Çapraz yay gruplarını kullanan yeni bir sismik yalıtım sistemi
A new seismic isolation system made of spring tube braces
Yazar: VAROL KARAYEL
Danışman: DOÇ. DR. ERCAN YÜKSEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Enerji sönümleme = Energy damping ; Helisel yay = Coiled spring ; Sismik taban yalıtımı = Seismic base isolation ; Sürtünme sönümlüleri = Friction dampers ; Taban yalıtımı = Base isolation

Özet:
Doktora tez çalışması kapsamında, çapraz yay gruplarını kullanan yeni bir sismik yalıtım sistemi geliştirilmiştir. Çalışmanın deneysel bölümü İstanbul Teknik Üniversitesi (İTÜ) Yapı ve Deprem Mühendisliği Laboratuvarında (STEELab) gerçekleştirilmiştir.
Binaların kuvvetli yer hareketleri sırasında yıkıcı hasarlardan korunabilmesinin, doğal titreşim periyotlarının uzatılması ve ilave sönüm sağlanması ile de mümkün olabileceği bilinmektedir. Pasif sismik yalıtım yöntemlerinin esası da bu prensiplere dayanmaktadır.
Bu tez çalışmasının çıkış noktası kararlı bir yumuşak kat mekanizması kullanılarak, az katlı betonarme ve çelik yapılar için yeni bir sismik yalıtım sisteminin geliştirilmesidir. Çalışmanın başlangıcında öncelikle simetrik çekme ve basınç kapasitesine sahip bir yay mekanizması geliştirilmiştir. Bu amaçla her biri özdeş eksenel rijitliğe sahip dört adet basınç yayı, yay kutusu olarak isimlendirilen ve iki ucunda oluşturulan pistonlar sayesinde açılıp kapanabilen bir boru içinde konumlandırılmıştır. Çalışma kapsamında özgün olarak geliştirilen iki ucu mafsallı çelik kolonlardan ve çapraz yay kutularından oluşan yalıtım katı, binanın temel seviyesinde teşkil edilebileceği gibi uygun bir ara katında da oluşturulabilecektir. Önerilen yalıtım katında, düşey yükler ile ikinci mertebe etkileri iki ucu mafsallı çelik kolonlar tarafından karşılanırken, katın yatay kararlılığı göreli düşük eksenel rijitliğe sahip çapraz yay kutuları vasıtasıyla sağlanmaktadır.
Geliştirilen sismik yalıtım sistemine, rüzgar ve küçük depremlerde yerdeğiştirmeleri sınırlandırarak konfor şartlarını sağlamak üzere, yay kutuları üzerinde oluşturulacak bir kilit mekanizması ile yüksek bir başlangıç rijitliği de kazandırılabilecektir. Bu özellik tez çalışması kapsamı dışındadır.
Önerilen yeni sismik yalıtım sisteminin etkinliğinin gösterilmesi amacıyla, bir dizi deneysel ve kuramsal çalışma yapılmıştır. Ölçekli numuneler üzerinde yapılan deneyler üç safhalı olarak gerçekleştirilmiştir. Her bir deney aşamasında elde edilen sonuçlar, kuramsal hesaplar ile de doğrulanmıştır.
Birinci safhada, bağımsız yay deneylerini takiben, yay kutusunun çekme ve basınç durumlarındaki davranışının tespit edilmesi amacıyla; bağımsız yay kutusu düşey hidrolik veren kullanılarak, değişik frekanslardaki tekrarlı eksenel yerdeğiştirmeler altında test edilmiştir. Ardından bu kez yalıtım katının, üzerinde üst yapı olmaksızın yatay hidrolik veren vasıtasıyla değişik normal kuvvet düzeyleri için yön değiştiren tekrarlı yatay yerdeğiştirme adımları altında statik deneyleri gerçekleştirilmiştir. Yay kutusunun deneylerden elde edilen eksenel rijitlikleri, analitik hesapla elde edilen değerler ile örtüşmüştür. Bağımsız yalıtım katının birinci ve ikinci mertebe yatay rijitliği, yay kutusu iç kuvvetleri vb. büyüklükleri ile geometrik uygunluk koşullarının analitik hesaplar ile uyum içinde olduğu tespit edilmiştir.
İkinci aşama deneylerde, ¼ ölçekli, tek açıklıklı, üç katlı, üç boyutlu ve moment aktarabilen birleşimlere sahip, önerilen yalıtım sistemli ve temelden ankastre mesnetli çelik yapı deney numunelerinin; sarsma masası üzerinde, seçilen yedi farklı deprem kaydı için deneyleri gerçekleştirilmiştir. Bu aşamadaki deneylerde sismik yalıtım sisteminin mafsalları, sadece itme doğrultusunda hareket etmek üzere düzlem mafsal olarak teşkil edilmiştir. Deney sonuçları değerlendirildiğinde ulaşılanlar şu şekilde özetlenebilmektedir; i. Sismik yalıtımlı sistemde katlar hizasındaki ivmeler önemli oranlarda küçülmüştür. ii. Düşey yükler ile düşey ve yatay yük kaynaklı ikinci mertebe etkiler yalıtım katı kolonları tarafından emniyetle taşınmaktadır. iii. Deneyler sırasında, herhangi bir kararsızlık ve merkeze dönme sorunu yaşanmamıştır. iv. Modellerin iç kuvvetler bakımından kritik zemin katında, sismik yalıtımlı sistemde oluşan kesme kuvvetinin, ankastre mesnetli sistemin yedide biri düzeyine düştüğü görülmüştür. v. Önerilen sismik yalıtım sisteminin kendi göçme emniyet mekanizmasına sahip olduğu anlaşılmıştır. vi. Yalıtım katının, dinamik kuvvet-yerdeğiştirme ilişkilerinden elde edilen ortalama etkin yatay rijitliği, mafsallardaki sürtünme göz önüne alınmadan hesaplanan teorik yatay rijitliğin yaklaşık %25 üzerinde oluşmuştur. vii. Sismik yalıtımlı sistemde; mafsallardaki sürtünmeden ortaya çıkan, enerji denge denklemi ve dinamik kuvvet-yerdeğiştirme eğrilerinden hesaplanabilen eşdeğer sönümüm %18-20 civarında olduğu anlaşılmıştır.
Bu safhada deneyi gerçekleştirilen ankastre mesnetli ve sismik yalıtımlı sistemin hesap modelleri kurularak, geometrik bakımdan doğrusal olmayışın da göz önüne alındığı, zaman tanım alanındaki analizleri, benzer yedi deprem kaydı için gerçekleştirilmiştir. Sismik yalıtımlı sistem için yapılan analizlerde, deneylerden elde edilen etkin yatay rijitlikler ve yine deneylerden elde edilen eşdeğer sönüm oranının %20 değeri kullanılmıştır. Deney ve analizlerden elde edilen ivme ve yerdeğiştirme geçmişlerinin uygulanan tüm depremler için uyumlu oldukları görülmüştür.
Geliştirilen sismik yalıtımlı sistemin, üç boyutlu yapılar için mühendislik pratiğinde de kullanabileceğinin ispatlanmasını amaçlayan üçüncü safha deneylerde, öncelikle uygun bir küresel mafsal detayı tasarlanıp üretilmiştir. Daha sonra, bir önceki deneylerde kullanılan ¼ ölçekli üç katlı çelik üst yapı modeli küresel mafsallı sistemin üzerine monte edilerek, bu kez küresel mafsallı sismik yalıtımlı deney modeli oluşturulmuştur. Deney modelinin, iki eksenli yükler altında üç boyutlu davranışını ortaya çıkarabilmek için model, tek eksenli sarsma masasını üzerine uyarı doğrultusu ile 45o'lik bir açı yapacak biçimde monte edilmiştir. Deneyler sonucunda, düzlem mafsallı yalıtımlı sistemde olduğu gibi, herhangi bir kararsızlık ve merkeze dönme sorunu yaşanmamış, katlara gelen ivmeler de önemli ölçüde küçülmüştür. Küresel mafsallar ve yay kutuları her iki doğrultuda da tam uyum göstererek çalışmışlardır. Düşey yükler ve ikinci mertebe etkiler, yalıtım katının küresel mafsallı kolonları tarafından emniyetle taşınmıştır. Deneylerden elde edilen veriler kullanılarak oluşturulan enerji denge denklemi, dinamik kuvvet-yerdeğiştirme bağıntıları ve yarı bant genişliği yöntemleri olmak üzere üç farklı yöntem ile ortaya çıkarılan ve küresel mafsallardaki sürtünmeden kaynaklanan eşdeğer sönüm yine  %20 civarında oluşmuştur. Deneylerde ortaya çıkan ve dinamik kuvvet-yerdeğiştirme bağıntılarının yanı sıra test numunelerinin temel titreşim frekanslarından da ulaşılan ortalama etkin yatay rijitliğin, sürtünme göz önüne alınmaksızın hesaplanan teorik yatay rijitlikten, düzlem mafsallı sisteme benzer olarak yaklaşık %25 büyük olduğu ortaya çıkarılmıştır.
Küresel mafsallı deney numunesinin, deprem uyarılarının deneye benzer biçimde numune ana eksenleri ile 45o'lik bir açı yapacak biçimde uygulandığı, zaman tanım alanındaki analizleri yine tüm depremler için gerçekleştirilmiştir. Bu analizlerde de, deneylerden elde edilen etkin yatay rijitlikler ve eşdeğer sönüm oranının %20 değeri kullanılmıştır. Uygulanan yedi farklı deprem için deney ve analizlerden elde edilen ivme ve yerdeğiştirme büyüklükleri örtüşmüştür.
Üçüncü safha deneylerde, küresel mafsallı bağımsız yalıtım katının MTS hidrolik vereni kullanılarak statik deneyleri de gerçekleştirilmiştir. Küresel mafsallarda sürtünmeden dolayı ortaya çıkan eşdeğer sönüm, %18 civarında elde edilmiştir.
Çalışmanın son aşamasında geliştirilen sismik yalıtım sisteminin gerçek bir bina üzerinde değerlendirilmesi amacıyla; beş katlı betonarme bir binanın, sismik yalıtım katlı ve temelden ankastre mesnetli olmak üzere üç boyutlu matematik modelleri kurulmuştur. Ardından her iki modelin de, deneylerde kullanılan yedi farklı deprem kaydı için, zaman tanım alanındaki analizleri gerçekleştirilmiştir. Sismik yalıtım sistemli modelde, yalıtım katının etkin yatay rijitliği olarak deneylerde ulaşıldığı biçimde, sürtünmesiz teorik rijitliğin %25 artırılmış değeri kullanılmıştır. Sismik yalıtımlı modelde eşdeğer sönüm oranı olarak yine deneylerde elde edilen %20 değerine yer verilmiştir. Sismik yalıtımlı sistem için dört yerdeğiştirme performans seviyesi göz önünde tutularak,  aşılma olasılık eğrileri elde edilmiştir. Ayrıca sismik yalıtım sistemli bina, önemli bazı temel parametreler açısından ilgili birkaç uluslararası yönetmelik çerçevesinde de irdelenmiştir. Çalışmalar sonunda; sismik yalıtımlı sistemin en etkili olduğu durumda, ankastre mesnetli sisteme göre tepe ivmelerinin 13.70'de bir, kritik zemin kat kesme kuvvetlerinin 12.20'de bir küçüldüğü görülmüştür. Yalıtım katının en büyük yatay yerdeğiştirme kapasitesi dikkate alındığında, bu değerin aşılma olasılığı yer ivmesinin 0.9g değerine kadar %0.0, 1.5g değerinde ise %75 olarak hesaplanmıştır. Önerilen sismik yalıtım sistemi ilgili uluslararası yönetmeliklerin gereksinimlerini karşılamaktadır. Sismik yalıtım katının ana elemanları olan, iki ucu mafsallı çelik kolonları, yay kutuları ve kompozit tavan kirişlerinin geometrik olarak makul ve ekonomik kesitler ile tasarlanabileceği gösterilmiştir.

Abstract:
In the scope of this Ph.D. Thesis, a new seismic isolation system made of spring tube braces has been proposed and studied at the Structural and Earthquake Engineering Laboratory (STEELab) of Istanbul Technical University, (ITU).
Building responses during earthquakes can be controlled by period shifting and/or supplementary damping. The passive structural control method based on the period shifting approach is now widely accepted for protecting structures from EQs.
The motivation behind the proposed seismic isolation system is based on the observations of buildings damaged due to the soft story mechanism even though it is an undesirable collapse mechanism in earthquake engineering. Site investigations have shown that principal damages are concentrated on the soft storey, while minor or no damage is observed on upper stories. Two conclusions can be drawn from the observations: i. The large part of the seismic energy imparted to the structure during an earthquake is dissipated in the soft storey. ii. Relatively low lateral stiffness of the soft storey lengthens the fundamental vibration period of the building, so that the intensity of the lateral accelerations transmitted to the upper part of the building is significantly reduced. 
The main objective of this study is to develop a new seismic isolation system based on the stable soft storey mechanism to be used for low-rise reinforced concrete (RC) and steel buildings. The proposed system can be used not only for newly constructed buildings, but also for vulnerable existing buildings. Due to its relatively low-cost, it is aimed to be used in the developing countries. 
In order to have a two-way spring, multiple compression-type linear springs are positioned in a special cylindrical tube called as spring tube which has a symmetrical response in tension and compression-type axial loading. An isolation story, which consists of hinge-ended steel columns and spring tube bracings, is constructed at the foundation level or any intermediate level of the building. Gravitational loads are resisted by the vertical steel columns and the lateral stability of the system is mainly governed by diagonal spring tube braces which have quite low axial rigidity. The columns are connected to the relatively rigid beams of the upper and lower floors or RC foundation by means of hinges.
Moreover, the relatively high initial stiffness of the isolation storey can be supplied by a simple locking mechanism on the spring tubes to satisfy the comfort requirements for low intensity earthquake and wind effects. This feature, however, lies outside the scope of this thesis.
A series of experimental and analytical studies are carried out to evaluate the capability of the proposed seismic isolation system. An experimental campaign on downscaled specimens with three stages is performed. In each step, experimental results have been verified by appropriate analytical calculations.
In the first phase, the behavior of the spring tube subjected to axial displacement reversals with varying frequencies is determined. Then, ¼ scaled isolation story subjected to varying axial load levels is assessed in the static tests. The static tests carried out on the spring tubes prove that there is a close compatibility between the analytical and experimental axial stiffness of the spring tube. Static tests performed on the isolation story resume the close agreement with the analytical results in terms of first and second order lateral stiffness of the isolation story and internal forces on the spring tube. The geometric compatibility conditions of the isolation story have also been verified by the static tests.
In the second phase of the experimental campaign, ¼ scale one bay three storey 3D steel moment resisting frames, with or without proposed seismic isolation storey, are tested on the uni-axial shake table using selected seven real earthquake records. Isolated specimen used in this period of tests has planer hinge connections to obtain pure uni-directional behaviour of the test specimen under uni-axial shaking. The uni-axial shake table (ARI-I), located in the STEELab of ITU, is used in the dynamic tests of the specimens. The displacement capacity of the shake table is ±325 mm. The accelerometers with ±2g capacity are positioned on each floor of the specimen, as well as on the shake table. The lateral displacements are measured at the level of the shake table and at the top of the specimens. Additionally, one displacement transducer is utilized at the level of the isolation storey for the isolated case and at the level of the first storey for the fixed base specimen. A number of strain gauges are used at both ends of first storey beams and columns of isolated and fixed base specimens. Additionally, in the case of the isolated specimen, strain gauges are glued to the mid height of the pinned columns. After having completed this stage of tests, those results are achieved; i. The transmitted accelerations from ground to floor levels are largely diminished by means of the isolation system, contrary to the fixed based specimen. ii. It has been proven that significant displacement demands and second order effects of gravity loads can be battled by the proposed seismic isolation storey. iii. The critical ground storey shear forces of the isolated case are predominantly smaller than the fixed base case and the average ratio is about 1/7. iv. No stability or self-centering problems for the proposed isolation system are observed. v. The proposed isolation system has its own fail-safe mechanism. vi. The average effective lateral stiffness of the isolation story obtained from the experimental force-displacement relations of seven earthquakes is around 25% higher than the theoretical value which is calculated without accounting the frictional effects. Hence, there is close agreement between the effective lateral stiffness's and the first fundamental frequencies of the isolated specimen for the applied seven EQs. vii. The energy balance equations and dynamic force-displacement relations indicated that the equivalent damping arising from the seismic isolation storey is roughly 18-20%. This relatively high damping property, which can be attributed to the friction on the pinned connections of the columns to beams as well as the period elongation, is effective for diminishing seismic response.
Geometric-wise nonlinear dynamic time history analyses (NTHA) are executed for the fixed and isolated test specimens. The effective lateral stiffness of the isolation story used in the NTHA by means of axial rigidity of linear elastic spring tube braces, which also includes supplementary rigidity due to frictions encountered in the hinge connections is extracted from the experimental force-displacement curves. Furthermore, NTHA analyses are performed using the damping ratio of 20% which is achieved through the experiments. The experimentally and analytically obtained isolation storey displacement and acceleration histories are well comparable for all earthquakes.
In the third stage of the experimental study; first, a proper spherical hinge details are designed and produced for the isolation storey. Then, the application of the spherical hinges as a part of seismic isolation story is tested in the same ¼ scale one bay three storey 3D steel moment resisting frame which is fixed to the uni-axial shake table for the same real EQ records. In this case, the global axes of the specimen are rotated 45° in respect to uni-axial shake direction to evaluate 3D behavior of the seismic isolation system under bi-axial seismic loading. The test setup of the isolated specimen is almost similar to the previous one. Displacement transducers are located in the shaking direction that is inclined 45° from the main axes of the specimen. Uni-axial and multi-axial accelerometers with ±2g capacity are placed on the different positions of the specimen, as well as on the shake table. Two multi-axial accelerometers are utilized on the isolation story to verify the symmetrical response of the specimen under shaking. After having evaluated this period of tests, the following results could be drawn; i. The story accelerations in two main directions are severely reduced by the isolation story which consists of spherical hinges. ii. No stability and self-centering problem are observed. iii. The equivalent damping ratio obtained through the energy equations, dynamic force-displacement relations and the half-power bandwidth method is about 20% due to the frictions which arose in spherical hinge connections. iv. The average effective lateral stiffness of the isolation story achieved from the experimental force-displacement relations and first fundamental frequencies is around 25% greater than the theoretical value which is calculated without considering the frictional effects. This value is the same to the isolated specimen's tested before which has planer hinge connections. v. Spherical hinge connections work properly in each direction. vi. The seismic responses of the systems with spherical and planar hinges are consisted with each other.
Geometric-wise NTHA have also been performed for the test specimen with spherical hinges for the selected EQ records. The excitations are applied to the isolated structure with the inclination angle of 45° respect to the main axes of the structure similar to the testing. The effective lateral stiffness of the isolation story considered in the time history analyses which have supplementary rigidity due to frictions encountered in the spherical hinge connections is provided from the experimental force-displacement relations. In addition to this, 20% of equivalent damping ratio obtained from experiments is utilized in the analyses. There are good correlations between the experimental and analytical displacement and acceleration histories.
In the third stage of experimental study, static tests of independent isolation story which has spherical hinge connections have also been carried out. After having completed these tests, the equivalent damping ratio of around 18% has been achieved similar to shake table tests of the isolated test specimen.
Finally, the evaluated seismic isolation system is implemented to a five storey RC building. The effectiveness of the isolation system is studied through the comparisons made between the isolated and fixed base cases. For this purpose, geometrical-wise NTHA have been performed. In the time-history analyses of the isolated case, effective stiffness's and 20% of equivalent damping ratio are utilized depending on the experimental results. The probability of exceedance curves are plotted for the isolation story by considering four performance ranges on the displacement demands. Furthermore, basic response parameters are compared with those specified by the some related international codes. The achieved results can be summarized as follows; i. In the most effective case, the proposed seismic isolation system reduces lateral top acceleration and base shear demand of Ground Story in the ratio of 13.70 and 12.20 respect to fix based building. ii. When the maximum displacement capacity of the isolation story is concerned, the probability of exceedance is almost zero till PGA of 0.9g and 75% for1.5g. iii. Proposed seismic isolation system satisfies the code specifications. iv. Members of the isolation story which are double end pinned steel columns, spring tubes and composite beams are proportioned so that they are practically applicable and have cost-effective cross-sections.
General advantages of the proposed seismic isolation system can be listed as follows:
i.	There is no compulsion to add a service storey to the building. The seismic isolation storey can be used for regular purposes. The orientation of diagonal spring tubes can be defined by considering both the structural and architectural demands.
ii.	The base isolation system cannot be specified as a device contrary the existing isolators.  Actually it is one of the stories of the structural system. Hence in the design phase of the building, all members of the isolation story are also considered.
iii.	Members of the isolation storey, specifically steel columns and spring tube braces, can be produced by local and low-profile workmanship.
iv.	Maintenance and replacement of isolation storey parts are relatively easy.
v.	The cost of the proposed technique is low compared to other isolation systems.
vi.	Relatively high supplementary damping is obtained in the isolation storey due to the friction encountered at the joints.
vii.	The self-centering problem has not been observed.
viii.	A fail-safe mechanism is generated by the system itself.
ix.	No durability sensitivity in the lifetime dissimilar to rubber isolators and viscous dampers.