Bitümlü sönümleyici geomateryallerin tasarlanması ve sismik izolasyon amaçlı kullanılabilirliklerinin sayısal olarak incelenmesi

Abstract

Sismik izolasyon, yapılarda depremden dolayı meydana gelebilecek hasarları çeşitli araçlarla en aza indirgemeyi amaçlayan bir sistemdir. Mevcut sismik izolasyon sistemleri, başarılı bir şekilde kullanılmalarına rağmen düşey doğrultudaki titreşimlere duyarsız ve maliyetlerinin yüksek olması yaygın kullanımlarını engellemektedir. Bu nedenle geçtiğimiz son 10 yıl içerisinde alternatif olarak, düşük ve orta yükseklikteki konutlarda kullanılabilecek hem düşük maliyetli hem de etkili bir mekanizma olan geoteknik sismik izolasyon (GSİ) fikri ortaya atılmıştır. Bu sistemlerin esası, sismik enerjinin temel altına yerleştirilecek yüksek sönümlü zemin tabakalarıyla azaltılmasıdır. Bu çalışma kapsamında, GSİ sistemlerinde kullanılabilecek yüksek sönümleme kapasitesine sahip bitümlü geomateryaller araştırılmıştır. Bu amaca yönelik olarak, çeşitli penetrasyonlara sahip bitümler farklı oranlarda kullanılarak bitüm-kum karışımları üretilmiş ve bu karışımların dinamik kayma modülü ve sönüm oranı gibi özellikleri, dinamik üç eksenli ve çevrimsel basit kesme deneyleriyle belirlenmiştir. Ayrıca, en yüksek sönüm oranının gözlendiği bitüm-kum karışımına kum ağırlığının %1, 2, 3 ve 4'ü oranlarında öğütülmüş araç lastiği katılarak sönüm oranı artırılmaya çalışılmıştır. Bitümlü geomateryallerin, yapıların sismik davranışı üzerindeki etkisi incelemek için ANSYS paket programıyla sonlu elemanlar analizleri yapılmıştır. Analizlerde, bitümlü geomateryalin boyutları, yapının kat adeti ve deprem maksimum yer ivmesinin model yapının sismik davranışı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Deneysel çalışmalarda maksimum sönüm oranı, %10 oranında 160/220 penetrasyonlu bitüm içeren karışımda gözlemlenmiştir. Bu karışımda, öğütülmüş araç lastiği içeriği artışına bağlı olarak sönüm oranının arttığı, kayma modülünün azaldığı belirlenmiştir. Sayısal analizlerde, kat sayısına da bağlı olarak bitümlü geomateryalin kullanıldığı durumda çatı seviyesindeki ivmelerin %65'e varan oranlarda azaldığı görülmüştür. Böylece, kum-öğütülmüş araç lastiği-bitüm karışımlarından oluşan geomateryalin, GSİ sistemlerinde etkili bir şekilde kullanılabileceği ortaya konulmuştur.

Seismic isolation is a system that aims to minimize damage to buildings with various devices due to earthquakes. Despite their successful usage, high cost and insensitivity to vertical vibrations of existing seismic isolation systems prevent their widespread use. For these reasons, the idea of geotechnical seismic isolation (GSI), which is an effective and low cost mechanism, has been proposed for low and medium-high buildings in the last 10 years. The basis of these systems is to reduce the seismic energy by the high damping soil layers which is placed under the foundation. In the scope of this study, bituminous geomaterials with high damping capacity that can be used in GSI systems have been investigated. For this purpose, bitumen-sand mixtures were produced with different contents of the bitumens that have different penetrations and their properties such as dynamic shear modulus and damping ratio were determined by dynamic triaxial and cyclic simple shear tests. In addition, it was tried to increase the damping ratio by adding ground tire rubber at the rate of 1, 2, 3 and 4% by the weight of sand to the bitumen-sand mixture which has the highest damping ratio. In order to examine the effect of bituminous geomaterials on the seismic behavior of structures, finite element analyses were performed with ANSYS software. In the analyses, the effects of the dimensions of the geomaterial, number of storeys and peak ground accelerations of earthquake on the seismic behavior of model structures were investigated. In the experimental studies, the maximum damping ratio was determined in the mixture containing 10% of bitumen penetration grade 160/220 by weight of sand. In this mixture, it was determined that the damping ratio increased and the shear modulus decreased with increasing content of ground tire rubber. In numerical analyses, it was found that usage of bituminous geomaterial causes up to 65% acceleration decrease depending on the number of the storeys at roof levels of structures. Thus, it was revealed that the geomaterial composed of sand-crumb rubber-bitumen mixtures can be used effectively in GSI systems.