4 katlı bir hastane binasının üstyapısının konvansiyonel yöntemlerle ve sismik izolasyon yöntemiyle Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018'e göre analizi

Abstract

Yapısal tasarımda göz önünde bulundurulması gereken en önemli etkilerden biri deprem kuvvetleridir. Özellikle güçlü yer hareketlerinin sık ve şiddetli olduğu bölgelerde mühendisler ve akademisyenler tarafından birçok farklı yöntem ve yapısal sistem geliştirilmiş, kullanılmış ve kullanılmaya devam etmektedir. Bu yöntemlerin en güncel ve en yeni teknoloji olanlarından birisi sismik yalıtım tekniğidir. Sismik yalıtım yöntemi, son zamanlarda depreme dayanıklı yapılar tasarlamada biz mühendislerin en etkili silahlarından biri olmuştur. Bu çalışmanın amacı 4 katlı bir hastane binasının konvansiyonel yöntemlerle ve sismik yalıtım yöntemiyle analiz edilip sonuçların karşılaştırılmasıdır. Tasarımların yapılması için iki farklı hesap modeli oluşturulmuştur. Bunlardan birincisi ankastre mesnetli bina olup çalışma kapsamında "Ankastre Mesnetli Bina" olarak, ikincisi ise sismik yalıtım uygulanan bina olup çalışma kapsamında "LRB Mesnetli Bina" olarak anılmıştır. Çalışma kapsamında üstyapı elemanlarına odaklanılmış olup altyapı elemanlarının tasarımı yapılmamıştır. Sismik yalıtım tekniği diğer yöntemlere göre daha yeni ve teknolojik bir yöntem olarak düşülebilir. Bu teknik, alışılagelmiş yöntemlerden farklı olarak depreme dayanıklı yapı tasarımı için yapının deprem dayanımını arttırmak yerine yapı üzerindeki deprem kuvvetlerinden oluşacak olan talebi azaltmaya dayanan bir tasarım yaklaşımıdır. Sismik yalıtım yönteminin hedeflerinden biri de binanın hakim titreşim periyodunu arttırarak binalar için tehlikeli bir durum olan deprem hareketi periyoduyla rezonans halinde bulunma durumundan binayı uzaklaştırmaktır. Sismik yalıtım uygulamak için kullanılabilecek farklı türde cihazlar vardır. Bunlardan kurşun çekirdekli elastomer ve eğri yüzeyli sürtünmeli yalıtım birimleri en yaygın olarak kullanılan iki yalıtım cihazı türüdür. Sismik yalıtım cihazlarının 4 temel fonksiyonu vardır. Bunlar yalıtım, düşey yüklerin taşınması, sönümleme ve yeniden merkezleme olarak sıralanmaktadır. Ancak her tür yalıtım cihazı bu temel fonksiyonların tümünü yerine getiremeyebilir. Bundan dolayı bazı yalıtım cihazları başka yalıtım birimleriyle veya ilave sönümleme cihazlarıyla birlikte kullanılmayı gerektirebilir Bu çalışma kapsamında yalıtım sistemini oluşturmak üzere farklı geometrik özelliklere sahip iki farklı kurşun çekirdekli elastomer mesnet kullanılmıştır. Kurşun çekirdekli elastomer cihazları katmanlar halinde kauçuk malzeme ve çelik plakalar, bunların çevrelediği merkezde bulunan bir kurşun çekirdek ve cihaz bileşenlerinin dış ortamla temasını kesmek maksadıyla yapılan bir dış kaplama ile tüm bunları alt ve üstten bir sandviç gibi arasına alan, cihazın bina üstyapısı ve altyapısıyla bağlantısını sağlayan başlık plakalarından oluşur. Cihazın katmanlı yapıya sahip olmasının nedeni yalıtım cihazına yüksek düşey rijitlik kazandırmaktır. Kauçuk malzeme, çelik plakalarla katmanlar halinde güçlendirilmediği durumda yüksek basınç kuvvetleri altında yanlardan şişkinlik yapacak ve düşey yükler altında rijit olmayan bir davranış sergileyecektir. Kurşun çekirdekli elastomer cihazların belirleyici özelliği ise cihazın merkezinde silindirik bir kurşun çekirdek bulunmasıdır. Bu kurşun çekirdek sayesinde sönümleme özelliği kazanılır. Cihazda yeniden merkezleme görevini ise kauçuk malzeme üstlenmektedir. Kurşun çekirdekli elastomer cihazlar doğrusal olmayan mekanik özelliklere sahiptir. Cihazın mekanik özellikleri hesaplanırken ilgili deprem seviyesinde cihazda oluşan deplasman değeri sonuçları doğrudan etkilemektedir. Bu deplasman değerinin hesaplanmasında ise cihazın mekanik özellikleri doğrudan etkin rol oynamaktadır. Bunun sonucunda tasarım mühendisi, tasarımda kullanılacak olan cihazı belirlerken bir deneme-yanılma hesap sürecine girmektedir. Yalıtım cihazının ön tasarımı yapıldıktan sonra nihai tasarımını sonuçlandırmak için zaman tanım alanında doğrusal olmayan hesap yöntemi kullanılmaktadır. Dolayısıyla ön tasarımda uygun cihazı seçmek, nihai tasarım sonucunda yalıtım cihazının uygun olmadığının anlaşılması ve hesapların baştan alınarak çokça vakit kaybedilmesini önlemek adına oldukça önemlidir. TBDY-2018'e göre sismik yalıtımlı bina tasarımında Bina Önem Katsayısı I=1 alınacaktır. Yapısal hesap modeli kurulurken yalnızca yalıtım birimlerinin doğrusal olmayan davranışa uygun olarak modellenmesi, altyapı ve üstyapı elemanlarının doğrusal elastik olarak modellenmesi mümkündür. Sismik yalıtımlı binaların tasarımında kullanılmak üzere TBDY-2018'de tanımlanan üç hesap yöntemi vardır. Bunlar Etkin Deprem Yükü Yöntemi, Mod Birleştirme Yöntemi ve Zaman Tanım Alanında Doğrusal Olmayan Hesap Yöntemi olarak sıralanabilir. Bu hesap yöntemlerinin uygulama koşulları mevcut olup her bina için her hesap yöntemini uygulamak mümkün olmamaktadır. Ancak Zaman Tanım Alanında Doğrusal Olmayan Hesap Yöntemi her durumda kullanılabilir. Çalışma kapsamında ele alınan binanın analiz ve tasarımı öncelikle konvansiyonel yöntemle yapılmıştır. Bu hesap yönteminde bina kolonları temel seviyesinden ankastre mesnetli olarak modellenmiştir. Bina taşıyıcı sistemi moment aktaran betonarme çerçevelerden oluşmaktadır. Deprem yüklerinin hesabı Mod Birleştirme Yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Hesaplarda yalnızca düşey yükler (ölü yükler ve hareketli yükler) ve deprem yükleri göz önüne alınmıştır. Binanın analizi ve betonarme elemanların tasarımı TBDY-2018 uyarınca yapılmış olup yüksek süneklik kontrollerini de içeren çeşitli kontroller yapılmış, gerekliliklerin sağlandığı hesapla doğrulanmıştır. Bunun hesaplamalar sonucunda eleman boyutları olarak 70x70 cm2 ebatlarında kare enkesitli kolonların ve 40x70 cm2 ebatlarında dikdörtgen enkesitli kirişlerin yeterli olduğu bulunmuştur. Aynı binanın tasarımı daha sonra sismik yalıtım yöntemiyle de yapılmıştır. Ancak sismik yalıtım yöntemiyle hesapta farklı olarak 80 cm kalınlığa sahip bir izolasyon döşemesi ilave edilmiş ve kolonların altındaki ankastre mesnetler yerine yalıtım cihazlarını temsil etmek üzere doğrusal olmayan özelliklere sahip "link" elemanlar modellenmiştir. Ayrıca izolasyon döşemesinin altında da 150x150 cm2 ebatlarında ters kaideler modele eklenmiştir. Hesap modelinde yalıtım birimlerini temsil eden "link" elemanlar haricindeki tüm elemanlar doğrusal olarak modellenmiştir. Sistemin analizinde diğer yöntemde olduğu gibi Mod Birleştirme Yöntemi kullanılmıştır. Üstyapı elemanları için hesap yapılırken DD-2 deprem yer hareketi düzeyinde yalıtım birimlerine ait parametrelerin üst sınır değerleri, yalıtım birimleri için hesap yapılırken ise DD-1 deprem yer hareketi düzeyinde yalıtım birimlerine ait parametrelerin alt sınır değerleri kullanılmıştır. Bu iki durum karşılaştırıldığında yalıtım sistemi rijitliklerinin, dolayısıyla bina hakim titreşim periyotlarının önemli ölçüde farklılık gösterdiği görülmektedir. Yalıtım birimlerinin tasarımında kullanılan malzeme özellikleri ve cihaz geometrik özellikleri, kullanılan katalogdan elde edilmiş olup bazı değerlerin TBDY-2018'de verilen değerlerden farklı olduğu göze çarpmıştır. Yapıların modal analizi sonucunda elde edilen periyotlar kıyaslandığında, ankastre mesnetli bina periyotlarının X ve Y yönleri için sırasıyla 0.872 s ve 0.987 s olduğu, LRB mesnetli bina periyotlarının DD-2 depreminde yalıtım birimi parametrelerinin üst sınır değerleri için 1.348 s ve 1.395 s olduğu, ve yine LRB mesnetli bina periyotlarının DD-1 depreminde yalıtım birimi parametrelerinin alt sınır değerleri için 2.987 s ve 3.004 s olduğu görülmektedir. Tasarım sonuçları kıyaslandığında, LRB mesnetli bina tasarımında üstyapı elemanlarının boyutlarının küçültülemediği, hatta kolon boyuna donatılarının arttırılması gerektiği sonucuna ulaşılmıştır. Taşıyıcı sistem davranış katsayısının (R) göz önüne alınmasıyla elde edilen tasarım kuvvetleri altında, LRB mesnetli binada elde edilen taban kesme kuvvetleri ve üstyapı elemanlarının iç kuvvetlerinde azalma olmadığı, aksine ankastre mesnetli binaya kıyasla daha büyük değerler okunduğu görülmüştür. Ancak göreli kat ötelenmelerinin kontrolü TBDY-2018'de anlatıldığı gibi taşıyıcı sistem davranış katsayısı göz önüne alınmadan, yani R=1 ve I=1 kabul edilerek yapılmıştır. Bu doğrultuda elde edilen veriler, LRB mesnetli binadaki göreli kat ötelenmelerinin ve kat ivmelerinin ankastre mesnetli binaya kıyasla çok daha düşük olduğunu ortaya koymaktadır. Elde edilen bu bulgulara göre sismik yalıtım yönteminin kat ivmeleri ve göreli kat ötelenmelerini epeyce azalttığı, binanın kullanım konforunu oldukça olumlu yönde etkilediği, ancak üstyapı elemanlarının boyutlarında bir tasarruf yapmayı mümkün kılmadığı sonucuna varılmaktadır. Bu bağlamda bina kullanımındaki hassasiyetin önemli görüldüğü yüksek ehemmiyetli yapılarda sismik yalıtım yönteminin uygulanması isabetli bulunmuştur. Ayrıca TBDY-2018'e göre iki farklı yöntemle tasarım yapılırken aynı bina için tanımlanan bina performans hedeflerinin farklı tasarım yöntemleri için farklılık gösterdiği (Kesintisiz Kullanım ve Kontrollü Hasar) ve bu iki tasarımda bina kullanım amacının değişmediği de bulgular arasındadır. Yapılan çalışma kapsamında elde edilen sonuçlar değerlendirilirken, bu sonuçların çalışmada ele alınan bina özelinde elde edildiği, farklı özellikteki binalar için daha farklı sonuçlara ulaşılabileceği ihtimali unutulmamalıdır.