Taban izolasyonlu sıvı depolama tanklarının deprem davranışına ilave sönümleyicilerin etkisi
Effect of supplemental damping on the earthquake behavior of base-isolated liquid storage tanks
Yazar: ELİF GÜLER
Danışman: PROF. DR. CENK ALHAN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Son yıllarda, hayati, stratejik ve ekonomik yönlerden oldukça önemli olan sıvı depolama tanklarının taban izolasyonu yöntemi ile depreme karşı korunmaları bir alternatif olarak gündeme gelmiştir. Sıvı depolama tanklarının diğer tür yapılardan en önemli farkı, tankın kendisinin dinamik tepkisine ek olarak tank içerisindeki sıvının çalkantı titreşiminin de yapının toplam dinamik davranışında önemli bir rolünün olmasıdır. Taban izolasyonlu olarak tasarlanmaları halinde, bu tür yapıların uzun izolasyon periyodu sayesinde yüksek frekans içeriğine sahip tipik uzak fay depremlerinden etkin bir şekilde korunması genellikle mümkün olabilmektedir. Ancak, yakın fay depremleri söz konusu olduğunda, ileri doğrultu etkisi olarak da bilinen ve bu tür depremlerde gözlemlenen büyük genlikli (genellikle 60 cm/s ve üstü) ve uzun periyotlu (genellikle 2 s ~ 4 s) hız pulsları, taban izolasyonlu sıvı depolama tanklarının yine bu aralıkta olan izolasyon periyotları (genellikle 2 s ~ 4 s) ile çakışabilir. Bu durumda, çok büyük izolasyon sistemi deplasmanları oluşabileceğinden izolatörlerin yırtılması ve/veya burkulması gibi tank güvenliğini doğrudan tehdit eden problemler ortaya çıkabilir. Dahası, sıvı depolama tanklarının dinamik davranışının önemli bir parçası olan çalkantı titreşimlerinin periyotları da uzun olduğundan, deprem puls periyotları bu çalkantı periyotları ile de çakışabilir ve çok büyük çalkantı deplasmanları ortaya çıkabilir. Önceki araştırmacılar bina türü yapılarda izolasyon sistemine dahil edilen ilave sönümleyiciler sayesinde izolasyon sistemi deplasmanlarını azaltmanın mümkün olduğunu belirtmişler, ancak öte yandan bu durumun bina üstyapı yanıtlarında artışa yol açabileceğine de değinmişlerdir. Benzer davranışın tanklar için olabileceği düşünüldüğünden, tez kapsamında sıvı depolama tanklarına ait izolasyon sistemine dahil edilen farklı ilave sönüm oranlarına sahip ilave sönümleyicilerin izolatör deplasmanlarını azaltmadaki etkinliği ile çalkantı deplasmanı, izolasyon sistemi kesme kuvveti, sıvı-tank kesme kuvveti ve çalkantı kaynaklı kesme kuvveti yanıtları üzerindeki etkileri incelenmiştir. Sonuçlar ilave sönümleyici kullanılmayan durum ile karşılaştırmalı olarak da değerlendirilmiştir. Ayrıca, farklı kombinasyonları taban izolasyonlu sıvı depolama tankının dinamik davranışını farklı şekilde etkileyebilecek önemli üstyapı ve izolasyon sistemi parametrelerinin etkilerinin incelendiği çok kapsamlı parametrik bir inceleme de çalışmaya dahil edilmiştir. Mevcut literatüre özgün diğer bir katkı olarak, taban izolasyonlu sıvı depolama tanklarının tarihi yakın fay depremleri altındaki davranışları uzak fay depremleri altındaki davranışları ile karşılaştırmalı olarak incelenmiş ve bunun yanı sıra, sentetik olarak üretilen yakın fay depremleri sayesinde de, farklı moment büyüklüklerindeki yakın fay depremlerinin fay hattına olan en yakın mesafeye göre taban izolasyonlu sıvı depolama tanklarının üzerinde yaratacakları sismik etki de sistematik olarak incelenmiştir. Dolayısıyla farklı üstyapı geometrisine ve farklı izolasyon sistemi karakteristik özelliklerine sahip ilave sönümleyici kullanılmayan ve ilave sönümleyici kullanılan taban izolasyonlu sıvı depolama tanklarının yakın fay ve uzak fay depremleri altındaki davranışlarını incelemenin amaçlandığı çalışmada, doğrusal olmayan deprem analizleri gerçekleştirilmiştir. Bulgular, ilave sönümleyicilerin eklenmesinin ve ilave sönümleyici kullanılmayan durumda karakteristik kuvvet oranının arttırılmasının yakın fay deprem kayıtları altında izolatör deplasmanlarını önemli miktarda sınırlandırabildiğini, ancak üstyapı yanıtlarında bazı durumlarda artışlara yol açabildiğini göstermiştir.

Abstract:
In recent years, the protection of liquid storage tanks, that are crucial in vital, strategic and economic aspects, by the method of base-isolation against earthquakes has come up as an alternative. The most important difference of liquid storage tanks from other structures is that the sloshing vibrations, in addition to the tank response, play an important role in the total dynamic response. When designed as base-isolated, it is possible that these types of structures be effectively protected from the far-field earthquakes with high frequency content. However, when near-field earthquakes are considered, large-amplitude (generally 60 cm/s or higher) and long-period (generally 2 s ~ 4 s) velocity pulses (also known as forward directivity effect) may coincide with the isolation periods of the base-isolated liquid storage tanks which are also in this range (generally 2 s ~ 4 s). In this case, since very large isolation system displacements may generate, problems -which directly threaten the tank safety including rupture and/or buckling of isolators- may come into scene. Furthermore, since the fluid sloshing periods, which constitute an important portion of the dynamic behavior of liquid storage tanks, are also long, the earthquake pulse periods may also coincide with the fluid sloshing periods. This may result in very large sloshing displacements. Previous researchers noted that it is possible to reduce the displacements of the isolation system means of additional dampers included in the isolation system in building type structures but they also mentioned that this situation may lead to increase in building superstructure responses. Since it is thought that similar behavior might be valid for tanks, in this thesis, the effect of additional dampers with different additional damping ratios included in the isolation system of liquid storage tanks in reducing isolator displacements and their effects on sloshing displacement, isolation system shear force, fluid-tank shear force and sloshing fluid shear force responses are investigated. The results are evaluated comparatively with no-additional damper case. In addition, a comprehensive parametric examination was performed to examine the effect of different combinations of important parameters of the superstructure and isolation system on the dynamic behavior of the base-isolated liquid storage tanks. As an additional original contribution to the current literature, the behavior of the base-isolated liquid storage tanks under the historical near-field earthquakes are examined in comparison with their behavior under far-field earthquakes and besides, thanks to the near-field earthquakes produced synthetically, the effect of the near-field earthquakes with different moment magnitudes on the base-isolated liquid storage tanks according to the closest distance to the fault line was systematically investigated. Accordingly nonlinear earthquake analyzes are performed in this study aiming to investigate the behavior of base-isolated liquid storage tanks with and without additional dampers, which have different superstructure geometry and different isolation system characteristics, under the near-field and far-field earthquakes. The findings show that using additional dampers and increase of the characteristic strength ratio in the absence of additional dampers can significantly limit the isolator displacements under near-field earthquake records, but may cause increases in superstructure responses in some cases.