Sismik taban yalıtımlı bir binanın deprem yalıtım birimi ankrajlarının incelenmesi

Abstract

Dünya'da nüfusun önemli bir kısmı, aktif fay hatları nedeniyle deprem tehlikesiyle iç içe yaşamaktadır. Geçmişten günümüze birçok kez depremin yıkıcı etkilerine şahit olunmuştur. İnsanların ve diğer canlı ve cansız varlıkların üzerindeki depremin bu yıkıcı etkisini azaltmak için yapıların tasarımında ve inşasında birçok yöntem geliştirilmiştir. Akademisyenler ve mühendisler tarafından geliştirilen ve uygulanan bu yöntemlerin içerisinde, günümüzde geleneksel olarak kabul edilen uygulamaların yanı sıra bazı yenilikçi uygulamalarda mevcuttur. Sismik taban yalıtımı da bu yenilikçi yöntemlerin içerisine dahil edilmektedir. Sismik izolatörler yapıya düşey eksende rijitlik, yatay eksende esneklik sağlamaktadır. Bu cihazların kullanımının temel amacı, yapının periyodunu artırarak üstyapıya etkiyen deprem kuvvetini azaltmaktır. Bunun yanı sıra düşey yüklerin taşınması, yeniden merkezleme ve yapıya ilave sönüm katma gibi fonksiyonları da bulunmaktadır. Sismik izolatörler, deplasman talebinin çok fazla olduğu binalarda sismik sönümleyicilerle beraber de kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasının amacı, sismik izolatör katı dahil toplam 5 katlı bir binaya uygun yalıtım biriminin tasarlanıp, bu yalıtım biriminin ankrajlarının ACI 318 ve Eurocode 2-4 yönetmeliklerine göre kontrol edilmesidir. Çalışma kapsamında kurşun çekirdekli elastomer yalıtım birimleri tercih edilmiştir. Bu yalıtım birimleri, iki kalın çelik plaka arasına birer sıra doğal kauçuk veya neopren ve ince çelik sac konularak vulkanizasyon işlemi ile birleştirilerek üretilmektedir. Yalıtım biriminin ortasında ise sönüm kapasitesinin artırılması amacıyla kurşun çekirdek yerleştirilmiştir. Kauçuk katmanlar yalıtım birimine yatayda esneklik sağlarken, aynı zamanda deprem sonrası yeniden merkezleme görevini üstlenmektedir. Çelik katmanlar üstyapıdan gelen eksenel basınç kuvvetlerine karşı koyarak yalıtım biriminin yüksek basınç kuvveti etkisi altında yanal olarak şişmesini (bulging) engellemektedir. Yalıtım birimlerinin tasarımı TBDY-2018 Bölüm 14'e göre gerçekleştirilmiştir. Yönetmeliğe göre altyapı ve üstyapı için belirli şartlar dahilinde doğrusal analiz yapılabilirken, yalıtım birimlerinin tasarımı doğrusal olmayan analiz yöntemlerine göre yapılmalıdır. Bu çalışma kapsamına üstyapı tasarımı dahil edilmemiş olup, yalnızca altyapı ve yalıtım birimi tasarımı değerlendirilmiştir. Yapıya uygun sismik izolatörlerin seçimi için zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizden önce bir ön tasarım yapılması uygundur. Böylelikle doğrusal olmayan nihai tasarımdaki deneme-yanılmanın önüne geçerek zaman tasarrufu yapılabilmektedir. Çalışma kapsamında üstyapı değerlendirilmediği için ön tasarım ve diğer analizler sadece tekrarlanma periyodu 2475 yıl olan DD-1 seviyesinde en büyük deprem yer hareketine göre gerçekleştirilmiştir. Ön tasarım, sismik izolatör parametrelerinin hem alt sınır hem üst sınır özelliklerine göre yapılmıştır. Ön tasarımda kullanılacak spektrum AFAD veri tabanından, çalışma kapsamında incelenen binanın lokasyonuna ve bu lokasyondaki ZC zemin sınıfına göre DD-1 deprem yer hareketi düzeyinde elde edilmiştir. Ön tasarımda, seçilen hedef deplasman ile ilgili periyotta spektrumdaki deplasman eşitleninceye kadar iterasyon yapılmıştır. Bu hesaplar sonucunda sismik izolatör parametrelerinin alt sınır değerleri için bina etkin periyodu 2.32 saniye ve sismik izolatörün yer değiştirmesi ise 379 mm elde edilmiştir. Sismik izolatör parametrelerinin üst sınır değerleri için ise bina etkin periyodu 1.32 saniye, sismik izolatörün yer değiştirmesi ise 171 mm bulunmuştur. Ön tasarım sonrası mekanik özellikleri belirlenen sismik izolatörler, SAP2000 programında link eleman olarak modellenmiştir. Çalışma kapsamında sadece yalıtım biriminin tasarımı yapılacağı için nihai tasarım için hızlı zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz (FNA) tercih edilmiştir. PEER veri tabanından çekilen 11 adet deprem, TBDY-2018'deki kurallara uygun olarak ölçeklendirilmiştir. Bu depremlerin her iki doğrultudaki ivme kayıtları dikkate alınarak toplam 22 adet deprem kaydı ile yapılan analizde ön tasarımdaki sonuçlar kontrol edilmiştir. Ayrıca 11 adet ölçeklenmiş depremin ortalama ivme spektrumuyla mod birleştirme yöntemine göre doğrusal analiz yapılmıştır. Tüm bu yapılan doğrusal ve doğrusal olmayan analizlere göre sismik izolatörlere etkiyen maksimum çekme kuvveti 380.46 kN, maksimum kesme kuvveti 268.95 kN olarak belirlenmiştir. Elde edilen bu kuvvetlere göre sismik izolatör ankrajları, ACI 318 ve Eurocode 2-4 yönetmeliklerinde yerinde döküm başlı ankrajlar için verilen göçme mekanizmalarına karşı kontrol edilmiştir. Her iki yönetmelikte de bu tip ankrajlar için çekme etkisinde 4 adet, kesme etkisinde 3 adet olmak üzere toplam 7 adet göçme mekanizması bulunmaktadır. Çekme etkisindeki göçme mekanizmaları, ankraj çeliği hasarı, beton konik kopma hasarı, ankraj sıyrılması hasarı ve beton yan yüz patlama hasarı olarak verilmiştir. Kesme etkisinde ise, ankraj çeliği hasarı, beton kenar kopma hasarı ve beton kaldıraç hasarı gibi göçme mekanizmaları bulunmaktadır. Yapılan hesaplamalar sonucu her iki yönetmeliğe göre de çekme kuvveti etkisinde beton konik kopma dayanımı ve kesme etkisinde beton kenar kopma dayanımı yetersiz kalmıştır. Bu sebeple tasarım dayanımın sağlanması için her iki yönetmelikte verilen detaylara ve koşullara uygun olarak ilave donatı eklenmiş olup yeterli dayanımın sağlandığı kontrol edilmiştir. Diğer göçme mekanizmaları için yapılan kontrollerde öngörülen tasarımın yeterli olduğu görülmüştür. Bu göçme modlarının kontrolü dışında, çekme ve kesme etkileşimi hesabı da yapılmıştır. Çekme ve kesme etkileşimi hesabı ACI 318 için, çekme ve kesme kuvveti etkisindeki en kritik göçme modlarına göre yapılmaktadır. Eurocode 2-4'te ise bu hesap ankraj çeliği, beton ve ilave donatının göçme modlarına göre ayrı ayrı incelenmektedir. Taban plakası tasarımı, bu tez çalışması kapsamına dahil edilmemiştir. Son olarak sonuç bölümünde ise her iki yönetmelikteki farklılıklar ve benzerlikler irdelenmiştir. Tez kapsamında incelenen ankraj tasarımı özelinde her bir göçme modu için Eurocode 2-4'ün ACI 318'e göre daha güvenli tarafta kaldığı saptanmıştır. Ayrıca bazı durumlarda Eurocode 2-4'ün daha özelleşmiş hesaplamalara yer verdiği gözlenmiştir. Bu karşılaştırmaların yanı sıra ankraj tasarımında ve uygulamasında önemli olduğu düşünülen hususlara yer verilmiş ve bu hususlar hakkında çeşitli öneriler getirilmiştir.