Ayarlı sıvı sönümleyicilerin betonarme binaların deprem performansına etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of tuned liquid dampers on earthquake performance of reinforced concrete buildings
Yazar: BİRKAN DAĞ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA GENÇOĞLU ; DR. ÖĞR. ÜYESİ MUZAFFER BÖREKÇİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Betonarme binalar = Reinforced concrete buildings ; Damper = Damper ; Deprem = Earthquake ; Yapısal denetim = Structural control

Özet:
Depremler can ve mal kayıplarına neden olan önemli afetler olarak bilinmektedir. Ülkemiz de depremselliği yüksek bir bölgede olması nedeniyle bu afeti en çok yaşayan ve zararlarına en çok maruz kalan ülkeler arasındadır. Bu nedenle ülkemizdeki yapıların depreme dayanıklı olacak şekilde tasarlanması oldukça önemlidir. Sürekli kendini yenileyen ve geliştiren deprem yönetmeliklerinin ortaya çıkması da bu gayretin neticesindedir. Yapılan incelemeler ülkemizde uygun mühendislik hizmeti almayan ve hem kötü işçilikle  hem de kötü malzeme kullanılarak inşaa edilmiş bir çok yapı stoku olduğunu göstermektedir. Ayrıca, bu olumsuz durumlar olmasa bile çeşitli depremlerle hasar gören bina stoku da az sayıda değildir. Tıpkı diğer tüm ülkeler gibi ülkemizde de bu tarz eksik veya kusurlu yapıların yıkılıp yeniden yapılması ekonomik nedenlerden dolayı her zaman mümkün olamamaktadır. Bu sebeple eğer ekonomik olarak uygun ise mevcut yapıların deprem güvenilirliğinin belirlenerek güçlendirilmesi ve hasar gören yapıların  deprem sonrası onarımının yapılarak depreme dayanıklı hale getirilmesi önemli bir husustur. Araştırmacılar tarafından sürekli olarak, mevcut binalar için yeni güçlendirme yolları ve mecvut veya yeniden yapılacak binalar için de depremin yıkıcı etkisini kontrol altına alabilecek kontrol sistemleri aranmaktadır. Literatürde birçok kontrol sistemi bulunmasına karşın, son yıllarda sıklıkla araştırılmaya başlanan "Ayarlı Sıvı Sönümleyiciler", maliyeti ucuz ve uygulaması pratik bir sistemdir. Bu tezde, Ayarlı Sıvı Sönümleyicilerin mevcut bir betonarme binanın deprem sırasındaki davranışına ve deprem sonrası durumuna etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır. Buna göre, Türkiye'de bulunan bina stoğunun bir kısmını temsil edebileceği düşünülen 10 katlı betonarme çerçeveli hipotetik bir binaya, uygun "Ayarlı Sıvı Sönümleyici" yerleştirilmesi durumunda, binanın deprem sırasındaki davranışı elde edilerek deprem performansı belirlenmiş ve ayrıca deprem sonrası durumu elde edilerek güçlendirme ve onarım çalışmalarına katkısı araştırılmıştır.  
Yeni yapılacak yapıların depreme dayanıklı olarak tasarlanmasında ve mevcut yapıların deprem güvenilirliklerinin belirlenmesinde doğrusal olan kuvvet esaslı yöntemler ile hem doğrusal hem de doğrusal olmayan yerdeğiştirme esaslı yöntemler kullanılabilmektedir. Bir deprem sırasında, yapılarda oluşan hasarların büyük yerdeğiştirmelerden kaynaklandığı bilinmektedir. Dolayısıyla, olası bir deprem nedeniyle taşıyıcı sistem elemanlarında oluşabilecek hasarların elde edilmesinde yerdeğiştirmeye dayalı doğrusal olmayan yöntemler kullanmak, gerçek davranışa daha yakın sonuçlar elde edilmesini sağlayacaktır. Doğrusal olayan şekildeğiştirmelerin elde edilmesinde hem statik hem de dinamik yöntemler kullanılabilirken, dinamik bir yöntem olan Zaman Tanım Alanında Doğrusal Olmayan Analiz (ZTADOA), gerçeğe en yakın sonuçlar verebilecek bir yöntemdir. Bu çalışmada, dikkate alınan mevcut binanın, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (TBDY) 2018 esaslarına uygun olarak SAP2000 programında doğrusal olmayan modeli hazırlanmış ve 11 adet deprem kaydı için ZTADOA yapılarak taşıyıcı eleman hasar seviyeleri ile deprem performansı belirlenmiştir. Ardından, farklı kütle oranlarına sahip Ayarlı Sıvı Sönümleyiciler yerleştirilerek, mevcut binanın deprem sırasındaki davranışına ve deprem sonrası durumuna etkileri incelenmiştir. 
Bu yüksek lisans tezi toplamda 7 ana başlıktan oluşmaktadır. Birinci bölüm olan giriş bölümünde yapısal kontrol sistemlerine duyulan ihtiyaç ve 10 katlı betonarme bir binaya uygulanması tartışılmıştır.
Tezin ikinci bölümünde yapısal kontrol sistemlerinden ve türlerinden bahsedilmiştir. Yapısal konrol sistemleri Bölüm 2'de de belirtildiği gibi pasif, aktif, yarı aktif ve hibrit olmak üzere dört gruba ayrılmaktadır. Pasif kontrol sistemleri de kendi içerisinde sönümleyiciler ve izalatörler olmak üzere ikiye ayrılmaktadır fakat bu çalışmada, izolatörlerden ziyade sürtünme tipi, metalik, viskoelastik, viskoz sıvı, ayarlı kütle ve ayarlı sıvı sönümleyicilere ait bilgiler verilmiştir.
Üçüncü bölümde pasif kontrol sistemlerinden biri olan ve bu tezde incelenen ayarlı sıvı sönümleyiciler detaylı olarak ele alınmıştır. Litaretürde şimdiye kadar ayarlı sıvı sönümleyiciler ile ilgili yapılan birçok çalışma ve ayarlı sıvı sönümleyicilerin su tankları olarak modellenebilmesine ilişkin bilgiler bu bölümde verilmiştir.
Dördüncü bölüm olan yöntem ve materyal bölümünde doğrusal olan ve olmayan performans değerlendirme yaklaşımları kısaca özetlenmiş ve beşinci bölümde yapılan zaman tanım alanında doğrusal olmayan performans analizi ile ilgili bir takım bilgiler TBDY 2018'e göre açıklanmıştır. Deprem yer hareket düzeyleri açıklanmış ve Pasifik Deprem Mühendisliği Araştırma Merkezi (PEER) verilerinden elde edilen 11 adet yer hareketi bilgisi verilmiştir. "Spektral Benzeşim Yöntemi" vasıtasıyla SeismoMatch programı kullanılarak yapılan deprem ölçeklendirmeleri yine bu bölümde gösterilmiştir. Doğrusal olmayan analizin ilk basamağı olan plastik mafsal tanımı açıklanmıştır. Plastik mafsallar kiriş uç birleşimlerinde kolon yüzlerine, kolon uç birleşimlerinde ise kiriş yüzlerine tanımlanmıştır.  Kirişlerde elastoplastik moment – eğrilik ilişkisi tanımlanırken, kolonlarda karşılıklı etki diyagramları tanımlanmıştır. TBDY 2018'de belirtilen hasar bölgeleri ve performans hedefleri kısaca özetlenmiş ve sonrasında ise beşinci bölümde performans analizi yapılan 10 katlı betonarme bina ile ilgili detaylı bilgiler verilmiştir.
Tezin beşinci bölümünde performans analizi yapılan mevcut betonarme binanın ilk olarak taşıyıcı elemanlarının süneklik kontrolü yapılmıştır. Yapı elemanlarının hasar seviyelerinin şekil değiştirme esaslı belirlenebilmesi için süneklik ve gevreklik kontrollerinin yapılarak sünek olduğunun gösterilmesi gerekmektedir. Aksi takdirde gevrek elemanların kesme kapasitelerinin aşılıp aşılmadığının kontrol edildiği kuvvet esaslı değerlendirme yapılmaktadır.Yapılan değerlendirmelerde tüm taşıyıcı elemanların sünek olduğu sonucuna ulaşılmış ve neticesinde de performans analizine geçilmiştir. Doğrusal olmayan performans analizinde taşıyıcı elemanların donatıları ile birlikte modellenmeleri esastır. Çünkü boyuna ve enine donatıların konfigürasyonu ve miktarına göre şekildeğiştirme sınırları değişmektedir. Bu nedenle kesitlere ait sargılı ve sargısız betonun gerilme-şekildeğiştirme ilişkileri XTRACT programı vasıtasıyla tanımlanmıştır. Sonrasında ise kiriş ve kolonlarda performans değerlendirmesi yapılmış olup kirişlerde kontrollü hasar performans düzeyi, ilk kat kolonlarında göçme durumu , ikinci-üçüncü kat kolonlarında göçmenin önlenmesi performans düzeyi ve diğer kat kolonlarında ise kontrollü hasar performans düzeyi elde edilmiştir. Bu durumda ise binanın göçme durumunda olduğu sonucuna ulaşılmıştır.
Altıncı bölümde performans değerlendirmesi yapılan 10 katlı betonarme binaya ilave edilecek ayarlı sıvı sönümleyicilere ait bilgiler verilmiştir. Basitleştirilmiş kütle şeklinde modellenen su tanklarının, ayarlı sıvı sönümleyici olarak kullanılması prensibine dayanan bu yaklaşımda toplam bina kütlesinin %3, %5, %10, %15 ve %20 oranlarında ayarlı sıvı sönümleyiciler kullanılmıştır. Ayarlı sıvı sönümleyicinin binanın en üst katına su tankı şeklinde yerleştirildiği ve ASS kütlesinin toplam bina kütlesine oranının %3, %5, %10, %15 ve %20 olduğu durumlar ile toplam kütlenin yarısının binanın üst katına ve orta katına aynı anda yerleştirildiği ve yine ASS kütlesinin bina toplam kütlesine oranının %5, %10 ve %15 olduğu ikinci durumlar için toplamda sekiz adet zaman tanım alanında doğrusal olmayan performans analizi yapılmıştır. Her kütle oranı için gereken ayarlı sıvı sönümleyici miktarı, basitleştirilmiş kütleler, rijitlik değerleri ve yükseklikleri hesaplanmıştır. Ayarlı sıvı sönümleyicinin betonarme bir binanın deprem performansına etkisinin incelenmesi adına en uygun kütle oranı bulunmaya çalışılmış ve bu bağlamda taşıyıcı eleman kesitlerinin plastik dönme değerlerine olan etkisine, tepe yerdeğiştirmesine olan etkisine ve deprem sonrası kalıcı yerdeğiştirmesine olan etkisine bakılmıştır.
Tezin son kısmında ise altıncı bölümdeki karşılaştırmalardan elde edilen veriler yorumlanmış ve ayarlı sıvı sönümleyicilerin, sönüm oranı %5 olarak kabul edilen 10 katlı betonarme binaya etkisi irdelenmiştir. Binanın tepe noktasının deprem sonrası kalıcı yerdeğiştirme miktarlarında önemli ölçüde azalmalar sağlanmış ve ayarlı sıvı sönümleyicilerin binanın geri merkezlenmesine yardımcı olduğu görülmüştür. Fakat bunun yanı sıra basitleştirilmiş kütle varsayımı ile modellenen ayarlı sıvı sönümleyicilerin etkisinin, %5 gibi nispeten yüksek sönüm oranına sahip betonarme binada, farklı deprem hareketlerinin etkisi altında stabil olmadığı sonucuna varılmıştır. Tepe yerdeğiştirmesi ve taşıyıcı eleman kesitlerinin plastik dönme  taleplerinde meydana gelen değişimler karşılaştırıldığında her depremde ve her kütle oranında farklılaşabilen etkiler ortaya çıkmıştır. Bazı deprem durumlarında ve kütle oranlarında olumlu etki gösterirken, aynı kütle oranı, farklı deprem durumlarında olumsuz etki gösterebilmektedir. Bu durum, sıvı sönümleyicilerin ayarlanması sırasında kullanılan parametrelerin, depremlerin karakteristik özelliklerinden bağımsız olamayacağını açıkça ortaya koymaktadır.

Abstract:
Earthquakes are known as significant disasters that cause loss of life and property. Our country is also among the countries that have experienced this disaster the most and are most exposed to its damages since it is in a region with high earthquake risky. Therefore, it is very important that the structures in our country are designed to be earthquake-resistant. The emergence of earthquake codes, which are constantly renewing and improving themselves, is also the result of this effort. The studies conducted show that there are many building stocks in our country that do not receive proper engineering services and are built both with poor workmanship and using poor materials. In addition, the stock of buildings damaged by various earthquakes is also not less, even if there are no such deficiencies. Just like in all other countries, it is not always possible to demolish and rebuild such incomplete or defective structures in our country for economic reasons. For this reason, if it is economically viable, it is an important issue to determine the earthquake reliability of existing structures and strengthen them and repair damaged structures and make them earthquake resistant. Researchers are constantly looking for new ways of strengthening existing buildings and control systems that can control the destructive effect of earthquake on buildings that will be strengthened or rebuilt. Although there are many control systems in the literature, "Tuned Liquid Dampers", which have been frequently investigated in recent years, are a cheap and practical system to implement. In this thesis, it is aimed to examine the effect of Tuned Liquid Dampers on the behavior during an earthquake and post-earthquake state of an existing reinforced concrete building. Accordingly, "Tuned Liquid Damper" is placed in a hypothetical 10-storey concrete framed building that could represent a portion of the building stock in Turkey and the earthquake performance of the building was determined by obtaining its behavior during the earthquake. Also, its contribution to strengthening and repair works was investigated by obtaining its post-earthquake condition. 
Both linear and nonlinear deformation-based methods and linear force-based methods can be used to design new structures as earthquake-resistant and to determine the earthquake reliability of existing structures. It is known that during an earthquake, damage to structures is caused by large deformations. Therefore, using nonlinear methods based on deformation to obtain damages that may occur in the structural system elements due to a possible earthquake will allow obtaining results closer to the actual behavior. While both static and dynamic methods can be used to obtain nonlinear deformations, Nonlinear Time History Analysis (NTHA), which is a dynamic method, is a method that can give the closest results to reality. In this study, a nonlinear model of the existing building was prepared in the SAP2000 program in accordance with the principles of the Turkish Seismic Code for Buildings (TSCB) 2018, and 11 earthquake records were made for NTHA. Then, damage levels of structural elements and earthquake performance of the existing building were determined. Then, by placing Tuned Liquid Dampers with different mass ratios, the effects of the existing building on its behavior during the earthquake and its post-earthquake state were examined.
This master's thesis consists of 7 main titles in total. In the first part, the need for structural control systems and their application to a 10-storey reinforced concrete building is discussed in the introduction section.
Structural control systems and their types are mentioned in the second part of the thesis. As mentioned in Chapter 2, structural control systems are divided into four groups: passive, active, semi-active, and hybrid. Passive control systems are divided into two types: dampers and isolators. However, in this study, informations about dampers such as friction type, metallic, viscoelastic, viscous liquid, tuned mass, and tuned liquid damper are given rather than insulators.
In the third chapter, one of the passive control systems, tuned liquid dampers, is discussed in detail. Information about many studies on tuned liquid dampers conducted so far in the literature and how tuned liquid dampers can be modeled as water tanks is given in this section.
In the fourth section, the methods and materials section, linear and nonlinear-performance evaluation approaches are summarized and some information about nonlinear time history analysis which was held in the next chapter is explained according to TSCB 2018. Earthquake ground motion levels were explained and 11 earthquake records were provided from the Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER) data. Earthquake scaling performed using the SeismoMatch program using the "Spectral Similarity Method" is again shown in this section. The definition of a plastic hinge, which is the first step of nonlinear analysis, is described. Plastic hinges are defined on the column faces at the beam end joints and on the beam faces at the column end joints. While the elastoplastic moment-curvature relationship was defined in the beams, P-M2-M3 diagrams were defined in the columns. The damage zones and performance levels specified in the TSCB 2018 are briefly summarized, and then all the information needed for the analysis of the 10-storey reinforced concrete building is provided.
In the fifth part of the thesis, the ductility control of the structural elements of a reinforced concrete building was carried out, firstly. In order to determine the damage levels of structural elements by using the deformation-based approach, it is necessary to show that they are ductile by performing ductility and brittleness controls. Otherwise, a force-based assessment is performed in which it is checked whether the cutting capacities of the brittle elements have been exceeded. As a result of the check, all the structural elements were found to be ductile, and then, the performance analysis was started. In nonlinear performance analysis, it is essential that the structural elements are modeled together with their reinforcements. Because the configuration and quantity of longitudinal and transverse reinforcements can change the limit states. For this reason, the stress-strain relationships of the confined and unconfined concrete belonging to the sections have been defined utilizing the XTRACT program. After that, a nonlinear performance evaluation was performed on the beams and the columns. The controlled damage performance level of the beams, the collapse states of the first floor columns, the collapse prevention performance level of the second-third floor columns, and the controlled damage performance level of the other floor columns were obtained. In this case, it has been concluded that the building is in a state of collapse.
In the sixth chapter, information about the tuned liquid dampers to be added to the 10-storey reinforced concrete building where the performance assessment was made is given. In this approach, which is based on the principle of using water tanks modeled as simplified masses as tuned liquid dampers, tuned liquid dampers of 3%, 5%, 10%, 15%, and 20% of the total building mass were used. Totally eight performance analyses was carried out. First, five of these analyses were 3%, 5%, 10%, 15%, and %20 mass ratios of tuned liquid dampers that is placed on the top floor of the building one by one. Another three analyses conducted by dividing  5%, 10% and 15% mass ratios of tuned liquid dampers into two parts and placing them on the top and mid floors, simultaneously. The amount of tuned liquid dampers required for each mass ratio, simplified masses, stiffness values, and heights of these simplified masses were calculated. To investigate the effect of tuned liquid dampers on the earthquake performance of a reinforced concrete building, an optimal mass ratio was tried to be found. In this context, the effect on plastic rotation values on cross-sections of structural elements, the effect on peak displacement, and the effect on residual displacement of the building after an earthquake were examined.
In the last part of the thesis, the data obtained from the comparisons in the sixth part were interpreted and the effect of tuned liquid dampers on a 10-storey reinforced concrete building, whose damping ratio is considered to be 5%, was explained. Significant reductions were achieved in the amount of residual displacement of the building's peak after the earthquake, and it was found that tuned liquid dampers helped to re-center the building. But in addition, it was concluded that the effect of tuned liquid dampers modeled by simplified mass assumption is not stable in a reinforced concrete building with a relatively high 5% damping ratio under the influence of different earthquake movements. When the changes in the peak displacement and the plastic rotation demands of the structural element sections were compared, effects that could differ in each earthquake and each mass ratio were revealed. While it shows a positive effect in some earthquake situations and mass ratios, the same mass ratio may have a negative effect in different earthquake situations. This situation makes it clear that the parameters used during the tuning of the liquid dampers cannot be independent of the characteristics of the earthquakes.