Geri Dön

Damping capability enhancement of the polyurethaneseismic isolation device for earthquake safety of highvoltage post insulators

Yüksek gerilim porselen izolatörlerinin depremgüvenliğinin artırılması için geliştirlen sismik yalıtımcihazının sönüm özelliklerinin iyileştirlmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 637310
  2. Yazar: EMRE GÖNÜLCÜ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ENGİN ORAKDÖĞEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Deprem Mühendisliği, İnşaat Mühendisliği, Earthquake Engineering, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2020
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 92

Özet

Tez kapsamında, yüksek gerilimli izolatörler için geliştirilen sismik izolasyon cihazının sönümleme kapasitesinin arttırılması için ilave sönümleme elemanları tasarlanmış ve sayısal çalışmaları yapılmıştır. Ayrıca sismik izolasyon cihazı ve ilave çelik sönümleyicilerin imalatı ve montajı gerçekleştirilmiştir. Deprem sırasında elektrik sistemlerinde oluşabilecek hasarlar insan sağlığını doğrudan etkilemese de, arama kurtarma, sağlık ve iletişim hizmetleri gibi süreçlere dolaylı olarak ciddi olumsuz etki etmiştir. Bu gibi hizmetlerin özellikle ihtiyaç duyulduğu afet sonrası zamanlarda hasar görmesi insan hayatında telafi edilemez kayıplara sebep olur. Ayrıca, bu sistemleri çalışır duruma getirme sürecinde de önemli miktarda mali kayıplar meydana gelir. Yüksek gerilim sistemlerinde elektrik iletimi sağlamak için daha yüksek elemanlara ihtiyaç vardır. Bu nedenle, burada kullanılan kırılgan porselen izolatörünün bir deprem esnasında hasar görme olasılığı daha yüksektir. Örnek olarak 7,9 büyüklüğündeki Büyük Sichuan (Çin-2008), 8.8 büyüklüğündeki Şili (Şili-2010) ve 7.2 büyüklüğündeki El Mayor Cucapah (ABD-2010) depremlerindeki porselen izolatörlerde olduğu gibi. Bu tez çalışmasında yüksek gerilim hatlarında en hassas elemanlardan biri olan porselen izolatörlerin deprem etkisi altında performansının iyileştirilmesi için geliştirilmiş olan sismik yalıtım cihazının sönüm özelliklerini geliştirmek için 2 farklı kesit büyüklüklerine sahip ilave sönüm aparatı tasarlanmıştır. Sismik yalıtım cihazı kullanılan sistemlerde doğal salınım periyodunu artırarak sistemi zorlayıcı etkilerin azaltılması hedeflenir. Buna bağlı olarak sistemde oluşan yerdeğiştirme isteminde artış beklenir. Bu yerdeğiştirme talebini sınırlandırmak ve oluşacak iç kuvvetlerin de daha da azalmasını sağlayacak etkili yöntemlerden biri de sistemin sönüm oranını artırmaktır. Bu amaç doğrultusunda geliştirilen sönüm aparatları bağlantı bölgesi hariç kare keside sahiptir. İki doğrultuda düz olarak imal edilmiş olan aparat sisteme getireceği ilave rijitliğin azaltılması maksadı ile çalışma doğrultusunda mekanik olarak bükülerek orta noktasının belirili bir miktarda dışarı kaçması sağlanmıştır. Geliştirilen sönüm aparatları, dairesel 2 çelik plaka arasına merkezden belirli uzaklıktan yerleştirilmiş yaylar ile oluşturulan sismik izolasyon cihazının yan yüzeylerine 2 cıvata yardımı ile sabitlenir. Tez çalışmasında tasarlanan sönüm aparatları ve izolatörün kurulumunda gerekli elemanlar Güral Elektrik Malzemeleri Tic. ve San. A.Ş. ile İTÜNOVA TTO bünyesinde yapılan proje kapsamında imal ettirilmiştir. İstanbul Teknik Üniversitesi Yapı ve Deprem Mühendisliği Laboratuvarında (İTÜ YDMLab) montajı gerçekleştirilmiştir. İzolatörün üretim aşamasında kullanılacak olan poliüretan yayların belirtilen elastik limit altında özelliklerini kaybetmeden tekrarlanabilir olduğu ve 4 yayın da benzer özellik gösterdiği kurulan basit bir deney düzeneği ile yapılan testler ile belirlenmiştir. Sayısal çalışmalarda kullanılmak üzere 5 farklı mesnetlenme koşullarına ait numerik model SeismoStruct sonlu eleman paket programında oluşturulmuştur. Bunlar 2 farklı sönüm aparatının kullanıldığı sistemler (GEO-3.1, GEO-3.2), yalın haldeki farklı yay konumlarına sahip izolasyonlu sistemler (GEO-1, GEO-2) ve çelik kafes sisteme rijit bağlanan sistemdir (Ankastre). Poliüretan yaylar ve paslanmaz çelik alaşımdan üretilen sönümleyici hariç diğer elemanlar daha önceki yapılan çalışmalarda gözlemlendiği üzere“elastic frame element”olarak modellenmiştir. Sönümleyiciler ise plastik şekildeğiştirmesi beklenen elemanlar olduğu için“inelastic frame element”olarak modellenmiştir. Yaylar ise yine önceki çalışmalar baz alınarak“link element”olarak modellenmiş ve histerik özelliklerini yansıtmak için“ Ramberg-Osgood curve”tercih edilmiştir. Sayısal çalışmalar temel olarak 3 kısımdan oluşmaktadır. Bunlardan birincisi sistemin doğal salınım periyodunun belirlenmesidir. İlave sönüm elemanın kullanıldığı sismik izolasyon sistemlerinde ötelenen periyot değerinin korunması hedeflenmiştir. Bu amaç doğrultusunda sönüm aparatlarının kullanıldığı sistemlerde poliüretan yayların merkeze yaklaştığı yeni bir düzen tercih edilmiştir. Mevcut ve yeni sistemlere ait periyod değerleri kurulan numerik model üzerinde gerçekleştirilen Özdeğer analiz yöntemi ve belirli bir tepe deplasman değerinden bırakılarak gerçekleştirilen serbest titreşim analizi sonucunda elde edilen tepe ivme geçmişleri üzerinde Fourier dönüşümü gerçekleştirilerek elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre ilave sönüm apartının kullanılması ile sistem salınım periyodlarında herhangi bir azalma gözlemlenmemiştir. İlave sönüm aparatını kullanılmadığı sistemlerden olan GEO-1 ve GEO-2 için periyod değerleri özdeğer analiz sonuçlarına göre sırası ile 0.64 s ve 0.83 s iken aparatın kullanıldığı GEO-3.1 ve GEO-3.2 sistemlerinde 0.93 s ve 0.62 s'dir. İkinci kısımda ise farklı mesnetlenme koşullarına sahip sistemlerin sönüm oranı belirlenmiştir. Yapılan analizlerde ankastre mesnet durumunda global sönüm oranı %2 olarak sisteme dahil edilirken yalıtımlı sistemlerde ihmal edilecek düzeydedir. Sönüm oranının hesaplanmasında logaritmik azalım ve eşdeğer viskoz sönüm yöntemi gibi kabul görmüş farklı iki yöntem kullanılmıştır. Belirtilen yöntemler kullanılarak yapılan analiz sonuçlarında küçük keside sahip sönümleyicinin kullanılması (GEO3.1), sönüm oranı değerini koruyarak sistem salınım periyodun daha ileriye ötelenmesi (0.93s) imkanı tanımıştır. Görece büyük kesitli sönümleyici kullanımı (GEO-3.2) ile sönüm oranında yaklaşık %5 artış sağlanarak %12 mertebelerine ulaşması sağlanmıştır. Üçüncü kısımda ise farklı mesnetlenme koşullarına ait sistemlerin IEEE-693'de önerilen bir dizi deprem kayıtları ile zaman tanım alanında doğrusal olmayan dinamik analizleri gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçlarında, önceki çalışmalarda deplasman talebinin düşük olduğu sismik izolasyon sistemi (GEO-1) ile geniş keside sahip sönümleyicinin kullanıldığı sistem (GEO-3.2) kıyaslandığında deplasman talebi korunurken iç kuvvetlerde (taban kesme kuveti ve taban eğilme momenti) yaklaşık %30 oranınında düşüş gözlemlenmiştir. 16 deprem kaydı için yapılan analiz sonuçları tepe deplasman ve taban momenti değerlerine göre değerlendirilmiştir. Ankastre, GEO-1, GEO-2, GEO-3.1 ve GEO-3.2 mesnetlenme koşulları için tepe deplasman değerleri sırası ile 23.22 mm, 274.5 mm, 307.2 mm, 306.8 mm ve 286.9 mm'dir. Taban moment değerleri ise sırası ile 11.64 kNm, 7.64 kNm, 6.18 kNm, 5.51kNm ve 5.25 kNm'dir Bu tez çalışması kapsamında sayısal modelin doğrulanması amacı ile statik çevrimsel deneyler ve sarsma masası deneylerinin gerçekleştirilmesi hedeflenmiş fakat Covid19 pandemi süreci sebebi ile deneysel faaliyetler ileri bir tarihe ertelenmiştir. Hazırlanan çubuk sonlu eleman modelin doğrulanması ve daha detaylı bir sayısal model ile çalışmanın devam ettirilebilmesi için ABAQUS/CAE-2019 sonlu eleman yazılımı ile sismik yalıtım cihazının ve ilave sönüm aparatının hacim sonlu eleman modeli geliştirilmiştir. Doğrulama amacıyla hazırlanan hacim sonlu eleman modelinde sönümleyicinin izolatöre bağlantısı ve gergi çubuğunun alt ve üst plakalara bağlantısı gerçek uygulamadaki eleman boyutları ve bağlantı şekilleri ile uyumlu olucak şekilde modellenmiştir. Poliüretan yaylar ise hacim eleman olarak modellenmeyip çubuk elemanların kullanıldığı sistemdeki gibi lineer elastik yay olarak modellenmiştir. Lineer elastik yayın düşey doğrultudaki yay katsayısı bu tez kapsamında yapılan yay sıkıştırma deneylerinden elde edilen verilere göre belirlenmiştir. Hazırlanan hacim sonlu eleman modeli yayların hacim eleman olarak modellenmesi ve yaylara uygulanan ön sıkıştırma işleminin modele aktarılması ile planlanan deneysel çalışmalarda kullanılmak üzere geliştirilmiştir. Hacimsel ve çubuk sonlu elemanların kullanıldığı modeller, birbirin katı 3 farklı genliğe sahip deplasman protokolüne maruz bırakılmıştır. Bunun sonucunda elde edilen yük deplasman grafiklerini her iki model için karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre çubuk sonlu eleman modelinin yeteri yakınlıkta sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir.

Özet (Çeviri)

In the scope of the thesis, supplementary steel members were designed to increase the damping capacity of the seismic isolation device developed for high voltage insulators and numerical studies were carried out. In addition, the production and installation of seismic isolation devices and supplementary steel members were completed. Although the damage in the electrical systems during the earthquake does not directly affect human health, it has indirectly significant negative effects on search and rescue, health services and communication processes. In addition, serious financial losses occur in the process of making these systems operational. Higher elements are needed to provide electricity transmission in high voltage systems. For this reason, fragile porcelains insulator used here are more likely to be damaged during an earthquake. As an example, Great Sichuan earthquake with a magnitude of 7.9 (China-2008), the Mw 8.8 Chile earthquake (Chile-2010) and the Mw 7.2 El Mayor Cucapah earthquake (USA-2010) serious financial losses occurred due to the damage of the porcelain insulator. In this thesis, supplementary steel members with 2 different cross-section sizes was designed to improve the damping properties of the seismic isolation device, which was developed to improve the performance of porcelain insulators, one of the most sensitive elements in high voltage lines. In systems that use seismic isolation devices, it is aimed to shift the system's natural period and to reduce challenging effects for system. Accordingly, an increase in the displacement demand is expected. One of the effective methods to limit this displacement demand and to further reduce its internal forces is to increase the damping rate of the system. The damping apparatus developed for this purpose has a square cross section, excluding the connection area. The apparatus, which is produced flat in two directions, has been mechanically bent in the direction of operation in order to reduce the additional stiffness it will bring to the system. The developed damping apparatus is fixed with the help of two bolts on the side surfaces of the seismic isolation device formed with springs placed at a certain distance from the center between the two circular steel plates. The dampers designed in this study and the necessary elements for installation of the seismic isolation device were manufactured by Güral Elektrik Malzemeleri Tic. ve San. A.Ş within the scope of the project carried out by İTÜNOVA TTO. Seismic isolation device installed in Istanbul Technical University Structural and Earthquake Engineering Laboratory (ITU STEELab). Also it has been determined with the tests made with a simple experimental setup that the polyurethane springs that will be used in the installation of the isolation device are repeatable without losing their properties. In numerical studies, five different numerical model for five different supporting conditions was created in the SeismoStruct finite element package program. These are fixed base support condition (Fixed base), polyurethane spring isolation devices used in previous studies (GEO-1, GEO-2) and the polyurethane spring isolation device with the dampers that are the products of this study (GEO-3.1, GEO-3.2). Except for the polyurethane springs and the dampers made of stainless steel alloy, other elements are modeled as“elastic frame elements”as observed in previous studies. Dampers are modeled as“inelastic frame elements”since they are the elements that are expected to be plastic deformation. Springs were modeled as“link elements”based on previous studies and“Ramberg-Osgood curve”was preferred to reflect its hysterical properties. Numerical studies mainly consist of three parts. The first is to determine the natural period of the system. Period values for five different models were determined by eigenvalue analysis and during free vibration, Fourier transformation on the peak acceleration record of the system. As a result of the analyzes, it has been determined that the use of dampers has no negative effect on the period extension provided by the seismic isolation device. The second part is determination of the damping ratio for the different support conditions. In the case of fixed base, the global damping rate is included in the system as 2%, while it is at a negligible level in isolated systems. In the calculation of the damping ratio, logarithmic reduction and equivalent viscous damping method were used. Considering the results of the analysis, it was determined that the system's damping ratio increased to 12% by providing a 5% increase in the damping rate by using a complementary steel damper. In the third part, non-linear dynamical analyzes in the time domain were performed with a series of earthquake records proposed in IEEE-693. In the results of the analysis, compared to the seismic isolation system (GEO-1), where the displacement demand is low, and the system using the wide section damper (GEO-3.2), the displacement demand was preserved, while approximately 30% decrease was observed in the internal forces. Whereas this rate is around 25% for the isolated system with using small section damper, there is a 30% increase in displacement demand. Within the scope of this thesis, static cyclic experiments and shaking table experiments were aimed to verify the numeric model, but experimental activities were postponed to a later date due to the Covid-19 pandemic. For this reason, in order to verify the prepared model, solid finite element model was created with Abaqus/CAE-2019. Similar results were obtained in both models with comparisons.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    461922

    Enhancement of plasmonic nonlinear conversion and polarization lifetime via fano resonances

    Doğrusal olmayan plazmonik çevirim ve polarizasyon yaşam süresinin fano rezonaslar ile güçlendirilmesi

    BİLGE CAN YILDIZ KARAKUL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALPAN BEK

    DOÇ. DR. MEHMET EMRE TAŞGIN

  2. Tez No

    662857

    Modelling and analyses of damped multi-layered structures

    Sönümlü çok katmanlı yapıların modellenmesi ve analizleri

    MEHMET SAİT ÖZER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK

  3. Tez No

    334734

    Enhancement of the low temperature deformation ability of magnesium alloys

    Magnezyum alaşımlarının düşük sıcaklık deformasyon kabiliyetinin geliştirilmesi

    VAHİD ATTARI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Makine MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. BENAT KOÇKAR

  4. Tez No

    909912

    Şekil hafızalı alaşım katkılı kompozit plağın aktif titreşim sönümleme yeteneğinin araştırılması

    Investigation of active vibration damping capability of shape memory alloy doped composite plate

    OĞUZHAN NAZLIM

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Endüstriyel Tasarım Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET TAŞKESEN

  5. Tez No

    166145

    Sönüm kabiliyetine sahip sonlu eleman geliştirilmesi

    Improvement of a finite element with damping capability

    HALDUN HAKAN CÜZDAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2005

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Teorisi ve Dinamiği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK

Geri Dön