Yüksek yapılar için tasarlanan yeni tip bir yarı-aktif kontrollü sismik titreşim sönümleyicinin deneysel incelemesi ve sistem modeli

Abstract

Yüksek yapılarda titreşim sönümleme, yapının deprem ve rüzgar gibi dinamik yükler altında oluşan titreşimlerini azaltarak, sistemin güvenliğini ve konfor koşullarını korumak açısından kritik öneme sahiptir. Bu tür yapılar, büyük kütleleri ve düşük doğal frekansları nedeniyle dış etkilere karşı daha hassastır. Yüksek yapılarda etkin bir sönümleme sisteminin kullanımı, hem yapısal hasar riskini azaltır hem de yapının ömrünü uzatır. Yüksek yapıların titreşim kontrolünde kullanılan sönümleme sistemleri üç ana kategori altında sınıflandırılmaktadır. Bunlar; taban izolatörleri, enerji dağıtıcılar ve dinamik titreşim sönümleyicilerdir. Dinamik titreşim sönümleyiciler; yapıya eklenen kütle, yay ve sönüm elemanlarından oluşur. Bu sistemlerde, yapının titreşim enerjisinin sönüm elemanına aktarılması suretiyle yapısal hasarların önlenmesi amaçlanır. Bu sönümleyiciler, yapıya sonradan da entegre edilebilmekte ve rezonans frekanslarında yüksek titreşim sönümü sağlamaktadır. Dinamik titreşim sönümleyiciler genel olarak iki ana grupta incelenmektedir. Ek kütlenin katı bir eleman olması durumunda dinamik titreşim sönümleyiciler ayarlı kütle sönümleyici (TMD) olarak adlandırılırken; ek kütlenin sıvı fazında olması halinde ayarlı sıvı sönümleyici (TLD) adını alır. TLD sistemleri de kendi içinde iki alt gruba ayrılır. Sıvının serbest yüzey hareketiyle titreşim enerjisinin sönümlendiği sistemler ayarlı çalkantılı sönümleyici (TSD) olarak adlandırılırken, U biçimli bir boru içinde boru ekseni boyunca akan sıvının sönümleme sağladığı sistemler ayarlı sıvı kolon sönümleyici (TLCD) olarak adlandırılmaktadır. TLCD'nin yapıya uygulanmasıyla, yapının rezonans bölgesindeki titreşimi önemli ölçüde azaltılır. Ancak, TLCD'nin sisteme eklenmesi sonucu sistemin serbestlik derecesinin artması, yeni doğal frekansların ortaya çıkmasına neden olur. Bu yeni doğal frekansların civarındaki frekans aralıklarında TLCD'nin varlığı, titreşim genliğinde artışa yol açar. Yapının rezonansa girdiği frekans bölgesinde TLCD'nin sağladığı olumlu etkilerden yararlanırken, sistemde ortaya çıkan yeni doğal frekans bölgelerindeki olumsuz etkileri minimum enerji tüketimiyle azaltmak amacıyla yarı-aktif kontrol sistemleri kullanılmaktadır. Bu tez çalışmasında, yüksek yapıların deprem yükü altındaki titreşimlerinin sönümünde kullanılmak üzere, yeni tip bir yarı-aktif kontrollü TLCD detaylı olarak incelenmiştir. Yarı-aktif pistonlu ayarlı sıvı kolon sönümleyici (SP-TLCD) adıyla tanımlanan bu yarı-aktif kontrollü TLCD tipi, düşey sütunlarında birer adet yüzer piston içermektedir. Bu pistonlar, ferromanyetik malzemeden yapılmış piston millerine bağlıdır. Piston millerinin diğer ucu ise, manyetik özellikli frenlere düşey eksende hareket edebilecek şekilde yataklanmıştır. Manyetik fren, bir kasanın içerisine sabitlenmiş manyetik çekirdek ve bobin ikilisini bünyesinde barındırır. Bobinin tellerinden geçirilen akımla mıknatıslanan manyetik çekirdeğin, piston mili ile arasında oluşan çekme kuvveti; pistonun hareketi esnasında, akım ile kontrol edilebilir bir sürtünme kuvveti doğurur. TLCD sıvısının yukarı yönlü hareketlerinde, bu kontrol edilebilir sürtünme kuvveti, piston tarafından TLCD sıvısının kontrollü biçimde frenlenmesini sağlar. Tez çalışmasının amacı; SP-TLCD'nin deneysel olarak incelenmesi ve işlevsel olduğu durumların ortaya çıkarılmasının yanı sıra, SP-TLCD-yapı sisteminin deneysel verilerle uyumlu bir sistem modelinin oluşturulmasıdır. Bu amaç doğrultusunda, öncelikle TLCD'nin, SP-TLCD'nin, yapı sisteminin, TLCD-yapı sisteminin ve SP-TLCD-yapı sisteminin hareket denklemleri tanımlanmıştır. Ardından analitik olarak çözümü mümkün olmayan bu hareket denklemlerinin, dördüncü derece Runge-Kutta yönteminin (RK4) kullanımıyla sayısal çözüm kodu oluşturulmuştur. Sonrasında deneysel çalışmalar ele alınmıştır. Deneysel çalışmalarda ilk olarak; 72 m yüksekliğe ve 25 kata sahip bir yüksek yapıya, frekans benzeşimiyle denk olan bir tek katlı yapı modeli imal edilmiştir. Bunu takiben, yapı modeline uygun bir TLCD ve TLCD'ye uygun bir manyetik fren mekanizması imal edilmiştir. Manyetik fren mekanizmasının TLCD'ye montajlanmasıyla da SP-TLCD imalatı gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmada altı eksenli bir sarsma tablası kullanılmıştır. Ölçüm cihazlarından alınan verilerin veri toplama kartına iletilmesiyle; zemin ivmesine, yapı deplasmanına, TLCD sıvı seviyesine ve SP-TLCD piston deplasmanına ilişkin veriler anlık olarak bilgisayar ortamına aktarılmıştır. Deneyler iki grup altında gerçekleştirilmiştir. Birinci grup deneylerde TLCD, üç farklı sıvı uzunluğu için ayrı ayrı, harmonik zemin tahriki altında sarsılmıştır. Bu deneylerden alınan veriler ile TLCD sıvısının harmonik tahrik altındaki davranışı incelenmiştir. Bu incelemede, TLCD ve SP-TLCD uygulamaları açısından yüksek öneme sahip bir parametre olan viskoz kayıp katsayısının, sistem ve tahrik parametreleri ile ilişkisi ele alınmıştır. Buna göre, viskoz kayıp katsayısının tahrik frekansına bağlı olduğu, ancak tahrik genliğinden büyük ölçüde bağımsız olduğu ortaya çıkarılmıştır. Ayrıca, birinci grup deneysel çalışmanın değerlendirilmesinde, boyutsuz sayılar üzerinden viskoz kayıp katsayısına ait bir korelasyon türetilmiştir. Viskoz kayıp katsayısı korelasyonunun kullanıldığı sayısal çözüm sonuçları ile deneysel sonuçlar arasındaki ortalama bağıl hata %3 civarındadır. Birinci grup deney sonuçlarının değerlendirilmesiyle elde edilen çıktılar, SP-TLCD-yapı sistemine ait hareket denklemindeki viskoz kayıp kayıp katsayısının belirlenmesi için bir öngörü oluşturmuştur. İkinci grup deneysel çalışmalar kapsamında, öncelikle yapı sistemi ile TLCD-yapı sistemi üzerinde, farklı tahrik türleri altında dinamik davranış analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu doğrultuda, her iki sistem için de serbest titreşim ve beyaz gürültü tahriki altındaki zorlanmış titreşim deneyleri gerçekleştirilmiştir. Buna ek olarak, SP-TLCD-yapı sistemi üzerinde, sistemin akıma bağlı yarı-aktif kontrol karakteristiğini ortaya koymak amacıyla, manyetik fren mekanizmasındaki bobinlerden deney süresince sabit akım geçirilerek testler yapılmıştır. Bu kapsamda, akım 0 A ile 0.50 A aralığında olacak şekilde eşit aralıklı 11 farklı akım seviyesi için deneyler tekrarlanmış; her bir akım seviyesinde sistemin serbest titreşim davranışı, beyaz gürültü tahriki ve sismik tahrikler altındaki zorlanmış titreşim davranışları ayrı ayrı değerlendirilmiştir. Çalışmada kullanılan sismik tahrikler, gerçek deprem etkilerini temsil edecek biçimde seçilmiştir. Bu doğrultuda; Landers (1992), Northridge (1994), Kocaeli (1999), Manjil-Rudbar (1990) ve Kobe (1995) depremlerine ait kayıtlı zemin ivmesi verileri kullanılmıştır. Söz konusu ivme verileri, deney düzeneğinin fiziksel sınırlarına uygun biçimde ölçeklendirilerek tam ölçekli ve yarım ölçekli olmak üzere iki farklı ölçekte sarsma tablasına uygulanmıştır. İkinci grup deneysel çalışma, iki kısımda ele alınmıştır. Serbest titreşim ve tam ölçekli beyaz gürültü tahriki altındaki deneylerin değerlendirilmesinden oluşan birinci kısımda; SP-TLCD'nin işlevsel olduğu çalışma noktaları ortaya çıkarılmış, SP-TLCD'deki pistonun farklı akım seviyeleri için dinamik ve statik çalışma bölgeleri tespit edilmiştir. Buna göre, serbest titreşim deneylerinde TLCD'nin ilk etapta etkili bir sönüm sağladığı, ancak titreşim esnasında TLCD sıvısının kazandığı kinetik enerjinin sistemi yeniden titreşime zorladığı gözlemlenmiştir. Sözü edilen yeniden tahrik etkisinin hemen öncesinde SP-TLCD'nin bobinlerinden geçirilecek akımın, bu etkiyi bertaraf edeceği ve bu sayede sönümün daha kararlı hale geleceği öngörülmüştür. Ayrıca tam ölçekli beyaz gürültü tahriki altındaki zorlanmış titreşim deneylerinin ardından yapılan frekans cevabı analizinde; SP-TLCD'deki akım uygulamasıyla, TLCD uygulaması sonucu ortaya çıkan yeni doğal frekans bölgelerindeki genlik artışının önüne geçilebileceğinden bahsedilmiştir. İkinci kısımda ise; SP-TLCD-yapı sisteminin sözü edilen akım seviyelerini kapsayan bir sistem modeli geliştirilmiştir. Geliştirilen sistem modeli, 0 A durumundaki SP-TLCD-yapı sisteminin tam ölçekli beyaz gürültü deneyi üzerinden viskoz kayıp katsayısının tespitini içermektedir. Ayrıca 11 farklı akım seviyesindeki SP-TLCD-yapı sisteminin tam ölçekli beyaz gürültü deneyleri üzerinden, sistem modelinde mevcut olan doğrusal kuvvet ve doğrusal sönüm elemanı terimlerinin olabilecek maksimum değerleri tespit edilmiştir. Ardından tam ölçekli; Landers (1992), Northridge (1994) ve Kocaeli (1999) depremlerine ilişkin sismik girişlerin kullanıldığı deneyler üzerinden, sözü edilen maksimum değerlerin en uygun değerlere düşürülmesini sağlayan bir ağırlık katsayısı tespit edilmiştir. Bu tespit ile birlikte sistem modeli neticelendirilmiştir. Bunu takiben sistem modelinin çeşitli frekans içeriklerine sahip sismik tahriklerdeki geçerliliği, modelin oluşturulmasında kullanılmayan tam ölçekli Manjil-Rudbar (1990) ve Kobe (1995) depremlerine ilişkin sismik girişlerin çıktıları üzerinden test edilmiştir. Sistem modelinin tam ölçekli zorlanmış titreşime ait sayısal çözüm sonuçlarının deney sonuçlarıyla kıyaslamasında, tam ölçekli tüm deneyler için bağıl hata ortalamaları, etkin değer için %2 ve maksimum değer için %1 civarındadır. Ardından geliştirilen sistem modelinin yarım ölçekli zorlanmış titreşimlere ilişkin sayısal çözüm sonuçları, deneysel sonuçlar ile kıyaslanmıştır. Buna durumda ise, tüm deneyler için bağıl hata ortalamaları, etkin değer için %12 ve maksimum değer için %4.5 civarındadır. Buna göre SP-TLCD-yapı sisteminin davranışının ve geliştirilen sistem modelinin ivme ölçeğine duyarlı olduğu saptanmıştır. Ancak sistem modelindeki bu duyarlılığın yapı hasarındaki rolü belirleyici olan maksimum yapı deplasmanlarında kabul edilebilir seviyede hataya sebep olduğu ortaya çıkarılmıştır. Sonuç olarak tez çalışmasında, SP-TLCD'nin işlevsel olduğu ortaya konmuş ve deneysel verilerle uyumlu bir sistem modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan sistem modelinin yarı-aktif kontrollü TLCD'ler üzerine yapılan önceki çalışmalardan farklı, yenilikçi bir yaklaşım sunduğu düşünülmektedir. Deneysel ve sayısal sonuçlar arasındaki uyum, oluşturulan sistem modelinin SP-TLCD-yapı sistemine ilişkin kontrol stratejilerinin geliştirilmesinde güvenilir ve uygulanabilir bir referans olabileceğini göstermektedir.