Earthquake performance and project budget comparison of a conventional building and a seismically isolated building

Abstract

In the structural design process, various design methods are used all around the world. Seismic isolation is a relatively new method for designing earthquake-resistant structures in comparison with the conventional design approaches. Basically, all the design methodologies specified in the codes and specifications aim to protect life safety of the residents in the building by resisting the forces that may be occured by earthquakes. The energy released by the earthquake must be absorbed by structural elements before the structural failure occurs. While the structures that are designed according to conventional design approaches dissipate the earthquake energy by the help of the possible damages that may be occurred in its structural elements, the aim of base isolation usage is to diminish the effect of the forces that are transmitted to the structure from the ground. Therefore, in base-isolated buildings, the structural elements would be less damaged, and the structure may not lose its functionality after being exposed to different earthquake excitations. Seismic isolation devices are placed into the base of a structure to enhance the ability of energy dissipation. The energy is absorbed by the displacement of the isolation level. This reduces the earthquake effects that the building experiences. In this study, a five-storey structure is chosen to be analyzed from both earthquake safety and cost perspectives. Time history analysis are carried out with SAP 2000 software. The building's width and height are chosen as 40 m and 15 m, in a respective way. The buildings that have same width and height are modelled for two cases. One with fixed base and the other with base-isolation. Time History analysis are performed for both cases by using the same earthquake record to determine the earthquake performance of the buildings. In Case I, the fixed-base building is used. The earthquake performance of the building is obtained by the help of time history analysis. Secondly, a base isolated building is modeled and analyzed. In addition to the comparison of earthquake performance, this study evaluates the cost of these two cases. With no doubt during an earthquake the life safety is the primary concern however financial situation must also be taken into account during the design process. Cost estimation plays a prominent role for financial project budget. It aims to maintain the project with the available resourses. These resources, of course, have limitations since every project have its own budget and time-limit. The method of design has a great impact on the project budget of the building. Design method affects not only the construction cost of project, but also service-life of the project. The costs of both conventional and seismically isolated buildings are calculated. Then, the seismically isolated and conventional buildings are compared in terms of their seismic performance and the project budget.Finally, the result of seismic performance and the cost benefit are presented and discussed according to findings of the analysis. It is obtained from this thesis that, although the initial construction cost of the seismically isolated structure is obviously more than the conventional building, eventually in a possible earthquake scenario seismic isolation may provide financial advantage over the conventional building case.

Yapısal tasarım sürecinde dünyanın her yerinde çeşitli tasarım yöntemleri kullanılmaktır. Şüphesiz ki her yöntem gibi yapısal tasarım yöntemleri de günden güne gelişmeye devam etmektedir. Son yıllarda oldukça yaygın kullanılmaya başlayan sismik yalıtım da yapısal tasarım yöntemlerinden biridir. Sismik yalıtım, depreme dayanıklı yapıların tasarlaması için geleneksel tasarım yaklaşımlarına kıyasla nispeten yeni bir yöntemdir. Dünya'da depremlerin etkin olduğu coğrafyalarda depreme dayanıklı binaların tasarımı ülkelerin deprem yönetmeklerine göre yapılmaktadır. Bu yönetmelikler ülkelerden ülkelere bazı değişiklikler gösterse de temel prensip olarak aynı misyonu amaçlamaktadır. Yönetmeliklerde yer alan tüm tasarım metodolojileri ilk olarak depremin bina üzerinde oluşturacağı kuvvetlere direnerek bina içerisinde ikamet eden insanların can güvenliğini korumayı hedeflemektedir. İnsanların can güvenliğini sağlamak için depremin açığa çıkardığı enerji, yapısal göçme meydana gelmeden absorbe edilmelidir. Bu prensip doğrultusunda geleneksel tasarım yaklaşımlarına göre dizayn edilen yapılar, depremin enerjisini yapısal elemanlarına hasar alarak sömümlerken taban izolasyonu zeminden yapıya iletilen kuvvetlerin azaltılmasına neden olarak yapısal elemanlarda oluşacak hasarı en aza indirmeyi sağlamaktadır. Bu nedenle yapının tasarımı sırasında sismik isolasyon kullanılması kararlaştırılmışsa yapı elemanları farklı deprem uyarımları sonucu oluşmuş kuvvetlere maruz kaldıktan sonra daha az hasar alır ve yapının işlevi kaybolmayarak kesintisiz kullanım sağlanır. Sismik izolasyon mekanizması basitçe deprem sonucu oluşan ve zeminden binaya aktarılacak olan kuvvetlerin taban kısmına yerleştirilen izolatörler tarafından sönümlenmesi şeklinde açıklanabilir. Bu kuvvetler taban seviyesinde bulunan izolatörlerin yer değiştirmesi ile absorbe edilir. Bir başka deyişle deprem sonucu oluşan binaya etki edecek kuvvetler izolasyon katmanında kullanılan izolatörün deforme olmasıyla emilir. Bu sayede yapının üst katlarındaki taşıyıcı sistem elemanlarında oluşacak hasar minumum seviyede kalacaktır. Katlar arası deplasmanlar istenilen düzeyde sınırlandırılabilecek ve kontrol edilebilecektir. Bu çalışma özelinde kullanılacak bina 5 katlı betonarme bir yapı olarak seçilmiştir. Binanın plandaki eni ve boyu 40 m'dir. Her kat yüksekliği aynı ve 3 m'dir. Aynı boyutlandırmaya sahip iki bina ayrı ayrı olarak SAP 2000 programında analiz yapılmak üzere modellenmiştir. SAP 2000 programında binaların deprem performansını belirlemek amacıyla aynı deprem kaydı kullanılarak her iki durum için Zaman-Tanım alanında analiz yapılmıştır. Birinci analizde bina geleneksel yöntemle sabit tabanlı olarak modellenerek incelenmiş ve yerdeğiştirme gibi deprem performansını gösteren değerler elde edilmiştir. Yönetmeliklerin ortak amacı yeni yapılacak binaların depreme dayanıklı tasarımının ana ilkesi; hafif şiddetteki depremlerde binalardaki yapısal ve yapısal olmayan sistem elemanlarının herhangi bir hasar görmemesi, orta şiddetteki depremlerde yapısal ve yapısal olmayan elemanlardaoluşabilecek hasarın sınırlı ve onarılabilir düzeyde kalması, şiddetli depremlerde ise can güvenliğinin sağlanması amacı ile kalıcı yapısal hasar oluşumunun sınırlanması şeklinde özetlenebilirken maliyet ile alakalı herhangi bir kısıtlama içermez. Öte yandan, can güvenliği bina tasarımın en önemli amacı olmakla beraber finansal etkenler de bina tasarımı yapılırken hesaba katılmalıdır. Finansal bağımsızlık hiçbir projede mümkün olmadığı gibi inşaat projelerinde de mümkün değildir. Binanın tasarım yöntemi gibi maliyet analizi de inşaat sürecinin kilometre taşlarından birisidir. Maliyet tahmini yapılırken dikkat edilmesi gereken hususların başında kaynakları verimli şekilde kullanılması gelmektedir. Bir başka deyişle proje başında belirlenmiş olan kısıtlı imkanlarla istenilen projenin çıkarılması amaçlanmaktadır. Maliyet tahmini, binanın proje bütçesini hesaplamada önemli rol oynamaktadır. Her projenin kendine özel bütçesi ve zaman kısıtı olduğu için bu kaynaklar sınırlı olmakla beraber projeyi mevcut kaynaklarla sürdürmeyi amaçlamaktadır. Mühendislik süreci; yapının malzemesi, temel sistemi ve yapının tasarım metodu gibi unsurların belirlendiği yer olduğu için inşaat sırasında ve sonrasında hem yapısal hem finansal olarak önem arz etmektedir. Tasarım yöntemi ise binanın proje bütçesi üzerinde en büyük etkiye sahip olan kriterlerden biridir. Tasarım yöntemi sadece projenin inşaat maliyetini değil, aynı zamanda projenin servis ömrünü de etkiler. Aynı yapısal özelliklere sahip iki referans binalardan sismik izolatör yerleştirelerek yapısal tasarımı yapılmış olan binanın maliyetinin daha fazla olduğu oldukça açıktır. Ancak uzun vadeli düşünüldüğünde sismik izolasyonlu binanın geleneksel binaya kıyasla daha avantajlı olacağı beklenmektedir. İki farkı yöntemle tasarlanan binaların proje maliyetleri aktivite tabanlı maliyet analizi yöntemi kullanılarak hesaplanmıştır. Daha sonra bu iki bina için yapılan deprem analizi ve hesaplanan proje maliyeti elde edilen bulgular ışığında karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmalar sonuç kısmında sunulacaktır.