SİLİNDİRİK DEPOLARININ SİSMİK YALITIM YÖNTEMİYLE DEPREMDEN KORUNMASI Gökhan YAZICI 1,.Fedun ÇILI 2 Öz: Bu çalışmada, sıvı deposuna gelen yanal depem kuvvetlen azaltmak amacıyla ssmk yalıtım teknğ kullanılmıştı. Ssmk yalıtım teknğnde, üst yapı le zemn aasına esnek b tabaka yeleştleek yapıya etkyen depem kuvvetle öneml ölçüde azaltılmaktadı. Yapının matematksel modelnn oluştuulmasında deponun kütles ve jtlğ, depolanan sıvının kütles ve ssmk yalıtım sstemnn yanal jtlğ göz önüne alınmış ve depemde yapıya etkmes beklenen hdodnamk kuvvetle hesaplanmıştı. Çalışmada aynı geometye sahp ssmk yalıtımlı ve sabt tabanlı k petol tankının depem yükle altındak davanışı kaşılaştıılmıştı. Ssmk yalıtımlı yapıda ç kuvvetle hesaplanıken deponun lnee elastk davandığı vasayımı le taşıyıcı sstem davanış katsayısı 2,25 yene 1 olaak alınmıştı. Ssmk yalıtımlı petol tankında, hdodnamk etkle yaklaşık olaak yaıya ndlmşt. Çalışmada petol tanklaını depemden koumak amacıyla ssmk yalıtım sstemnn y b çözüm olduğu göülmüştü. Anahta Kelmele: Sıvı depolaı, Ssmk yalıtım Gş Slndk sıvı depolaı genellkle petol veya LNG gb tehlkel sıvılaı depolamak çn kullanılmaktadı ve bu depolaın öneml b bölümü depem bölgelende ye almaktadı. Bu yapılada depem sonucu otaya çıkan yangınlaın kontol edlmes güç olmakta ve çevedek dğe yapılaın da hasa gömesne ve öneml ekonomk kayba neden olmaktadı. Buna ek olaak, yakıt sızıntılaı ve zehl kmyasal bulutlaı büyük ölçüde çeve felaketlene yol açmaktadı (Ngata, 1964, Myag-Ken-Ok,1978 ve Kocael, 1999). Kocael depemnde Tüpaş afnesnde bulunan yüzen-çatılı (floatng oof) Naphtha yakıt tanklaından bnde çıkan yangın, çevedek dğe tanklaa da yayılmış ve öneml ekonomk kayba neden olmuştu. Tüpaş afnesnde bulunan Naphtha yakıt tanklaında oluşan hasala Şekl 1 de göülmekted. Şekl 1. Tüpaş Rafnesnde Yangın Nedenyle Yakıt Tanklaında Oluşan Hasa Nelsen [11] taafından yapılan b aaştımada 1933 le 1983 yıllaı aasında petol afnelende depem nedenyle oluşan depem hasalaı detaylı olaak ncelenmş ve pefomanslaının attıılması geektğnn altı çzlmşt. Malhota [8], [9] taafından yapılan aaştımalada da slndk çelk sıvı tanklaının depemlede hasa gömeye oldukça müsat olduğu ve ssmk pefomanslaının attıılması çn yen yöntemlen gelştlmes geektğ vugulanmıştı. 1 İstanbul Kültü Ünvestes, Mühendslk ve Mmalık Fakültes, İnşaat Mühendslğ Bölümü 2 İstanbul Teknk Ünvestes, Mmalık Fakültes,Mmalık Bölümü, Yapı Blgs Anablm Dalı 522
Slndk çelk sıvı tanklaında gözlenen başlıca depem hasalaı aşağıda sıalanmıştı. [2], [12] Devlme (ovetunng) momentnn yaattığı eksenel basınç gelmelenn tank duvaının alt kısmında oluştuduğu bukulma. Yee sabtlenmemş tanklada alt levha le tank duva aasındak bağlantının kıılması Temelde faklı otumala Tanka bağlı boulaın çatlaması veya kıılması Tankın kayması Sıvı tanklaının depemlede hasa gömelenn başlıca nedenlenden b ezonans olgusudu. Büyük kapastel slndk çelk sıvı tanklaının tteşm peyotlaı genellkle 0,10s le 0,50s aasında değşmekted [8]. Bu peyot aalığı aynı zamanda kuvvetl ye haeketlenn maksmum enejy çedğ peyot aalığına denk gelmekted. Çelk sıvı tanklaının depemde hasa gömelenn b başka neden de, büyük mktaladak ssmk enejy sönümleyecek b süneklk mekanzmasına sahp olmamalaıdı. Bu sounlaının çözümü çn değşk yaklaşımla aaştıılmaktadı. Bu yaklaşımladan bs de ssmk yalıtım yöntemd. Ssmk yalıtım sstemnn tanklada kullanılması duumunda tankın tteşm peyodu uzamakta ve yapı ezonans aalığından uzaklaşmaktadı. Bu sstemn dğe b avantajı da enej sönümü çn b mekanzma sunmasıdı. Yakın geçmşte, Güney Koe de ve Yunanstan da yüksek kapastel k LNG (Sıvılaştıılmış Doğal Gaz) tankına ssmk yalıtım uygulanmıştı. Ssmk yalıtım sstemle b sonak alt başlıkta yüzeysel olaak tanıtılacaktı. Ssmk yalıtım sstemle hakkında daha ayıntılı blg [10] ve [13] den elde edlebl. Bu çalışmada, lk olaak sıvı tanklaının dnamk analz kısaca taf edlecek ve önek b sıvı tankında depem etks altında oluşan taban kesme kuvvet ve devlme moment hesaplanacaktı. B sonak aşamada aynı tanka ssmk yalıtım uygulandığında depem etks altında oluşan taban kesme kuvvet hesaplanacaktı. Kullanılan Yöntem Sıvı tanklaının öneml b kısmının yüksek ssmk sk altında bulunan bölgelede bulunması, bu yapılaın dnamk modellenmes konusunda çok sayıda aaştıma yapılmasına neden oldu. Sıvı tanklaı le lgl lk dnamk modelleme ve analz çalışmalaı 1950 lede başladı. Housne [5], [6] jt tanklaın hdodnamk davanışını süekl sıvı kütlesn mpulsf ve konvektf kütle olmak üzee k paça halnde ncelenebleceğn kabul edeek modelled. Haoun, [4] Housne n modeln tankın esneklğn göz önünde bulunduacak şeklde genşlett. Haoun un modelnde süekl sıvı kütles, konvektf kütle, mpulsf kütle ve jt kütle olaak üç paça halnde ncelenebleceğn kabul edeek modelled ve bu kütlelen dnamk özellklenn tayn edleblmes çn abakla hazıladı. Bu modelde jt kütle, tank dbnde olan ve tankla beabe jt olaak haeket eden sıvı kütlesn; mpulsf kütle, jt kütlennn üzende bulunan ve tankla aynı yönde haeket eden sıvı kütlesn; konvektf kütle se tankın en üstünde bulunan ve çalkalanmaya neden olan sıvı kütlesn temsl etmekted. Daha sona dnamk davanışın sadece mpulsf ve konvektf kütlenn 1. mod davanışlaını göz önünde bulunduulaak yetel doğulukta tahmn edlebleceğ Km [7] taafından deneysel olaak ve Malhota taafından da [9] nümek olaak göstelmşt. Bu çalışmada Malhota taafından gelştlen bastleştlmş dnamk model kullanılmaktadı. Bu model Şekl 2 de şematk olaak göstelmşt. Sıvı tanklaının dnamk analz genellkle süekl sıvı kütlesnn, mpulsf ve konvektf modlaını temsl eden genelleştlmş tek sebestlk deecel sstemlen kullanılmasıyla yapılmaktadı. Çoğu mühendslk uygulamasında, mplusf ve konvektf modlaın sadece lk modlaının kullanılması yetel olmaktadı. İmpulsf kütle, m, tankla aynı yönde haeket eden sıvı kütlesn; konvektf kütle,m c, se tankın en üstünde bulunan ve çalkalanmaya neden olan sıvı kütlesn göstemekted. 523
m c H h m h c Şekl 2. Sıvı Deposunun Bastleştlmş Dnamk Model (Malhota, 2000 [8]) İmpulsve ve konvektf kütlelen doğal tteşm peyotlaı, (1) ve (2) fadeleyle hesaplanabl. T mp H ρ = C (1) h E Tcon = Cs (2) Buada, h tank duvaının kalınlığını, ρ sıvının özkütlesn ve E tank duvaının elastste modülünü göstemekted.c ve C c katsayılaı le mpulsf ve konvektf kütlelen toplam sıvı kütlesne oanı Tablo1 den elde edlebl. Sıvı tankına etkyen toplam taban kesme kuvvet, (3) fadesyle hesaplanabl. ( m + m + m ) S T ) m S ( T ) Q = + (3) e( mp c e con Buada, m tank duvaının kütlesn, m tank çatısının kütlesn, S e (T mp ) mpulsf spektal vmey ve S e (T con ) konvektf spektal vmey göstemekted. S e (T mp ) mpulsf spektal vmes, çelk ve öngemel beton tanklada %2 sönümlü elastk davanış spektumundan ve yende dökme betoname tanklada se %5 sönümlü elastk davanış spektumundan elde edlmekted. S e (T con ) konvektf spektal vmes se %0,5 sönümlü elastk davanış spektumundan elde edlebl. Sıvı tankında dnamk yükleme sonucu oluşan devlme moment M, (4) fadesyle hesaplanabl. ( m h + m h + m h ) S T ) m h S ( T ) M = + (4) e ( mp c c e con Buada, h ve h c sıasıyla mpulsf ve konvektf kütlelen ağılık mekezlenn mesafelen; h ve h se sıasıyla tank duvaının ve tank çatısının ağılık mekezlen göstemekted. Çalkalanma (sloshng) nedenyle sıvı sevyesnn yükselme mktaı d, (5) fadesyle hesaplanabl. Bu fadede, g ye çekm vmesn göstemekted. Se ( Tcon ) d = (5) g Tablo 1. Bastleştlmş Dnamk Model Paametelenn Tavsye Edlen Değele (Malhota, 2000 [8]) H/ C C c [s/m 0,5 ] m /m l m c /m l h /H h c /H 0,3 9,28 2,09 0,176 0,824 0,400 0,521 0,5 7,74 1,74 0,300 0,700 0,400 0,543 0,7 6,97 1,60 0,414 0,586 0,401 0,571 1,0 6,36 1,52 0,548 0,452 0,419 0,616 1,5 6,06 1,48 0,686 0,314 0,439 0,690 2,0 6,21 1,48 0,763 0,237 0,448 0,751 2,5 6,56 1,48 0,810 0,190 0,452 0,794 3,0 7,03 1,48 0,842 0,158 0,453 0,825 524
Yukaıda velen blgle doğultusunda, Şekl 3.a ve Şekl 3.b. de göstelen sabt tabanlı ve ssmk yalıtımlı slndk petol tanklaının dnamk modelle hazılanmış ve depem etksyle tank duvaında oluşan taban kesme kuvvet ve devlme moment hesaplanmıştı. 3m 3m 10 m 13 m 10 m 13 m 0,50 m 35 m 35 m a. b. Şekl 3. a. Sabt Tabanlı Slndk Çelk Petol Tankı B.Ssmk Yalıtımlı Slndk Çelk Petol Tankı Slndk çelk tank, 50 cm kalınlığında betoname adye temel üzene ankajlanmıştı. Tank 10 m yükseklğe kada petol le dolduulmuştu. Hesaplada petolün bm ağılığı 830 kg/m 3, çelk tankın kalınlığı 0,005m, çelğn elastste modülü 2,1x10 11 N/m 2, bm ağılığı 7833 kg/m 3 olaak alınmıştı. Depo bnc deece depem bölges sınılaında olduğu ve ayışmamış metamofk kayaçla oluşan b zemnn üzende mesnetlendğ vasayılmıştı. Hesaplada kullanılacak %2 sönüm oanına kaşı gelen elastk davanış spektumu FEMA356 da [3] velen sönüm ayalama katsayısı (B) yaklaşımı kullanılaak 1999 Afet yönetmelğnde [1] tanımlanan %5 sönüm oanına kaşı gelen elastk davanış spektumundan elde edlmşt. %0,5 sönüm oanına kaşı gelen elastk davanış spektumunu patk olaak elde etmek çn kullanılan b B katsayısına FEMA 356 da astlanmamıştı. %0,5 sönüm oanına kaşı gelen elastk davanış spektumunu elde etmek çn B katsayısının değe 0,65, yapı önem katsayısı I = 1,6 ve taşıyıcı sstem davanış katsayısı R = 2,25 olaak alınmıştı. Tablo 2. Ssmk Yalıtımun Taban Kesme Kuvvet Ve Devlme Moment Üzendek Etkle Q (MN) M (MNm) Sabt tabanlı 26,38 117,41 Ssmk yalıtımlı (T = 3s) 15,44 63,88 Sonuçla Bu çalışmada, sıvı deposuna gelen yanal depem kuvvetlen azaltmak amacıyla ssmk yalıtım teknğ kullanılmıştı. Ssmk yalıtım teknğnde, üst yapı le zemn aasına esnek b tabaka yeleştleek yapıya etkyen depem kuvvetle öneml ölçüde azaltılmaktadı[2]. Bu teknk günümüzde depem bölgelende ye alan ktk köpüle ve hastanele gb depemden sona hemen kullanılması geeken faal kalması geeken yapılaı koumak çn kullanılmaktadı Kuvvetl depemlen yaşandığı bölgelede, sıvı tanklaının elastk davanış spektumundan elde edlen kuvvetlee göe pojelendlmes patk olmamaktadı. Bu duumda, davanış spektumundan elde edlen kuvvetle 3 veya daha büyük b katsayıya bölüneek tasaım kuvvetle elde edlmekted. Bundan dolayı, kuvvetl depemlede sıvı depolaı lnee olmayan davanış göstemekte ve hasala oluşmaktadı. Bu çalışmada, ssmk yalıtım kullanılaak sıvı deposunda hdodnamk etkle yaklaşık olaak yaıya ndlmş ve deponun elastk davanması sağlanmıştı. 525
KAYNAKLAR [1] Bayındılık ve İskan Bakanlığı Afet Bölgelende Yapılacak Yapıla Hakkında Yönetmelk, ABHYYH 1998, 2.7.1998 23390 sayılı Resm Gazete. [2] BOLT, B. ve dğ., "The Chle Eathquake of Mach 3, 1985", Eathquake Specta, Vol.2, No. 2, Chapte 5, pp. 373-409, 1986. [3] Fedeal Emegency Management Agency FEMA-356 Pestandad and commentay fo the sesmc ehabltaton of buldngs. FEMA 356/Novembe 2000, Buldng Sesmc Safety Councl, Washngton D.C. [4] HAROUN, M. A., Implcatons of Obseved Eathquake-nduced Damage on Sesmc Codes and Standads of Tanks, PVP Vol 223 Flud-stuctue Vbaton and Sloshng, ASME 1991. [5] HOUSNER, G.W., "Dynamc Pessue on Acceleated Flud Contanes", Bulletn of the Sesmologcal Socety of Ameca, Vol. 47, No. 1, pp. 15-35, 1957 [6] HOUSNER, G.W., The Dynamc Behavo of Wate Tanks, Bulletn of Sesmologcal Socety of Ameca, 53(2) 381-387, Feb.1963. [7] KIM, N.S. and LEE, D.G. (1995). Pseudo-Dynamc Test fo Evaluaton of Eathquake Pefomance of Base- Isolated Lqud Stoage Tanks, Engneeng Stuctues, 17(3), 198-208. Sesmology and Eathquake Engneeng, 2, 45-54 [8] MALHOTRA, P., Method fo sesmc base solaton of lqud-stoage tanks, Jounal of Stuctual Engneeng, ASCE, Vol. 123, No. 1, Januay, 1997 [9] MALHOTRA, P., Pactcal Nonlnea Sesmc Analyss of Tanks, Eathquake Specta, May 2000, 473-492 [10] NAEIM, F., and KELLY, J. M. (1999). Desgn of sesmc solated stuctues: Fom theoy to pactce, Wley, Chcheste, England. [11] NIELSEN, R., "Damage to Ol Refnees fom Majo Eathquakes", Jounal of Stuctual Engneeng, ASCE, Vol. 112, pp. 1481-1491, 1986 [12] NIWA, A. and CLOUGH, R.W., "Bucklng of Cylndcal Lqud-Stoage Tanks Unde Eathquake Loadng", Eathquake Engneeng and Stuctual Dynamcs, Vol. 10, pp. 107-122, 1982. [13] SKINNER, R. I., ROBINSON, W. H., ve McVERRY, G. H. (1993). An ntoducton to sesmc solaton, Wley, Chcheste, England 526