Ayarlı kütle sönümleyici ekli betonarme bir bina üzerinde fizibilite analizi
Feasibilty analysis of a building incorporating tuned mass damper
Yazar: YUNUS SİNAN AKBAŞ
Danışman: DOÇ. DR. ARCAN YANIK ; DR. ÖĞR. ÜYESİ SENEM BİLİR MAHÇİÇEK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering
Dizin: Aktif kütle sönümlendirici = Active mass damper ; Betonarme binalar = Reinforced concrete buildings ; Fizibilite = Feasibility

Özet:
Binalar tasarlanırken statik yüklerin yanı sıra dinamik yükler de göz önünde bulundurulur. Depremden kaynaklı dinamik kuvvet tepkilerini azaltmak için ülkelerin deprem yönetmelikleri ve şartnameleri olmakla birlikte yeni bilgilerle birlikte yenilikler ve revizyonlar gelmektedir. Depremler, birçok yapı türünde titreşim sorunlarına neden olarak aşırı ivmelenmelere ve yer değiştirmelere sebebiyet vererek yapının hizmet verebilirliğini kaybetmesine neden olabilir. Yer hareketleri sırasında yapısal davranışı iyileştirmek için sismik sönümleyici tasarımına ilişkin farklı fikirler önemli ölçüde geliştirilmiştir. Sismik sönümleyici, sismik olaydan sonra yapıların güvenliğini ve hizmet verilebilirliğini güvence altına almak için önemli bir yeniliktir. Bu nedenle, geleneksel tasarımlar yerini modern şemalara bırakmakta ve yeni çözümler önerilmektedir. Depremler sırasında yapısal tepkiyi azaltarak binaları olası hasarlardan korumak için sismik sönümleyiciler bu amaçla kullanılabilir.
Yeni yüksek mukavemetli malzemelerin ve sert hafif yapısal bileşenlerin ortaya çıkışı, giderek daha ince olan yüksek binaların tasarlanmasını ve inşa edilmesini mümkün kıldı. Bu yapılar, sıkışık modern şehir merkezlerinde verimli arazi kullanımı sağlarken, diğer avantajların yanı sıra malzeme kullanımı, yerinde nakliye ve derin temeller için azaltılmış gereksinimler yoluyla inşaat maliyetini düşürür. Bununla birlikte, binalar dinamik etkiler karşısında salınım eğilimindedir. Bu salınımlar, orta dereceli deprem hareketi altında (yani hizmet verilebilirlik sınır durumunda) yaşayanların konfor eşiklerini aşan kat ivmeleri oluşturarak işlevsellik kaybına ve aksama süresine yol açabilir. Geleneksel güçlendirme ile titreşimlere duyarlı binaların yanal rijitliği artırmak, genel hizmet verilebilirlik sınır durumu performansını en yüksek kat ivmeleri ile ilişkili olarak iyileştirmez. Bu yaklaşımın önemli bir dezavantajı, yapı ne kadar rijit olursa, artan rijitlik nedeniyle depremlerin ürettiği kuvvetin o kadar büyük olması ve dolayısıyla yapının doğal frekansını arttırmasıdır. Geçmiş deprem verilerine bakıldığında büyük ölçekli depremlerin betonarme yapılarda kalıcı hasarlar ve göçmelere yol açtığı, küçük ve orta ölçekli depremlerde yapısal ve yapısal olmayan elemanlarda farklı derecede hasarlara yol açtığı görülmüştür. Sonuç olarak, bir deprem sırasında bina elemanlarının önemli hasar görme olasılığı vardır. Bu nedenle, hareket kontrolü için sönümleme cihazları binalara sağlanır ve performansa dayalı bir deprem mühendisliği çerçevesi dahilinde bina kodları ve yönergelerinde belirtilen bina sakinlerinin konfor gereksinimlerini karşılamak için uygun şekilde tasarlanır.
Binaların sismik direncini artırmak için hem katlar arası ötelenmeleri hem de kat ivmelerini kontrol eden yapısal bir çözüm gereklidir. Binaların depreme karşı güçlendirilmesine yönelik en yaygın yaklaşım, sismik sönümleyici elemanlarının yerleştirilmesidir. Pasif kontrol yöntemi olan ayarlı kütle sönümleyici yardımcı bir kütle, yay ve sönümleyici içermektedir. Ayarlı kütle sönümleyicinin frekansı yapının hakim frekansına yakın ayarlanmakta ve yapının kinetik enerjisini kendisine aktararak yapının titreşimini sönümlemeyi sağlamaktadır. 
Bu çalışmada, farklı kat adetlerine sahip betonarme binaların deprem performansı ve proje bütçesi, yapıda sönümleyici bulunan ve bulunmayan iki durum için karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Depremler sırasında titreşimleri kontrol etmesi, en üst katta maksimum yatay yer değiştirmenin azaltılması için ayarlı kütle sönümleyicinin kullanımı irdelenmiş, ilaveten sismik uyarım altında 5 ve 10 katlı betonarme binaların katlar arası ötelenmesi senaryosu dikkate alınarak araştırılmıştır. Binalar Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018'e göre modellenmiştir.  Ayarlı kütle sönümleyici ekli bina ile konvansiyonel (geleneksel) bina için yanal yer değiştirmeler, katlar arası ötelenmeler gibi deprem parametrelerini belirlemek için yapıların sismik davranışı zaman-tanım alanında analiz edilmiştir. Modelleri test etmek için yapısal mühendislik yazılımı SAP 2000 kullanılmıştır. Bu tezde, büyük depremlere karşı bir önlem olarak bir ayarlı kütle sönümleyicisinin (TMD) gereksinimlerini incelemek için kullanım amacı konut olan 5 ve 10 katlı betonarme model kullanılmıştır. Betonarme bina modelleri 17 Ağustos 1999 tarihli 7,51 büyüklüğündeki Kocaeli deprem kaydına maruz bırakılmıştır. Elde edilen sonuçlar göz önünde bulundurularak ayarlı kütle sönümleyicilerin, binaların deprem performansını arttırmada büyük bir katkısı olduğu görülmüştür.
İkinci olarak, yapıların finansal kısmına odaklanılmıştır. Maliyet, yapının tasarım sürecinde karar vermede önemli bir role sahiptir. Maliyet analizi; mühendislik, tasarım, ihale ve inşaat yönetimi gibi inşaatın tüm süreçlerinde temel bir role sahiptir. Her inşaat projesi benzersiz olduğundan, maliyet tahminleri projeden projeye farklılık göstermektedir. Yapı malzemelerinden tasarım yöntemine kadar birçok parametre projenin maliyetini büyük ölçüde etkilemektedir. Ayrıca, sönümleyici uygulaması gibi nispeten yeni yöntemlerin kullanılması proje bütçesini önemli ölçüde değiştirebilir. Bu çalışmada hem konvansiyonel hem de sismik sönümleyici dahil bina için proje bütçesi hesaplanmıştır. Maliyet tahmini yaklaşımı, aktivite bazlı maliyet analizi olarak seçilmiştir. Aktivite bazlı maliyet analizi, faaliyetler aracılığıyla maliyetleri tahmin etme ve analiz etme yöntemi olarak tanımlanır ve karlılığın net bir resmini verir. Aynı yapısal özelliklere sahip iki referans binadan, ayarlı kütle sönümleyici yerleştirilerek yapısal tasarımı yapılmış olan binanın maliyetinin daha fazla olduğu açıktır. Fakat uzun vade göz önünde bulundurulduğunda ayarlı kütle sönümleyici dahil binanın geleneksel binaya kıyasla daha avantajlı olacağı beklenmektedir. Uygulanan zaman tanım analizi ve hesaplanan proje maliyeti elde edilen veriler dahilinde karşılaştırmalı olarak irdelenmiştir. Karşılaştırmalar analiz ve sonuç bölümünde verilmiştir.

Abstract:
During the design of buildings, dynamic loads have to be taken into consideration as well as static loads. Dynamic forces can be categorized as wind, eccentric machines, explosions, impulses and earthquake type of loads. In order to reduce the dynamic force responses caused by earthquakes, there are earthquake regulations and specifications of each country. In addition, innovations and revisions come with new information as the technology advances. Earthquakes can cause vibration problems in many types of structures, causing excessive accelerations and displacements. This may cause the loss of serviceability of the structure. Earthquakes are considered as the most dangerous and unexpected loads that cause a lot of damage to civil engineering structures in a wide variety of modes. Different ideas regarding seismic damper design have been developed considerably to improve structural behavior during ground motions in the last decades. Seismic damper is an important innovation to ensure the safety and serviceability of structures after a seismic event. Therefore, traditional designs are replaced by modern schemes and new solutions are proposed. Seismic dampers can be used for this purpose to protect buildings from possible damage by reducing the structural response during earthquakes. Vibration control of buildings during an earthquake is a big challenge due to their complex seismic behavior. As a result of their natural flexibility, tall buildings, long-distance bridges, slender and tall towers are prone to experience significant vibrations under dynamic loads such as earthquakes. This raises concerns about structural safety and occupant comfort.
The advent of new high-strength materials and rigid lightweight structural components has made it possible to design and build increasingly thin and tall buildings. These structures provide efficient land use in crowded modern urban centers while reducing the cost of construction through reduced requirements for material usage, on-site transportation and deep foundations, among other advantages. However, buildings tend to oscillate in response to dynamic effects. These oscillations can create ground accelerations that exceed the comfort thresholds of occupants living under moderate earthquake action (ie, at the limit of serviceability), resulting in loss of functionality and downtime. Increasing the lateral stiffness of vibration-sensitive buildings with conventional reinforcement does not improve overall serviceability limit state performance in relation to peak story accelerations. Reinforced concrete shear walls are often used in high-rise buildings to provide sufficient lateral stiffness and strength to resist earthquake movements. Due to their high lateral stiffness, reinforced concrete masonry systems can adequately control interstory drifts, but generally increase ground accelerations. A major disadvantage of this approach is that the stiffer the structure, the greater the force produced by earthquakes due to increased stiffness, thus increasing the natural frequency of the structure. Traditional structural design suggests achieving safety and operational requirements by adjusting the rigidity of the structure, but the resulting design is often uneconomical and can sometimes be difficult to construct. Looking at the past earthquake data, it has been seen that large-scale earthquakes cause permanent damages and collapses in reinforced concrete structures, and small and medium-sized earthquakes cause different degrees of structural and non-structural damage. In order to minimize loss of life and damage due to earthquakes, safety conditions are specified in the earthquake codes. These codes aim to increase the strength capacity of structures. With recent earthquakes, the two biggest obstacles for achieving seismic resilience in high-rise buildings have been seen. These highlighted that, the damage to structural components are caused by large interstory drifts and the damage to nonstructural components are induced by both large interstory drifts and ground accelerations. As a result, there is a possibility of significant damage to building elements during an earthquake. Therefore, damping devices for motion control are provided to buildings and suitably designed to meet the comfort requirements of building occupants as specified in building codes and guidelines within a performance-based earthquake engineering framework.
To increase the seismic resistance of buildings, a structural solution is required which controls story displacements and ground accelerations simultaneously. The most common approach to seismic retrofitting of buildings is the installation of seismic damping elements. Structural control is basically a set of techniques aimed at reducing the risks associated with the exposure of structures to random events from natural events such as earthquakes, the effects of wind and coastal waves. Existing structural control applications have been adjusted for various purposes, with devices and algorithms based on principles that can be divided into four categories according to the available literature, and contain different variants. One of these, the passive control method, is a common strategy because of its independence from relying on extra energy input. Passive control systems are external complementary devices on a structure to dissipate the exposed dynamic energy and suppress the structure's response under dynamic loads without external power sources. The tuned mass damper from the passive control systems includes an auxiliary mass, spring and damper. The mass is connected to the primary structure via the parallel arc and the gauge point. The frequency of the tuned mass damper is tuned to the frequency of the primary structure to be controlled. Thus, the tuned mass damper can resonate out of phase with the primary structure. In return, a large amount of kinetic energy is transferred to the modulated mass damper. This energy is dissipated, thus the vibration of the primary structure is suppressed. The tuned mass damper transmits inertial force to the building's frame to reduce its movement, with their effectiveness determined by their dynamic properties, range of motion, and the amount of additional mass they use. The additional damping provided by the system also depends on the ratio of the damper mass to the effective mass of the building in the respective mode. 
In this study, the seismic performance of reinforced concrete buildings with different floor numbers and different project budget are examined depending on two different parameters. This thesis, also investigates the use of a tuned mass damper to control vibrations during earthquakes. The reduction of the maximum horizontal displacement at the top floor, and the inter-storey drift scenario of 5 and 10 storey reinforced concrete buildings under seismic excitation are also analyzed. The tuned mass damper is modeled as a pendulum type. The buildings are modeled according to the Turkish Building Earthquake Code 2018. The seismic behavior of the structures is analyzed in the time-history domain. Time-history analysis is used to determine earthquake parameters such as lateral displacements and inter story drifts for example conventional buildings and example buildings incorporating tuned mass dampers. Structural engineering software SAP 2000 is used to test the models. Within the scope of this research, a residential 5- and 10-storey reinforced concrete model are used to examine the behavior of a tuned mass damper as a precaution against major earthquakes. Reinforced concrete building models were exposed to the Kocaeli earthquake record dated 17 August 1999 with a magnitude of 7.51.
Secondly, this thesis focuses on the financial part of the construction of buildings. Cost has an important role in decision making during the design process of a building. It is recommended that the cost estimation should be made before starting construction. Cost analysis has a fundamental role in all processes of a construction such as engineering design and construction management. Because every construction project is unique, cost estimates differ from one project to another. Many parameters, from building materials to the design method, has a great impact on the cost of the project. In addition, the use of relatively new methods such as damper application can significantly change the project budget. In this study, the project budget is calculated comparatively for the conventional buildings and buildings including seismic dampers. The cost estimation approach is chosen as activity-based cost analysis. Activity-based cost analysis is defined as a method of estimating and analyzing costs through activities and gives a clear picture of profitability. The earthquake analysis and the calculated project cost are compared in the light of the findings. Finally, all the comparisons and findings are presented in the conclusion part.