DEPREM İZOLATÖR SİSTEMİ - SİSTİK YALITIM YAPILMASI
HomeDepremDEPREM İZOLATÖR SİSTEMİ – SİSMİK YALITIM
Deprem İzolatör Sistemi Tanımı
Deprem izolatör sismik yapı yalıtımı; yapıların deprem etkilerinden korunması amacıyla geliştirilmiş bir sistemdir. Sistemin amacı, bir yapıyı etkileyen deprem yüklerinin azaltılmasıdır. Sismik yalıtım yapının depreme dayanma kapasitesini arttırmak yerine, binaya gelen sismik enerjiyi binaların periyodunu uzatarak azaltma esasına dayanan depreme dayanıklı bir düzenleme yaklaşımıdır.
İnsanoğlu, deprem etkilerini deneyimlerle her geçen gün daha iyi anlamaktadır. Deprem hareketli yüklerinin; mühendislik yapılarına, köprü ve viyadüklere verebileceği zararların önlenebilmesi, can ve mal kayıplarının en aza indirilebilmesi ve ulaşımın sağlanabilmesi amacıyla deprem izolatör sistemleri (sismik yalıtım) adı verilen bazı yeni sistemler ve donanımlar geliştirilmiştir. Deprem anında aktif fay hareketlerinin oluşturduğu deprem yatay kuvvetleri vardır. Bu kuvvetler yukarıya doğru çıktıkça büyür. Yapılara gelen deprem kuvvetleri çok büyük boyutlarda olur. Öte yandan yapıların elastik olarak taşıyabilecekleri yükler ise sınırlıdır. Yaşanan pek çok depremde yapıların, ağırlığının %10’ u gibi bir yatay yüke elastik olarak karşı koyabileceği hesaplarla gösterilmiştir.
Sismik yalıtılmış yapı yaklaşımda ise; yapının depremde oluşacak yatay yüke göre 5-6 kez daha düşük bir yükü taşıyabilmesi esas alınır. Şiddetli depremde ise yapının depreme karşı koyması ve yıkılmaması sağlanır. Ayrıca deprem sonrası stratejik önem arz eden iletişim, savunma, sağlık gibi sektörlerde hizmetin durmadan devamı sağlanır. Mesela sismik yalıtımı yapılmış bir hastanede, deprem anında ameliyathanenin kullanılması mümkün olur.
Yapılarda; sıva, kaplama, bölme duvarları gibi taşıyıcı olmayan mimarî elemanlar ve kolon, kiriş, perde duvar gibi taşıyıcı elemanlar bulunur. Yapıların servis ömürleri boyunca değişik şiddetlerde çok sayıda depremler olabilir. Ayrıca, yapının servis ömrü boyunca beklenen en şiddetli bir deprem vardır.
Depreme dayanıklı bir yapının, değişik elemanlarından, değişik şiddetlerdeki depremlerde beklenen davranışlar aşağıdaki gibidir:
Depremlerde beklenen davranışlar
Yapının ömrü içinde çok sayıda olması beklenen hafif şiddette ki depremlerde, taşıyıcı ve taşıyıcı olmayan elemanlarda ve yapı içindeki eşyalarda hiçbir hasar olmasın.
Yapının ömrü içinde birden çok kez olacak orta şiddetli depremlerde, mimarî elemanlarda ve az da olsa taşıyıcı sistemlerde hasar başlangıcı olabilir.
Yapının servis ömrünce yaşadığı en şiddetli depremde can kaybı olmasın. Bir diğer ifadeyle taşıyıcı sistemde ileri düzeyde hasar olabilir, ancak yapı yıkılmamalıdır.
Sismik yalıtım teknolojisinin doğru uygulamaları büyük depremler sırasında bile binaların elastik davranmasını sağlar. Şaşırtıcı olan da bu yaklaşım prensibinin hayli basit olmasıdır. Yapılan bir araştırmaya göre sismik yalıtımlı bir bina Richter ölçeğine göre 8.0 büyüklüğündeki bir depremi, sanki Richter ölçeğine göre 5.5 büyüklüğündeki bir deprem gibi hisseder.
Sismik Yalıtımın (Deprem İzolatör) Tarihçesi
Sismik yalıtım sistemleri dünyada yeni yeni uygulanmaktadır. İlk kez 1970’lerde, Yeni Zelanda’ da Dr. Robinson tarafından bulunup geliştirilmiş olan sistem, bugün de dünyanın pek çok yerinde kullanılan kurşun-kauçuk izolatörlerdir. Sismik yalıtım ürünleri, çok kapsamlı araştırmalar ve geliştirmeler sonucu ortaya çıkmaktadır. Deprem izolatörlerinin ileri imalat teknolojileri ve gelişmiş mühendislik tekniklerine sahip sayılı uzman firmalar tarafından imâl edilmeleri ve patentlerinin alınmaya başlanması ise 25 yıl öncelerine dayanmaktadır.
1980’li yıllardan itibaren başta Japonya, Amerika Birleşik Devletleri, Kanada, Yeni Zelanda, İtalya olmak üzere; Türkiye, İngiltere, Hindistan, Yunanistan, Romanya, Çin, Malezya, Şili, Meksika, Portekiz, Bangladeş, Danimarka, Azerbaycan, Fransa, Dubai gibi pek çok ülkede deprem izolatör sisteminin birçok farklı uygulamaları bulunmaktadır. Ülkemizin deprem davranışları üzerindeki bilgi ve birikimi pek çok ülkeninkinden daha fazladır.
Ancak bu deneyimlere rağmen, sismik yalıtım sistemleri üzerindeki araştırma ve uygulamalar, yeterli düzeyde gelişmemiştir. Konu hakkında Türkiye’ de sadece sayılı uygulamalar mevcuttur. Bugüne kadar ancak birkaç üniversitemizde lisansüstü düzeyde eğitim verilmiştir. Sismik yalıtım uygulamaları sadece uzmanlık sahibi kısıtlı sayıda firmalar tarafından yapılabilmektedir.
Sismik Yalıtımın (Deprem İzolatör) Sağladığı Avantajlar
Yüksek can güvenliği,
Yapının taşıyıcı sistemi ve mimarî elemanlarında minimum deprem hasarı,
Şiddetli depremlerden sonra bile hemen kullanım,
Hemen kullanım sayesinde iş kaybının önlenmesi ve pazar payının korunması,
Yapının değerli eşya ve cihaz içeriğine etkin koruma,
Ulaşım yapılarında süreklilik,
Köprü ve viyadüklerin hasar görmeden kullanılmasının devamı,
Yıkılma ve hasar olmayacağından yeniden inşaat ya da onarım mâliyetlerine gerek kalmaması,
Araştırma ve geliştirme projelerinin korunması,
Tarihî bina ve değerlerin korunması.
Sismik Yalıtımın (Deprem İzolatör) Sağladığı Teknik Avantajlar
Normal bir yapıda deprem sırasında katlar arası farklı deplasmanlardan (yer değiştirme) dolayı, kolon ve kiriş birleşimlerinde hasarlar meydana gelir.
Oysa sismik yalıtılmış bir yapıda katlar arası farklı deplasmanlar oluşmayacağı için kolon ve kirişlerde zorlamalar minimum olacaktır.
Sismik yalıtım kullanılmak suretiyle, bir yapının taşıyıcı elemanlarını etkileyen sismik (depremsel) iç kuvvetler ortalama 1/4 oranında azaltılabilir.
Sismik yalıtım ile bir yapıda oluşan katlar arası farklı yer değişimleri, etkili biçimde azaltılabilir. Katlar arası hareket farklılıklarının küçülmesi, yapının daha yavaş ve kontrollü salınım göstermesini sağlar. Böylece yapının kendisinin, içindeki canlıların, değerli eşya ve hassas cihazların etkin bir şekilde korunması sağlanır.
Sonuç olarak sismik yalıtılmış yapıda şu özellikler elde edilir;
Yapıya gelen kuvvetler azalır.
Kat ivmeleri (hareket değişim farklılıkları) küçülür.
Katlar arası deplasmanlar küçülür, hemen hemen bütün katlar yaklaşık aynı deplasmanı yapar.
Sismik Yalıtımın (Deprem İzolatör) Kullanım Alanları
Yüksek deprem performansı istenen tüm yapılar.
Hastaneler, dispanserler, sağlık ocakları,
Stratejik öneme sahip binalar (askerî, sivil savunma vb. binalar),
İtfaiye bina ve tesisleri,
PTT ve diğer iletişim tesisleri,
Ulaşım istasyonları, hava alanları ve terminaller, köprü, viyadük gibi sanat yapıları.
Enerji üretim ve dağıtım tesisleri,
İlk yardım, kriz merkezleri, afet plânlama merkezleri,
Toksik, patlayıcı vb. özellikleri olan maddelerin bulunduğu veya depolandığı tesisler
Tarihî binalar, müzeler (mevcut yapılarda da kullanılabilme özelliği).
DEPREM İZOLATÖR (SİSMİK YALITIM) SİSTEMLERİ
Kauçuk esaslı sismik deprem izolatör
Sürtünme esaslı sismik deprem izolatör
Kauçuk Esaslı Sismik Deprem İzolatör
Yapıların deprem kuvvetlerinden etkilenimini azaltmak için, uygulanabilecek en basit çözüm; kauçuk esaslı izolatörlerin kullanılmasıdır. Bu elemanlar, yerleştirildikleri yerde topladıkları deprem kuvvetini sönümlemek suretiyle yapının üst taraflarının sarsıntılardan çok daha az etkilenmesini sağlarlar. (Sönümlemek: Mevcut bir kuvveti ya da darbeyi emmek, yutmak, absorbe etmek, azaltmak anlamı taşır.) Bu sistemi arabalarda bulunan süspansiyona benzetmek mümkündür.
Bozuk yol yüzeyindeki sarsıntılar, amortisörler yardımıyla nasıl araç içindeki kişilere iletilmiyorsa; kauçuk izolatörler de, yapının deprem sarsıntılarından daha az etkilenmesini sağlarlar. Böylece temel zeminindeki sarsıntılardan yapı yalıtılmış olur. Kauçuk deprem izolatör lere pratik anlamda “taban yalıtımı” da diyebiliriz. Yukarıda da açıklandığı üzere, sistemin mantığı buna dayanmaktadır.
Kauçuk Esaslı Sismik İzalatör
Kauçuk Esaslı Sismik İzolatörün Üretimi
Kauçuk esaslı sismik deprem izolatör üretimi, özel teknoloji gerektiren bir işlemdir. Bunların üretilerek nasıl yapıldığı konusunda deneyim kazanmak gerekir.
Kauçuk esaslı deprem izolatör üretim aşamalarını basitçe sıralarsak;
Doğal kauçuktan yapılmaktadır.
Kauçuğa; ozon dayanımı, mekanik dayanım, çekme dayanımı, rijitlik ve sönüm artırıcı katkı maddeleri konur. Rijitlik ve sönüm artışı için doğal kauçuğa, karbon siyahı konulur ve karıştırılır.
(Burada, rijitlik; sertlik olarak tanımlanabilir.)
Hazırlanan kauçuk rulo yapılır.
Birkaç milimetre kalınlıkta daire biçiminde kesilir.
Kauçuklar kat kat yerleştirilir.
Aralarına yine bir kaç milimetre kalınlıkta çelik levhalar konulur. Levhaların iyi yapışması için, yüzeyleri parlatılır.
Yüzeylere yapıştırıcı maddeler konulur.
Bir kat kauçuk bir kat çelik, ağır çelik kalıba konur. Alt ve üst ile kalıpla arasına da kauçuk konur. 135 santigrat derece sıcaklıkta 14 saat bekletilir.
Bu işlem sırasında kauçuk kalıptan taşabilir. Deprem İzolatör ün etrafını saran kauçuk, çeliği korozyon ve yangından korur.
Kauçuğun elde edildiği lastik ağacı (doğal kauçuk)
Amerika, Asya ve Afrika’nın çeşitli ağaçlarından, özellikle de lastik ağacından elde edilen, dayanıklı ve esnek maddedir. Kauçuk kükürtle karıştırılarak daha iyi işlenir, daha çok dayanır ve esnek bir hâle gelir. Kauçuk, saf lastik olarak da tanınır. Zira lastik ağacından elde edilen lastik, ancak %90 oranında saftır. Doğal lastiğin yapısındaki değişkenlikler, katkı maddesindeki değişimler, karıştırma ve kür sırasındaki koşullardaki farklılıklar nedeniyle; kauçuk esaslı sismik izolatörlerin özelliklerinde, kalite ve dayanımlarında önemli farklılıklar olabilir. Bu açıdan kauçuk esaslı sismik deprem izolatör üretimi, beton üretimine benzer.
Kauçuk esaslı izolatörün kalıba dökülmesi
Bir kauçuk izolatör laboratuvar ortamında yük deneyinde
Kauçuk Esaslı Deprem İzolatörlerin Genel Özellikleri
Kauçuk özelliği ve alanı değişmedikçe, her bir kauçuk tabakasının kalınlığı azaltıldıkça; düşey yük taşıma gücü artar.
Kauçuk tabaka sayısı arttıkça, yatay ötelenme ve dönme hareketlerine karşı dayanım azalır.
Düşey basınç altında kauçuk yastık, dışarı doğru şişer.
Yatay yük etkisinde kalan yastık ötelenir. Yük etkisi ortadan kalktığında, eski hâline döner.
Yastıkların arasına konulan çelik plakalar, düşey rijitliği artırır. Yüksek düşey rijitlik, üst yapının ağırlığını taşıyabilmek ve ara kauçuk tabakaların düşey yükler altında yanal şişmesini engellemek için gereklidir.
Düşey yönde yastığın davranışını değiştiren çelik plakalar, yastığın yatay yöndeki hareketini hemen hemen hiç etkilemez.
Bir kauçuk deprem izolatör, imalat ölçüsüne göre 450 tona kadar yük taşıyabilir.
Bir kauçuk izolatör imalat ölçüsüne göre 1 metreye kadar yer değiştirebilme özelliğine sahiptir.
Daire yada kare en kesitli üretilirler. Daire kesitlilerin çap ölçüsü 300-1000 mm dir.
Çok düşük ya da yüksek sıcaklıklarda, kendisinden beklenilen davranışı gösterebilme özelliğine sahiptir.
Kauçuk malzeme zaman içinde eskime deneyine tabi tutulur. 70 santigrat derecede 4 gün fırında tutulduktan sonra, azalma ölçümlemesi yapılır. Rijitlikte % 10 civarında azalma olmaktadır.
Isı dayanımı için 800 santigrat derecede 100 dakika bekletilen yastığın, daha sonra yük deformasyonu ölçülür. Isıtma öncesiyle karşılaştırılır.
Ortalama bir yastığın servis ömrü 50 yıldan fazladır.
Güvenilir ve emniyetlidir.
Deprem sonrası hasar gören kauçuk yastıklar,kolaylıkla yenileriyle değiştirilebilir.
Bir kauçuk izolatörün kalınlığı ortalama 250-450 mm olup, değişik ölçülerde üretilir.
Yastıklar; bir kat ince kauçuk, bir tabakada çelik hâlinde kat kat hazırlandıklarından, buradan esinlenilerek “lamine edilmiş (tabakalanmış) kauçuk” adı da denir.
Bazı yastıklar rijitliği artırmak, kayma deformasyonunu sınırlamak amacıyla “kurşun çekirdekli” olarak üretilirler. Kauçuk yastığın ortasında genelde kurşun malzemeden bir çekirdek ilavesi yapılır. Bunlara da “Kurşun çekirdekli kauçuk izolatörler” denir.
Kurşun Çekirdekli Kauçuk İzolatör
Kauçuk İzolatörlerin Uygulanması
Kauçuk izolatörlerin çalışma prensibi; deprem dinamik yüklerini emmek suretiyle, bina salınım periyodunun artırılmasına dayanmaktadır. Bir yapının etkin salınım periyodu 0.1 ile 1 saniyelik periyot aralığındadır. Kauçuk izolatörlerle bu salınım periyodu, 2-3 saniyelik periyotlara uzar. Her durumda izolatör kullanımı, mimarî ve statik projelendirme aşamalarından önce kararlaştırılması gereken bir uygulamadır. Sismik izolatörler, hazırda bulunan bir projeye uygulanma özelliği taşımaz. Bu uygulamanın yapılacak olması tüm statik hesaplamaları değiştirir. Hangi tip sismik izolatörün kullanılacağı ise gerektiğinde imalatçı firmaların da görüşü alınmak suretiyle, projelendirmenin başında yapılır.
Kat altına,olmak üzere üç şekilde yerleştirilebilir.
Hesaplanan yatay ve düşey deplasmanları karşılayabilecek kapasitedeki kauçuk esaslı sismik izolatör, taban plakları yardımıyla kolon altına yerleştirilir. Üst plakanın da montajından sonra, normal şartlarda kolon imalatı sürdürülür.
Kauçuk izolatör sisteminin uygulandığı temel taban yüzeyi ile yastıkların üstü arasında en az 50 cm. lik bir boşluk bırakılır. Bu boşluk “izolatör katı” olarak adlandırılır. İzolatör katı zaman içinde yastıkların kontrolü ve bakımı için gereklidir. Binanın yaşadığı depremler sonrasında da bu boşluk katından yararlanılarak, gereken kontrol ve hatta yastıkların değişimi gerçekleştirilir.
Yatay kuvvet testi
Kauçuk esaslı sismik izolatör yatay kuvvet testlerine tabi tutuluyor. (V=450 ton) 130 mm kalınlıkta 650 mm çaplı daire kesitli kauçuk yastığın, 65-70 cm. yatay deplasman yaptığı görülmektedir.
Sürtünme Esaslı Sismik İzolatörler
Özel metaller kullanılarak iç bükey küresel yüzey üzerinde kayabilen mesnet elemanı, bu yatay hareket sırasında binayı yükselten bir özelliği olduğundan gelen enerjiyi sönümler. Böylece deprem etkisi %80 oranında azalır.
Deprem enerjisi, içbükey kısmın sarkaç prensibine dayanarak yapı ağırlığının kullanılmasıyla sönümlenmiş olur.
Deprem yükü etkisi altındaki sürtünme esaslı izolatörlü yapıda, belirli yükselmeler gerçekleşecektir.
Yükü çok fazla olan yapılarda sarkaç altındaki plakanın yırtılma riski olacağından, kauçuk esaslı izolatörlerin tercihi düşünülebilir.
Burada hatırlatılması gereken bir nokta da tüm izolatörlerin hazır üretilmiş bir raf ürünü olmadığıdır. Tüm izolatörler, üretici firmalar tarafından projelendirme esaslarına ve siparişe göre üretilir.
Bazı durumlarda da sürtünme esaslı izolatör elemanları, kauçuk esaslılarla birlikte kullanılabilirler. Bu sistemlere de karma (Hibrid) sistem adı verilir.
Karma sistemin tercih nedenleri şu şekilde sıralanabilir;
Statik gereksinim ve tercihler,
Kauçuğun sahip olduğu dezavantajların ortadan kaldırılması,
İzolatör fiyat farklarından ötürü maliyet düşürme amaçlı olması,
Köprü ve Viyadüklerde Sismik İzolasyon Uygulamaları
Sismik izolatörlerin öncelikle uygulandığı yapıların başında da yollar ve viyadükler gelmektedir. İzolatörler ilk defa, özellikle yeni yapılan, deprem sırasında ve hemen sonrasında hizmetlerini sürdürmesini beklenen yapılarda uygulanmaya başlanmıştır.
Büyük bir deprem sonrasında hizmetin aksamaması gerektiği unsurlardan biri ulaşımdır. İzolatör sistemlerinin gösterdiği başarılarla kendilerini ispatlaması sonucu, köprü ve viyadüklerde de kullanılmaya başlanmıştır.
Öncelikle Amerika Birleşik Devletleri, İtalya, Japonya gibi deprem bölgesinde bulunan ve konu üzerinde uzmanlaşmış ülkelerde kullanılmıştır.
Yurdumuzda, 1990 başlarından itibaren ve dünya literatürüne girecek önemde birçok viyadükte deprem izolatörleri başarı ile uygulanmıştır. Örneğin; Adana-Gaziantep ve Ankara-Gerede otoyollarında projelendirilen viyadüklerde özel mesnet ve deprem izolatörleri kullanılmıştır.
Viyadüklerde çok büyük kuvvet yükleri etkili olmaktadır. Kullanılacak izolatörlerin tüm bu kuvvetleri karşılayacak kapasite de olması önemi vardır. Kullanılacak sistem ve malzemelerin gelişmiş laboratuvar ortamlarında test aşamalarından geçmesi gerekir. Burada amaç izolatörlerin deprem sırasındaki tekrarlı yükler altındaki deformasyonunu ve dayanım özelliklerini saptamaktır.
Sonuçta ne tür bir sismik izolatörün kullanılacağı projelendirmeye göre kararlaştırılır.
Mevcut köprü ve viyadüklerin deprem performansını artırmak için en pratik ve ekonomik yol, mevcut mesnetlerin yerinden sökülerek sismik izolatör ekipmanlarının yerleştirilmesidir. Bu uygulama tamamen deprem mühendisliği teorik eğitimi almış ve pratik deneyimi de bulunan uzman mühendis ve deneyimli firmalar tarafından gerçekleştirilebilecek önemli bir konudur. Mevcut köprü ve viyadüklerin güçlendirilmesi için, ülkemizde de yoğun çalışmalar yapılmaktadır.
Sönümlendirici Cihazlar (Damper Sistemler)
Deprem, sert rüzgârlar, makinelerin, trafiğin ve benzeri nedenlerin binalarda oluşturacağı olumsuz etkilerin kontrolünü sağlamak amacıyla geliştirilmiş sistemdir. Sismik yalıtım sistemlerinde enerji sönümlendirme özelliğinin artırılması amacıyla kullanılan cihazlar, çeliğin plastik deformasyonu sırasında dinamik enerjiyi ısı enerjisine dönüştürür.
Oldukça yeni olan bu sistemin sağladığı teknik avantajları şu şekilde sıralayabiliriz;
Yapıların deprem ve rüzgâr gibi yatay etkilerine karşı korunması,
Yapının dinamik enerji sönümlendirme özelliğinin geliştirilmesi,
Sismik yalıtım cihazları ile birlikte kullanılarak söz konusu cihazların özelliklerinin geliştirilmesi.
Yapıdaki yatay hareketleri minimuma indirmek ve yatay deprem enerjisini sönümlendirmek amaçlı kullanılan bu sistem, yatay rijitlik sağlaması beklenen akslara (kiriş ortalarına) yerleştirilir. Hidrolik esaslı sıvıların sıkışması prensibine dayanarak çalışan cihazlar yatay yükleri sönümlediklerinden, rijit bağlantılardan daha kullanışlı ve elverişlidir.
Damper sistemler aşağıda belirtilen özel kullanım avantajlarına sahiptirler.
Değişik kullanımlar için geniş bir model yelpazesi
Etkili çalışan ve pahalı olmayan malzemeler
Kurulu olduğu yerde kontrol edebilme ve yeniden ayarlayabilme imkânı
Basit fakat şık bir tasarım
Yapılardaki büyük yer değiştirmeleri idare edebilme kapasitesi
Sönümlendirici Cihazların Kullanım Alanları
Sönümlendirici cihazların kullanım alanlarını şu şekilde sıralayabiliriz;
Yüksek deprem performansı istenen tüm yapılar,
Sismik yapı yalıtımı ile birlikte kullanıma uygun tüm yapılar,
Deprem nedir? Depreme Karşı Nasıl Hazırlık Yapılır yazımızı buradan okuyabilirsiniz.