U-şekilli çelik sönümleyicilerin histeretik davranışlarının modellenmesi ve düşük sönümlü kauçuk mesnetlerle birlikte sismik izolatör olarak kullanılması
- Global styles
- Apa
- Bibtex
- Chicago Fullnote
- Help
Abstract
Yapılar yaşamları boyunca kar, rüzgâr, deprem vs. gibi yüklere birçok kez maruzkalmaktadırlar. Deprem etkileri çoğunlukla yapı tasarımı için en olumsuz koşullarıyaratmaktadır. Bunun nedeni, yapısal elemanlara ulaşan deprem enerjisininçatlaklara ve diğer önemli hasar türlerine ulaşmasıdır.Birçok depreme dayanıklı yapı tasarımı yaklaşımı bulunmaktadır. Gelenekselyöntemlerde yapı, elemanların boyutlarını arttırmak yoluyla dayanım esaslı, elastikötesi davranış iyileştirilerek süneklik esaslı tasarım yapılmaktadır. Her iki durumdada depremin enerjisi doğrudan yapısal elemanlar tarafından karşılanmaktadır. Oysamodern yaklaşım sismik enerjilerin yapısal elemanlara ulaşmadan sönümlenmesiniamaçlamaktadır.Sismik izolasyon sistemleri yapının periyodunu öteleyerek/uzatarak yapıya etkiyenyükleri azaltırken, enerji sönümleyici sistemler ise sismik enerjinin sönümlenmesineolanak sağlar. Her iki yaklaşımın da birlikte kullanıldığı yapı tasarım anlayışı, sismiketkileri yapısal elemanlara ulaşmadan azaltıp, sönümlemesi nedeni ile moderntasarım anlayışı ile uyuşmaktadır.Özellikle 1995 Kobe Depremi sonrası performansını kanıtlayan sismik izolasyonsistemlerine olan güven artmıştır. Günümüzde Japonya başta olmak üzere Amerika,Çin, Yeni Zelanda, İtalya ve Türkiye gibi deprem etkisi altındaki ülkelerdeuygulamaları yaygınlaşmaya başlamıştır.Bölüm 1'de motivasyon ve tezin kapsamı incelenmekle birlikte bu çalışma sekiz anabölümden oluşmaktadır. 2. Bölümde ilk olarak sismik izolasyon ve enerjisönümleyici sistemlerden uygulamada en çok kullanılanları incelenmiştir. Busistemlere ilişkin üstünlükler ve sakıncalar belirlenmiştir. Sismik izolasyon sistemlerive enerji sönümleyici sistemler karşılaştırıldığında herbirinin kendine özgünüstünlükleri olduğu görülmüştür. Bu sistemler arasından yerel koşullardaüretilebilirlik kriteri göz önüne alınarak en uygun olan düşük sönümlü kauçukmesnet (LDR) ve U-şekilli metalik enerji sönümleyici (UD) detaylı olarakincelenmek üzere seçilmiştir.Hem LDR'nin hem de UD'nin özellikleri detaylı olarak açıklanmıştır. LDR'nin tekbaşına kullanılması durumunda en büyük sakıncası ilave sönüm ihtiyacının olmasıiken, UD'nin en büyük sakıncası düşey rijitliğinin düşük olmasıdır. Ancak iki bileşenbir 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 olanakvermektedir.İzolasyon sisteminin seçilmesinin ardından sonraki aşama ULB'nin yatay yükleraltında histeretik davranışını belirlemek olmuştur. Bu amaçla hem UD'nin hem deLDR'nin histeretik davranışının modellenmesi gerekmektedir. Yapılan literatür taraması sonrası düşük sönümlü kauçuk izolatörlerin davranışının lineer olarakkolayca modellenebileceği görülmüştür. Bu nedenle, bu tez çalışmasında doğrusalolmayan davranış gösteren metalik enerji sönümleyici UD'nin histeretik davranışınımodellemek üzerine yoğunlaşılmıştır.UD ile ilgili yapılmış çalışmalar taranıp 3. Bölümde sunulmuştur. Sonrasında 4.Bölümde ABAQUS programı ile yatay yükler altında davranışını temsil eden sonluelemanlar modeli kurulmuştur. Kurulan sonlu elemanlar modeli UD40 isimlisönümleyiciye ilişkin deneysel çalışmaya uyarlanıp sonuçların tutarlılığı 5. Bölümdekarşılaştırılmıştır. UD40'da meydana gelen kalıcı deformasyonların ve yatay yükleraltındaki histeretik davranışının deneysel bulgularla uyumlu olduğu gözlenmiştir.UD40 sönümleyici 0º yükleme yönünde daha çok üst ve alt kollarda eğilmeyezorlanırken, 90º yükleme yönünde burulma ve eksenel deformasyonlar ön planaçıkmıştır.UD sönümleyicilerin farklı geometrilerde tasarlanması durumunda histeretikeğrilerinin değiştiği bilinmektedir. Bu durum, UD'nin boyutlarında değişikliğegiderek istenen sismik performansın elde edilmesine olanak sağlamaktadır. 6.Bölümde açıklandığı üzere çalışmada UD40 sönümleyicisine eşdeğer hacimlerde ikifarklı tip olmak üzere toplamda 10 adet yeni sönümleyici oluşturulmuş busönümleyicilerin histeretik eğrileri seçilen yükleme protokolleri altında elde edilerekkarşılaştırılmıştır. UDF isimli sönümleyiciler üst ve alt kollar bükülerek geliştirilmiş,bu şekilde üst ve alt kolların daha fazla eksenel kuvvet etkisinde kalmasıamaçlanmıştır. UDK isimli sönümleyicilerde ise çelik kolların üzerlerine açılandairesel delikler ile plastik deformasyonların kollar üstünde daha da yaygınlaşmasıamaçlanmıştır. UDF sönümleyicilerin çoğunun aynı çevrim sayısında UD40'a göredaha fazla enerji sönümledikleri görülmüştür. UDK sönümleyicilerin ise UD40sönümleyicilere göre ilk rijitlikleri azalmıştır; bu azalma tasarım ölçütlerine göretercih edilebilecek bir durum olduğundan olumludur. UD sönümleyicilerin tamamınailişkin sönüm oranları %50'nin üzerindedir.UD sönümleyicilerin davranışı büyük oranda yükleme yönünden bağımsızdır. Ancakuygulamada bu sönümleyiciler tek başına kullanılmak yerine genelde 2'li, 4'lü, 6'lıve 8'li olarak kullanılmaktadırlar. Bu nedenle bu çalışmada aynı zamanda çoklusönümleyiciler de modellenmiş, farklı doğrultularındaki yüklemeler altındakidavranışları incelenmiştir.UD sönümleyicilerin yatay yükler altında histeretik davranışının belirlenmesi ileULB taban izolasyon sistemine ilişkin davranış modeli de elde edilmiş olmaktadır.Taban izolasyon sisteminin gerçek deprem ivmesi altındaki davranışı Bölüm 7'de , 4adet deprem ivmesi kullanılarak elde edilmiştir. Bu amaçla SAP2000 programı ilehem ankastre mesnetli hem de taban izolasyonlu iki farklı yapı modellenip, ULB'ninperformansı incelenmiştir. Kullanılan deprem ivmeleri 18 Mayıs 1940 El Centro, 17Ocak 1994 Northridge, 31 Ekim 1935 Helena Montana ve 17 Ağustos 1999 Kocaelidepremleridir. Yapılan hızlı doğrusal olmayan analiz (FNA) sonucunda büyükdeplasmanlarda ankastre mesnetli yapıya göre maksimum taban kesme kuvvetlerinde%85~%89 aralığında , kat ötelemelerinde ise %88~%90 aralığında azalmagörülmüştür. Helena Montana depreminde ise ULB'de meydana gelen deplasmanelastik sınırın gerisinde kalarak yalnızca maksimum taban kesme kuvvetinde azalmasağlamış yapının sönümünü arttıramamıştır. Rüzgâr gibi yatay yükler nedeni ileizolasyon sisteminin ilk rijitliğinin belli bir seviyeden aşağı düşürülemediği içinböyle bir sonucun ortaya çıkması beklenmektedir.Bu çalışma kapsamında UD yalnızca taban izolasyon sisteminde kullanılmış olsa daçeşitli düzenlemelerle yapıda başlı başına enerji sönümleyici olarak dakullanılabilmektedir. Yapılan analizler sonucunda UD'nin histeretik davranışlarınınkararlı olduğu ve uygulandığı yapıda sismik performansı büyük oranda iyileştirdiğigörülmektedir. Bunun yanısıra kolayca üretililebilir olması ve maliyetinin düşükolması sismik izolasyon ve enerji sönümleyici sistemlerin yaygınlaşması içim önemlibir fırsattır. Building structures are subjected to variable loads (wind, earthquake, snow etc.)many times during their lifetime. Among these effects, earthquake loading usuallycreates the worst conditions for structures, because during an earthquake inputenergy, which reaches structural elements, may cause cracks and other types of theheavy structural damage.Conventional approach to earthquake resistant building design (ERBD) relies uponstrength, stiffness and inelastic deformation capacity, which are great enough towithstand a given level of earthquake effects. However, modern approach in today'sdesigns aims to reduce/mitigate seismic energy before the input energy reaches thestructural elements.As a structural and damage control technology for buildings, seismic isolationsystems reduce forces, by shifting the natural period of structure away from thedominant period of earthquake excitation. On the other hand, energy-dissipatingsystems provide damping for seismic input energy. A design approach, uses both ofthe systems together, is known as the modern design approach.Especially after the 1995 Kobe earthquake, satisfactory performance of seismicisolated buildings accelerated the implementation of seismic isolation systems in newconstructions. Nowadays, seismic isolation devices are used in many big project inearthquake prone countries like Japan, USA, China, New Zealand, Italy and Turkeyetc.Common seismic isolation and energy dissipating devices are investigated then theadvantages and disadvantages are summarized on a table given in Section 2. Eachdevice has its own benefits. According to the criteria of producibility, low dampingrubber bearing (LDR) and U-shaped steel damper (UD) have been chosen in thisthesis to investigate in detail from between these devices. Section 3 includes aliterature review on UD dampers and mechanical properties of LDR and UD. Factorsaffecting mechanical properties (temperature, load velocity, load direction etc.) aregiven detailed in this section.The biggest disadvantage of LDR is insufficient damping ratio while UD has lowvertical stiffness. However, when these devices come together, a new base isolationdevice (ULB) eliminating both disadvantages is obtained. In other words, ULBdevice has high damping ratio provided by UD, and high vertical stiffness providedby LDR.After choosing an appropriate base isolation system, next step is to determinehysteretic behavior of ULB under lateral simulated loads. To that end, hystereticbehavior of UD and LDR must be numerically modelled. It is known that behavior ofLDR can be easily modelled as the behavior is almost linear. Therefore, this thesisfocuses on modelling of the metallic damper's (UD's) behavior, which is highlynonlinear.In order to simulate hysteretic behavior under lateral loads, a 3D finite elementmodel (FEM) of UD is developed with ABAQUS in Section 4. Two type of steelmaterial Q235 and SN490B are used and UD dampers analyzed under three differentload protocol. Section 5, this FEM model was adopted for UD40 damper, which hasan experimental study on it. This opportunity made it possible to compareexperimental and FEM results. It was observed that both permanent deformationsand hysteretic behavior under lateral loads, which were determined from FEManalysis, are similar to experimental results. Deformations on UD40 under 0 degreewas mainly caused by cyclic bending in the dampers, which was concentrated mostlyin the middle part of the upper and lower arms. However, the deformations on UD40under 90 degrees cyclic loading was mostly caused by the torsion and concentrated atthe end of the damper arm near the connections.It is known that hysteretic behavior of UD devices varies with changing geometry ofthe damper. For this reason, designing UD damper's geometry for any seismicdemand would be quite important. In Section 6, a total of 10 new dampers (twodifferent types) are geometrically designed and their hysteretic behaviors arecompared. UDF is formed by bending of upper and lower arms to obtain axial forcesby minimizing bending effects. UDK is formed by opening holes along the arms. Atsame cycle number, UDF mostly dissipated more energy than UD40. Plasticdeformations on UDF dampers concentrated between bended arms and curved plate.UDK had lower first effective stiffness than UD40. Deformations on UDK dampersconcentrated 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 todistribute plastic deformations. All UD damper's effective damping ratio wasdetermined more as 50 percent or above.UD dampers have similar hysteretic behavior under any loading direction. Inpractice, these dampers are used as a combined system instead of a single part.Therefore, in this study hysteretic behavior of UD systems are also investigatedunder different loading directions.Hysteretic behavior of ULB was obtained after determining the behavior of UD. Tofurther investigate real behavior of ULB as base isolation system under real groundmotions, four earthquake ground motion data were used. To this end, in Section 7, atwo-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 wereused for this analysis model. According to fast nonlinear analysis (FNA) results,under large displacements of the structure implementation of ULB resulted in a largedecrease in maximum base shear forces and story drifts. When 31 October 1935Helena Montana earthquake acceleration data were used since the displacementsdeveloped within the elastic limit in ULB, no additional damping has been obtained.Considering minor lateral loads like wind effects, first elastic stiffness and elasticlimit is always required for ULB.Although UD was used just as base isolation system, UD can be used as energydissipation device with different bracing configuration. This use is outside the scopeof this thesis; however, a potential forthcoming work can be structured on thisspecific investigation. According to the analysis results obtained here stablehysteretic behavior can be achieved for UD and this would improve largely theseismic 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 localproducers in Turkey. This would result in a widespread use of seismic isolationsystems in existing and new buildings located seismically vulnerable areas.
Collections