilmektedir. Depreme karşı yapıların korunmasında etkili bir çözüm olan sismik izolasyon teknolojisinin uygulanması stratejik öneme sahip yapılar için mutlaka uygulanması gereken bir yöntem haline gelmiştir. Teşekkürler Haftaya; Ödev Sunumları