TABAN İZOLASYONU SİSTEMLERİNİN TİPLERİ
Taban izolasyonu kavramı ilk olarak yirminci yüzyılın başında ortaya çıkmıştır. İnce kum, mika veya pudra hammaddesi ile oluşturulan bir katman ve serbest düğüm noktalan mekanizmasıyla, deprem anında üstyapının kayarak binaya iletilerek deprem kuvvetinin azaltılması ilkesi, taban izolasyonu veya sismik izolasyon olarak adlandırılan, depreme dayanıklı yapı tasarımının ilk örneğidir. Yapıları depremin yıkıcı etkilerinden korumak amacıyla kayıcılar, toplar, kablolar ve kum denenmiştir. Sivastopol, Ukrayna' da bir binada ve Mexico City' de beş katlı bir okul binasında toplar kullanılmıştır. Pekin' de Devlet Deprem Gözlemevi binasında ise yapı ile temel arasına, bir deprem anında yapının kaymasına olanak verecek kum tabakası serilmiştir. Taban izolasyonu sistemleri, son yirmi senede çok tabakalı elastomer köprü mesnetlerinin ve titreşim izolasyonunda kullanılan mesnetlerin deprem izolasyonu amacı doğrultusunda geliştirilmesiyle gerçek anlamda pratik uygulama olanakları bulmuştur. Günümüzde, deprem kuşağında bulunan Amerika Birleşik Devletlerinde ve Japonya' da taban izolasyonu uygulamaları artarak devem etmektedir. Yeni Zelanda ve İtalya' da ise önemli ve büyük bazı binalarda taban izolasyonu yapılmıştır. Türkiye' de ise yıkıcı son depremlerden sonra, taban izolasyonu kavramı önem kazanmıştır. Atatürk Havaalanı Dış Hatlar Terminali'nde, Bolu Dağı Viyadüğü' nde, Güney Otoyolunda (Gaziantep — Tarsus) kayıcı mesnetler kullanılmıştır. Ayrıca Kocaeli Üniversitesi Hastanesi binasında ve Marmara Ereğlisi'nde mevcut likit gaz tanklarının olası bir depreme karşı güçlendirilmesinde kayıcı mesnetlerle oluşturulan taban izolasyonu sistemleri proje aşamasındadır. Bu mesnetler düşeyde çok rijit davranış göstererek kolon yüklerini taşıyabilir ve yatayda ise esnek davranış göstererek güçlü yer hareketlerinde yapının yatayda hareket etmesine olanak sağlarlar. Bir deprem anında binalarda, katlar arası büyük yer değiştirmeler katlara bağlı bulunan ekipmanlarda ve yapısal olmayan bileşenlerde, yüksek kat ivmeleri ise kat içerisindeki hassas ekipmanlarda hasara yol açarlar. Taban izolasyonu sistemleri, bina tipi yapılarda yer değiştirmelerin izolasyon seviyesinde toplanması ile üstyapıda katlar arası göreli yer değiştirmeleri azaltır ve esnek bir üst yapı oluşturmaya olanak sağlayarak kat ivmelerini düşürür. Taban izolasyonu sistemi, yapı ile temel arasındaki yapısal elemanların düşük yatay rijitliği yardımı ile yapıyı yer hareketlerinin yatay bileşenlerinden ayırır. Bu durumda yapının doğal titreşim periyodu, hem ankastre mesnetli durumdakinden hem de yer hareketinin hakim periyodundan yüksektir. izole edilmiş yapının ilk dinamik modu, üst yapının rijit davranış sergilediği, deformasyonların sadece izolasyon sisteminde oluştuğu moddur. Üstyapıda deformasyonlara neden olan yüksek modlar, birinci moda dolayısıyla yer hareketine ortogonaldırlar. Yüksek modlar yer hareketinde yer almazlar ve böylece yüksek frekansı yer hareketinin sahip olduğu yüksek enerji yapıya aktarılmaz. İzolasyon sistemi deprem enerjisini soğuramaz fakat sistem, dinamik karakteristiği ile bu enerjinin yapıya aktarılmasını önler. Sönüm ise izolasyon periyodunda oluşabilecek olası rezonans durumunu bastırmak için faydalıdır.
Kauçuk izolasyon sisteminin deprem izolasyonu için ilk kullanımı 1969 yılında Üsküp, Makedonya' da bir ilkokul binasında gerçekleştirilmiştir. Bu projede kullanılan kauçuk mesnetlerde, bugünkü kauçuk mesnetlerdeki yüksek düşey rijitlik sağlayan ara güçlendirici çelik plakalar kullanılmamıştır ve bunun sonucu olarak kauçuk bina ağırlığı altında ezilerek yanlara bel verip deforme olmuştur. Kullanılan kauçuğun yatay ve düşey rijitlikleri aynı olduğu için, bina deprem anında öne arkaya yatacaktır. Çelik plakalarla güçlendirilmiş kauçukların köprülerde yaygın olarak kullanılması ve geliştirilmesi ile bugünkü düşey yük taşıyıcı, yatayda esnek, imalatı kolay ve dayanıklı mesnetler binalarda da deprem izolasyonu uygulamalarında yaygınlaşmaktadır. Kayıcı izolasyon sistemlerinin bugünkü anlamda kullanımı ise kauçuk sistemlere göre daha yenidir; fakat hızlı bir uygulama süreci içerisindedir. Amerika' da New York Eyalet Üniversitesi'ndeki NCEER (National Center for Earthquake Engineering Research) araştırma merkezinde ve California' da EERC (Earthquake Engineering Research Center) deprem mühendisliği araştırma merkezinde 1989 ve 1990 yıllarında başlayan ve sonraki yıllarda devam eden deneylerle ve analitik çalışmalarla kayıcı sistemler, binalarda ve köprülerde deprem izolasyonu sistemleri oluşturmak amacıyla geliştirilmiştir.
ELASTOMER ESASLI SİSTEMLER
Düşük Sönümlü Doğal ve Sentetik Kauçuk Mesnetler : Düşük sönümlü doğal kauçuk mesnetler ve sentetik kauçuk mesnetler, Japonya' da, geniş ölçüde, ilave sönüm aletleri ile birlikte kullanılmıştır. (viskoz sönümleyiciler, çelik çubuklar, kurşun çubuklar, sürtünmeli aletler v.b. ). Bazı projelerde elastomer olarak, Japonya'da doğal kauçuk kullanılmasına karşın, Fransa' da neopren kullanılmıştır. Bu izolatörlerde, kauçuk valkanize (kauçuğun sülfürle yüksek ısıda sertleştirilmesi) edilip sıcaklık ve basınç altında tek hamleyle çok sayıda ince çelik levhalar arasına sıkıştırılmıştır. Yatay rijitlik ise elastomerin düşük kayma modülü ile gerçeklenir. Malzemenin kayma davranışı, % 100 kayma şekil değiştirmesine kadar doğrusaldır. Bu durum, kritik sönümün % 2 —3 aralığındaki sönüm için geçerlidir. Malzeme sünme yanmaz ve uzun ömürlüdür. Sönümsüz ve tam doğrusal kayma davranışı sergileyen bir izolatör üretmek mümkündür. Bu tip izolatörler, İngiltere' deki Central Electricity Generating Board tarafından geliştirilen viskoz sönümleyicilerle birlikte kullanılarak kompozit bir izolasyon örneği oluşturmuştur. Earthquake Engineering Research Center, EERC, Berkeley, CA. Laboratuvarlarında test edilen bu sistem, % 150 kayma şekil değiştirmesine kadar tam doğrusal ve tam sönümsüz bir davranış göstermiştir. Doğrusal viskoz dinamik model oluşturmak amacı taşıyan bu birleşik modelde, kauçuk modele tam uygunluk sağlarken, sönümleyicinin tepkisi tam doğrusal viskoz özellikte değildir.
Düşük sönümlü elastomer mesnetlerin avantajları:
• Kolay üretim
• Kolay model oluşturulması
• Mekanik özelliklerin zamandan, sıcaklıktan v.b. etkilenmemesi.
Tek dezavantajı: Genel olarak, ek bir sönüm sistemi gerektirmesi. Bu ek sistemler detaylı bağlantılar gerektirir.
Kurşun Çekirdekli Mesnetler : 1970'lerde Yeni Zelanda' da geliştirilen bu mesnet tipi, bugün en sık kullanılan izolasyon sistemidir. Kurşun çekirdekli mesnet, düşük sönümlü kauçuk mesnetlerdeki gibi kauçuk tabakalara ek olarak bir veya daha fazla sayıda, uygun deliklere yerleştirilmiş kurşun çekirdeklerden oluşur. Çelik plakalar, kurşun çekirdeği kayma deformasyonu yapmaya zorlar. Kurşun, 10 Mpa gerilme seviyesinde deforme olur ve mesnette iki eksenli tepki gözlenir. Efektif riijitlik ve efektif sönüm yer değiştirmeye bağlı olduğu için, yer değiştirme belirli bir sönüm değeri için belirlenir. Bu tip mesnetlerle izole edilmiş binalar, 1994 Northridge ve 1995 Kobe depremlerinde iyi bir performans göstermişlerdir.
Yüksek Sönümlü Doğal Kauçuk Sistemler ( HDNR ) : Düşük sönümlü mesnetlerdeki ek sönüm elemanları ihtiyacım gidermek amacıyla, yeteri derecede sönümlü doğal kauçuklar, 1982 yılında Malaysian Rubber Producers Research Association kurumunda geliştirilmiştir. Karbon blok, yağ veya çam sakızı ve özel doldurucular ilave edilerek kauçuğun sönümü arttırılır. Düşük rijitlikte düşük seviyelerde sönüm ve 0,34 MPa kayma modülü, yüksek rijitlikte yüksek seviyelerde sönüm ve 1,40 MPa kayma modülüne sahip kauçuk, % 100 kayma şekil değiştirilmesinde kritik sönümün % 10 — 20' si değerlerine kadar yükselen sönüm oluşturur. Malzeme, % 20' nin altındaki kayma şekil değiştirmelerinde doğrusal rüzgar yükleri ve düşük seviyeli deprem hareketlerinin etkilerini en aza düşürecek şekilde yüksek rijitlik ve sönüm karakterlidir. % 20 - % 120 kayma şekil değiştirmesi aralığında, modül düşük ve sabittir. Yüksek şekil değiştirmelerde, kauçukta enerji yutmanın artışı ile birlikte oluşan şekil değiştirme kristalizasyon süreci, modülü arttırır. Yüksek şekil değiştirmelerdeki bu rijitlik ve sönüm artışı, düşük seviyeli deprem etkilerinde rijit, tasarım seviyesi deprem etkilerinde doğrusal ve esnek bir sistem davranışı oluşturur. Tasarım seviyesinin üzerinde olabilecek etkilerde ise yer değiştirmeleri sınırlandırır. Yüksek sönümlü kauçuk sistemler, trafik ve yeraltı raylı sistemleri kökenli yüksek frekanslı düşey titreşimleri azaltma uygulamalarında da kullanılırlar.
KAYICI İZOLASYON SİSTEMLERİ
Electricite-de - France Sistemi : Bu sistem, 1970' 'erin başında nükleer enerji santrali uygulaması için geliştirilmiştir. Sistem, neopren tabakalar ile paslanmaz çelikle temas halinde olan kurşun — bronz alaşımı ve elastomer mesnet üzerine oturtulmuş kayma yüzeyinden oluşur. Kayıcı yüzeyin sürtünme katsayısı 0,2 olarak öngörülmüştür. Kauçuk tamponun yer değiştirme kapasitesi çok düşüktür. (±50 cm.) Bu değeri aşan yer değiştirmeler oluştuğunda, kayıcı elemanlar gerekli hareketi sağlarlar. Bu sistem, mesneti merkezleyen (merkeze geri çeken) bir mekanizmaya sahip değildir ve kalıcı yer değiştirmeler oluşabilir. Sistem sadece Koeberg, Güney Afrika' da büyük bir enerji santralında kullanılmıştır.
EERC Bileşik Sistemi : Elastomer ve kayıcı sistemin kombinasyonuyla oluşturulan sistem, EERC' de test edilmiştir. Bu sistemde, yapının iç kolonları, paslanmaz çelikten kayıcı elemanların üzerindeki Teflon tarafından taşınır, dış kolonlar ise düşük sönümlü doğal kauçuk mesnetler üzerindedir. Elastomer mesnetler merkeze yönelim kapasitesine sahiptir ve yapının burulma davranışını kontrol ederler. Kayıcı elemanlar ise sönüm yaratırlar.
TASS Sistemi : TASS sistemi Japonya' da TAISEI Corp. tarafından geliştirilmiştir. Bu sistemde tüm düşey yük düz yüzeyli paslanmaz çelik —teflon elemanlar tarafından taşınır. Buna ek olarak, yük taşımayan tabakalı neopren mesnetler merkezcil kuvvetler oluştururlar. Teflon kayıcı yüzey 10 MPa gibi bir basınca sahiptir ve sürtünme katsayısı, düşük kayma hızlarında 0,05, yüksek kayma hızlarında ise 0,15 aralığında değerler alır. Bu sistemin dezavantajları, elastomer mesnetlerin düşey yük taşımadıkları için çekmeye çalışmaları ve kayma yüzeyinin hız vektörüne bağlı hassaslığı nedeniyle modellemedeki güçlüktür.
Geri Şekillenen Sürtünmeli Taban izolasyon Sistemi ( R — FBI ) : Geri şekillenen sürtünmeli taban izolasyon mesnetleri, yüksek kızlarda paslanmaz çelik üzeri teflonun yüksek sürtünme katsayısı sorununu, tek mesnette çok sayıda kayma düzlemi kullanarak çözmüştür. Mesnetin alt ve üst yüzleri arasındaki hız farkı çok sayıda tabakaya bölündüğü için her yüzdeki hız değerleri küçüktür ve düşük sürtünme katsayısı oluştururlar. Kayıcı elemanlara ek olarak, düşey yük taşımayan, geri dönüş kuvveti oluşturan merkez kauçuk çekirdek vardır. Test sonuçlarına göre, kauçuk çekirdeğin yer değiştirmelerin tek düzlemde toplanmasını önleyemediği görülmüştür. Bu nedenle yer değiştirmeleri kayıcı tabakalar boyunca dağıtan çelik bir çubuk, kauçuk çekirdeğin içine yerleştirilmiştir.
Sürtünmeli Sarkaç Sistemi : Sürtünmeli sarkaç sistemi, geometrisi nedeniyle kayma hareketi ve geri dönüş kuvveti oluşturan sürtünmeli bir izolasyon sistemidir. Sürtünmeli sarkaç sistemi, paslanmaz çelikten küresel yüzeyde hareket eden bir mafsallı kayıcıya sahiptir. Mafsallı kayıcının küresel yüzeyle temasta olan yarı küresel yüzeyi düşük sürtünmeli kompozit malzemeyle kaplanmıştır. Kayıcının diğer yüzü tam küreseldir ve paslanmaz çelikle kaplanmıştır ve düşük sürtünmeli kompozit malzemeyle kaplanmış olan küresel kovuğa oturur. Kayıcı, küresel yüzey üzerinde hareket ederek, taşıdığı kütleyi kaldırır ve geri dönüş kuvveti oluşturur. Mafsallı kare' ile küresel yüzey arasındaki sürtünme, izolatörlerde sönüm oluşturur. İzolatörün efektif rijitliği ve yapının izolasyon periyodu içbükey yüzeyin eğrilik yarıçapı ile kontrol edilir.
YAY SİSTEMLER
Elastomer ve kayıcı izolasyon sistemleri sadece yatay izolasyon sağlamak amacıyla düzenlenirler. Üç boyutlu bir izolasyon, elastomer mesnetler kullanılarak, yay tipi sistemler şeklinde oluşturulabilir.
GERB sistemi, güç santrali türbin üretim ekipmanlarının titreşim izolasyonu için geliştirilmiştir. Bu sistemde, yatay ve düşey doğrultularda esnek davranış sergileyen büyük helezon çelik yaylar bulunur. Düşey frekans, yatay frekansın 3 — 5 katı civarındadır. Çelik yaylar sönümsüzdür ve sistem GERB visko sönümleyicilerle birlikte çalışır. Bütün üç boyutlu sistemlerde olduğu gibi, izolasyon sisteminin ağırlık merkezinin rijitlik merkezinin üstünde olmasından dolayı, yatay hareket ile devrilme hareketinin güçlü bir etkileşimi söz konusudur. Bu sistem, ağırlık merkezi ile rijitlik merkezinin aynı seviyede olması durumunda (nükleer enerji santrallerindeki reaktör tekneleri) pratik anlam kazanır. Bu sistem, Skopje, Makedonya' da sallama masasında test edilmiştir ve Santa Monica, California' da, taşıyıcı sistemi çelik çerçevelerden oluşan iki konut tipi yapıda uygulanmıştır. Bu konutlar, 1994 Northridge depremini tecrübe etmişlerdir ve güçlü yer hareketi ölçerlerin sonuçlarına göre, izolasyon sistemi, devirmeye çalışan etkiyle oluşan ivmeleri azaltmada etkili olamamıştır.
KILIFLI KAZIK İZOLASYON SİSTEMLERİ
Derin kazıkların kullanılması zorunlu olan çok yumuşak zeminlerdeki yapılarda, izolasyon sisteminin yatay esnekliğini sağlamakta etkili olurlar. Kazıklar, kendilerini saran tüplerde bırakılan uygun boşlukla esneklik kazanırlar. Bu sistem, ilk taban izolasyonu projelerinden biri olan ve 1983 senesinde tamamlanmış olan "Union House in Auckland" yapısında uygulanmıştır. Benzer bir yaklaşım ise, 1991 senesinde tamamlanmış olan "The Wellington Central Police Station" binasının izolasyon çalışmasında uygulanmıştır.
ROCKING SİSTEMLERİ
Üzerlerinde ağır konstürüksiyon yükleri taşıyan uzun ve narin yapılar, temel seviyesinde çekme kuvveti oluşturan devrilme momentlerinin etkisi altındadırlar. Derin su altı temellerinde ankrajla çekme kapasitesi sağlamak, oldukça pahalı bir çözüm olabilir. Buna alternatif olarak, kolonları ya da köprü ayaklarını temel seviyesinden ayıran bir sistem önerilebilir. Bu kısmi izolasyon uygulaması, yapıya etkiyen deprem yüklerini ve özellikle kolonlarda veya köprü ayaklarında oluşacak çekme kuvvetlerini azaltır. Basamaklı yapının dinamiği konvansiyonel yapılarınkinden farklıdır. Bu konu üzerinde, EERC' de teorik ve pratik boyutlarda çalışılmıştır. Bu sistem, Yeni Zelanda' da " The South Rangitikei River Bridge" demiryolu köprüsünde uygulanmıştır. 69 m. boyundaki köprü ayakları, deprem yüklemesinde kalkabilecek olan temeli, aşağı bastıracak şekilde tasarlanmıştır. Her bir köprü ayağında, düşük karbonlu çelik çubukların elastik — plastik burulması esasına dayanan iki büyük enerji yutucu alet vardır. Ayakların yukarı veya aşağı hareketlerinde, bu mekanizma sayesinde gerekli kontrol gücüne ulaşılır. Bu aletler 1971 ve 1972 senelerinde Yeni Zelanda' da, "Department of Sceintifıc and Industrial Research Physics and Engineering Laboratory" de tasarlanıp testleri yapılmıştır ve enerji yutucuların ilk kullanımı olmuştur. Bu yöntem, başka köprü projelerinde kullanılmamasına karşın, The Golden Gate Bridge, The Oakland Bay Bridge, ve The Williamsburg Bridge gibi köprülerin daha sonraki yıllarda yapılacak olan retrofıt çalışmalarına referans oluşturmuştur.
Etiketler : taban izolasyon