Deprem etkisindeki yapıların sismik taban izolasyonu ve çoklu ayarlı kütle sönümleyici sistemleri ile karma korunması

Abstract

Afganistan aktif deprem bölgelerinde bulanan ülkelerinden birisi olarak standart-dışı ve inşa edilmeden önce, statik açısından asla analiz/tasarlanmamış ve depremin esasatlarına bile uyuşmayan büyük bir sayıda betonarme binalara sahiptir. Son zamanlarda orta ve çok-katlı binaların sayıları çoğaldıkça açıkladığımız tehlike de artış durumunda ki bu inşaat mühendislerin ve uzmanların her zamanki ciddi endişelerin en başında yer almaktadır. Bu çalışmada günümüzün depreme dayanıklı/titreşim kontrol sistemlerinin tasarımların en etkili/modern yöntemleri dikkate alınarak farklı sismik taban izolasyon sistemleri ve en üst katta ve katların seviyelerinde tek/çoklu ayarlı kütle sönümleyicileri ile donatılmış 5, 10 ve 15-katlı binaların farklı davranışları incelenmiştir. Şimdiye kadar Afganistan'da tek bir 'taban izolasyonlu bina' yapılmamış ve umarım insanların hayatlarını ve mallarını kurtarmak için bu tip dayanıklı binaların inşa etmesi için bu çalışma bir başlangıç olur.Bu çalışmada, gerçek deprem yer hareketleri altında tek ayarlı kütle sönümleyici (STMD), çoklu ayarlı kütle sönümleyicileri (MTMD'ler) ve dağıtılmış çoklu ayarlı kütle sönümleyicileri (d-MTMD'ler) ile donatılmış taban izolasyonlu (BI) yapılarının sismik tepkileri incelenmiştir. Sayısal çalışma, STMD, MTMD'ler ve d-MTMD'ler ile donatılmış 5, 10 ve 15 katlı taban izolasyonlu binaların analitik modelleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Binalar, her kat seviyesinde yatay tek serbestlik derecesine sahip kesme tipi yapı olarak modellenmiştir ve binalar, tabakalı kauçuk mesnetler (LRB), kurşun çekirdekli kauçuk mesnetler (N-Z), sürtünmeli sarkaç sistemi (FPS) ve esnek sürtünmeli taban izolatörü (R-FBI) izolasyon sistemleri ile izole edilmektedir. Taban izolasyonlu bir binanın her bir kat seviyesinde bir TMD kurmak, en üst kat ivmeleri ve mesnet yer değiştirmeleri açısından yapısal tepkiyi azaltır. Parametrik çalışmalar, kat sayısının 5, 10 ve 15-katlara ve izolatör zaman periyodu 2 ile 2,5 ve 3sn arasında değiştirilerek gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, tüm STMD durumları için kütle oranı %2, 3, 5 ve %10 olarak kabul edilmiştir. Buna ek olarak, MTMD'ler en üst katın yanı sıra taban üzerine yerleştirilmiş ve izole edilmiş binanın yüksekliği boyunca da dağıtılmıştır. Parametrik çalışmalar için iki set MTMD ((i) eşit rijitliğe ve eşit sönümleme oranına sahip MTMD'ler) ve (ii) eşit kütleye ve eşit sönümleme oranına sahip MTMD'ler) düşünülmektedir. TMD'nin etkililiğinin, eşit kütle oranına sahip bir hibrit sistemdeki izolatörlerin esnekliğindeki (zaman periyodu) artışla azaldığı bulunmuştur. Ayrıca, TMD'nin en üst katta veya başka bir kat seviyesinde yerleştirilmesi, az katlı binalar için TMD'nin etkililiğini biraz etkilemektedir, üstelik TMD'nin yerleştirilmesinin öneminin, katların sayısı arttıkça daha yüksek olacağı da bulunmuştur. Ek olarak, MTMD'lerin ve d-MTMD'lerin yerleştirilmesinin, STMD'ye kıyasla en üst kat ivme azaltılmasında önemli ölçüde faydalı olduğu gözlenmiştir. Ayrıca, taban izolasyonlu binalarda STMD, MTMD'lerin ve d-MTMD'lerin yerleştirilmesinden mesnet yer değiştirmesinde neredeyse eşit bir azalma elde edilebilir. d-MTMD'ler, büyük kütlelerin farklı kat seviyelerinde bölünmesi ve dağıtılması nedeniyle STMD ve MTMD'lere kıyasla daha yararlıdır.Anahtar Kelimeler: Sismik Taban-İzolatörü, Sönümleme, Ayarlı Kütle Sönümleyici, Sürtünme, Depreme Dayanıklı Binalar, Betonarme Binalar

Afghanistan is one of the countries located in the active seismic regions and has a large number of non-standard buildings that have never been structurally analyzed /designed before they are built nor they abide even with the basics of Earthquake. Every year the number of middle to high-rise buildings are increasing and this danger is at the forefront of ever-present serious concerns of civil engineers and experts. In this study, the most effective/modern earthquake resistant/vibration control systems are considered and the different behaviors of 5, 10 and 15-storey buildings isolated with seismic base isolation systems and equipped with single/multiple tuned mass dampers at the top and floor levels are investigated. Until now there is no any single 'base isolated building' in Afghanistan and I hope this to be a 'start' to construction of such resistant buildings to save people's lives and properties.In this study, seismic response of base-isolated (BI) building equipped with single tuned mass damper (STMD), multiple tuned mass dampers (MTMDs) and distributed multiple tuned mass dampers (d-MTMDs) under real earthquake ground motions is investigated. Numerical study is carried out using analytical model of a 5, 10 and 15-storey base-isolated buildings equipped with STMD, MTMDs and d-MTMDs. The buildings are modeled as shear type structure with a lateral degree of freedom at each floor level and the buildings are isolated with laminated rubber bearings (LRB), lead rubber bearing (N-Z), friction pendulum system (FPS) and Resilient-friction base isolator (R-FBI) isolation systems. Installing a TMD at each floor level of base-isolated building reduces the structural response in terms of top floor accelerations, and bearing displacements. Parametric study is conducted by changing the number of stories as 5, 10 and 15 storey and the isolator time period altered from 2 to 2.5 and 3sec. Furthermore, mass ratio considered as 2, 3, 5 and 10% for all the cases of STMD. In addition, MTMDs placed at topmost floor as well as base, and distributed along the height of the isolated building. Also, two sets of MTMDs (i.e., (i) MTMDs with equal stiffness and equal damping ratio (ii) MTMDs with equal mass and equal damping ratio) are considered for parametric study. It is found that the effectiveness of the TMD reduces with increase in flexibility (time period) of the isolators in a hybrid system having equal mass ratio. Further, the placement of the TMD at top or any other floor level slightly affects the effectiveness of the TMD for low-rise buildings. It is also found that the importance of the placement of the TMD will be higher as the number of stories increase. In addition, it is observed that installing MTMDs and d-MTMDs are significantly beneficial in reducing top floor acceleration comparing to STMD. Furthermore, almost equal reduction in bearing displacement could be obtained from installing STMD, MTMDs at top and d-MTMDs in base-isolated buildings. The d-MTMDs are more beneficial as compared to STMD and MTMDs as the huge mass is divided and distributed on different floor levels.Keywords: Seismic Base-Isolator, Damping, Tuned Mass Damper, Friction, Earthquake Resistant Buildings, Reinforced Concrete Buildings