Soil-structure interaction in a seismically isolated structure

Abstract

Taban yalıtımı, yapıların deprem etkisine karşı korunmasında kullanılan yapısal kontrol tekniklerinden biridir. Ek olarak, yapı-zemin etkileşimi, yapılar üzerindeki etkisinin yararlı olduğuna inanıldığı için genellikle ihmal edilen önemli bir kavramdır. Bununla birlikte, yapı zemin etkileşiminin yapı üzerindeki etkilerinin zararlı da olabileceği araştırmalar tarafından ortaya konmuştur. Bu çalışmanın amaçlarından biri, yapı zemin etkileşimi ve taban yalıtımı etkilerinin tüm kombinasyonlarını örnek yapıların kütle, sönüm ve rijitlik matrislerine basit olarak ekleyen bir çözüm üretmektir. Bu matrisler elde edildikten sonra, deprem etkisindeki yapının hareket denklemlerinde kullanılmıştır.Taban yalıtımı, 19. yüzyıldan itibaren araştırılan ve kullanılan, yapıları depremden koruma yöntemlerinden biridir. Bu sistemler hastaneler, havalimanları gibi kesintisiz hizmet vermesi beklenen binalarda ve viyadüklerde sıklıkla kullanılmaktadır. Taban yalıtımının ana fikri; üst yapı ve bina temeli arasına konumlanarak birbirlerinden ayrı hareket edebilmelerine olanak sağlamaktır. Taban yalıtımları, binanın yükünü taşıyabilmeleri için yüksek dikey rijitliğe, serbest yatay hareket sağlayabilmek için ise düşük yatay rijitliğe sahiptirler. Deprem esnasında üst yapı ve bina temeli birbirinden ayrı hareket edebilir ve bu sayede normalden daha az taban kesme kuvveti ve daha az göreli kat ötelenmeleri ile karşılaşılır. Taban yalıtımı her zaman yapının doğal titreşim periyodunu uzatmaktadır ve bu taban yalıtımının en önemli özelliğidir. Doğal titreşim periyodunun uzaması, yapının daha az spektral ivmeye maruz kalmasını sağlamaktadır ve bu sayede yapısal elemanlarda oluşan iç kuvvetler azalmaktadır.Üstyapı ve bina temelinin birbirinden ayrılması fikri 19. yüzyılın sonlarında Amerika Birleşik Devletleri'nde alınan patentlerde görülmüştür. Bu patentlerde mucitler, yapıların metal küreler veya elastik yaylar üzerine inşa edilmesini tavsiye etmişlerdir. Tokyo Üniversitesi'nde görev yapan İngiliz yerbilimci John Milne, kaymaya dayalı taban yalıtım sistemlerinin ilk örneği üzerinde çalışmıştır. Birçok farklı çeşidi olsa da, taban yalıtım sistemleri; elastomer mesnetler ve kaymaya dayalı sistemler olarak iki ana gruba ayrılabilir. Elastomer mesnetler, üst üste sıralı olarak dizilmiş kauçuk ve çelik levhalardan oluşmaktadır. Kauçuk levhalar gerekli olan düşük yatay rijitliği sağlamakta iken, çelik levhalar da gerekli olan yüksek dikey rijitliği sağlamaktadır. Çelik levhalar ek olarak kauçuk levhaların şişmesine ve ezilmesine engel olmaktadır. Elastomer mesnetler, kullanılan malzemeler değiştirilerek düşük sönümlü veya yüksek sönümlü olarak üretilebilirler. Elastomer mesnetler içerisine bir veya birden fazla kurşun çekirdek konularak da üretilebilirler. Kurşun çekirdekler bu mesnetlere enerji sönümleme yeteneği kazandırmaktadır. Diğer bir tür olan kaymaya dayalı mesnetler, elastomer mesnetlerden daha ekonomiktir. Bu mesnetlerde sürtünme oluştuğundan, az miktarda kesme kuvveti yapıya iletilmektedir. Bu mesnetlerin sürtünme özellikleri enerji tüketimine de katkı sağlamaktadır. Geleneksel kayma mesnetlerinin deprem hareketinden sonra eski konumuna gelme özellikleri mevcut değildir. Bu tarz mesnetlerin eski konumlarına gelmelerine yardımcı olacak elemanlar kullanılması gerekmektedir. Ancak bu özelliğe sahip olan kayma mesnetleri de mevcuttur. Konkav geometrileri sayesinde, sarkaç mesnetler yer çekimi yardımıyla gerekli olan geri dönme kuvvetlerinin oluşmasını sağlamaktadır. Yapı-zemin etkileşimi; yapı, temel ve zeminin etkilerinin birlikte hesaba katıldığı bir tasarım yöntemidir. Geleneksel olarak yapılar zemine sabitlenmiş olarak tasarlanmaktadır ve yapının altındaki zeminin etkileri göz ardı edilmektedir. Bunun genel sebebi, yapı-zemin etkileşiminin yapıya faydalı olduğu görüşüdür. Dinamik analizler, MATLAB ortamında geliştirilen bir bilgisayar programı kullanılarak yapılmıştır. Bu program deprem etkisi altındaki yapıların dinamik analizlerini yapı zemin etkileşimi etkisi eklenmiş ve eklenmemiş şekilde gerçekleştirmektedir. Bu analizlerde kullanılan örnek yapılar; beş, on ve kırk katlı kayma binalarıdır. Bu analizler için yakın fay ve uzak fay bileşenleri dahil olmak üzere onsekiz farklı yer hareketi seçilmiştir. Ek olarak dört farklı temel ve yapı zemin kombinasyonu hesaba katılmıştır. Bu dört farklı kombinasyon; taban yalıtımlı ve taban yalıtımsız, yapı zemin etkileşimi hesaba katılmış ve katılmamış yapılardan oluşmaktadır. Bu nümerik dinamik analizlerin sonuçları grafiksel ve karşılaştırmalı olarak zaman tanım alanında sunulmuştur. Nümerik sonuçların yardımıyla, taban yalıtımlı yapılarda yapı zemin etkileşimi etkileri tartışılmıştır. Yapı-zemin etkileşimi problemlerinin çözümünde iki ana yaklaşım kullanılmaktadır. Bunlardan biri zeminin yapının devamı olarak modellendiği direkt metottur. Diğeri ise zeminin yaylar ve sönümleyiciler ile modellendiği altyapı metodudur. Bu çalışmada altyapı metodu kullanılmıştır. Zeminin özelliklerini içeren rijitlik ve sönüm değerleri, empedans fonksiyonlarından hesaplanmıştır. Bu rijitlik ve sönüm değerleri, yapı-zemin etkileşimini içeren yapısal matrislerde kullanılmıştır. Yapının kütle, sönüm ve rijitlik matrisleri, yapı-zemin etkileşimi ve taban yalıtımını dahil edecek şekilde kurulmuştur. Bu işlemler için Matlab ortamında yardımcı fonksiyonlar geliştirilmiştir. Yapı-zemin etkileşimini ve taban yalıtımını içeren bu matrisler hareket denklemlerinin çözümünde kullanılmıştır. Hareket denklemlerinin çözümünde Newmark yöntemi kullanılmıştır. Çok katlı yapılarda Newmark yöntemini uygulayan bir Matlab programı da geliştirilmiştir ve analizler bu programla yapılmıştır. Her bina, deprem ve zemin koşulu için ayrı ayrı analiz yapılmıştır. Sonuçlar, yapıların katlarında oluşan ivme, hız ve yer değiştirmelerin zamana dayalı değerleridir. Analizler sonucu şu sonuçlara ulaşılmıştır: Taban yalıtımı binaya gelen ivme, hız ve yer değiştirme isteklerini önemli ölçüde azaltmaktadır. Toplam yer değiştirmeler normal yapılardan daha fazla olsa da, bu yer değiştirme yalıtım sisteminde odaklandığı için üst yapı birlikte hareket ederek normalden çok daha düşük göreli kat ötelenmelerine maruz kalmaktadır. Yapı-zemin etkileşimi, yapıda oluşan ivme, hız ve yer değiştirmeleri etkilemektedir. Yapı-zemin etkileşiminin genellikle deprem etkilerini azalttığı ve yapıya faydalı olduğu görülmektedir. Yönetmelikler güvenli tarafta kalma adına yapı-zemin etkileşimi için detaylı çözüm yöntemleri sunmamaktadır. Bu çalışmanın sonuçları da bu varsayımlarla örtüşmektedir. Ancak bazı sonuçlarda yapı-zemin etkileşiminin az da olsa deprem etkilerini artırdığı da görülmektedir.Yapı-zemin etkileşimi etkileri daha çok yumuşak zemin koşullarında ortaya çıkmaktadır. Sert zemin koşullarında, yapı zemine sabit kabul edilen durumla aynı tepkiyi vermektedir. Yapı-zemin etkileşiminin, taban yalıtımının performansına etki ettiği görülmüştür. Taban yalıtımının tesirliği yapı-zemin etkileşimi hesaba katıldığından azalmaktadır. Depremlerin yakın veya uzak fay olması sonuçların niteliğini etkilememiştir. Aynı şekilde, yapı yüksekliği de sonuçlarda dikkate değer değişikliğe sebep olmamıştır.

Seismic base isolation is a structural control technique which is being used in the seismic protection of civil engineering structures. Additionally, soil-structure interaction (SSI) is an important concept that is usually neglected in practical applications because its effect on structures is believed to be beneficial. However, studies show that the effects of soil structure interaction can also be detrimental. The aim of this study is to analytically implement base isolation with SSI to an example structure and to develop a very simple solution to add these combined effects into the mass, damping and stiffness matrices of the structure. After applying this solution, these matrices are used in the dynamic equations of the motion of the structure under earthquake effect. Dynamic analysis is carried out using a computer program developed in MATLAB environment. This program performs dynamic analysis using Newmark's method under the effect of earthquake excitation with and without SSI. In these simulations, three shear frame structures with different properties are considered. The strong ground motions selected for these analyses are eighteen different events with far fault and near fault components. In addition, four different base and soil-structure combination cases are taken into account. These four analytical cases are; a fixed based structure and a seismically isolated structure with or without the SSI. The results of these numerical dynamic analyses are presented graphically and comparatively in time domain. The results consist of storey displacements, accelerations and velocities. With the help of the numerical results, effects of SSI in seismically isolated structures are discussed.