Yapılarda oluşan sismik titreşimlerin kontrol edilmesi için yenilikçi hibrit bir taban izolasyon sisteminin geliştirlmesi
Development of an innovative hybrid base isolation system to control structural seismic
Yazar: OĞUZHAN ÇELEBİ
Danışman: PROF. DR. ABDULKADİR CÜNEYT AYDIN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zootekni Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Elektromıknatıs = Electromagnet

Özet:
Amaç: Yeni inşaatı yapılacak veya mevcut yapıların deprem etkilerinden korunmasını sağlamak amacıyla piezoelektrik malzeme kullanılmasıyla elde edilen enerjiyle herhangi bir depreme karşı adaptasyon sağlayan hibrit yenilikçi bir taban izolasyon sistemini geliştirmektir. Yapıya etki edecek olan depremin enerjisinden piezoelektrik polivinilidin di-florür (PVDF) yardımıyla elde edilen elektrik enerjisi elektromıknatıslara aktarılarak depreme karşı kontrol kuvvetlerinin üretilmesi amaçlanmıştır. Kontrol kuvvetleri ve PVDF'nin şekil değiştirmesi sonucu elde edilen sönüm ile deprem etkilerinin karşılanması bu tezin ana yaklaşımıdır.   
Yöntem: Yenilikçi hibrit taban izolasyon sisteminin ANSYS ortamında sonlu elemanlar modeli kurularak elde edilen belirli yükler altında ne kadar şekil değiştirerek elektrik enerjisi üretebildiği statik ve dinamik harmonik analizlerle tespit edilmiştir. Bu analiz sonuçlarına göre taban izolasyon sisteminin boyut optimizasyonu yapılmıştır. Ayrıca deneysel inceleme için 1/10 ölçeğe sahip ve taşıyıcı system türü çelik olan 8 farklı bina modeli oluşturulmuştur. Geliştirilen sistemin yapıların deprem performansına etkisini inceleyebilmek için bina modellerinin 4 tanesinde yenilikçi hibrit taban izolasyon sisteminin (YHİS) var olduğu ve 4 tanesinde ise olmadığı düşünülmüştür. Bina modelleri, herhangi bir düzensizliğin bulunmadığı, taşıyıcı system süreksizliğinin bulunduğu, burulma düzensizliğinin ve yumuşak kat düzensizliğinin bulunduğu binalar olarak tasarlanmıştır. Bina modelleri 7 kat ve her iki yönde de 3 açıklığa sahip olacak şekilde teşkil edilmiştir. Oluşturulan taban izolasyonlu ve izolasyonsuz bina modellerine elektromekanik tabanlı sarsma tablasında 11 farklı deprem testleri uygulanmıştır.  
Bulgular: Çalışmada sayısal analiz sonuçları 50 mm çapında ve 100 mm yüksekliğinde yenilikçi hibrit taban izolasyon sisteminin kullanılabilir düzeyde şekil değiştirerek, elektromıknatısların çalışması için yeterli bir elektrik enerjisi ürettiğini göstermiştir. Deney sonuçları, taban izolasyon sisteminin olması durumunda yapıların sönüm oranını arttırdığını, taban kesme kuvvetlerini, tepe yer değiştirmelerini ve yapının katlarında oluşan ivmeleri azalttığını göstermiştir. Ayrıca, geliştirilen taban izolasyon sisteminin önceden düzensiz olarak tasarlanan yapıların hasarsız ve düzenli bir yapı gibi davranmasını mümkün kılmıştır.
Sonuç: PVDF'nin şekil değiştirerek elektrik enerjisini üreterek elektromıknatıslara aktarması sonucu tasarlanan yenilikçi hibrit taban izolasyon sisteminin düzenli ve düzensiz yapılarda da sismik titreşimlerin başarıyla kontrol altına alındığı sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Purpose: The aim of this thesis is to develop a hybrid innovative base isolation system that provides adaptation to any earthquake with the energy obtained by using piezoelectric material in order to protect newly built or existing buildings from earthquake effects. It is aimed to produce control forces against earthquakes by transferring the electrical energy obtained from the energy of the earthquake that will affect the structure with the help of piezoelectric polyvinylidene di-fluoride (PVDF) to electromagnets. The main approach of this thesis is to compensate for earthquake effects with control forces and damping obtained as a result of the deformation of PVDF.
Method: A finite element model has been established in the ANSYS environment of the innovative hybrid base isolation system. It has been determined by static and dynamic harmonic analyzes how much the system can produce electrical energy by changing its shape under certain loads. According to the results of this analysis, the size optimization of the base isolation system was made. In addition, 8 different building models with 1/10 scale and steel carrier system type were created for experimental examination. In order to examine the effect of the developed system on the earthquake performance of the buildings, it is thought that 4 of the building models have an innovative hybrid base isolation system (YHIS) and the other 4 do not. The building models are desıgned as buildings without any irregularity, discontinuity of the carrier system, torsional irregularity and soft storey irregularity. The building models are formed with 7 floors and 3 openings in both directions. A series of earthquake tests were applied to the base-isolated and non-isolated building models on an electromechanical shaking table.
Findings: In the study, numerical analysis results showed that the innovative hybrid base isolation system with a diameter of 50 mm and a height of 100 mm obtained a sufficient electrical energy for the operation of electromagnets by changing the shape at a usable level. Experiment results showed that in the presence of the base isolation system, the damping rate of the structures increased, the base shear forces, the top displacements and the accelerations in the floors of the structure decreased. In addition, the developed base isolation system made it possible for previously irregularly designed structures to behave as a undamaged and regular structure.
Results: It has been concluded that the innovative hybrid base isolation system, designed as a result of PVDF's deformation, generating electrical energy and transferring it to electromagnets, can successfully control seismic vibrations in regular and irregular structures.