Deprem yalıtımlı ve ek sönümleyicili olarak tasarlanan iki yapının genel yapı parametreleri üzerinden karşılaştırılması
Comparison of two structures designed as seismically isolated and with supplementary damping system in terms of global structural response parameters
Yazar: RAMAZAN ÖZGÜR İRİDERE
Danışman: PROF. DR. KUTLU DARILMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Yapı mühendisliğinin temel amacı güvenli ve ekonomik yapılar tasarlamaktır. Bunu gerçekleştirmeye çalışırken mühendisleri en çok zorlayan konuların başında yapıların deprem yer hareketlerine karşı güvenli bir şekilde tasarlanmaları gelmektedir.
Yapılar üzerinde son derece yıkıcı etkileri olabilen depremlere karşı temeli 18. yüzyılın sonlarında atılan modern yapı ve deprem mühendisliği disiplinleri son derece geçerli ve güncel yöntemler ile başarılı olsalar da kimi zaman güvenli ve ekonomik çözümler bulma konusunda zorlanılmakta ve yine bu türden çözümlerin optimizasyonu üzerine çalışmalar da devam etmektedir. Yapı taşıyıcı sistemlerinin yeterli dayanım, rijitlik ve süneklikte, uygun yapı malzemeleri ve tekniklerle güvenli ve ekonomik olarak tasarımı şeklinde ifade edilebilen geleneksel statik taşıyıcı sistemler tasarlama konseptini geliştiren ve sistemlere dinamik elemanların eklenmesi ile hayata geçirilen yapısal kontrol sistemleri depremlere karşı son derece etkin sistemler olarak bu alanda öne çıkmaktadır. Özellikle son 50 yılda önemli gelişmeler gösteren yapısal kontrol sistemlerinden en yaygın ve en çok çalışılmış olanlar pasif yapısal kontrol sistemleridir.
Temel olarak düşük yanal rijitliğe sahip özel elemanların yapıya eklenmesi ve böylece yapı periyodunun artırılarak depremin dinamik etkilerin azaltılması ilkesi ile çalışan deprem yalıtım sistemleri ilk tür pasif yapı kontrol sistemlerini oluşturur. Diğer tür sistemler ise tamamlayıcı sönümleme mekanizmaları ile donatılan yapıların deprem esnasında maruz kaldıkları yerdeğiştirme ve/veya hız özelliklerinden faydalanılarak yapıya aktarılan enerjinin yapı elemanlarından ziyade bu özel elemanlarda sönümlenmesini sağlayan ek sönümleyicili sistemlerdir.
Bu tez, pasif kontrol sistemlerinden deprem yalıtımı kapsamında kurşun çekirdekli elastomer tipi yalıtım birimi; ek sönümleme kapsamında ise sıvı viskoz sönümleyici içeren iki yapı sisteminin deprem yer hareketi altında tepkilerini taban kesme kuvvetleri, kat kesme kuvvetleri, göreli kat ötelemeleri, kat ivmeleri ve enerji dengeleri gibi genel yapı değişkenleri bakımından karşılaştırmalı olarak incelenmesini sunmaktadır. Yapılardaki temel kullanım amaçları ortak bir şekilde yapı sistemlerinin performansını artırmak olan bu farklı türdeki pasif kontrol sistemlerinin yapı davranışı üzerindeki etkileri çalışmada ortaya konmuştur. Yine özellikle ek sönümleme sistemlerinin yapılarda kullanımı ile ilgili bölgesel bir standart ve/veya kılavuz bulunmadığından tezde, ilgili yapının tasarımında kullanılan ASCE/SEI 7-22 Bölüm 18'in ülkemize uyarlanmasında karşılaşılabilecek güçlükler ve deprem yalıtımlı yapı tasarımı konusunda TBDY Bölüm 14 ile ASCE/SEI 7-22 Bölüm 17'nin uygun kısımlarda kıyaslarına yer verilmiştir. Tezin amacı farklı türden pasif kontrol sistemlerinin yapı dinamik davranışında ne tür değişikliklere yol açtığının karşılaştırmalı olarak belirlenmesi ve tezde ele alınan türden yapılarda hangi sistemin kullanımı daha efektiftir sorusunun cevaplanmasıdır.
Tez kapsamında 4 katlı ve 1350 m2 plan alanına sahip Afet Planlama İstasyonu olarak kullanılması planlanan hipotetik bir yapı ele alınmıştır. Her iki doğrultuda 7.5 m eksen açıklığına sahip planda ve düşeyde düzensizlik içermeyen yapıda, moment aktaran betonarme çerçeveler taşıyıcı sistem olarak seçilmiştir. TS 500 ve TBDY kurallarına uygun olarak boyutlandırılması gerçekleştirilen yapıda çatıda yer alacak helikopter pisti ve diğer fonksiyonel gereklilikler nedeniyle yüksek hareketli yük dikkate alınmıştır. Deprem tasarım parametreleri TBDY'ye uygun seçilmiştir. Yapı ETABS v21.1.0 yapısal analiz ve tasarım programı ile modellenmiştir.
Deprem tehlikesi TBDY'ye uygun şekilde belirlenen yapının klasik yöntemlerle tasarlanmış üstyapıya sahip, aynı üstyapı ile beraber kurşun çekirdekli elastomer tipi yalıtım birimlerine sahip deprem yalıtımlı ve yine aynı üstyapıya sahip sıvı viskoz sönümleyiciler içeren ek sönümleyicili 3 durumunun zaman tanım alanında (ZTA) analizleri gerçekleştirilmiştir. Burada ek dışmerkezliğin incelenmesi adına gerçekleştirilen analizler de dahil olmak üzere deprem yalıtımlı yapının 176, ek sönümleyicili yapının 176 adet analizi yapılmış; bu analizlerde kullanılan 11 deprem kaydı takımı TBDY'de belirtilen kurallara uygun olarak seçilmiş ve basit ölçeklendirme yöntemi ile ölçeklendirilmiştir. Modellenen iki tür yapıda da ilgili standartlar izin verdiği biçimde doğrusal olmayan modellemeler pasif kontrol sistemleri birimleri ile sınırlı tutulmuştur. Deprem yalıtımlı yapıda elastomer yapı birimlerinin birim şekildeğiştirme sınırları ile düşey kararlılıkları; ek sönümleyicili yapıda ise sıvı viskoz sönümleyicilerin boyutları kontrol edilmiştir. Her iki tür sistem için de sınır analizleri gerçekleştirilmiştir.
Üç farklı durum için tasarlanarak 400'e yakın zaman tanım alanında analizi gerçekleştirilen yapıya ait sonuçlar incelendiğinde; deprem yalıtımlı yapı için elde edilen taban kesme kuvvetinin, klasik yöntemlerle tasarlanmış üstyapıya sahip yapıya kıyasla %36 daha az olduğu belirlenmiştir. Ek sönümleyicili yapıda ise taban kesme kuvvetindeki azalış %21 mertebelerindedir. Kat kesme kuvvetlerinin yapı yüksekliğince dağılımı bakımından ise ek sönümleyici yapı ile ankastre yapının benzerlik göstererek ters üçgen biçiminde bir dağılıma sahip olduğu, deprem yalıtımlı yapının ise daha üniform bir dağılıma sahip olduğu görülmüştür. Yine her ne kadar deprem yalıtımlı yapıda taban kesme kuvveti değeri ek sönümleyicili yapıya kıyasla daha az elde edilmiş olsa da kat kesme kuvvetleri ek sönümleyicili yapıda daha düşük elde edilmiştir. Her iki pasif kontrol sistemine sahip yapıda da göreli kat ötelemesi değerleri klasik yöntemlerle tasarlanmış yapıya kıyasla önemli oranda azalmıştır. Özellikle deprem yalıtım sistemi, göreli kat ötelemelerinin en yüksek değerlerine ulaştığı katta %50 oranında bir azalış sağlamıştır.
Hem deprem yalıtımlı hem de ek sönümleyicili yapıda deprem esnasında oluşması beklenen kat ivmeleri klasik yapıya kıyasla daha düşük elde edilmiştir. Tüm katlara ait ortalamalar göz önüne alındığında, ek sönümleyicili yapıda ivme azalışı her iki sınır durum için de %20 mertebelerinde iken deprem yalıtımlı yapıda üst sınır analizinde %55, alt sınır analizinde ise %8 mertebelerindedir. Her iki yapı için enerji dengeleri incelendiğinde ise çıkarılan sonuç deprem yalıtımlı yapının ek sönümleyicili yapıya kıyasla beklenildiği üzere daha az deprem enerjisi girdisine maruz kaldığıdır. Deprem yalıtımlı ve ek sönümleyicili yapı arasındaki bu enerji girdisi farkının %23 dolaylarında olduğu belirlenmiştir. Yine genel yapı parametreleri sonuçları açısından ek dışmerkezliğin sonuçları önemli oranda artırıcı bir etkiye sahip olabildiği elde edilen sonuçlardandır.
Analizler ile elde edilen sonuçlar üzerinden pasif kontrol sistemleri tasarlanırken yararlanılan standartlar karşılaştırılmış ve farklılıklar incelenmiştir. Çalışma kapsamında ele alınan yapılar için TBDY bölüm 14'te verilen Etkin Deprem Yükü Yöntemi'ne ait taban kesme kuvveti sonuçları Zaman Tanım Alanında Doğrusal Olmayan Analizler (ZTADOA)'dan elde edilen sonuçlardan kayda değer miktarda farklı elde edilmiştir. Bu nedenle daha ayrıntılı bir analiz yöntemi olan zaman tanım alanında analizin kullanımının, örneğin bu yöntem sonucu daha yüksek taban kesme kuvveti değerlerinin elde edilmesi gibi bazı durumlarda daha güvenli sonuçlar verebildiği çıkarımı yapılmıştır. Aynı durumun ASCE/SEI 7-22 kapsamında incelenen ek sönümleyicili yapı için de geçerli olduğu görülmüştür.
Tezde ele alınan türden az katlı, düzenli ve simetrik bir taşıyıcı sistemine sahip yapılarda; deprem yer hareketine karşı dinamik tepkilerin azaltılarak yapı performansının iyileştirilmesinde deprem yalıtımının son derece etkin bir yöntem olduğu gösterilmiştir. Ek sönümleme sistemlerinin etkinliğinin ise üstyapı taşıyıcı sisteminin rijitliğine bağlı olarak değişim gösterdiği belirlenmiştir. Tezde ele alınan türden görece rijit bir üstyapıya sahip yapılarda ek sönümleme sistemlerinin etkinliğinin sınırlı düzeyde kaldığı, bu türden tamamlayıcı sönümleme sistemlerinin görece elastik bir üstyapıya sahip yapılarda kullanımının daha verimli olabileceği anlaşılmıştır.

Abstract:
Civil engineering is one of the most important engineering disciplines that easily makes it possible to meet the need for shelter, which has been one of the most basic problems of humanity since its existence. The main purpose of structural engineering, the sub-branche of this discipline that shapes civilization and contributes to the development of societies with advanced building materials and construction techniques, is to design safe and economical structures. While trying to achieve this, one of the most challenging issues for engineers is the safe design of structures against earthquake ground motions.
Although modern structural and earthquake engineering disciplines, whose foundations were laid at the end of the 18th century, are successful with valid and up-to-date methods against earthquakes which can have extremely destructive effects on structures, they sometimes have difficulty finding safe and economical solutions. Again, studies on the optimization of such solutions also continue. Structural control systems, which improve the concept of designing traditional static seismic force-resisting systems by adding dynamic elements to the systems, stand out in this field as highly effective systems against earthquakes. The most common and most studied structural control systems, which have shown significant developments especially in the last 50 years, are passive structural control systems.
Seismic isolation systems, which basically work on the principle of integrating special elements with low lateral stiffness into the structure thus increasing the building period and reducing the dynamic effects of the earthquake, constitute the first type of passive structural control systems. Other types of systems are systems with additional dampers that enable the energy transferred to the structure to be dissipated in these special elements instead of the structural elements by taking advantage of the displacement and/or velocity characteristics of the structures during earthquakes.
This thesis presents a comparative study of the responses of two building systems under strong ground motion in terms of general structural parameters such as base shears, story shears, interstory drifts, floor accelerations and energy equilibriums, one containing lead rubber bearing type isolation unit within the scope of seismic isolation from passive control systems and the other containing fluid viscous dampers within the scope of supplementary damping. The effects of these different types of passive control systems on the structural behavior, the main purposes of which are to improve the performance of building systems in a common way, have been shown in the study. Again, since there is no regional standart and/or guidelines for the use of additional damping systems in buildings, the thesis covers the problems that may be encountered in adapting ASCE/SEI 7-22 Section 8, which is used in the design of the structure in thesis, to our country. In addition, the comparison of TBEC (Turkish Building Earthquake Code) Chapter 14 and ASCE/SEI 7-22 Chapter 17 on seismically isolated structure design have been included in the appropriate sections. The aim of the thesis is to determine what kind of changes different types of passive control systems cause in the dynamic behavior of structures comparatively and to answer the question of which system is more effective in the type of structures discussed in the thesis.
Within the scope of the thesis, a hypothetical building planned to be used as a Disaster Planning Station with 4 floors and a plan area of 1350 m2 was considered. The seismic force-resisting system of the superstructre, which has an axis span of 7.5 m in both directions and does not include any irregularities in plan or vertical, is reinforced concrete moment frames. In the structure, which was dimensioned in accordance with TS 500 and TBEC rules, high live load was taken into account due to the helipad on the roof and to meet other functional requirements. The structures, whose seismic design parameters were selected in accordance with TBEC, were modeled with the ETABS v21.1.0 structural analysis and design program.
Response history analyses (RHA) were carried out for 3 cases: one is designed with conventional methods case, the other one is seismically isolated case with inclusion of lead-core elastomer type isolation units, and the last one is additional damped case with liquid viscous dampers. All cases have the same superstructure seismic force-resisting system designed for the first case. Here, 176 analyses of the seismically isolated structure and 176 analyses of the structure with supplemantary damping were carried out, including the analyses performed to examine additional (accidental) eccentricity, and the set of 11 ground motion records used in these analyses were selected in accordance with the rules specified in TBEC and were scaled with amplitude scaling method. For both types of structures modeled, nonlinear modeling has been limited to passive control system units as the relevant standards allow. In the seismically isolated structure, the shear strain limits and vertical stability of the lead rubber bearing units have been checked; in the structure with supplementary damping, the dimensions of the fluid viscous dampers have been checked. Bounding analyses have been performed on both of the systems.
When the results of the structure are examined, which was designed for three different cases and analyzed nearly for 400 nonlinear response history (NLRHA) cases, it was determined that the base shear obtained for the seismically isolated structure was 36% less compared to the conventional structure. In the structure with supplementary damping, the decrease in base shear is around 21%. In terms of the distribution of story shear forces over the height of the structure, it was found that the structure with additional damping and the conventional structure have a similar distribution in the form of an inverted triangle, while the seismically isolated structure has a more uniform distribution. Again, although the base shear was obtained less in the seismically isolated structure compared to the structure with additional damping, the story shear forces were obtained lower in the structure with additional damping. It has been observed that in both structures with passive control systems, interstory drifts which is another important engineering demand parameter decreased substantially compared to the structure designed conventionally. In particular, the seismic isolation system provided a 50% decrease in the interstory drifts at the story which has the highest values.
The floor accelerations expected to occur during an earthquake in both the seismically isolated structure and structure with supplementary damping were obtained lower compared to the classical structure. Considering the averages of all floors, the acceleration decrease in the structure with additional damping is in the order of 20% for both bound cases, while in the seismically isolated structure it is around 55% in the upper bound analysis and 8% in the lower bound analysis. When the energy balances for both structures are examined, the conclusion is that the seismically isolated structure is exposed to less earthquake energy input, as expected, compared to the structure with additional damping. It has been determined that this energy input difference between seismically isolated structure and additionally damped structure is about 23%. Again, it is one of the conclusions that accidental (additional) eccentricity can have a significant amplifying effect in terms of general structural parameters results.
Based on the results obtained through analysis, the standards used when designing passive control systems have also been compared and the differences were investigated. For the structures examined within the scope of the study, the base shear results of the Effective Earthquake Load Method given in TBDY chapter 14 have been obtained remarkably different from the results obtained from Nonlinear Response History Analysis. Considering this, it has been concluded that the use of nonlinear response analysis, which is a more detailed analysis method, can provide safer results in some cases, such as obtaining higher base shear values as a result of this method. It has been found out that the same situation is also valid for the structure with supplementary damping examined within the scope of ASCE/SEI 7-22.
In conclusion, in low-rise buildings with a regular and symmetrical seismic force-resisting system of the type discussed in the thesis; it has been shown that seismic isolation is a highly effective method in improving structural performance by reducing dynamic responses to earthquake ground motion. It has also been determined that the effectiveness of supplemental damping systems varies depending on the stiffness of the superstructure seismic force-resisting system. Regarding this, it has been understood that the effectiveness of supplementary damping systems remains limited in structures with a relatively stiff superstructure discussed in the thesis, and that the use of such supplementary damping systems in structures with a relatively elastic superstructure may be more efficient.