Geri Dön

Yüksek sismik taleplere maruz yapılarda sismik yalıtım ve viskoz sönümleme sistemlerinin performans incelemesi

Performance evaluation of seismic isolation and viscous damping systems in structures subjected to high seismic demands

PDF İndir

  1. Tez No: 948087
  2. Yazar: MURAT ALPEREN TAZKIR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. YASİN FAHJAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Deprem Mühendisliği, Earthquake Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 153

Özet

Bu tez, yüksek sismik taleplere maruz kalan yapılarda, özellikle de yakın-fay kaynaklı yer hareketlerinden etkilenen bölgelerde, deprem yalıtım sistemleri ile pasif enerji sönümleyici sistemlerin birlikte kullanımının etkinliğini ve faydalarını incelemektedir. Yakın-fay depremleri; ani hız atımları, yüksek ivme genlikleri ve belirgin yönelim etkileriyle karakterize olup, yapılarda yeterli deprem performansın sağlanmasında önemli zorluklar yaratmaktadır. Çalışma, deprem yalıtım birimleri ile viskoz sıvı sönümleyicilerin eşzamanlı kullanımının, yalıtım birimi boyutlandırmasını nasıl etkilediğini ve faya yakın, yüksek sismik taleplerin olduğu bölgelerde bulunan yapıların deprem performansı üzerine etkilerini araştırmaktadır. Çalışma, Türkiye'nin sismik açıdan aktif şehirlerinden biri olan Erzincan'da yer alan ve Kuzey Anadolu Fay Hattı'na (KAF) yaklaşık 3 kilometre mesafede konumlanan betonarme bir ofis binası etrafında şekillenmektedir. Üstyapının tasarımında DD-2 yer hareketi düzeyinde“Sınırlı Hasar”(SH) performans hedefini dikkate alınmıştır. Bina; deprem yalıtım birimi ve enerji sönümleyicilerin uygulandığı bir bodrum kat, zemin kat, dokuz normal kat ve bir çatı katından oluşmaktadır. Yapı konumundaki deprem etkileri, Türkiye Deprem Tehlike Haritası (TDTH) üzerinden sahaya özgü parametreler (yerel zemin sınıfı, yaklaşık koordinatlar vb.) dikkate alınarak değerlendirilmiş ve DD-1, DD-2 deprem yer hareketi seviyelerine ait elastik tasarım ivme spektrumları elde edilmiştir. Tezin üçüncü bölümünde, örnek yapı detaylı olarak tanıtılmıştır. Bu kapsamda, TBDY-2018'e göre yapının deprem önem katsayısı, deprem tasarım sınıfı, bina yükseklik sınıfı gibi sınıflandırmaları yapılmış ve hem üstyapı hem de altyapı için sağlanması gereken performans seviyeleri belirlenmiştir. Yapıda kullanılan beton (C35/45) ve donatı çeliği (S420) özellikleri, ulusal standartlara uygun olarak tanımlanmıştır. Ölü ve hareketli yük hesapları, Türk standartları ve TMMOB İnşaat Mühendisleri Odası'nın kaynakları referans alınarak titizlikle yapılmıştır. Sabit yükler, kar yükü, buz yükü, cephe yükleri ve iç bölme duvar yükleri detaylı şekilde hesaplanmış ve yapı modeline girilmiştir. Dördüncü bölümde, tez çalışması kapsamında ele alınan ilk tasarım senaryosu gerçekleştirilmiştir. Bu senaryoda yapı, viskoz sıvı sönümleyicilerden oluşturulan sönümleme sistemi olmadan, yalnızca KÇE deprem yalıtım birimleri ile tasarlanmış ve analiz edilmiştir. Tüm hesaplamalar (şekil değiştirme sınırları ve düşey kararlılık kontrolleri dâhil) yalıtım birimlerin alt, nominal ve üst sınır mekanik özellikleri dikkate alınarak yapılmıştır. Hedeflenen yalıtım birimi yer değiştirmesi, DD-1 deprem yer hareketi düzeyinde eşdeğer deprem yükü analizlerinden elde edilen yerdeğiştirme talebiyle uyumlu olacak şekilde iteratif olarak belirlenmiştir. Yakın-fay karakteristik etkilerini içeren on bir adet deprem kaydı doğrusal olmayan zaman tanım alanı analizlerinde kullanılmak üzere dikkatlice seçilmiştir. Bu kayıtlar, yapı konumu için elde edilen elastik tasarım ivme spektrumu ve yönetmelik kuralları dikkate alınarak basit ölçekleme yöntemi ile ölçeklendirilmiştir. Zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz sonuçları, yalıtım birimi tasarımları ve performanslarının (yerdeğiştirme kapasitelerinin) değerlendirilmesinde için kullanılmıştır. Üstyapı deprem performansının değerlendirilmesinde ise, DD-2 deprem yer hareketi düzeyinde kompozit yatay ivme spektrumları oluşturulmuş ve mod birleştirme analizleri gerçekleştirilmiştir. Ek olarak üstyapı için etkin deprem yükü analizi ve zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizler gerçekleştirilmiş ve deprem performansının belirlenmesinde tüm sonuçlar birlikte değerlendirilmiştir. Beşinci bölümde, tez çalışması kapsamında belirlenen ikinci tasarım senaryosu analiz edilmiştir. Bu senaryoda yapı, Kurşun Çekirdekli Elastomer (KÇE) deprem yalıtım birimleri ile oluşturulan bir deprem yalıtım sistemi ve Viskoz Sıvı Sönümleyiciler (VSS) ile oluşturulan enerji sönümleme sistemi ile donatılmıştır. Eksenel yük gereksinimlerine göre iki farklı yalıtım birimi tipi tanımlanmış ve bodrum katta uygun şekilde yerleştirilmiştir. Viskoz sıvı sönümleyicilerin tasarımı, yapı için hedeflenen toplam sönüm oranı sağlanacak şekilde gerçekleştirilmiştir. Bu bağlamda, spektral deplasmanların azaltılması için gerekli efektif sönüm oranı hesaplanmış ve bu orana karşılık gelen sönüm katsayıları belirlenmiştir. Diyagonal, chevron, toggle-brace ve scissor-jack gibi çeşitli sönümleyici bağlantı konfigürasyonları arasından, modellemesi kolay olan diyagonal bağlantı tipi tercih edilmiştir. Dördüncü bölümde kullanılan analiz yöntemleri bu senaryo için de uygulanmıştır. Deprem yalıtım birimi tasarım ve kontrolleri gerçekleştirilmiş, ardından aynı deprem kayıtlarıyla zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizler yapılmıştır. Son olarak DD-2 deprem yer hareketi düzeyinde modal analizler, etkin deprem yükü analizi ve zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizler yapılmış ve kat kesme kuvvetleri, taban kesme kuvveti gibi deprem talepleri elde edilmiştir. Altıncı bölümde, iki tasarım senaryosunun karşılaştırması ve yorumlanması yapılmıştır. Sonuçlar, KÇE yalıtım birimleri ile VSS sistemlerinin birlikte kullanıldığı hibrit sistemde belirgin bir performans artışı olduğunu göstermektedir. Bu hibrit sistem; yalıtım birimi deplasman taleplerini azaltmış, kat kesme kuvvetlerini ve göreli kat ötelemelerini düşürmüştür. VSS'ler, özellikle ani hız atımlarının olduğu yakın-fay yer hareketleri altında yapının enerji sönümlemesine ciddi katkı sağlamıştır. Artan efektif sönüm oranı ve doğal periyottaki uzama sayesinde, üstyapı deprem kuvvetleri azalmıştır. Ayrıca, VSS kullanımı yalıtım birimi boyutlarının küçülmesini ve tasarım optimizasyonu sağlamıştır. Bu sayede deprem yalıtım birimi adet maliyetlerinde azalma sağlanabilmiştir. Bu tezde elde edilen bulgular, yüksek sismik taleplerin olduğu bölgelerde yer alan yapılarda deprem yalıtımı ile pasif enerji sönümleme sistemlerinin beraber kullanımının önemini vurgulamaktadır. Tezde yüksek sismik taleplerin olduğu bölgelerde üstyapı deprem performans hedefinin yalnızca deprem yalıtım birimleri ile sağlanmasının oldukça zor olabileceğinden, enerji sönümleme sistemleri ile birlikte kullanıldığında ise yapısal davranışın ciddi şekilde iyileştirildiği ve deprem performansının sağlanabildiği vurgulanmaktadır. Sonuç olarak bu çalışma, deprem yalıtımı ve pasif enerji sönümleme sistemlerinin birlikte kullanılmasının, üstyapı deprem taleplerini ciddi ölçüde azaltarak yalıtım birimi tasarımını mümkün kıldığını ve tasarımı daha verimli hale getirdiğini göstermektedir. Bu çalışmada benimsenen hibrit tasarım yaklaşımı, deprem talebi yüksek bölgelerde çalışan mühendisler için pratik, etkili bir çözüm sunmakta ve modern depreme dayanıklı yapı tasarımı konularına katkı sağlamaktadır.

Özet (Çeviri)

This thesis investigates the effectiveness and benefits of combining seismic isolation systems with passive energy dissipation mechanisms in structures subjected to high seismic demands, particularly those arising from near-fault ground motions. Such ground motions are characterized by sudden velocity pulses, high acceleration amplitudes, and strong directional effects that pose significant challenges to achieving adequate seismic performance. The study focuses on how the simultaneous use of seismic isolators and damping devices influences the sizing of isolators and improves the overall seismic performance of buildings located in active earthquake zones, with a particular emphasis on near-fault regions. The study revolves around a mid-rise reinforced concrete office building located in Erzincan, a seismically active city in Turkey situated approximately 3 kilometers from the North Anatolian Fault (NAF). The building is designed to meet the Limited Damage (LD) performance objective under the DD-2 (Design Basis Earthquake) level of ground motion. The building consists of a basement level allocated for isolation and damping devices, a ground floor, nine regular floors, and a roof level. The seismic hazard at the site was assessed based on the Turkish Earthquake Hazard Map using site-specific parameters (local soil class, approximate coordinates of the location etc.), and elastic design acceleration spectras for both DD-1 and DD-2 levels were gathered from there. The third chapter of the thesis presents a comprehensive overview of the case study structure. It includes a detailed classification of the structure under TBEC-2018, covering aspects such as the building's seismic importance category, seismic design class, building height class, and expected performance levels for both the superstructure and substructure. Material properties of concrete (C35/45) and reinforcement steel (S420) were defined according to national standards. Accurate dead and live load calculations were performed by referencing Turkish standards and official source documents of TMMOB Chamber of Civil Engineers. Gravity loads, snow loads, ice loads, facade loads, and interior wall loads were calculated in detail and applied to the structural model carefully. In the fourth chapter, the first design scenario is analyzed. The building is designed and analyzed with only LRBs as the seismic protective system. All calculations, including deformation limits and vertical stability checks, were performed under both gravity and seismic combinations using upper, nominal and lower bound isolator properties. Target isolator displacement was determined through iteration to ensure compatibility with the displacement demand from DD-1 level equivalent lateral force analyses. Eleven near-fault earthquake records that reflect typical pulse-like behavior were carefully selected for nonlinear time history analysis (NLTHA). After the selections, these records were scaled based on the elastic design spectrum of the site using a simple scaling method. The results of the NLTHA were used to verify isolator performances (deformation capacities) and estimate the dynamic response of the structure. For evaluating the superstructure's performance, composite lateral acceleration spectra were generated for DD-2 level, and modal response spectrum analyses were conducted using the spectra. In addition, equivalent seismic load analysis and nonlinear time history analyses were performed for the superstructure, and all results were evaluated collectively to assess the seismic performance. In the fifth chapter, the second design scenario is introduced, in which the building is equipped with Lead Rubber Bearings (LRBs) for seismic isolation and Fluid Viscous Dampers (FVDs) for additional energy dissipation. Two isolator types were defined based on axial load requirements, and their locations were distributed throughout the basement floor plan. Additionally, the design of the FVDs was carried out to ensure adequate supplemental damping. The effective damping ratio required to reduce spectral displacements was calculated, and damping coefficients were determined. Among various damper connection configurations discussed (diagonal, chevron, toggle-brace, and scissor-jack) the diagonal connection type was selected for the study due to its ease of modelling. The same methodology was applied: isolator sizing, deformation checks and vertical stability checks and NLTHA using the same set of ground motions. Modal analyses for DD-2 level of earthquake were also repeated to determine and compare the seismic demands on the superstructure in the presence of FVDs. In addition, equivalent seismic load analysis and nonlinear time history analyses were performed for the superstructure, and all results were evaluated collectively to assess the seismic performance. The sixth chapter presents a detailed comparison of the two design scenarios. The results show a clear performance improvement in the hybrid system using both LRBs and FVDs. The combined system reduced isolator displacement demands, improved force distribution across structural elements, and lowered story shear forces and inter-story drifts but more importantly, it made possible to design the structure for required performance level. The FVDs significantly contributed to energy dissipation, especially under near-fault ground motions, where sudden acceleration pulses are prominent. The increase in effective damping and period shift helped reduce the seismic forces acting on the superstructure. Moreover, the presence of FVDs led to a decrease in the required isolator sizes, resulting in potential cost savings and optimization in the design process. Vertical stability requirements were better satisfied due to reduced lateral displacements in the hybrid system. From a structural and earthquake engineering perspective, the findings of this thesis emphasize the importance of integrating seismic isolation and passive energy dissipation in the seismic design of buildings located near-fault zones. By demonstrating the advantages of a hybrid protective approach, this research contributes to performance-based seismic design practices. It provides guidance on selecting, designing, and integrating both isolators and dampers into structural systems. The thesis further advocates for the careful selection of ground motion records when evaluating near-fault effects and highlights the sensitivity of superstructure response to damping ratios, isolator properties, and system configuration. It underlines that while seismic isolation alone provides substantial benefits, its synergy with damping systems significantly enhances structural behavior under severe seismic demands. In conclusion, the study validates that the combined use of LRBs and FVDs leads to enhanced seismic performance, more efficient isolator design, and reduced structural demands. The hybrid design approach adopted in this study offers a practical and efficient solution for engineers working in seismically active regions. It serves as a reference for integrating advanced protective systems in modern seismic design, ultimately contributing to safer and more resilient buildings in earthquake-active areas.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    896556

    Investigation of seismic isolated structures with additional energy dissipation devices at isolation level

    Sismik izolasyonlu yapıların yalıtım katında ilave enerji sönümleyici cihazlar ile incelenmesi

    AHMET DEMİRHAN SEVER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Deprem MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALPER ALDEMİR

    PROF. DR. UĞURHAN AKYÜZ

  2. Tez No

    637235

    Estimations of seismic input energy and inelastic top displacement demand in moment resisting frame type structures

    Moment aktaran çerçeve türü yapılarda sismik giriş enerjisinin ve inelastik tepe yerdeğiştirmesi talebinin tahmin edilmesi

    FURKAN ÇALIM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ERCAN YÜKSEL

  3. Tez No

    201709

    Simple models for drift estimates in framed structures during near-field earthquakes

    Yakın alan depremleri sırasında çerçeve yapılarda oluşan kat arası yer değiştirmelerin hesabı için basit modeller

    BURCU ERDOĞAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2007

    Deprem MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. POLAT GÜLKAN

  4. Tez No

    684112

    Hysteretic response of sub-standard rc columns under high axial stresses and shear demand confined with carbon fiber polymers

    Karbon lifli polimer ile sargılanan standart altı betonarme kolonların yüksek eksenel gerilme ve kesme talebi altında tekrarlı çevrimsel davranışı

    MERVE NUR DEMİR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPER İLKİ

  5. Tez No

    947134

    2023 Türkiye depremleri kayıtlarındaki hız darbelerinin belirlenmesi ve tek serbestlik dereceli sistemler üzerine etkileri

    Identification of velocity pulses in 2023 Türkiye earthquakes records and impact on single degree of freedom systems

    ANOSHA AMANULLAH

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖMER FATİH YALÇIN

Geri Dön