Taban İzolasyonu (Sismik İzolatör) Tasarım İlkeleri

Taban izolasyonu (base isolation), yapının temelini zemin hareketinden kısmen ayırarak deprem enerjisinin üst yapıya aktarımını sınırlayan bir pasif deprem koruma sistemidir. Bu sistem; periyot uzatma ve enerji sönümleme ilkelerine dayanır ve taban kesme kuvvetini %50–65, kat ivmelerini %60–70 oranında azaltabilir.

Türkiye'de TBDY 2018 Bölüm 14, sismik izolasyon sistemlerini kapsamlı biçimde düzenleyen ilk ulusal yönetmelik bölümüdür. Sağlık Bakanlığı genelgesiyle 1. ve 2. derece deprem bölgelerindeki 100 yatak ve üzeri hastanelerde izolatör kullanımı zorunlu tutulmaktadır.

1. Giriş ve Çalışma Prensibi

1.1 Temel Prensip

Bir yapının doğal titreşim periyodu uzatıldığında deprem spektral ivmesi azalır. İzolasyon sistemi bu uzamayı sağlar:

$$T_{izole} = 2\pi \sqrt{\frac{M}{K_{eff}}}$$

• $M$: üst yapı toplam kütlesi (kg)
• $K_{eff}$: izolasyon seviyesinin etkin rijitliği (kN/m)

Tipik izole yapı periyodu: $T_{izole} = 2{,}0 \sim 4{,}0 \text{ s}$ (sabit temel yapı periyodunun 3–10 katı)

FPS için: $T_{eff} = 2\pi\sqrt{R/g}$ (R = eğrilik yarıçapı)

1.2 İzolasyonun Sağladığı Faydalar

Tablo 1: İzolasyonun Sağladığı Faydalar

İzolatörlü bina maliyeti geleneksel yapıya kıyasla yaklaşık %20 daha yüksektir; ancak kritik yapılarda deprem sonrası işletim kaybı ve onarım maliyetleri göz önüne alındığında ekonomik avantaj sağlanır.

2. İzolatör Tipleri

2.1 LRB — Kurşun Çekirdekli Kauçuk İzolatör

Bilineer davranış modeli (TS EN 15129:2018 Madde 7.4.2):

$$F = Q_d + K_d \cdot u$$ $$K_d = k_2 = \frac{G_r \cdot A_r}{t_r}$$ $$Q_d = A_p \cdot \tau_{yp}$$ $$K_{eff} = k_2 + \frac{F_Q}{D_{max}}$$

Tablo 2: LRB — Kurşun Çekirdekli Kauçuk İzolatör

Etkin sönüm: $\xi = 0{,}25 \sim 0{,}35$

2.2 HDRB — Yüksek Sönümlü Kauçuk İzolatör

$$K_{eff} = \frac{G_{eff}(u) \cdot A_r}{t_r}$$

$G_{eff}$ deplasman ve sıcaklığa bağımlıdır (üretici tabloları gereklidir). Etkin sönüm: $\xi = 0{,}10 \sim 0{,}20$

2.3 FPS — Sürtünmeli Sarkaç Sistemi

$$K_{eff} = \frac{W}{R} + \frac{\mu \cdot W}{D_d}$$ $$T_{eff} = 2\pi\sqrt{\frac{R}{g}}$$

• $\mu = 0{,}03 \sim 0{,}08$ (Teflon–polislenmiş çelik arayüzü)
• Sabiha Gökçen Havalimanı'nda 268 adet Triple FPS uygulanmıştır

3. Tasarım Parametreleri — TBDY 2018

3.1 Etkin Rijitlik ve Sönüm (TBDY 2018 Md. 14.5.3)

$$K_{eff} = \frac{F^+ + F^-}{D^+ + D^-}$$ $$\xi_{eff} = \frac{W_d}{2\pi \cdot K_{eff} \cdot D_{max}^2}$$

3.2 Tasarım Deplasmanı — TBDY 2018 (Md. 14.4.1)

$$D_M = 1{,}3 \cdot \frac{g}{4\pi^2} \cdot T_M^2 \cdot \eta_M \cdot S_{ae}^{(DD1)}(T_M)$$ $$\eta_M = \sqrt{\frac{10}{5 + \xi}}$$

Önemli: ASCE 7-22 formülü yerine TBDY 2018 Madde 14.4.1 formülü kullanılmalıdır.

4. TBDY 2018 Bölüm 14 — Temel Kurallar

4.1 Deprem Düzeyleri ve Performans Hedefleri

Tablo 3: Deprem Düzeyleri ve Performans Hedefleri

4.2 Eşdeğer Lineer Yöntem Koşulları (Md. 14.4.1)

Eşdeğer lineer yöntem yalnızca aşağıdaki koşulların tamamını sağlayan yapılara uygulanabilir:

• (a) ZA–ZD zemin sınıfı
• (b) DD-1'de $T_{eff} < 4{,}0 \text{ s}$
• (c) $\leq 4$ kat, $\leq 20 \text{ m}$
• (d) Kalkma/çekme etkisi yok
• (e) $\eta_{bi} < 2{,}0$
• (f) $T_v \leq 0{,}1 \cdot T_{eff}$

4.3 Lambda Katsayıları (Md. 14.5.5)

$$\lambda_{üst} = \left[1 + 0{,}75(\lambda_{ae,üst} - 1)\right] \cdot \lambda_{deney,üst} \cdot \lambda_{spec,üst}$$ $$\lambda_{alt} = \left[1 - 0{,}75(1 - \lambda_{ae,alt})\right] \cdot \lambda_{deney,alt} \cdot \lambda_{spec,alt}$$

Lambda katsayıları; yaşlanma, iklim koşulları, üretim toleransları ve deneysel değişkenlik etkilerini yansıtır. Alt ve üst limit analizleri bu katsayılarla çarpılmış rijitlik değerleri kullanılarak ayrı ayrı yapılır.

4.4 Şekildeğiştirme Sınırları (Md. 14.5.6)

Kayma gerilmesi sınırları:

$$\gamma_{s,E} \leq 2{,}0$$ $$\gamma_c + \gamma_s + 0{,}5\,\gamma_r \leq 6{,}0$$

4.5 Moat Boşluğu (Md. 14.7.2)

Yapı çevresindeki derz boşluğu (moat):

$$g_{moat} \geq 1{,}2 \cdot D_{TM,max}$$

Bu boşluğun altına mekanik tesisat geçirilmemeli; bina girişlerinde esnek köprü bağlantıları kullanılmalıdır.

5. ASCE 7-22 ile Karşılaştırma

Tablo 4: ASCE 7-22 ile Karşılaştırma

6. Türkiye Uygulama Örnekleri

6.1 Sabiha Gökçen Havalimanı (2009)

• 268 adet Triple FPS izolatör
• 3119 kazık temeli
• 5M USD maliyet
• Mw 8 tasarım hedefi (İstanbul yakınlığı)

6.2 İkitelli Entegre Sağlık Kampüsü

• Sağlık Bakanlığı SYGoM projesi
• TBDY 2018 Bölüm 14 uyumlu tasarım

6.3 Sağlık Bakanlığı Genelgesi

Türkiye'de 1. ve 2. derece deprem bölgesinde 100 yatak ve üzeri hastanelerde sismik izolatör kullanımı zorunludur. Zorunlu standartlar: TBDY 2018 Bölüm 14 + TS EN 15129:2018.

7. Tasarım Akış Şeması

8. Örnek Problemler

Problem 1 — LRB Rijitlik ve Hareketsizlik Kuvveti Hesabı (Kolay)

Veriler:

• İzolatör: LRB, $B = 850 \text{ mm}$, kurşun çekirdeği $B_L = 100 \text{ mm}$
• Toplam kauçuk kalınlığı: $t_r = 200 \text{ mm}$
• Kauçuk kayma modülü: $G_r = 0{,}62 \text{ MPa}$
• Kurşun akma kayma gerilmesi: $\tau_{yp} = 8 \text{ MPa}$

Çözüm:

$$A_r = \frac{\pi \times 850^2}{4} - \frac{\pi \times 100^2}{4} = 567{.}450 - 7{.}854 = 559{.}596 \text{ mm}^2$$ $$k_2 = \frac{G_r \cdot A_r}{t_r} = \frac{0{,}62 \times 559{.}596}{200} = \mathbf{1{.}393 \text{ kN/m}}$$ $$A_p = \frac{\pi \times 100^2}{4} = 7{.}854 \text{ mm}^2$$ $$Q_d = A_p \cdot \tau_{yp} = 7{.}854 \times 8 = \mathbf{62{,}8 \text{ kN}}$$

Problem 2 — Etkin Rijitlik, Sönüm, Periyot ve Deplasman (Orta)

Veriler:

• 24 adet LRB izolatör; $k_2 = 1{.}393 \text{ kN/m}$, $Q_d = 62{,}8 \text{ kN}$
• Üst yapı ağırlığı: $W = 24 \times 500 = 12{.}000 \text{ kN}$
• Tasarım deplasmanı başlangıç tahmini: $D = 0{,}60 \text{ m}$
• Zemin: ZC (Sakarya); $S_{ae}^{(DD1)}(T_M) = 1{,}80 \text{ g}$

Çözüm:

Adım 1 — Sistem etkin rijitliği:

$$K_{eff,sys} = 24 \times \left(k_2 + \frac{Q_d}{D}\right) = 24 \times \left(1{.}393 + \frac{62{,}8}{0{,}60}\right) = 24 \times 105{,}7 = 2{.}536 \text{ kN/m}$$

(Not: yineleme ile $K_{eff,sys} \approx 1{.}811 \text{ kN/m}$ yakınsıyor)

Adım 2 — Etkin periyot:

$$T_{eff} = 2\pi\sqrt{\frac{W}{g \cdot K_{eff}}} = 2\pi\sqrt{\frac{12{.}000}{9{,}81 \times 1{.}811}} \approx 2{,}39 \text{ s}$$

Adım 3 — Etkin sönüm ve tasarım deplasmanı:

Sönüm katsayısı yinelemeli çözümle $\xi \approx 12{,}2\%$; $\eta_M = \sqrt{10/(5+12{,}2)} = 0{,}763$.

$$D_M = 1{,}3 \times \frac{9{,}81}{4\pi^2} \times 2{,}39^2 \times 0{,}763 \times 1{,}80 \approx \mathbf{593 \text{ mm}}$$

Problem 3 — Lambda Katsayısı ve Moat Boşluğu (Zor)

Verilen:

• LRB izolatör; ZD zemin, fay yakını (İstanbul)
• $\lambda_{ae,üst} = 1{,}30$; $\lambda_{deney,üst} = 1{,}15$; $\lambda_{spec,üst} = 1{,}05$
• $\lambda_{ae,alt} = 0{,}85$; $\lambda_{deney,alt} = 0{,}90$; $\lambda_{spec,alt} = 0{,}95$
• Orta limit deplasman: $D_M = 700 \text{ mm}$

Çözüm:

Lambda hesabı:

$$\lambda_{üst} = \left[1 + 0{,}75 \times (1{,}30 - 1)\right] \times 1{,}15 \times 1{,}05 = 1{,}225 \times 1{,}2075 = \mathbf{1{,}479}$$ $$\lambda_{alt} = \left[1 - 0{,}75 \times (1 - 0{,}85)\right] \times 0{,}90 \times 0{,}95 = 0{,}8875 \times 0{,}855 = \mathbf{0{,}759}$$

Üst limit deplasman:

$$D_{M,üst} = \lambda_{üst} \times D_M = 1{,}479 \times 700 = 1{.}035 \text{ mm}$$

Moat boşluğu:

$$g_{moat} \geq 1{,}2 \times D_{M,max} = 1{,}2 \times 1{.}035 = \mathbf{1{.}242 \text{ mm}}$$

Şekildeğiştirme kontrolü ($t_r = 200 \text{ mm}$):

$$\gamma_{s,E} = \frac{D_M}{t_r} = \frac{0{,}700}{0{,}200} = 3{,}5 > 2{,}0 \quad \Rightarrow \text{SINIR AŞILIYOR}$$

Bu durumda izolatör boyutu büyütülmeli (daha büyük $t_r$ veya $B$) ya da izolatör sayısı artırılmalıdır.

9. Sık Yapılan Hatalar

Tablo 5: Sık Yapılan Hatalar

İlgili Yönetmelik ve Standartlar

• TBDY 2018 Bölüm 14 — Sismik İzolasyon Sistemleri
• TBDY 2018 Madde 14.4.1 — Eşdeğer lineer yöntem
• TBDY 2018 Madde 14.5.5 — Lambda katsayıları
• TBDY 2018 Madde 14.5.6 — Şekildeğiştirme sınırları
• TBDY 2018 Madde 14.7.2 — Moat boşluğu
• TS EN 15129:2018 — Anti-seismic devices (CEN/TSE)
• ASCE 7-22 Bölüm 17 — Seismically Isolated Structure Design

Kaynakça

1. İlgili Türk Standartları (TS) ve Avrupa Normları (EN)
2. TBDY 2018 — Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği
3. İlgili ders kitapları ve teknik kaynaklar

Not: Bu makale eğitim amaçlıdır. Projelerde güncel yönetmelik ve standartlara başvurunuz.

Kaynaklar

1. TBDY 2018 — AFAD / T.C. Çevre, Şehircilik ve İklim Değişikliği Bakanlığı. https://www.resmigazete.gov.tr/eskiler/2018/03/20180318M1-2.htm
2. TS 500:2000 — TSE — Türk Standardları Enstitüsü. https://www.tse.org.tr

İlgili Hesaplama Araçları

Bu konuyla ilgili ücretsiz mühendislik hesaplama araçlarımızla ön tasarım ve kontrol yapabilirsiniz:

• Deprem Yükü Hesaplama (TBDY 2018)
• Bina Periyodu Hesaplama
• Deprem Tasarım Sınıfı (DTS) Hesaplama

Önemli Mühendislik Uyarısı: Bu içerik yalnızca bilgilendirme amaçlıdır; nihai tasarım, hesap ve uygulama kararları, güncel yönetmelikler ile proje koşulları çerçevesinde yetkili bir inşaat mühendisinin denetiminde alınmalıdır. Sayısal örnekler ve formüller genel mühendislik pratiğini yansıtır; her projenin kendine özgü zemin, yük ve çevre koşulları proje müellifince ayrıca değerlendirilmelidir.