DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KOLON ALTI SİSMİK İZOLATÖR KUVVET ANALİZİ Mehmet TOKER Kasım, 2015 İZMİR 1 KOLON ALTI SİSMİK İZOLATÖR KUVVET ANALİZİ Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Doktora Tezi Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Konstrüksiyon-İmalat Programı Mehmet TOKER Kasım, 2015 İZMİR i ii TEŞEKKÜR Her şeyden önce beni okumaya ve öğrenmeye teşvik edip cesaretlendirmiş olan biricik anneme ve de bu çalışmada bana her zaman yardımcı olan değerli hocam Prof. Dr. Onur Sayman’a ve hiçbir zaman yardımını esirgemeyen ve de her zaman desteğini esirgemeyen sevgili eşim Nurgün Hanım’a ve kızım Ayşenur’a çok teşekkür ederim. Mehmet TOKER iii KOLON ALTI SİSMİK İZOLATÖR KUVVET ANALİZİ ÖZ Günümüzde birçok betonarme ve çelik yapı, depremlerin yıkıcı ve hasar verici etkilerine karşı ne yazıktır ki korumasızdır. Birçok mimari yapı, mimari bir zorunluluğun gereği veya yapının kullanım amacının gereği olarak, asimetrik bir planda yapılmaktadır. Simetrik plana sahip olan birçok yapıda ise, kütlelerin eşit olmayan dağılımı söz konusudur. Yapıların planındaki asimetriklik ve yapıdaki düzgün olmayan kütle dağılımı, deprem hareketi sırasında yapıda burulma momentlerine neden olur. Yapıda deprem nedeniyle meydana gelen bu burulma, yapının düşey taşıyıcı elemanlarında ilave kesme kuvvetleri oluşmasına sebep olur. Bu ilave kesme gerilmeleri de, yapının kütle merkezinin yapının rijitlik merkezinden uzaklaşma oranına bağlı olarak büyür ve bu ilave gerilmeler sayesinde, yapıda ciddi hasarlar olabilir. Depreme dayanıklı yapıların tasarımında, geleneksel yaklaşıma göre; yapıları bu tür hasarlardan korumanın yolu, projede simetrinin olması ve rijitlik merkezi ile kütle merkezinin aynı düşey eksen üzerinde olmasına dikkat edilmesidir. Ancak, günümüzde, her geçen gün daha fazla uygulama alanı bulan modern yaklaşımda ise, bu tür yapıların depremsel davranışı, yapısal kontrol mekanizması kullanılarak iyileştirilebilir bir durumdur ve böylece yapılardaki depremsel hasar oluşma riski en aza indirililir. Bu çalışmada, binaların deprem nedeniyle meydana gelen kuvvetlerin etkisi altında, elastomer esaslı deprem izolatörleri kullanarak taban yalımı yapılmış yapıların davranışlarının kontrol altına alınmasının faydaları üzerinde durulmuştur. Yapıların deprem yalıtımında kullanılan elastomer esaslı deprem izolatörleri üzerinde deprem nedeniyle oluşan kuvvetler incelenmiştir. Özellikle, betonarme ve çelik yapıların depremin zarar verici ve yıkıcı etkilerini önlemek amacıyla geliştirilen ve binaların ve köprülerin kolonları ve kirişleri altına yerleştirilerek taban yalıtımı iv yapımında kullanılan “Elastomer Esaslı Deprem İzolatörlerinin” kuvvet ve gerilme analizlerinin yapılması bu doktora çalışmasının ana konusudur. Bu çalışma ile kolonların altına yerleştirilen deprem izolatörlerine gelen kuvvetlerin analizinden hareketle performansı yükseltilmiş olan elastomer esaslı yeni nesil deprem izolatörlerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu çalışma kapsamında kurşun Çekirdekli LRB tipi elastomer esaslı deprem izoltörlerine alternatif ELRB tipi elastomer çekirdekli izolatörler geliştirilmiştir ve bölüm yedide ayrıntılı bir şekilde bilgi verlmiştir. Anahtar kelimeler: Deprem yalıtımı, taban yalıtımı, sismik izolasyon, deprem izolatörü, kuvvet ve gerilme analizleri, elastomer esaslı izolatörler, kauçuk esaslı izolatörler, yüksek sönümleme kabiliyetli kauçuk esaslı izolatör (HDRBr), kurşun çekirdekli elastomer izolatör (LRBr) ve elastomer çekirdekli kauçuk esaslı izolatörler ELRB. v FORCE ANALYSIS OF SEISMIC ISOLATOR UNDER THE COLUMN ABSTRACT Nowadays, most of the concrete and steel structures unfortunately remain unprotected against the destructive and damaging effects of earthquakes. As for the architectural structure requirements or for the purpose of structural use, many architectural structures are carried out in an asymmetrical plan. On the other hand many structures having symmetrical design have uneven distribution of the mass. Nonuniform mass distribution and asymmetrical plan of the structures, leads the structures to have torsional moments during the earthquake motions. These earthquake caused these moments bring on new additional vertical shear forces on vertical loadbearing elements. This additional shear stresses also increases with the increasing distance between the center of gravity and the center of rigidity, where as a result of these additional shear stresses the structure may face severe damages. In the designing of the earthquake resistant structures, according to the traditional approach; the way to protect the structure from such kind of earthquake damages is to make a symmetrical structural design and to ensure the center of gravitiy and the center of rigidity on the same vertical axis. However, in the modern approach which can be used in a wider range of fielr application today, seismic behavior of such structures is a recoverable condition by using structural control mechanism. Thus seismic damage risk of the structure is minimized. For the structures under the influence of forces caused by earthquakes, this study has been focused on the benefits of controlling the behavior of structures by using elastomer based seismic isolation. This study also analyzes the forces on the elastomer based seismic isolators formed by the earthquakes and also examines the elastomer based seismic isolators in detail. In particular one of the main objective of this study is to analyse the forces and stresses of the “Elastomer Based Seismic Isolators” which have been placed either vi under the columns or beams of the buildings and bridges, below reinforced concrete and steel structures in order to avoid the damaging and devastating effects of the earthquakes. In this study, based on the analysis of the forces formed on the seismic isolators, new generation performance increased Elastomer Based Seismic Isolators’ development has been targeted and it has been developed a new isolator which has elastomer core ELRB. and it has been given information in detail at chapter seven. Keywords: Seismic isolation, base isolation, seismic isolator, force and strain analysis, rubber isolator, elastomeric isolator, high damping rubber bearings (HDRBr), lead rubber bearings(LRBr) and elastomer core rubber bearings ELRB. vii İÇİNDEKİLER Sayfa DOKTORA TEZİ SINAV SONUÇ FORMU ........................................................... ii TEŞEKKÜR .............................................................................................................. iii ÖZ ............................................................................................................................. iv ABSTRACT .............................................................................................................. vi ŞEKİLLER LİSTESİ .............................................................................................. xvi TABLOLAR LİSTESİ .......................................................................................... xxiii BÖLÜM BİR-DEPREM YALITIMINA GENEL BAKIŞ ................................... 1 1.1 Deprem Taban Yalıtım Konsept ..................................................................... 1 1.2 Yapıların Deprem Etkisi Altındaki Davranışlarını ve Tepkilerini Kontrol Etme Fikri .......................................................................................... 2 1.3 Deprem Taban Yalıtımının Amacı .................................................................. 4 1.4 Deprem Taban Yalıtım Tarihine Kısa Bir Bakış ............................................. 7 1.5 Depreme Dayanıklı Yapıların Tasarımında Yaklaşımlar ................................ 8 1.5.1 Depreme Dayanıklı Yapıların Tasarımında Geleneksel Yaklaşım ......... 9 1.5.2 Depreme Dayanıklı Yapı Tasarımında Modern Yaklaşım .................... 10 1.6 Yapıların Deprem Kontrolünde Kullanılan Ana Sistemler ........................... 11 1.6.1 Aktif Deprem Yalıtım Sistemleri .......................................................... 11 1.6.2 Pasif Deprem Yalıtım Sistemleri .......................................................... 12 1.6.2.1 Pasif Deprem Yalıtım Sistemlerinin Tarihine Bakış ..................... 15 1.7 Taban Yalıtımı Ana Prensipleri .................................................................... 25 1.7.1 Esnekliğin Periyot Üzerindeki Etkisi .................................................... 25 1.7.1.1 Elastomer Deprem İzolatörlerinin Yatay Yöndeki Esnekliklerinin Periyot Üzerindeki Etkisi ............................................................. 25 1.7.1.2 Deprem Hareketi Karakteristikleri ................................................. 26 1.7.1.3 Standart Kodlarda Deprem Yükleri .............................................. 26 1.8 Deprem İzolatörleri Tarafından Yutulan Enerji ve Ek Sönümleme............... 29 1.9 Deprem İzolatörü Sönümleme Tipleri .......................................................... 33 viii 1.10 Deprem Yalıtımında Esneklik ve Sönümleme ............................................ 34 1.11 Taban Yalıtımlı Rijit Bir Yapının Tasarım Prensipleri ............................... 36 1.11.1 Maksimum Taban Kesme Katsayısı Tasarımı ..................................... 37 1.12 Taban Yalıtımında, Uygun Periyot Değeri ve Makul Sönüm Oranı Ne Olmalıdır? ................................................................................................................ 39 1.13 Rijit Yapı Kabulünün Uygulanabilirliği ..................................................... 42 1.14 Deprem İle İlgili Olmayan Yükler .............................................................. 42 1.15 Bir Deprem Yalıtım Sistemi için Olmazsa Olmazlar .................................. 43 1.16 Deprem İzolatör Tipleri ............................................................................... 44 1.16.1 Elastomer Esaslı Kauçuk Deprem İzolatörleri .................................... 44 1.17 Binalarda Deprem Yalıtımı Uygulaması Yapımı ........................................ 44 1.17.1 Yapılarda Deprem Yalıtımı Ne Zaman Uygulanır? ............................ 44 1.17.1.1 Taban Yalıtımı Uygulanacak Yapının Ağırlığı ........................... 45 1.17.1.2 Yapının Periyodu ........................................................................ 45 1.17.1.3 Uzun Periyotlu Dalgalara Neden Olan Sismik Şartlar ................ 46 1.17.1.4 Bina Zemin Şartları ..................................................................... 46 1.17.1.5 Yakın Fay Etkileri ........................................................................ 46 1.17.1.6 Yapısal Düzenleme ..................................................................... 47 1.17.1.7 Yapısal Sistemlerin En-Boy Oranı ............................................... 48 1.18 Binaların Deprem Yalıtımı İle İlgili Standart Kodlar ................................. 49 1.18.1 Mekanik Enerji Sönümleyici Cihazlar İçeren Yapılar ........................ 50 1.19 Deprem Taban Yalıtım Uygulaması ........................................................... 51 1.19.1 Başlangıç Taban Yalıtım Tasarımı ...................................................... 51 1.19.2 Deprem Yalıtım Elemanları Satın Alma Stratejileri ........................... 52 1.19.3 Ayrıntılı Deprem Yalıtım Tasarımı ..................................................... 54 1.19.4 İnşaat Yapım Aşamasında Deprem Yalıtım Sisteminin Uygulanması55 1.19.5 Deprem Taban Yalıtım Sistemi Maliyeti ............................................ 55 1.20 Deprem Girdi Şekli ..................................................................................... 56 1.21 Taban Yalıtımının Binalar Üzerindeki Etkisi ............................................. 58 1.21.1 Prototip Binalar .................................................................................... 58 1.21.1.1 Bina Konfigürasyonu .................................................................. 58 1.21.1.2 Deprem İzolatörlerinin Tasarımı ................................................. 60 ix