AASHTO rehber teknik şartnamesine (AASHTO-GSID) göre köprülerde sismik yalıtım tasarımı
Seismic isolation design of bridges according to AASHTO guide specifications for seismic isolation design
Yazar: SAMİ ARI
Danışman: PROF. DR. ÜNAL ALDEMİR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Deprem Mühendisliği ve Afet Yönetimi Enstitüsü / Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: AASHTO standardı = AASHTO standard ; Kara yolu köprüleri = Highway bridges ; Kutu kiriş köprüleri = Box girder bridges ; Sismik taban yalıtımı = Seismic base isolation ; Sismik yalıtım = Seismic insulation

Özet:
Sismik yalıtımın köprülerde kullanımı oldukça yaygındır. Malzeme teknolojilerinin de gelişmesiyle birlikte her geçen gün sismik yalıtım konusu daha ekonomik ve estetik köprüler tasarlamak için tasarımcıların önünü açmaktadır.
Köprülerin sismik davranışları; ağırlıklı olarak üstyapıda yoğunlaşan kütle ve altyapıyı oluşturan kolonların sahip olduğu rijitliklere bağlı olarak değişim gösterir. Köprü üstyapısı genellikle köprü üzerindeki trafik yüklerine göre tasarlanmaktadır. Üstyapı kütlesinin azaltılması pek mümkün olmadığında dinamik davranışı değiştirmek için altyapı rijitliğinde modifikasyona gitmek gerekmektedir. Bu modifikasyon altyapı ve üstyapının sismik yalıtım araçları ile ayrılması ile gerçekleştirilebilir.
Sismik yalıtım tasarımı, esasında doğrusal olmayan bir problemdir. Problemin çözümü için sismik yalıtım araçlarının nonlineer olarak tanımlanması ve bu şekilde çözüme ulaşılması gerekmektedir. Tasarım sürecinde bir optimizasyon yapılması amaçlandığı düşünülürse doğrusal olmayan çözümler çok zaman alacağından pratikte tasarım açısından uygun bir yöntem değildir. Yalıtım sistemlerinin doğrusallaştırılması, başka bir deyişle etkili rijitlikler kullanılarak yapılan yaklaşık çözümler literatürde mevcuttur.
Bu çalışma içerisinde AASHTO GSID rehber teknik şartnamesinde verilen hesap metotları takip edilerek ardgerme döşeme sistemine sahip bir karayolu köprüsü için sismik yalıtım tasarımı yapılmıştır. Basitleştirilmiş yöntem ve çok modlu spektral yöntemde; sismik yalıtım araçları doğrusallaştırılarak, etkili rijitlik değerleriyle ifade edilmiştir. Basitleştirilmiş yöntemde bu değerlerin elde edilmesi amacıyla bir hesap tablosu hazırlanmıştır. Çok modlu spektral yöntemde, basitleştirilmiş yöntemde belirlenen sismik yalıtım parametreleri kullanılmıştır. Her iki yöntem de iteratif yöntemlerdir. Etkili rijitlik tanımı yapılabilmesi için tasarımın başında hedef yer değiştirmeler belirlenmiş ve bu yerdeğiştirme değerlerine yakınsayacak mekanik parametreler elde edilmiştir.
Elde edilen mekanik parametrelere uygun mesnet tercihi yapıldıktan sonra seçilen mesnet boyutlarıyla ilgili stabilite tahkikleri yapılmış, kurşun çekirdek çapı, elastomer kalınlıkları, mesnet yüksekliği gibi değerler şartnameye uygun şekilde kontrol edilmiştir.
Yaklaşık metotların doğruluğunu sınamak amacıyla zaman tanım alanında çözüm yapılmıştır. Bölgenin depremselliğine uygun olarak seçilen 3 farklı depreme ait bileşenler, davranış spektrumuna göre ölçeklenmiştir. Her bir depreme ait iki bileşen eşzamanlı olarak sisteme etkitilerek çıkan değerlerin maksimumları dikkate alınmıştır.
Çalışma sonucunda iteratif doğrusal çözümlerin, zaman tanım alanındaki çözümle yakın sonuçlar verdiği görülmüştür. Zaman tanım alanındaki çözümün sistemin gerçek davranışına daha yakın sonuçlar vereceği kabulüne dayanarak, doğrusal metotların tasarımda oldukça faydalı bir araç olacağı sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Seismic isolation has a common use in bridge engineering. According to the innovations in material science and analysis methods seismic isolation design paves the way for designing more economic and esthetic bridges.
Seismic behavior of bridges depends on the mass of superstructure and stiffness of the substructure. Superstructure design is generally governed by the dead loads and traffic loads on the bridge. Therefore, mass is related to the girder dimensions and stiffness of superstructure becomes the key point to modify systems' period and seismic demands. The interaction between the superstructure mass and ground motion depends on the substructure stiffness. Seismic isolation reduces the seismic demands in two ways. Period shifting and energy dissipation.
Seismic isolation components such as elastomeric bearings, sliding bearings etc. modifies the behavior of structures. Most of the different seismic isolation strategies obtains similar results. But time dependent variations of seismic components or displacement limits related service conditions may lead the designer to a particular solution. According to possible conditional restrictions proper seismic isolation components is being selected. When the axial load to be carried by the bearing is critical or available fitting space for bearing is limited, sliding bearings might be a better solution. In a scenario where energy dissipation is more important, elastomeric bearing with a lead core (LRB) is very efficient.
AASHTO GSID is one of the most commonly used specification about seismic isolation design. This guide specification contains several solution methods for seismically isolated bridges. It is important to choose appropriate solution method in this case. Simplified method, single mode spectral method, multi-modal spectral method and time history method are given in the guide specification. First two methods is suitable for simple bridges, with few spans, without a significant curve and skew. Multi-modal spectral method is the most commonly applied method for the design of many types of bridges, the validity of this method depends on complexity of the bridge and seismic risk of the region. Time history method is being performed for complex structures at high seismic risk. Time history method is also being used to verify the final design or an existing structure. Even linear solutions are not adequate, and a time history solution is needed, it is reasonable to start the design procedure with linear methods. For preliminary design linear solution methods gives an opinion about the seismic behavior.
Seismic isolation is a nonlinear problem indeed. But nonlinear solutions are not very practical for design process. Design of a bridge is an optimization problem, so that many solutions have to be carried out for different material properties and structural element dimensions. Because of nonlinear methods takes much more time compared to linear methods some linearization methods has been developed. 
In this study, the pathways given in the AASHTO GSID has been followed to design of a seismically isolated posttensioned girder bridge. An excel spreadsheet has been developed for linearization of the problem. Mass of the superstructure and stiffness values of the substructure predefined for the procedure. Properties of the isolators such as characteristic strength (Qd), isolators displacement (d), post-yielding stiffness of bearing (Kd) assumed in the beginning. For a convergent iteration, first assumption had a key point. Qd assumed to resist all the service lateral loads and d assumed as the spectral displacement at one second period. After some iterations and changing these three parameters, a reasonable solution obtained. When the displacement calculated is converged to the assumed displacement the iterations are concluded. Stiffness properties defined, approximate damping of the system calculated according to the last iteration.
The properties obtained from the simplified method has been used in the multi-modal spectral method. Stiffness properties founded in the simplified method used in the first modal analysis. Response spectrum modified according to the calculated damping. Ordinates of the response spectrum divided by the damping coefficient for higher periods than 0.8 times effective period. In first and second trials displacements obtained from the multi-modal spectral analysis was different from the simplified method. After some modification on the stiffness values of the bearing these values converged. Seismic isolation devices designed according to the multi-modal spectral solution. 
After the analysis lead core diameter, elastomeric layer thickness, bearing height, strain limits, horizontal-vertical bearing capacities and stability checks has been made.  
Time history analysis has been used as a verification. Nonlinear properties of bearings defined in SAP2000 software. Other structural components (piers, girder) assumed to remain at linear limits. Two horizontal components of three suitable earthquake has been chosen from PEER Ground Motion Database. These ground motion records scaled with SEISMOMATCH software according to the design response spectrum. Scaled ground motions used in the analysis. Both orthogonal components of an earthquake applied concurrently. And envelope of the values of three cases taken in to account for verification.
Study shows; results of time history analysis and other linear solutions are consistent. For displacements, base shear, time history analysis results are lesser than linear methods. Hysteresis loop of bearings is similar to idealized bearing model.
As a result, it has been showed that analysis with elastic methods (after some iterations) produces close results with time history analysis. Having said that, this study doesn't take into account many variables. When soil structure interaction or nonlinear behavior of reinforced concrete elements are being considered or structural complexity is significant, reliability of linear solutions will be questionable. Even so this comparison shows that elastic solution methods are beneficial tools in design process and quite trustworthy for non-complex structures.