U-şekilli Çelik Sönümleyicilerin Histeretik davranışlarının Modellenmesi Ve Düşük Sönümlü Kauçuk mesnetlerle Birlikte Sismik İzolatör Olarak Kullanılması

Abstract

Yapılar yaşamları boyunca kar, rüzgâr, deprem vs. gibi yüklere birçok kez maruz kalmaktadırlar. Deprem etkileri çoğunlukla yapı tasarımı için en olumsuz koşulları yaratmaktadır. Bunun nedeni, yapısal elemanlara ulaşan deprem enerjisinin çatlaklara ve diğer önemli hasar türlerine ulaşmasıdır. Birçok depreme dayanıklı yapı tasarımı yaklaşımı bulunmaktadır. Geleneksel yöntemlerde yapı, elemanların boyutlarını arttırmak yoluyla dayanım esaslı, elastik ötesi davranış iyileştirilerek süneklik esaslı tasarım yapılmaktadır. Her iki durumda da depremin enerjisi doğrudan yapısal elemanlar tarafından karşılanmaktadır. Oysa modern yaklaşım sismik enerjilerin yapısal elemanlara ulaşmadan sönümlenmesini amaçlamaktadır. Sismik izolasyon sistemleri yapının periyodunu öteleyerek/uzatarak yapıya etkiyen yükleri azaltırken, enerji sönümleyici sistemler ise sismik enerjinin sönümlenmesine olanak sağlar. Her iki yaklaşımın da birlikte kullanıldığı yapı tasarım anlayışı, sismik etkileri yapısal elemanlara ulaşmadan azaltıp, sönümlemesi nedeni ile modern tasarım anlayışı ile uyuşmaktadır. Özellikle 1995 Kobe Depremi sonrası performansını kanıtlayan sismik izolasyon sistemlerine olan güven artmıştır. Günümüzde Japonya başta olmak üzere Amerika, Çin, Yeni Zelanda, İtalya ve Türkiye gibi deprem etkisi altındaki ülkelerde uygulamaları yaygınlaşmaya başlamıştır. Bölüm 1’de motivasyon ve tezin kapsamı incelenmekle birlikte bu çalışma sekiz ana bölümden oluşmaktadır. 2. Bölümde ilk olarak sismik izolasyon ve enerji sönümleyici sistemlerden uygulamada en çok kullanılanları incelenmiştir. Bu sistemlere ilişkin üstünlükler ve sakıncalar belirlenmiştir. Sismik izolasyon sistemleri ve enerji sönümleyici sistemler karşılaştırıldığında herbirinin kendine özgün üstünlükleri olduğu görülmüştür. Bu sistemler arasından yerel koşullarda üretilebilirlik kriteri göz önüne alınarak en uygun olan düşük sönümlü kauçuk mesnet (LDR) ve U-şekilli metalik enerji sönümleyici (UD) detaylı olarak incelenmek üzere seçilmiştir. Hem LDR’nin hem de UD’nin özellikleri detaylı olarak açıklanmıştır. LDR’nin tek başına kullanılması durumunda en büyük sakıncası ilave sönüm ihtiyacının olması iken, UD’nin en büyük sakıncası düşey rijitliğinin düşük olmasıdır. Ancak iki bileşen bir arada kullanılınca birbirinin zayıflıklarını kapatan yeni bir taban izolasyon sistemi (ULB) ortaya çıkmaktadır. UD, LDR’nin ihtiyaç duyduğu sönümü sağlarken, LDR’de yüksek düşey rijitliği ile yapının yatayda hareket etmesine olanak vermektedir. İzolasyon sisteminin seçilmesinin ardından sonraki aşama ULB’nin yatay yükler altında histeretik davranışını belirlemek olmuştur. Bu amaçla hem UD’nin hem de LDR’nin histeretik davranışının modellenmesi gerekmektedir. Yapılan literatür taraması sonrası düşük sönümlü kauçuk izolatörlerin davranışının lineer olarak kolayca modellenebileceği görülmüştür. Bu nedenle, bu tez çalışmasında doğrusal olmayan davranış gösteren metalik enerji sönümleyici UD’nin histeretik davranışını modellemek üzerine yoğunlaşılmıştır. UD ile ilgili yapılmış çalışmalar taranıp 3. Bölümde sunulmuştur. Sonrasında 4. Bölümde ABAQUS programı ile yatay yükler altında davranışını temsil eden sonlu elemanlar modeli kurulmuştur. Kurulan sonlu elemanlar modeli UD40 isimli sönümleyiciye ilişkin deneysel çalışmaya uyarlanıp sonuçların tutarlılığı 5. Bölümde karşılaştırılmıştır. UD40’da meydana gelen kalıcı deformasyonların ve yatay yükler altındaki histeretik davranışının deneysel bulgularla uyumlu olduğu gözlenmiştir. UD40 sönümleyici 0º yükleme yönünde daha çok üst ve alt kollarda eğilmeye zorlanırken, 90º yükleme yönünde burulma ve eksenel deformasyonlar ön plana çıkmıştır. UD sönümleyicilerin farklı geometrilerde tasarlanması durumunda histeretik eğrilerinin değiştiği bilinmektedir. Bu durum, UD’nin boyutlarında değişikliğe giderek istenen sismik performansın elde edilmesine olanak sağlamaktadır. 6. Bölümde açıklandığı üzere çalışmada UD40 sönümleyicisine eşdeğer hacimlerde iki farklı tip olmak üzere toplamda 10 adet yeni sönümleyici oluşturulmuş bu sönümleyicilerin histeretik eğrileri seçilen yükleme protokolleri altında elde edilerek karşılaştırılmıştır. UDF isimli sönümleyiciler üst ve alt kollar bükülerek geliştirilmiş, bu şekilde üst ve alt kolların daha fazla eksenel kuvvet etkisinde kalması amaçlanmıştır. UDK isimli sönümleyicilerde ise çelik kolların üzerlerine açılan dairesel delikler ile plastik deformasyonların kollar üstünde daha da yaygınlaşması amaçlanmıştır. UDF sönümleyicilerin çoğunun aynı çevrim sayısında UD40’a göre daha fazla enerji sönümledikleri görülmüştür. UDK sönümleyicilerin ise UD40 sönümleyicilere göre ilk rijitlikleri azalmıştır; bu azalma tasarım ölçütlerine göre tercih edilebilecek bir durum olduğundan olumludur. UD sönümleyicilerin tamamına ilişkin sönüm oranları %50’nin üzerindedir. UD sönümleyicilerin davranışı büyük oranda yükleme yönünden bağımsızdır. Ancak uygulamada bu sönümleyiciler tek başına kullanılmak yerine genelde 2’li, 4’lü, 6’lı ve 8’li olarak kullanılmaktadırlar. Bu nedenle bu çalışmada aynı zamanda çoklu sönümleyiciler de modellenmiş, farklı doğrultularındaki yüklemeler altındaki davranışları incelenmiştir. UD sönümleyicilerin yatay yükler altında histeretik davranışının belirlenmesi ile ULB taban izolasyon sistemine ilişkin davranış modeli de elde edilmiş olmaktadır. Taban izolasyon sisteminin gerçek deprem ivmesi altındaki davranışı Bölüm 7’de , 4 adet deprem ivmesi kullanılarak elde edilmiştir. Bu amaçla SAP2000 programı ile hem ankastre mesnetli hem de taban izolasyonlu iki farklı yapı modellenip, ULB’nin performansı incelenmiştir. Kullanılan deprem ivmeleri 18 Mayıs 1940 El Centro, 17 Ocak 1994 Northridge, 31 Ekim 1935 Helena Montana ve 17 Ağustos 1999 Kocaeli depremleridir. Yapılan hızlı doğrusal olmayan analiz (FNA) sonucunda büyük deplasmanlarda ankastre mesnetli yapıya göre maksimum taban kesme kuvvetlerinde %85~%89 aralığında , kat ötelemelerinde ise %88~%90 aralığında azalma görülmüştür. Helena Montana depreminde ise ULB’de meydana gelen deplasman elastik sınırın gerisinde kalarak yalnızca maksimum taban kesme kuvvetinde azalma sağlamış yapının sönümünü arttıramamıştır. Rüzgâr gibi yatay yükler nedeni ile izolasyon sisteminin ilk rijitliğinin belli bir seviyeden aşağı düşürülemediği için böyle bir sonucun ortaya çıkması beklenmektedir. Bu çalışma kapsamında UD yalnızca taban izolasyon sisteminde kullanılmış olsa da çeşitli düzenlemelerle yapıda başlı başına enerji sönümleyici olarak da kullanılabilmektedir. Yapılan analizler sonucunda UD’nin histeretik davranışlarının kararlı olduğu ve uygulandığı yapıda sismik performansı büyük oranda iyileştirdiği görülmektedir. Bunun yanısıra kolayca üretililebilir olması ve maliyetinin düşük olması sismik izolasyon ve enerji sönümleyici sistemlerin yaygınlaşması içim önemli bir fırsattır.

Building structures are subjected to variable loads (wind, earthquake, snow etc.) many times during their lifetime. Among these effects, earthquake loading usually creates the worst conditions for structures, because during an earthquake input energy, which reaches structural elements, may cause cracks and other types of the heavy structural damage. Conventional approach to earthquake resistant building design (ERBD) relies upon strength, stiffness and inelastic deformation capacity, which are great enough to withstand a given level of earthquake effects. However, modern approach in today’s designs aims to reduce/mitigate seismic energy before the input energy reaches the structural elements. As a structural and damage control technology for buildings, seismic isolation systems reduce forces, by shifting the natural period of structure away from the dominant period of earthquake excitation. On the other hand, energy-dissipating systems provide damping for seismic input energy. A design approach, uses both of the systems together, is known as the modern design approach. Especially after the 1995 Kobe earthquake, satisfactory performance of seismic isolated buildings accelerated the implementation of seismic isolation systems in new constructions. Nowadays, seismic isolation devices are used in many big project in earthquake prone countries like Japan, USA, China, New Zealand, Italy and Turkey etc. Common seismic isolation and energy dissipating devices are investigated then the advantages and disadvantages are summarized on a table given in Section 2. Each device has its own benefits. According to the criteria of producibility, low damping rubber bearing (LDR) and U-shaped steel damper (UD) have been chosen in this thesis to investigate in detail from between these devices. Section 3 includes a literature review on UD dampers and mechanical properties of LDR and UD. Factors affecting mechanical properties (temperature, load velocity, load direction etc.) are given detailed in this section. The biggest disadvantage of LDR is insufficient damping ratio while UD has low vertical stiffness. However, when these devices come together, a new base isolation device (ULB) eliminating both disadvantages is obtained. In other words, ULB device has high damping ratio provided by UD, and high vertical stiffness provided by LDR. After choosing an appropriate base isolation system, next step is to determine hysteretic behavior of ULB under lateral simulated loads. To that end, hysteretic behavior of UD and LDR must be numerically modelled. It is known that behavior of LDR can be easily modelled as the behavior is almost linear. Therefore, this thesis focuses on modelling of the metallic damper’s (UD’s) behavior, which is highly nonlinear. In order to simulate hysteretic behavior under lateral loads, a 3D finite element model (FEM) of UD is developed with ABAQUS in Section 4. Two type of steel material Q235 and SN490B are used and UD dampers analyzed under three different load protocol. Section 5, this FEM model was adopted for UD40 damper, which has an experimental study on it. This opportunity made it possible to compare experimental and FEM results. It was observed that both permanent deformations and hysteretic behavior under lateral loads, which were determined from FEM analysis, are similar to experimental results. Deformations on UD40 under 0 degree was mainly caused by cyclic bending in the dampers, which was concentrated mostly in the middle part of the upper and lower arms. However, the deformations on UD40 under 90 degrees cyclic loading was mostly caused by the torsion and concentrated at the end of the damper arm near the connections. It is known that hysteretic behavior of UD devices varies with changing geometry of the damper. For this reason, designing UD damper’s geometry for any seismic demand would be quite important. In Section 6, a total of 10 new dampers (two different types) are geometrically designed and their hysteretic behaviors are compared. UDF is formed by bending of upper and lower arms to obtain axial forces by minimizing bending effects. UDK is formed by opening holes along the arms. At same cycle number, UDF mostly dissipated more energy than UD40. Plastic deformations on UDF dampers concentrated between bended arms and curved plate. UDK had lower first effective stiffness than UD40. Deformations on UDK dampers concentrated around biggest hole and this hole controlled behavior of UDK dampers. Therefore, it must be chosen around 20 mm (R/t=0.28) hole diameter in order to distribute plastic deformations. All UD damper’s effective damping ratio was determined more as 50 percent or above. UD dampers have similar hysteretic behavior under any loading direction. In practice, these dampers are used as a combined system instead of a single part. Therefore, in this study hysteretic behavior of UD systems are also investigated under different loading directions. Hysteretic behavior of ULB was obtained after determining the behavior of UD. To further investigate real behavior of ULB as base isolation system under real ground motions, four earthquake ground motion data were used. To this end, in Section 7, a two-story structural system was modelled with structural analysis program SAP2000, as fixed base and isolated base. 18 May 1940 El Centro, 17 January 1994 Northridge, 31 October 1935 Helena Montana and 17 August 1999 Kocaeli ground motions were used for this analysis model. According to fast nonlinear analysis (FNA) results, under large displacements of the structure implementation of ULB resulted in a large decrease in maximum base shear forces and story drifts. When 31 October 1935 Helena Montana earthquake acceleration data were used since the displacements developed within the elastic limit in ULB, no additional damping has been obtained. Considering minor lateral loads like wind effects, first elastic stiffness and elastic limit is always required for ULB. Although UD was used just as base isolation system, UD can be used as energy dissipation device with different bracing configuration. This use is outside the scope of this thesis; however, a potential forthcoming work can be structured on this specific investigation. According to the analysis results obtained here stable hysteretic behavior can be achieved for UD and this would improve largely the seismic performances of structures. In addition to this, as this system seems a lowcost seismic device, it is possible to manufacture such devices with the help of local producers in Turkey. This would result in a widespread use of seismic isolation systems in existing and new buildings located seismically vulnerable areas.