Deprem, Deprem ve Sismik İzolasyon, Genel

Özet: Bu güne kadar meydana gelmiş depremlerde yapısal hasarlar incelendiğinde yıkıcı ve büyük hasarların en önemli nedenlerinden en önemlisi, depremin yer değiştirme hareketine uyum sağlayabilecek yapı sistemlerinin ve elemanlarının yer değiştirme kapasitelerinin yetersizliğinden kaynaklandığı tespit edilmişidir. Yer değiştirme kapasiteleri yetersiz olan yapılarda, olabilecek hasarı minimize etmek için geleneksel olan iki şekilde uygulama yapılmaktaydı. Bu metotlar tek başına uygulandığı gibi ayrı ayrı da uygulanabilmektedir.

⦁ Yapılarda yatay rijitliğini artırmak için betonarme perde, çapraz çelik vb. kullanılarak yapının göreli kat ötelemelerinin ve yapı malzemelerinin yer değiştirme istemini düşürmek.
⦁ Depremin hareketine uyum sağlamayan yani yer değiştirme kapasitesi düşüş olan kapasiteyi artırarak güçlendirme metotlarının kullanılması. Elyaf malzeme ile sargılama gibi kapasiteyi arttırıcı güçlendirme yöntemleri uygulanması.
Günümüzde hızla büyüyen sanayi ve teknoloji yapı alanında da çok büyük yenilikler getirmektedir. Özellikle deprem hareketine uyum sağlayabilen ve bugüne kadar uygulanan yöntemlerden çok daha etkili deprem yalıtım sistemleri için sismik izolasyon (izolatör) kullanılmaya başlandı. Depremin yer değiştirme talebinin çoğunu karşılamakta ve dipten gelen deprem yükü göreli kat ötelemeleri büyük miktarda azalmakta ve sönümlenerek 1/3 oranında üst yapıya aktarmaktadır.
Deprem izolatörlerinin ve bugüne kadar uygulanmış olan geleneksel yöntemler ile deprem yalıtım sistemlerinin ve yapı güçlendirmelerinin karşılaştırılması ve Türkiye’de izolatörlerin kullanıldığı projelerin incelenerek bu projeler ve izolatörler ile ilgili bilgi verilmektedir.

Anahtar Kelimeler: deprem, geleneksel yapı sistemi, izolatör, güçlendirme, sismik izolasyon, rezonans

GİRİŞ
İnsanlık tarihi boyunca yaşadığımız mekanları etkileyen deprem, diğer doğal afetlere göre önceden tahmin olanaksız ve günümüzün gelişmiş bilim ve teknolojisi ile kısa bir süre önce fark edilmiş olsa bile gerekli önlemleri almak için yeterli zamanın olmadığı bir doğal afet türüdür. Dolayısı ile bu tür bir doğal afet olan depreme karşı önceden önlem almak zorunda bırakılmıştır. Büyük deprem kuşağında olan ülkemizde olmuş deprem kayıtlara bakıldığında 1900 ile 2004 arasında büyüklüğü 4 ile 7,5 olan 140 adet deprem meydana gelmiştir. bu yıkıcı depremler ülkemize maddi ve manevi büyük zararlar vermiştir. Bu sonuçlar sektörde mühendisleri deprem olgusunu araştırmaya sevk etmiştir. Deprem, iki farklı şekilde tanımlanmaktadır. Bunlardan biri depremin büyüklüğü öteki ise şiddetidir.
⦁ Depremin büyüklüğü: o deprem sırasında açığa çıkan enerjinin miktarıdır.
⦁ Depremin şiddeti : o depremin meydana geldiği bölgede bıraktığı hasarın miktarıdır.
Her depremin bir adet büyüklüğü olur ancak oluşan her depremin oluştuğu bölgede merkez üssüne olan uzaklığına göre yaratacağı hasara göre şiddeti değişken olabilir. Deprem kuşakları olan yani dünya üzerindeki fay hatlarının üzerindeki ülkeler için deprem kavaramı çok daha büyük bir önem taşımaktadır.
Dünyada, mühendisler ve mimarlar uzun yıllardan beridir binaların yerkabuğu hareketlerine verdiği tepkileri minimize etmek için yeni ve sonuç veren metotları bulmak için birtakım çalışmalar yapmaktadırlar. Son zamanlarda yapılan araştırmalar neticesinde geleneksel uygulamadan çok daha etkili sonuç veren Sismik izolasyon ve enerji sönümleyici sistemler kullanılmaya başlanmıştır. Sismik izolasyon depreme dayanıklılığı artırmak için uygulanan yeni yöntemlerden biridir. Bunun yanı sıra Aktif kontrol ve karma sistemler gibi diğer sismik koruma sistemleri de devamlı güncellenmekte ve depremin yıkıcı etkisini minimize temek için çok daha etkili yöntem ve metotlar geliştirilecektir ..
Sektör mühendislerinin ve mimarların hayalleri olan yapıyı zemin etkilerinden izole etmek, gelişen bilim ve teknolojinin getirmiş olduğu yenilikler sayesinde gerçekleşmektedir. Bu yeniliklerden biri olan deprem izolatörler ile olabilecek deplasmanların yapının temeli ile üst yapısı arasında oluşmasını sağlamak ve depremden kaynaklanan enerjinin soğurması amaçlanmaktadır.
Depreme karşı sismik izolasyon sistemi en azından birinci derece deprem bölgelerinde bulunan kamuya ait olan ve ortak yaşam değeri taşıyan yapılarda (köprüler, bilgi işlem merkezleri, müzeler, tarihi yapılar, hastaneler, tehlikeli kimyasal madde bulunduran yapılar, havalimanları, ulaşım istasyonları, eğitim binaları, önemli makine ve cihaz bulunduran yapılar, itfaiye binaları, polis binalarında ) kullanılmasının, öncellikle insanların maddi ve manevi kayıpların önleyebilecek ve sorunlara müdahale için bu tür yapıların sismik izolasyon bakımında önceliği bulunmaktadır. Bu nedenle bu çalışmada depreme dayanıklı yapı tasarımında kullanılan deprem izolatörler tanıtılarak ve yöntem ve türleri ile ilgili uygulama örnekleri ile beraber tanıtılmaktadır.

SİSİMİK İZOLASYON NEDİR:

Sismik izolasyon: yapının temeli ile üst sistemi yapısına uygun farklı şekillerde yerleştirilen yatada rijitliği düşük olan, düşeyde ise yüksek olan izolatörlerin yardımı ile yapının üst periyotunu yapıya gelen deprem yüklerini azaltmak için kullanılan yüksek mukavemetli strüktürel yapı elemanlarının oluşturmuş olduğu sisteme denir.
Sismik izolasyon uygulanarak yapıların dinamik sistemini değiştirerek deprem esnasında yapıya gelen yatay yük azaltılması amaçlanır şekil 1’de görüldüğü gibi ‘’Deprem sırasında yapının frekansı ile zeminin frekansının birbirine yakın olması durumunda yapı rezonansa geleceğinden deprem hasarı beklenenden çok daha büyük olmaktadır. Genel olarak “uzun periyotlu yapıların kısa periyotlu zeminler üzerine, kısa periyotlu yapıların da uzun periyotlu zeminler üzerine yapılması” depreme dayanıklı yapı yapmanın önemli bir aşamasını oluşturur (1).’’
‘’Yapı periyodu 𝑇=2𝜋 𝑚/𝑘 ile ifade edilmektedir. Görüldüğü üzere periyod (T) yapının kütlesi (m) ile doğru, rijitliği (k) ile ters orantılıdır. Bu şekilde yapı elemanlarının rijitliğini uygun seçerek; titreşim periyodunu belirli aralığa getirmek suretiyle deprem etkilerini küçültmek mümkündür. Böylece uzun zemin periyotlarının hâkim olduğu genellikle derin tabakalar halinde yumuşak zeminin bulunduğu bölgelerde kısa periyotlu rijit, az katlı yapılar uygun düşerken bunun karşıtı olan kayalık, sert zemin bölgelerinde yer hareketinin yüksek düşük periyotlu kısmı hakim olur ve bu bölgelerde de yüksek periyotlu, çok katlı yapılar uygun düşer. (1)’’
Sismik izolasyonun uygulama metodu; olabilecek doğal zemin hareketlerinin temel ile üst yapı arasındaki etkileşimin seviyesini düşürmek ve düşeyde rijit ancak yatayda haraketli ve belirli aralıklarda yer değiştirme olabilmesi için kullanılan donanımlar ile üst yapıyı temel hareketinden izole etmenin adıdır..
Şekil 1’de görüldüğü üzere sismik izolasyonlu yapıda sadece tabanda ötelenme olmakta sismik izolasyonsuz yapıda ise katlar arasında büyük ötelenmeler olmaktadır. Ayrıca sismik izolasyonlu yapı kat ivmelerinin azaltılması için gerekli yatay ”esnekliğe” ve büyük rijit üst yapısı sayesinde rölatif kat ötelenmelerinin azaltılması için düşeyde gerekli olan ”rijitliğe” sahiptir.

      Sismik izolasyon kavramı 1876 yılında Tokyo üniversitesi maden mühendisi olan John Milne tarafından gündeme getirilmiştir. John Milne araştırmalarını bazı binalara sismik amaçlı çelik bilyeler kullanarak birtakım deneyler yapmıştır (2). ABD de silindirler üzerine yapılmış yapılarda sismik izolasyon sağlandığı gözlenmiştir. Yapılan bu deneyler sonucunda 1905 yılında sismik izolasyon için ilk resmî belge ile patent alınmıştır .. Sismik izolasyon Türkiye de ilk olarak Atatürk Hava limanında dış hatlar terminalinde uygulanmıştır 

   Klasik yöntemlerle yapılan yapılarda deplasmanlar binanın üst yapısına doğru artarak dağılır. sismik yalıtımı yapılmış binalarda ise bu durum klasik yapıların aksine yer değiştirme izolatörlerde yoğunlaşır ve rölatif ivme her katta birbirine yakın olur.

    Zemin haraketlinin binalarda yıkıma sebep olan büyük modlar birinci moda ve zemin hareketine ortogonaldir. Bu büyük modlar harekette aktif değiller, bu sebeple büyük frekansta olan zeminden gelen harekete ait yüksek enerjisi temelde den üst yapıya geçmemiş olur. İzolatörle deprem hareketini absorbe etmez fakat depremin bu hareketini yapının dinamiğine dağıtır. Bu durum sönümlemeyi sağlamaz fakat kısmı sönümlemenin olması sistemde rezonansın engellenmesi sağlanacaktır.

Şekil. 8. Temelde Yalıtım Sistemi (Web 3, 2017)   Şekil. 9. Kolon Orta Bölgesinde Yalıtım Sistemi (Web 4, 2017)
    ⦁İzolatörlerin uygulanması için yapının deplasman yapabilmesi için yapının etrafında boşluklar olmalıdır.  Aksi halde yapının deplasman yapamadığı için sismik izolasyon amacına ulaşamamış oluyor. 
    ⦁Deprem hareketi sırasında yapının yaşamı devam ettirebilmesi ve dış ortam ile iletişim kurabilmesi için izolasyon yapılacak binanın mekanik, elektrik, doğalgaz vb. işlerinin bu izolatörlerin yapacağı yer değiştirme hareketlerine göre yapılması gerekmektedir. Deplasman için bırakılan boşluk miktarı kadar tesisatlar uyum sağlamalıdır.