Kurşun çekirdekteki ısınmanın sismik izolasyonlu yapıların davranışına etkisi
Effect of lead core heating on the behavior of seismically isolated structures
Yazar: ZAFER KANBİR
Danışman: PROF. DR. CENK ALHAN ; PROF. DR. GÖKHAN ÖZDEMİR
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Elastomerler = Elastomers ; Faylar = Faults ; Kurşun çekirdek ısınması = Lead core heating ; Sismik yalıtkanlar = Seismic isolators

Özet:
Yeni inşa edilecek ya da mevcut birçok binanın normal performans hedefi, pek çok diğer deprem yönetmeliğinde olduğu gibi 2018 yılında yayımlanan Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği'nde de, tasarım depremi etkisi altında, kontrollü hasar düzeyine karşılık gelen Can Güvenliği performans seviyesidir. Ancak veri merkezleri, enerji santralleri, haberleşme tesisleri ve hastaneler gibi bazı kritik yapılar için çok daha ileri bir performans hedefine ihtiyaç duyulmaktadır. Zira bu binaların işlevlerini kesintisiz olarak sürdürmeleri için hem kendilerinin hem de içlerindeki hassas ekipmanların deprem nedeniyle oluşabilecek yüksek genlikli titreşimlerin olumsuz etkilerinden korunması gerekmektedir. Yapısal ve yapısal olmayan hasarı önlemek için göreli kat ötelemelerinin sınırlandırılması gerekirken, hassas ekipmanların korunması için aynı zamanda kat ivmelerinin de belirli sınır değerlerin altında tutulması gerekmektedir. Hem göreli kat ötelemelerini hem de kat ivmelerini eş zamanlı olarak azaltmanın en etkili yolu sismik taban yalıtımı uygulamaktır. Sismik taban yalıtımı, bina ile temel arasına düşeyde rijit, yatayda ise esnek bir yalıtım sistemi yerleştirerek kuvvetli yer hareketi nedeniyle oluşan etkin deprem kuvvetlerini azaltma prensibine dayanır. Yalıtım sistemlerinin, sağladıkları yatay esnekliğin yanı sıra sismik enerjinin tüketilmesine katkı sağlayacak şekilde enerji sönümleme kapasitesine de sahip olmaları tercih edilir. Kurşun çekirdekli elastomer yalıtım birimleri, yatayda esneklik sağlayan kauçuk, düşeyde rijitlik sağlayan çelik plakalar ve yüksek enerji sönümüne neden olan kurşunun birlikte kullanılmasıyla çok verimli yalıtım birimleri haline gelmiştir ve bu özellikleri sayesinde sık kullanılan yalıtım birimi türleri arasında yer almaktadır. Tekrarlı tersinir yükler altında kurşun çekirdekli elastomer yalıtım birimlerinin dayanımında belirli bir azalma olduğu uzun zaman önce deneysel çalışmalar neticesinde ortaya çıkarılmış olup daha sonra yapılan çalışmalarda ise meydana gelen dayanım kaybının temel olarak kurşun çekirdeğin ısınmasından kaynaklandığı vurgulanmıştır. Son zamanlarda bazı araştırmacılar, kurşun çekirdek ısınmasının kurşun çekirdekli elastomer yalıtım birimlerinden oluşan yalıtım sistemlerinin kullanıldığı sismik taban yalıtımlı yapıların davranışını etkileyebileceğini ve analizlerde bu etkiyi dikkate almanın önemli olduğunu göstermiştir. Ancak, uygulamada yaygın olarak kullanılan limit analiz yönteminde kurşun çekirdek ısınması doğrudan değil, dolaylı olarak dikkate alınmaktadır. Kurşun çekirdekli elastomer yalıtım birimlerinin kurşun çekirdek ısınması doğrudan dikkate alınarak modellendiği araştırma çalışmalarında da, üstyapının detaylı şekilde modellenmesinde karşılaşılan zorluk nedeniyle, genellikle üstyapılar tek serbestlik dereceli ya da iki serbestlik dereceli olarak idealize edilmektedir. Bu tür basitleştirmelerin kurşun çekirdek ısınmasını ve buna bağlı olarak yapısal tepkileri nasıl etkileyeceğinin incelenmesi de büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada, (i) üstyapı modelleme yaklaşımının (yani üstyapının tek serbestlik dereceli, iki serbestlik dereceli veya üç boyutlu olarak modellenmesinin) kurşun çekirdekli elastomer yalıtım birimlerine sahip binaların yapısal tepkilerini nasıl etkilediğinin ve (ii) kurşun çekirdekteki ısınmanın sismik yalıtımlı binaların davranışına, özellikle de kat ivmeleri ve kat kesme kuvvetleri gibi önemli yapısal tepkiler üzerindeki etkisinin araştırılması amaçlanmıştır. Bu araştırmalara ışık tutması hedefiyle, öncelikle tezin birinci ana bölümünde kurşun çekirdekli yalıtım birimlerinin farklı analiz programlarında ısınma etkileri dikkate alınarak modellenmesi, dikkate alınan üstyapı sönüm oranı ve tarihi ya da sentetik deprem kaydı kullanılması gibi konuların kurşun çekirdek ısınmasına bağlı yapısal davranış üzerindeki etkileri örnek bina modelleri kullanılarak araştırılmıştır. Bu ön incelemelerden elde edilen bulgular ışığında belirlenen yöntem, modelleme ve analiz detayları tezin diğer iki ana bölümünde kullanılmıştır. Çalışmanın ikinci ana bölümünde, üstyapısı üç boyutlu olarak veya eşdeğer idealize edilmiş şekilde ele alınmış olan yapısal modeller analiz edilerek üstyapı modelleme yaklaşımının kurşun çekirdekli elastomer yalıtım birimlerine sahip binaların yapısal tepkilerini nasıl etkilediği araştırılmıştır. Tezin üçüncü ana bölümünde ise, sismik yalıtımlı olarak tasarlanmış gerçekçi bir binanın üç boyutlu detaylı bir modeli oluşturularak tasarım spektrumuyla uyumlu olarak seçilen ve ölçeklenen tarihi deprem kayıtları etkisinde zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizler yapılmıştır. Kurşun çekirdek ısınmasının doğrudan dikkate alınması, dolaylı olarak dikkate alınması ve tamamen ihmal edilmesi durumlarında yapılan analizler sonucunda elde edilen yapısal tepkiler karşılaştırılarak kurşun çekirdekteki ısınmanın sismik yalıtımlı binaların davranışına etkisi araştırılmıştır. Analiz sonuçları; kurşun çekirdek ısınmasının doğrudan dikkate alınmak yerine dolaylı olarak hesaba katılması ya da ihmal edilmesi durumlarında yapısal tepkilerde önemli farkların ortaya çıkabileceğini göstermiştir. Bunun yanı sıra, üstyapı modelleme yaklaşımı, dikkate alınacak üstyapı sönüm oranı değeri ve analizlerde kullanılan deprem kaydı türünün (tarihi ya da sentetik) de kurşun çekirdek ısınmasına bağlı yapısal davranışı dikkate değer şekilde etkileyebileceği tespit edilmiştir.

Abstract:
As in many other earthquake codes, in the Turkish Building Earthquake Code published in 2018, the normal target performance level of many new or existing buildings is Life Safety performance level corresponding to the controlled damage level under the effect of design earthquake. However, a much higher performance target is needed for some critical structures such as data centers, power plants, communication facilities, and hospitals. Because in order for these buildings to continue their functions uninterruptedly, both themselves and the sensitive equipment inside must be protected from the negative effects of high amplitude vibrations that may occur due to earthquakes. While floor drifts must be limited to prevent structural and non-structural damage, at the same time floor accelerations must also be kept below certain limit values to protect sensitive equipment. The most effective way to reduce simultaneously both story drifts and floor accelerations is to apply seismic base isolation. Seismic base isolation is based on the principle of reducing the effective earthquake forces caused by strong ground motions by placing a vertically rigid and horizontally flexible isolation system between the building and the foundation. In addition to the horizontal flexibility they provide, it is preferred that the isolation systems have energy absorption capacity to contribute to the dissipation of seismic energy. Lead rubber bearings have become very efficient seismic isolation bearings with the use of rubber providing horizontal flexibility, steel plates providing vertical rigidity, and lead that causes high energy dissipation, and thanks to these properties, they are among the commonly used bearing types. Long ago experimental studies revealed a certain deterioration in the strength of lead rubber bearings under cyclic excitation and in later studies, it was emphasized that this strength deterioration is mainly caused by the heating of the lead core. Recently, some researchers have shown that the lead core heating can affect the behavior of base isolated structures with isolation systems consisting of lead rubber bearings and it is important to consider this effect in the analyses. However, lead core heating is taken into account indirectly in the bounding analysis method, which is widely used in practice. In research studies in which the lead rubber bearings are modeled explicitly considering lead core heating, superstructures are generally idealized as single degree of freedom or two degrees of freedom systems due to the difficulty encountered in detailed modeling of the superstructure. It is also of great importance to examine how such simplifications will affect the lead core heating and therefore the structural responses. In this study, it is aimed to investigate (i) how the superstructure modeling approach (i.e. modeling the superstructure as single degree of freedom, two degrees of freedom or three dimensional systems) affects the structural responses of buildings with lead rubber bearings and (ii) the effect of lead core heating on the behavior of seismically isolated buildings, particularly on important structural responses such as floor accelerations and story shear forces. In order to shed light on these issues, first, in the first main part of the thesis, the topics such as; modeling of lead rubber bearings in different analysis programs considering lead core heating, the effects of the considered superstructure damping ratio, and the use of historical or synthetic earthquake records on the temperature-dependent structural behavior are investigated using benchmark building models. The method, modeling, and analysis details determined in the light of the findings obtained from these initial examinations are used in the other two main sections of the thesis. In the second main part of the study, by analyzing the structural models whose superstructures are considered as three-dimensional or equivalent idealized systems, it is investigated how the superstructure modeling approach affects the structural responses of buildings with lead rubber bearings. In the third part of the thesis, a detailed three-dimensional model of a realistic building, which was designed as seismically isolated, is created and nonlinear time history analyses are conducted with historical earthquake records selected and scaled to match the design spectrum. The effect of lead core heating on the behavior of seismically isolated buildings is investigated by comparing the structural responses obtained from the analyses performed in cases where lead core heating is directly taken into account, indirectly considered, and completely neglected. Analysis results showed that significant differences in structural responses can arise when lead core heating is indirectly accounted for or neglected rather than directly considered. In addition, it is determined that the considered superstructure damping ratio, the type of earthquake record (historical or synthetic) used in the analyses, and the superstructure modeling approach can considerably affect the structural behavior due to lead core heating.