Giriş
Gayrimenkul sektöründe, sismik izolasyon (seismic base isolation) genellikle çoğu kimse tarafından depreme dayanıklı binalar için nihai çözüm olarak algılanır. Sismik izolatörler gerçekten de bir yapıyı zeminden ayırarak deprem sırasında binaya aktarılan sismik kuvvetleri önemli ölçüde azaltır.
Ancak sismik izolatörlerin her zaman en üstün çözüm olduğu düşüncesi malesef çok yaygın bir yanılgıdır. Belirli projeler için son derece etkili bir çözüm olmasına rağmen her yapı için uygun değildir. En doğru çözüm; projenin hedeflenen performans düzeyine (örneǧin yalnızca can güvenliğinden deprem sonrasında hemen kullanıma ve hatta kesintisiz işletime kadar), zemin koşullarına, bütçesine ve inşa edilebilirliğine bağlıdır.
Aşağıda sismik izolasyonun bazı önemli sınırlamaları ve birçok durumda neden geleneksel deprem tasarımının sismik izolatöre göre daha uygun bir seçenek olduğu açıklanmaktadır.
Sismik İzolasyonun Sınırlamaları:
1. Yüksek Binaların Zaten Uzun Doğal Titreşim Periyotları Vardır
Sismik izolasyon, yapının doğal titreşim periyodunu (yani yapıya gelen ilk sallama kuvvetinden sonra serbest bırakılsaydı kendi kendine sallanacaǧı periyot, buna serbest salınım periyodu da denir) dışarıda uzatarak yüksek frekanslı deprem enerjisinin yapıya iletilmesini azaltır. Bu yaklaşım özellikle alçak ve orta katlı binalarda oldukça etkilidir, çünkü bu yapıların serbest salınım periyodu kısadır.
Ancak yüksek binalar zaten nispeten uzun doğal titreşim periyotlarına sahiptir. Sismik izolasyonun uygulanması bu periyodu daha da uzatarak yapıyı, uzun periyotlu deprem hareketlerinin olumsuz dinamik davranış oluşturabileceği bir aralığa taşıyabilir. Bu durumda yapısal hareketler azalmak yerine artabilir ve sismik izolasyonun sağladığı avantajlar azalabilir.
Aynı zamanda daha uzun periyot, izolatör deplasmanlarının önemli ölçüde artmasına neden olabilir. Bu durum izolasyon sistemini, sismik boşluğu (seismic moat – deprem sırasında yapının güvenli şekilde hareket edebilmesi için bırakılan çevresel boşluk), altyapı bağlantılarını ve devrilme ile kaldırma etkilerini daha fazla zorlayabilir. Bu nedenlerle bina yüksekliği arttıkça sismik izolasyonun etkinliği genellikle azalır.
Bununla birlikte, kalıcı ötelenmelerin (residual drift) sınırlandırılmasının önemli olduğu veya ilave sönümleme sistemleriyle birlikte tasarlandığı bazı orta ve yüksek katlı binalarda sismik izolasyon yine de uygun bir seçenek olabilir.
2. Yüksek İlk Yatırım ve Yaşam Döngüsü Maliyetleri
Sismik izolasyon hem ilk yapım maliyetini hem de uzun vadeli bakım gereksinimlerini artırır.
Başlıca ilave maliyetler şunlardır:
– Elastomerik veya sürtünmeli izolatörler
– Bina çevresinde bırakılması gerekli sismik boşluk nedeniyle oluşan maliyetler
– Su, doğalgaz, elektrik ve mekanik tesisatlar için esnek bağlantılar
– İzolatörlerin periyodik muayenesi, test edilmesi ve gerektiğinde değiştirilmesi
Bununla birlikte yaşam döngüsü maliyet analizlerinde deprem hasarının azalması, daha kısa hizmet kesintisi, daha düşük onarım maliyetleri ve iş sürekliliği gibi potansiyel faydalar da dikkate alınmalıdır. Bu faydaların ek yatırımı haklı çıkarıp çıkarmayacağı, projenin performans hedeflerine bağlıdır.
3. Alan Gereksinimi (Sismik Boşluk)
Sismik izolatörlü bir bina, büyük bir deprem sırasında yatay doğrultuda hareket edecek şekilde tasarlanır. Deprem tehlikesine ve kullanılan izolasyon sistemine bağlı olarak yatay deplasmanlar birkaç santimetreden yüksek deprem tehlikesine sahip bölgelerde 1 m’nin (3,3 ft) üzerine kadar dahi çıkabilir.
Bu hareket için bina çevresinde sismik boşluk bırakılması gerekir. Yeterli boşluk sağlanmadığında bina komşu yapılar, istinat duvarları veya diğer engellere çarparak ciddi çarpışma (pounding) hasarına uğrayabilir. Gerekli boşluk ayrıca mimari yerleşimi, peyzaj düzenlemesini ve saha planlamasını da etkileyebilir.
4. Zemin / Geoteknik Koşullar Performansı Sınırlayabilir
Sismik izolasyonun etkinliği büyük ölçüde zemin koşullarına ve beklenen deprem yer hareketinin özelliklerine bağlıdır.
Başlıca zorluklar şunlardır:
– Uzun periyotlu deprem hareketlerini büyütebilen çok yumuşak zeminler
– Temel desteğinin kaybolmasına neden olarak izolatörlerin beklenen şekilde çalışmasını engelleyebilen sıvılaşma
– Çok büyük izolatör deplasmanlarına yol açabilen faya yakın darbe tipi (near-fault pulse) deprem hareketleri
– Yapının hemen altından geçen yüzey fay kırığı
– Temel performansını olumsuz etkileyen diğer önemli jeoteknik tehlikeler
5. Rüzgar Yükleri Tasarımı Belirleyebilir
Rüzgar yüklerinin yüksek olduğu bölgelerde esnek bir izolasyon sistemi binanın aşırı hareket etmesine neden olabilir.
Kullanıcı konforunu ve servis performansını sağlamak için ilave kısıtlama sistemleri veya ek sönümleme cihazları gerekebilir. Bu da hem tasarım karmaşıklığını hem de maliyeti artırır.
6. Tesisat ve Yapısal Olmayan Elemanlarda Karmaşık Detaylandırma
Sismik izolasyon ana taşıyıcı sistemi korurken, yapının birçok bileşeninin izolasyon düzlemindeki hareketi karşılayacak şekilde tasarlanması gerekir.
Özel detaylandırma gerektiren başlıca elemanlar şunlardır:
– İzolasyon düzlemini geçen tesisat hatları
– Yangın söndürme sistemleri
– Asansör sistemleri ve diğer düşey ulaşım sistemleri
– Genleşme derzi kapakları
– Köprüler, rampalar ve bina girişleri
– Asma tavanlar, bölme duvarları, cephe elemanları, depolama rafları ve mekanik ekipman gibi yapısal olmayan elemanlar
Bu gereksinimler hem mühendislik karmaşıklığını hem de inşaat maliyetlerini artırır.
7. Uzun Periyotlu Deprem Hareketleri
Deprem yer hareketinin, yapının doğal titreşim periyoduna yakın önemli uzun periyotlu enerji içermesi durumunda sismik izolasyon daha az etkili hale gelebilir.
Bu durum bazı dalma-batma zonu (subduction) depremlerinde veya derin alüvyal havzalarda büyütülen deprem dalgalarında görülebilir. Bunun en bilinen örneklerinden biri 1985 Mexico City depremidir. Bu koşullarda izolatör deplasmanları azalmak yerine artabilir.
Geleneksel Deprem Tasarımı Ne Zaman İyi Bir Seçenek olabilir?
Birçok konut, ticari ve ofis binasında geleneksel ankastre temelli sünek tasarım en pratik çözümdür.
Perde duvarlar, moment aktaran çerçeveler, kapasite tasarımı ilkeleri ve sünek detaylandırma sayesinde yapı deprem enerjisini kontrollü inelastik davranış yoluyla sönümleyebilir ve can güvenliği ile göçmenin önlenmesi hedeflerini sağlayabilir. Bu yaklaşım sismik izolasyonun gerektirdiği alan, bakım ve uygulama karmaşıklıklarının çoğunu ortadan kaldırır.
Sismik İzolasyon Ne Zaman En İyi Seçenektir?
Sınırlamalarına rağmen sismik izolasyon belirli projelerde en etkili deprem koruma yöntemlerinden biridir.
Özellikle deprem sonrasında hizmet vermeye devam etmesi gereken yapılar için uygundur:
– Hastaneler ve sağlık tesisleri
– Acil durum müdahale merkezleri
– Veri merkezleri
– Laboratuvarlar
– Yüksek değerli üretim tesisleri
– Müzeler ve arşivler
– Tarihi yapılar
– Kritik kamu yapıları ve altyapı tesisleri
Bu yapılarda temel hedef yalnızca göçmeyi önlemek değil, deprem sonrasında işlevselliği korumaktır. Bu nedenle ek yatırım çoğu zaman karşılığını verir.
Geleneksel Tasarım ile Sismik İzolasyonun Karşılaştırılması
Sismik izolasyona kıyasla geleneksel deprem tasarımı; daha düşük yapım maliyeti, standart yapısal detaylandırma, geleneksel tesisat bağlantıları, daha düşük bakım gereksinimi, daha sınırlı bina deplasmanları ve inşaat sürecine daha az etkisi ile öne çıkar. Ayrıca çoğu bina tipi için uygundur. Buna karşılık sismik izolasyon; daha yüksek ilk yatırım maliyeti, özel izolatörler, esnek tesisat bağlantıları, periyodik bakım ve deprem sırasında kontrollü ancak daha büyük yatay hareketler gerektirir. Deprem sonrasında yüksek işlevselliğin kritik olduğu seçilmiş projelerde ise bu ek karmaşıklık ve yatırım haklı görülebilir.
Geleneksel deprem tasarımı tek bir performans düzeyiyle sınırlı değildir. Projenin gereksinimlerine bağlı olarak, geleneksel yöntemlerle tasarlanan bir bina; can güvenliğinden hemen kullanıma ve daha yüksek performans hedeflerine kadar farklı performans düzeylerini sağlayacak şekilde tasarlanabilir. Ancak sismik izolasyon kullanılmadan daha yüksek deprem performansına ulaşılması, genellikle daha güçlü bir taşıyıcı sistem, daha kapsamlı detaylandırma ve ilave deprem koruma sistemleri gerektirir. Bu da inşaat maliyetlerini artırır.
Bina yönetmeliklerinin asgari performans hedefi ile müşteri beklentilerini birbirinden ayırmak önemlidir. Depreme dayanıklı olduğu belirtilen bir konut satın alan çoğu kişi, büyük bir depremden sonra evini çok az hasarla veya hiç kesinti yaşamadan kullanmaya devam edebileceğini düşünür. Oysa geleneksel yöntemlerle tasarlanan birçok binada temel tasarım hedefi hemen kullanım değil, can güvenliğidir. Bu nedenle bir bina, içinde bulunan kişileri başarıyla korurken, yeniden güvenle kullanılabilmesi için önemli onarımlar gerektirebilir. Bu farkın bilinmesi, farklı deprem tasarım yaklaşımlarını değerlendirirken daha gerçekçi beklentiler oluşturulmasına yardımcı olur.
Mühendisler ve Yatırımcılar İçin Temel Çıkarım
Doğru soru şu değildir:
«”Sismik izolasyon kullanabilir miyiz?”»
Doğru soru şudur:
«”Sismik izolasyon bu proje için en uygun, en ekonomik ve en uygulanabilir çözüm müdür?”»
Bu sorunun cevabı; yapının yüksekliğine, kullanım amacına, hedeflenen performans düzeyine, zemin koşullarına, deprem tehlikesine, bütçeye ve uzun vadeli işletme hedeflerine bağlıdır.
Yapısal, geoteknik, mimari ve tesisat mühendislerinin tasarımın erken aşamalarında birlikte çalışması, sismik izolasyonun doğru çözüm olup olmadığının belirlenmesi ve sistemin projeye başarılı şekilde entegre edilmesi açısından kritik öneme sahiptir.
Not: Uzun açıklıklı köprülerde dinamik davranış binalardan önemli ölçüde farklı olduğundan, sismik koruma amacıyla özel mesnetler, sönümleyiciler veya kontrollü zemin–temel etkileşimi gibi farklı çözümler tercih edilebilir.
Yönetmelikler ve Standartlar
Sismik izolatörlü yapıların tasarımı ve uygulanması, ilgili ulusal yönetmeliklere ve tasarım standartlarına uygun olmalıdır. Ülkelere göre ayrıntılar değişmekle birlikte aşağıdaki standartlar en yaygın kullanılan referanslar arasındadır.
Amerika Birleşik Devletleri
ASCE/SEI 7 – Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures
Yeni binaların deprem tasarımına ilişkin hükümleri, sismik izolasyon sistemlerine yönelik gereklilikler de dahil olmak üzere içerir.
ASCE/SEI 41 – Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings
Mevcut yapıların değerlendirilmesi ve güçlendirilmesi ile gerektiğinde sismik izolasyonun kullanımına ilişkin esasları kapsar.
AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (Köprüler için)
Sismik izolatörlü köprülerin tasarımına ilişkin deprem hükümlerini içerir.
Avrupa
Eurocode 8 (EN 1998) – Design of Structures for Earthquake Resistance
Avrupa’da deprem mühendisliği için temel tasarım standardıdır. Sismik izolasyon, enerji sönümleme sistemleri ve performansa dayalı deprem mühendisliği ile ilgili hükümler içerir.
Türkiye
Türkiye’de sismik izolatörlü binaların tasarımı öncelikle Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (TBDY 2018) kapsamında düzenlenmektedir. Yönetmeliğin Bölüm 14 – Deprem Etkisi Altında Yalıtımlı Bina Taşıyıcı Sistemlerinin Tasarımı İçin Özel Kurallar başlığı altında; sismik izolasyon sistemlerinin tasarım esasları, performans hedefleri, analiz yöntemleri, izolatör özellikleri, deney ve yeterlilik şartları ile tasarım doğrulama gereklilikleri ayrıntılı olarak tanımlanmıştır. TBDY 2018, Türkiye’de sismik izolasyonlu bina tasarımı için temel ve bağlayıcı teknik düzenlemedir.
Sismik izolatörlerin kendisi için ise TS EN 15129 – Deprem Yalıtım Cihazları (Anti-seismic Devices) standardı kullanılmaktadır. Bu standart; sismik izolatörlerin ve diğer deprem koruma cihazlarının performans, tasarım, deney, üretim, kalite kontrol ve uygunluk değerlendirme esaslarını tanımlar ve Avrupa Standardı EN 15129’un Türkiye’de kabul edilmiş versiyonudur.