U-şekilli çelik sönümleyicilerin histeretik davranışlarının modellenmesi ve düşük sönümlü kauçuk mesnetlerle birlikte sismik izolatör olarak kullanılması
Modelling hysteretic behaviour of U-shaped steel dampers and using such dampers with low damping rubber bearings as seismic isolator
Yazar: KURTULUŞ ATASEVER
Danışman: DOÇ. DR. ERCAN YÜKSEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Doğal kauçuk = Natural rubber ; Enerji sönümleme = Energy damping ; Sismik yalıtım = Seismic insulation

Özet:
Yapılar yaşamları boyunca kar, rüzgâr, deprem vs. gibi yüklere birçok kez maruz
kalmaktadırlar. Deprem etkileri çoğunlukla yapı tasarımı için en olumsuz koşulları
yaratmaktadır. Bunun nedeni, yapısal elemanlara ulaşan deprem enerjisinin
çatlaklara ve diğer önemli hasar türlerine ulaşmasıdır.
Birçok depreme dayanıklı yapı tasarımı yaklaşımı bulunmaktadır. Geleneksel
yöntemlerde yapı, elemanların boyutlarını arttırmak yoluyla dayanım esaslı, elastik
ötesi davranış iyileştirilerek süneklik esaslı tasarım yapılmaktadır. Her iki durumda
da depremin enerjisi doğrudan yapısal elemanlar tarafından karşılanmaktadır. Oysa
modern yaklaşım sismik enerjilerin yapısal elemanlara ulaşmadan sönümlenmesini
amaçlamaktadır.
Sismik izolasyon sistemleri yapının periyodunu öteleyerek/uzatarak yapıya etkiyen
yükleri azaltırken, enerji sönümleyici sistemler ise sismik enerjinin sönümlenmesine
olanak sağlar. Her iki yaklaşımın da birlikte kullanıldığı yapı tasarım anlayışı, sismik
etkileri yapısal elemanlara ulaşmadan azaltıp, sönümlemesi nedeni ile modern
tasarım anlayışı ile uyuşmaktadır.
Özellikle 1995 Kobe Depremi sonrası performansını kanıtlayan sismik izolasyon
sistemlerine olan güven artmıştır. Günümüzde Japonya başta olmak üzere Amerika,
Çin, Yeni Zelanda, İtalya ve Türkiye gibi deprem etkisi altındaki ülkelerde
uygulamaları yaygınlaşmaya başlamıştır.
Bölüm 1'de motivasyon ve tezin kapsamı incelenmekle birlikte bu çalışma sekiz ana
bölümden oluşmaktadır. 2. Bölümde ilk olarak sismik izolasyon ve enerji
sönümleyici sistemlerden uygulamada en çok kullanılanları incelenmiştir. Bu
sistemlere ilişkin üstünlükler ve sakıncalar belirlenmiştir. Sismik izolasyon sistemleri
ve enerji sönümleyici sistemler karşılaştırıldığında herbirinin kendine özgün
üstünlükleri olduğu görülmüştür. Bu sistemler arasından yerel koşullarda
üretilebilirlik kriteri göz önüne alınarak en uygun olan düşük sönümlü kauçuk
mesnet (LDR) ve U-şekilli metalik enerji sönümleyici (UD) detaylı olarak
incelenmek üzere seçilmiştir.
Hem LDR'nin hem de UD'nin özellikleri detaylı olarak açıklanmıştır. LDR'nin tek
başına kullanılması durumunda en büyük sakıncası ilave sönüm ihtiyacının olması
iken, UD'nin en büyük sakıncası düşey rijitliğinin düşük olmasıdır. Ancak iki bileşen
bir arada kullanılınca birbirinin zayıflıklarını kapatan yeni bir taban izolasyon sistemi
(ULB) ortaya çıkmaktadır. UD, LDR'nin ihtiyaç duyduğu sönümü sağlarken,
LDR'de yüksek düşey rijitliği ile yapının yatayda hareket etmesine olanak
vermektedir.
İzolasyon sisteminin seçilmesinin ardından sonraki aşama ULB'nin yatay yükler
altında histeretik davranışını belirlemek olmuştur. Bu amaçla hem UD'nin hem de
LDR'nin histeretik davranışının modellenmesi gerekmektedir. Yapılan literatür 
taraması sonrası düşük sönümlü kauçuk izolatörlerin davranışının lineer olarak
kolayca modellenebileceği görülmüştür. Bu nedenle, bu tez çalışmasında doğrusal
olmayan davranış gösteren metalik enerji sönümleyici UD'nin histeretik davranışını
modellemek üzerine yoğunlaşılmıştır.
UD ile ilgili yapılmış çalışmalar taranıp 3. Bölümde sunulmuştur. Sonrasında 4.
Bölümde ABAQUS programı ile yatay yükler altında davranışını temsil eden sonlu
elemanlar modeli kurulmuştur. Kurulan sonlu elemanlar modeli UD40 isimli
sönümleyiciye ilişkin deneysel çalışmaya uyarlanıp sonuçların tutarlılığı 5. Bölümde
karşılaştırılmıştır. UD40'da meydana gelen kalıcı deformasyonların ve yatay yükler
altındaki histeretik davranışının deneysel bulgularla uyumlu olduğu gözlenmiştir.
UD40 sönümleyici 0º yükleme yönünde daha çok üst ve alt kollarda eğilmeye
zorlanırken, 90º yükleme yönünde burulma ve eksenel deformasyonlar ön plana
çıkmıştır.
UD sönümleyicilerin farklı geometrilerde tasarlanması durumunda histeretik
eğrilerinin değiştiği bilinmektedir. Bu durum, UD'nin boyutlarında değişikliğe
giderek istenen sismik performansın elde edilmesine olanak sağlamaktadır. 6.
Bölümde açıklandığı üzere çalışmada UD40 sönümleyicisine eşdeğer hacimlerde iki
farklı tip olmak üzere toplamda 10 adet yeni sönümleyici oluşturulmuş bu
sönümleyicilerin histeretik eğrileri seçilen yükleme protokolleri altında elde edilerek
karşılaştırılmıştır. UDF isimli sönümleyiciler üst ve alt kollar bükülerek geliştirilmiş,
bu şekilde üst ve alt kolların daha fazla eksenel kuvvet etkisinde kalması
amaçlanmıştır. UDK isimli sönümleyicilerde ise çelik kolların üzerlerine açılan
dairesel delikler ile plastik deformasyonların kollar üstünde daha da yaygınlaşması
amaçlanmıştır. UDF sönümleyicilerin çoğunun aynı çevrim sayısında UD40'a göre
daha fazla enerji sönümledikleri görülmüştür. UDK sönümleyicilerin ise UD40
sönümleyicilere göre ilk rijitlikleri azalmıştır; bu azalma tasarım ölçütlerine göre
tercih edilebilecek bir durum olduğundan olumludur. UD sönümleyicilerin tamamına
ilişkin sönüm oranları %50'nin üzerindedir.
UD sönümleyicilerin davranışı büyük oranda yükleme yönünden bağımsızdır. Ancak
uygulamada bu sönümleyiciler tek başına kullanılmak yerine genelde 2'li, 4'lü, 6'lı
ve 8'li olarak kullanılmaktadırlar. Bu nedenle bu çalışmada aynı zamanda çoklu
sönümleyiciler de modellenmiş, farklı doğrultularındaki yüklemeler altındaki
davranışları incelenmiştir.
UD sönümleyicilerin yatay yükler altında histeretik davranışının belirlenmesi ile
ULB taban izolasyon sistemine ilişkin davranış modeli de elde edilmiş olmaktadır.
Taban izolasyon sisteminin gerçek deprem ivmesi altındaki davranışı Bölüm 7'de , 4
adet deprem ivmesi kullanılarak elde edilmiştir. Bu amaçla SAP2000 programı ile
hem ankastre mesnetli hem de taban izolasyonlu iki farklı yapı modellenip, ULB'nin
performansı incelenmiştir. Kullanılan deprem ivmeleri 18 Mayıs 1940 El Centro, 17
Ocak 1994 Northridge, 31 Ekim 1935 Helena Montana ve 17 Ağustos 1999 Kocaeli
depremleridir. Yapılan hızlı doğrusal olmayan analiz (FNA) sonucunda büyük
deplasmanlarda ankastre mesnetli yapıya göre maksimum taban kesme kuvvetlerinde
%85~%89 aralığında , kat ötelemelerinde ise %88~%90 aralığında azalma
görülmüştür. Helena Montana depreminde ise ULB'de meydana gelen deplasman
elastik sınırın gerisinde kalarak yalnızca maksimum taban kesme kuvvetinde azalma
sağlamış yapının sönümünü arttıramamıştır. Rüzgâr gibi yatay yükler nedeni ile
izolasyon sisteminin ilk rijitliğinin belli bir seviyeden aşağı düşürülemediği için
böyle bir sonucun ortaya çıkması beklenmektedir.
Bu çalışma kapsamında UD yalnızca taban izolasyon sisteminde kullanılmış olsa da
çeşitli düzenlemelerle yapıda başlı başına enerji sönümleyici olarak da
kullanılabilmektedir. Yapılan analizler sonucunda UD'nin histeretik davranışlarının
kararlı olduğu ve uygulandığı yapıda sismik performansı büyük oranda iyileştirdiği
görülmektedir. Bunun yanısıra kolayca üretililebilir olması ve maliyetinin düşük
olması sismik izolasyon ve enerji sönümleyici sistemlerin yaygınlaşması içim önemli
bir fırsattır.

Abstract:
Building structures are subjected to variable loads (wind, earthquake, snow etc.)
many times during their lifetime. Among these effects, earthquake loading usually
creates the worst conditions for structures, because during an earthquake input
energy, which reaches structural elements, may cause cracks and other types of the
heavy structural damage.
Conventional approach to earthquake resistant building design (ERBD) relies upon
strength, stiffness and inelastic deformation capacity, which are great enough to
withstand a given level of earthquake effects. However, modern approach in today's
designs aims to reduce/mitigate seismic energy before the input energy reaches the
structural elements.
As a structural and damage control technology for buildings, seismic isolation
systems reduce forces, by shifting the natural period of structure away from the
dominant period of earthquake excitation. On the other hand, energy-dissipating
systems provide damping for seismic input energy. A design approach, uses both of
the systems together, is known as the modern design approach.
Especially after the 1995 Kobe earthquake, satisfactory performance of seismic
isolated buildings accelerated the implementation of seismic isolation systems in new
constructions. Nowadays, seismic isolation devices are used in many big project in
earthquake prone countries like Japan, USA, China, New Zealand, Italy and Turkey
etc.
Common seismic isolation and energy dissipating devices are investigated then the
advantages and disadvantages are summarized on a table given in Section 2. Each
device has its own benefits. According to the criteria of producibility, low damping
rubber bearing (LDR) and U-shaped steel damper (UD) have been chosen in this
thesis to investigate in detail from between these devices. Section 3 includes a
literature review on UD dampers and mechanical properties of LDR and UD. Factors
affecting mechanical properties (temperature, load velocity, load direction etc.) are
given detailed in this section.
The biggest disadvantage of LDR is insufficient damping ratio while UD has low
vertical stiffness. However, when these devices come together, a new base isolation
device (ULB) eliminating both disadvantages is obtained. In other words, ULB
device has high damping ratio provided by UD, and high vertical stiffness provided
by LDR.
After choosing an appropriate base isolation system, next step is to determine
hysteretic behavior of ULB under lateral simulated loads. To that end, hysteretic
behavior of UD and LDR must be numerically modelled. It is known that behavior of
LDR can be easily modelled as the behavior is almost linear. Therefore, this thesis
focuses on modelling of the metallic damper's (UD's) behavior, which is highly
nonlinear.
In order to simulate hysteretic behavior under lateral loads, a 3D finite element
model (FEM) of UD is developed with ABAQUS in Section 4. Two type of steel
material Q235 and SN490B are used and UD dampers analyzed under three different
load protocol. Section 5, this FEM model was adopted for UD40 damper, which has
an experimental study on it. This opportunity made it possible to compare
experimental and FEM results. It was observed that both permanent deformations
and hysteretic behavior under lateral loads, which were determined from FEM
analysis, are similar to experimental results. Deformations on UD40 under 0 degree
was mainly caused by cyclic bending in the dampers, which was concentrated mostly
in the middle part of the upper and lower arms. However, the deformations on UD40
under 90 degrees cyclic loading was mostly caused by the torsion and concentrated at
the end of the damper arm near the connections.
It is known that hysteretic behavior of UD devices varies with changing geometry of
the damper. For this reason, designing UD damper's geometry for any seismic
demand would be quite important. In Section 6, a total of 10 new dampers (two
different types) are geometrically designed and their hysteretic behaviors are
compared. UDF is formed by bending of upper and lower arms to obtain axial forces
by minimizing bending effects. UDK is formed by opening holes along the arms. At
same cycle number, UDF mostly dissipated more energy than UD40. Plastic
deformations on UDF dampers concentrated between bended arms and curved plate.
UDK had lower first effective stiffness than UD40. Deformations on UDK dampers
concentrated around biggest hole and this hole controlled behavior of UDK dampers.
Therefore, it must be chosen around 20 mm (R/t=0.28) hole diameter in order to
distribute plastic deformations. All UD damper's effective damping ratio was
determined more as 50 percent or above.
UD dampers have similar hysteretic behavior under any loading direction. In
practice, these dampers are used as a combined system instead of a single part.
Therefore, in this study hysteretic behavior of UD systems are also investigated
under different loading directions.
Hysteretic behavior of ULB was obtained after determining the behavior of UD. To
further investigate real behavior of ULB as base isolation system under real ground
motions, four earthquake ground motion data were used. To this end, in Section 7, a
two-story structural system was modelled with structural analysis program SAP2000,
as fixed base and isolated base. 18 May 1940 El Centro, 17 January 1994 Northridge,
31 October 1935 Helena Montana and 17 August 1999 Kocaeli ground motions were
used for this analysis model. According to fast nonlinear analysis (FNA) results,
under large displacements of the structure implementation of ULB resulted in a large
decrease in maximum base shear forces and story drifts. When 31 October 1935
Helena Montana earthquake acceleration data were used since the displacements
developed within the elastic limit in ULB, no additional damping has been obtained.
Considering minor lateral loads like wind effects, first elastic stiffness and elastic
limit is always required for ULB.
Although UD was used just as base isolation system, UD can be used as energy
dissipation device with different bracing configuration. This use is outside the scope
of this thesis; however, a potential forthcoming work can be structured on this
specific investigation. According to the analysis results obtained here stable
hysteretic behavior can be achieved for UD and this would improve largely the
seismic performances of structures. In addition to this, as this system seems a lowcost seismic device, it is possible to manufacture such devices with the help of local
producers in Turkey. This would result in a widespread use of seismic isolation
systems in existing and new buildings located seismically vulnerable areas.