Asma Köprü Kulelerinin Dinamik Davranışında Kütle Sönümleyici Kullanmanın Faydalarının Sismik Performansla Değerlendirilmesi

Abstract

Bu tezin amacı asma köprülerin dinamik davranışında kütle sönümleyicilerin etkilerinin değerlendirilmesidir. Asma köprülerde kütle sönümleycilerin kullanılmasının köprünün deprem etkisi altındaki performansına etkisi incelenmiştir. Konunun gerçekçi bir örnek üzerinden incelenmesi için mevcut çalışmada örnek yapı olarak Izmit Körfez Geçiş Köprüsünün Kuleleri göz önüne alınmıştır. Kulelerin kütle sönümleyicili ve sönümleyicisiz durumları için kırılganlık analizleri yapılmıştır. Elde edilen kırılganlık modelleri temel alınarak, kütle sönümleyiclerinin farklı spektral ivme seviyeleri altında köprünün peformansına olan etkisi değerlendirilmiştir. Izmit Körfez Geçiş Köprüsü Izmit körfezinde bulunmaktadır. Köprünün ana açıklığı 1550 metre uzunluğundadır ve iki kenar açıklık 550 metredir. Tabliyelerin genişlikleri 35 metre olup, ana taşıyıcı kablonun çapı yaklaşık 0.78 metredir. Köprünün kuleleri ise 22 bloktan oluşmaktadır ve blokların yükseklikleri 8 metre ile 13 metre arasında değişmektedir. Kulenin ön panellerinin genişiliği 7 metredir ve kule boyunca sabittir. Kulenin yan panelleri ise eğimlidir, ilk blokta 8 metre olan genişlik, doğrusal olarak azalarak 22’inci blokta 7 metreye düşmektedir. Üst yapının tamamı çelik kullanılarak inşa edilmiştir. İzmit Körfez Geçiş Köprüsünün kulerinde mevcut durumda aktif kütle sönümleyiciler yerleştirilmiş bulunmaktadır. Bu sönümleyiciler, rüzgar ve trafik yükleri altında çalışıcak, ancak deprem etkisi altında kapanacak şekilde tasarlanmıştır. Bu tez çalışmasında, yapıdaki mevcut sönümleyiciler yerine deprem sırasında çalışacak şekilde tasarlanmış ayarlı kütle sönümleyicilerin bulunması durumu incelenmiştir. Bu tezde kulelerin dinamik davranışı zaman tanım analizi yöntemiyle, yer hareketi kayıtlarının etkitilmesiyle incelenmiştir. Tezin amacı olan kütle sönümleyicinin etkilerinin görülebilmesi için iki adet model hazırlanmıştır, kütle sönümleyicili kule ve kütle sönümleyici olmadan kule. Tezin literatür araştırma kısmında kütle sönümleyicilerinin tarihsel gelişimi açıklanmıştır. Modellerde, kulenin her bir bloğu boy ve enkesit olarak ayrı ayrı SAP2000 analiz programında tasarlanmıştır. Daha gerçekçi analiz sonuçları elde edebilmek için çelik blokların imalatında ve sahada montajı sırasında her bir birleşim noktasında oluşan geometrik sapmalar modelde göz önüne alınmıştır. Sonuçta montajı tamamlanan yapıda bu (toleranslar içinde bulunan) üretim kusurları neticesinde eksantrisite vardır ve bu durum yapı modeline aktarılmıştır. Analiz sırasında tanımlanan yüklerin belirlenmesinde, köprünün tamamı (kablo ve tabliyeler) göz önünde bulundurulmuştur. Asma köprülerde, deklere yapı ve konum itibariyle çok fazla yük gelmektedir. Asma köprülerde yapının öz ağırlığı önemli miktardadır, ilave gelen rüzgar yükü ve trafik yükleri de taşınan yükü daha da fazlalaştırır. Tabliyeler kendisine gelen yükleri kablo aracılığıyla kulelere aktarır. Bir döngü misali, açıklık arttıkça tabliyelerden gelen yük artacaktır, tabliyeleri taşıyan kabloların bu yükleri taşıyabilmesi için de kablonun kesiti artacaktır ve sonuç olarak kulelere gelen dikey kuvvet artacaktır. Izmit Körfez Geçiş Köprüsünde kullanılan kütle sönümleyici ilk olarak ayarlı kütle sönümleyici olarak tasarlanmıştır. Fakat, montaj açısından ayarlı kütle sönümleyicinin montajının zor olması, aynı dinamik karakteristik özelliklere sahip aktif kütle sönümleyici kullanılmasına sebebiyet vermiştir. Örnek olarak, ayarlı kütle sonümleyicinin ağırlığı 12 tondur, aktif kütle sönümleyici yaklaşık 10 tondur fakat sönümleyicilerin rijitlik ve sönümleme parametreleri yapıya optimum etkiyi sağlamak üzere belirlenmiştir. Izmit Körfez Geçiş Köprüsünün kulelerinde aktif kütle sönümleyiciler, doğu da ve batı’da 2 adet olmak üzere toplam 4 kule ayağı bulunan asma köprüde, her bir kule ayağında 2 adet aktif kütle sönümleyici kullanılmıştır, bu tasarım aşamasında düşünülen ayarlı kütle sönümleyici ile aynı adettir. Titreşim önleyiciler sadece ana açıklık doğrultusunda hareket edecek ve esas olarak kulenin birinci titreşim modunu sönümleyecek şekilde tasarlanmıştır. Analiz için hazırlanan modelde dizayn aşamasında tasarlanan ayarlı kütle sönümleyicinin parametreleri kullanılırken aslında gerçeğe tamamen uygun bir durumdur zira kullanılan aktif kütle sönümleyicinin dinamik karakteristik özellikleri de aynıdır. Fakat Izmit Körfez Geçiş Köprüsü projesinde kullanılan aktif kütle sönümleyicinin çalışma prensiplerinden biri de yapıya etkiyen yer hareketi ivmeleri karşısında aktif kütle sönümleyici kendisini kapatmasıdır. Zira çalışma prensibi olarak yapıyı titreştiren bir dalgayı sönümlemeye çalışır, oysa yer hareketi sırasında çok sayıda dalga yapıya etkimektedir. Bu durumda bir hareketi engellemeye çalışan aktif kütle sönümleyici belki de diğer bir ivme dalgasına destek olacaktır. Bu da yapıya yer hareketi etkidiğinde yapıda titreşim önleyicilerin çalışmaması, yani bir bakıma kütle sönümleyici yok manasına gelmektedir. Ayarlı kütle sönümleyicileri montaj ve stabilizasyon konusunda dezavantajlı olsa da, hem yer hareketi altında hem de rüzgar yükleri altında çalışır durumdadır. Izmit Körfez Geçiş Köprüsü projesinde kullanılan aktif kütle sönümleyici ise sadece rüzgar dinamik yükü atlında çalışmaktadır. Modelde kullanılan ayarlı kütle sönümleyicilerin dinamik karakteristik özellikleri belirlenirken Den Hartog’un ayarlı kütle sönümleyici tasarımı metodundan faydalanılmıştır. Kütle sönümleyicinin dinamik karakteristik özellikleri kulenin modal analizi neticesinden elde edilen öz değerler kullanılarak bulunmuştur. Sismik kırılganlık eğrilerinin oluşturulabilmesi için kulenin limit durumları araştırılmıştır. Sonuç olarak birinci mod şekline (boyuna doğrultu) göre kritik birleşim noktaları belirlenmiştir. Kulenin limit kapasitesi kritik birleşim noktalarında dinamik yüklerin neden olduğu deplasman neticesinde oluşan eksantirik momentin yol açtığı gerilmelerin malzemenin akma dayanımını aşması durumudur. Kırılganlık analizi için seçilen oniki yer hareketi kaydı, belirli katsayılarla arttırılarak yapının limit durumuna kadar analizi yapılmıştır. Yer hareketi kayıtları belli katsayılarla büyütmeden önce Bu veriler altında, yapının kapasitesi ve arttırılmış yer hareketinin talepleri karşılaştırılarak sismik kırılganlık eğrileri oluşturulmuştur. Analizlerde kullanılan yer hareketi kayıtlarının zemin özelliklerinin ilgili kulenin bulunduğu sahadaki zemin özelliklerine benzer olmasına dikkat edilmiştir. Yer hareketi kayıtları yerin 30m altında dalga hızı 300 m/s civarında olan yerden kayıtlar alınmıştır. Yapılan zaman tanım alanı hesaplarında Newmark sabit ortalama ivme yöntemi kullanılmıştır. Aynı zamanda hesaplarda geometrik bakımından lineer olmayan davranış göz önünde bulundurulmuştur. Seçilen bu yöntemle gerçeğe daha yakın sonuçlar elde edilmesi amaçlanmıştır. Asma köprülerin kulelerinin sönüm oranı yaklaşık 0.02 civarıdır. Elde edilen sismik kırılganlık eğrileri karşılaştırılmadan önce, ayarlı kütle sönümleyicinin etkisiyle ilave olarak yapıya etkiyen rijitlik ve sönüm etkileriyle, yapının kritik noktalarında deplasmanların azaldığı, aynı zamanda yer hareketi sona erdikten sonra yapı çok daha hızlı bir şekilde var olan titreşimi sönümleyip ilk konumuna dönmüştür.

This thesis intends to investigate the effects of utilizing tuned mass dampers in mitigating the dynamic response of suspension bridge towers subjected to seismic actions. For this purpose Izmit Bay Suspension Bridge tower, which is located in Izmit Bay, is chosen as the case study bridge. Main span length of the bridge is 1550 meters and the two side spans are 550 meters each. Dynamic response of the Izmit Bay Bridge Tower structure is investigated considering two models: (1) with mass damper and (2) without mass damper to be able to estimate the impact of utilization of mass damper on the seismic response. For this purpose, member-based detailed three-dimensional simplified models of the tower are developed in CSI SAP2000 analysis software. Exact tower cross section is created in the analysis software, and for each section of Izmit Bay Bridge tower is reflected to the model with considering as-built geometry of erected tower. Additionally, loads acting on the tower that are coming from the deck and the cable are applied to the model. Also tuned mass damper (TMD) dynamic characteristics are defined according to actual masses of the existing dampers of the Izmit Bay Bridge Tower. At present, active mass dampers are built in the towers. These dampers are setup for mitigating wind and traffic induced vibrations. The existing active dampers are configured to shut down during seismic events. In this thesis, the hypothetical case of utilizing tuned mass dampers for mitigating the seismic vibrations of the towers is investigated. TMD’s dynamic characteristic are estimated regarding the Eigen values obtained from the modal analysis result. Eigen vectors are used to evaluate and understand the modal behavior of each joint of the tower. Twelve ground motions records are applied with direct time integration history using Newmark’s constant average method considering the geometrical nonlinearities. Failure cases are investigated for tower by approximately considering the full-scale bridge effects, accordingly limit state case is defined. Upon obtaining the results of time history analysis, seismic fragility curves are derived comparing the stress demand with the strength capacity at the critical joint sections of the tower. Finally, fragility curves of two models are compared. As it is expected, failure probability is lower for the model with the tuned mass damper compared to that for the model without damper. In addition, time history analysis results are compared to each model in order to review the effect of mass dampers.