Yakın fay etkisi altındaki taban izolasyonlu binada ilave sönümleyiciler ile davranış iyileştirmesi
Improvement of the seismic behavior of a base isolated structure subjected to near fault ground motions with additional damping devices
- Tez No: 958992
- Danışmanlar: PROF. DR. ERCAN YÜKSEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 121
Özet
Türkiye, bulunduğu coğrafi konum itibariyle sismik aktivitenin yoğun olarak yaşandığı Alp-Himalaya deprem kuşağında yer almaktadır. Ülkemizde farklı tipte pek çok aktif fay hattı bulunmaktadır. Bunlar arasında Kuzey Anadolu Fay Hattı (KAF) ve Doğu Anadolu Fay Hattı (DAF) en kritik olanlarıdır. Geçmişten günümüze bu fay hatlarında çok fazla deprem meydana gelmiştir. Doğrultu atımlı karaktere sahip bu aktif fay hatları, normal ve ters atımlı faylara kıyasla daha fazla enerji biriktirebildiklerinden dolayı, bu faylar üzerinde meydana gelen depremler genellikle daha yüksek büyüklükte ve yıkıcı olmaktadır. Türkiye'de mevcut yapı stoğunun önemli bir bölümü yeterli mühendislik hizmeti almamış yapılardan oluşmakta olup, bu durum geçmişte yaşanan büyük depremlerde ciddi can ve mal kayıplarına neden olmuştur. Yakın geçmişte meydana gelen 6 Şubat 2023 tarihli Pazarcık (Mw = 7,8) ve Elbistan (Mw = 7,6) depremleri bu durumu ön plana çıkaran çarpıcı örnekler arasında yer almaktadır. Bu nedenle, mevcut yapıların durumu dikkate alınarak, ekonomik koşullar çerçevesinde yapı sistemleri depreme karşı dayanıklı hale getirilmeli; depreme dayanıksız yapılar güçlendirilmeli ya da kentsel dönüşüm programlarına dahil edilerek yıkılıp yeniden inşa edilmelidir. Depreme karşı güvenli yapı tasarımı için pek çok yöntem bulunmaktadır. Yapı türüne ve kullanım amacına bağlı olarak farklı performans hedefleri tanımlanmıştır. Konut yapılarında genellikle 50 yılda aşılma olasılığı %10 olan (475 yıllık dönüş periyodu) DD-2 deprem yer hareketi düzeyinde kontrollü hasar (KH) performans düzeyi esas alınarak tasarım yapılmaktadır. Bu performans düzeyinde yapının göçmeden ayakta kalması hedeflenmektedir. Depreme karşı daha yüksek performans talep edilen yapılar için kesintisiz kullanım (KK) performans düzeyi tercih edilebilmektedir. Bu performans düzeyinde, taşıyıcı sistemde yapısal hasar oluşmaması veya hasarın göz ardı edilebilecek düzeyde kalması hedeflenir. Söz konusu performans hedefinin sağlanması için kullanılan en etkili yollardan biri taban izolasyonu yöntemidir. Taban izolasyonu, son dönemde en yaygın tercih edilen sismik kontrol yöntemleri arasında yer almaktadır. Taban izolasyonu, hastaneler, veri merkezleri ve stratejik öneme sahip kamu binalarında yaygın olarak kullanılmakta olup, ülkemizde 100 yatak ve üzeri devlet hastanelerinde kullanımı zorunlu hâle gelmiştir. Özellikle hastane gibi faaliyetlerine deprem esnasında bile kesintisiz devam edebilmesi gereken yapılarda oldukça etkili bir yöntem olarak tercih edilmektedir. Geleneksel tasarım yöntemiyle karşılaştırıldığında, taban izolasyonu sistemlerin deprem gibi dinamik etkilerle yapıya aktarılan enerjiyi sınırlandırması ve bu etkilerin üst yapıya minimum düzeyde transferini sağlaması en önemli avantajları olarak ön plana çıkmaktadır. Taban izolasyonu sayesinde yapı periyodu uzamakta ve yakın fay etkisi taşıyan yüksek genlikli deprem kayıtlarının impuls periyotlarıyla 2–5 saniye aralığında çakışabilmektedir. Bu durum, yalıtım arayüzünde bulunan sismik izolatörlerin tasarım deplasman kapasitelerinin yetersiz kalmasına neden olabilmektedir. Yakın fay etkisi nedeniyle artan izolatör deplasman taleplerini azaltmak için, sismik yalıtım birimlerinin yatay deplasman kapasiteleri sınırlandırıla-bilmekte ancak bu durumda üst yapıya aktarılan kuvvetler artmaktadır. Bu çalışmada, yakın fay etkisi altındaki taban izolasyonlu yapı sisteminin ilave sönümleyici elemanlarla birlikte yapısal davranışı incelenmiştir. Bu amaçla, beş katlı ve dört açıklıklı tipik bir betonarme çerçeve yapı modeli üzerinde üç farklı senaryo oluşturularak yapısal davranış analizleri yapılmıştır. Öncelikle ankastre mesnetli olarak analiz edilen betonarme çerçeve daha sonra ankastre modelden elde edilen çeşitli yük kombinasyonları ve TBDY 2018 Bölüm 14'teki kurallar doğrultusunda ön boyutlanlandırması yapılan kurşun çekirdekli kauçuk izolatör (LRB) içeren taban izolasyonlu yapı modeli olarak yeniden analiz edilmiştir. İzolatörlü yapı modeli, her bir deprem setinde 11 kayıt olan uzak ve yakın fay etkisini içeren iki deprem seti için zaman tanım alanında doğrusal olmayan analiz yöntemi ile analiz edilmiştir. Yakın fay etkisine bağlı olarak yetersiz kalan izolatör yerdeğiştirme kapasiteleri, yalıtım arayüzüne viskoz sönümleyicilerin yerleştirilmesi sonrasında yeterli duruma dönüşmüştür. Viskoz sönümleyiciler yapı planında en dış akslarda iki adet X ve iki adet Y doğrultusunda olmak üzere birbiri ile kuvvet çifti oluşturacak biçimde yerleştirilmiştir. Çalışma kapsamında elde edilen sonuçlar ankastre mesnetli, izolatörlü ve izolatörlere ilave olarak viskoz sönümleyici eklenmiş üç farklı yapı modeli için, kat yerdeğiştirmeleri, göreli kat ötelemeleri, kat ivmeleri ve taban kesme kuvvetleri parametreleri altında karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Ankastre mesnetli sistem, sismik izolatörlü sistem, sismik izolatöre ilave viskoz sönümleyici eklenmiş sistem, bulundukları konuma uygun olarak seçilmiş uzak deprem seti ve yakın fay etkisi içeren deprem seti etkisinde sayısal olarak incelenmiştir. Yapıya sismik izolatör eklendiğinde, hâkim titreşim periyodu 0,78 s den 2,66 s ye uzamış, böylece yapıya etkiyen spektral ivme büyüklüğü yaklaşık %70 oranında azalmıştır. Ancak yakın fay etkisinde izolatör yerdeğiştirme talebi 506,6 mm'ye ulaşarak, izolatör kapasitesi olan 520 mm'ye çok yaklaşmıştır. Bu nedenle sisteme viskoz sönümleyici elemanlar eklenerek en büyük ortalama yerdeğiştirme 298,5 mm seviyesine düşürülmüştür. Analiz sonuçları, sismik izolasyonun yapının göreli kat ötelemeleri, taban kesme kuvvetleri, kat ivmeleri ve yapısal elemanlardaki iç kuvvetler üzerinde önemli ölçüde azaltıcı etkisi olduğunu kanıtlamıştır. İlave sönümleyici elemanlar, yapının yatay rijitliğini bir miktar artırarak sistemin deprem etkisindeki davranışını daha kontrollü hâle getirmiştir. Özellikle katlar arası yerdeğiştirmelerin azalması, yapısal olmayan elemanların hasar görmesini önlemekte ve genel sistem güvenliğini artırmaktadır. Çalışmada sismik izolasyon sistemlerinin tasarımında yakın fay etkisinin önemi ortaya konmuştur. İzolasyon arayüzüne yerleştirilen yeterli sayıdaki sönümleyici eleman ile yakın deprem etkisinde izolasyon sisteminde ortaya çıkan kapasite aşılmalarının engellenebileceği gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Türkiye is located within the seismically active Alpine-Himalayan earthquake zone due to its geographical position. There are several active fault lines in Türkiye. The well-knowns are North Anatolian Fault (NAF) and East Anatolian Fault (EAF). These strike slip faults, which are capable of accumulating significantly more strain energy than normal or reverse faults, have historically generated numerous destructive earthquakes of high magnitudes. A large portion of the existing building stock in Türkiye consists of structures constructed without proper engineering services. This structural deficiency has led to significant casualties and property losses during major past earthquakes. The February 6, 2023 Pazarcık (Mw 7,8) and Elbistan (Mw 7,6) earthquakes serve as prominent and recent examples highlighting this vulnerability. The current structural conditions, seismic resilience must be achieved within the bounds of economic feasibility. Non ductile or seismically deficient buildings should be either retrofitted or incorporated into urban renewal programs. New constructions must be designed in full compliance with the Turkish Building Earthquake Code (TBEC 2018), and field implementations must strictly follow the approved design documents. Various strategies are available for designing earthquake-resistant buildings. The primary principle is to ensure that structures are designed and constructed according to the performance criteria defined in the TBEC 2018. Depending on the structural type and intended function, different seismic performance objectives may be required. For typical residential buildings, design is generally based on the Controlled Damage (CD) performance level under the DD-2 level earthquake ground motion, which has a 10% probability of exceedance in 50 years (corresponding to a 475-year return period). In this scenario, structural collapse is prevented, although damage may occur that necessitates repair or strengthening. For buildings where higher seismic performance is required, such as hospitals and emergency facilities, the Continuous Occupancy (CO) performance level is adopted. This level aims to prevent structural damage entirely or limit it within elastic bounds. One of the most effective approaches to achieving this objective is the use of base isolation systems. Base-isolated structures have recently become one of the most widely adopted seismic protection techniques. Base isolation is commonly applied in hospitals, data centers, and strategically important public buildings. In fact, its use has become mandatory for state hospitals with 100 beds or more in Türkiye. This method is particularly favored for facilities such as hospitals, where continuous operation during and after an earthquake is essential. Equipment housed in data centers can be highly sensitive to even minimal ground accelerations. Earthquake-induced interruptions in these systems can disrupt communication networks and lead to widespread service outages. For this reason, base isolation is frequently implemented in data centers and other mission-critical facilities. Compared to conventional seismic design methods, the primary advantage of base-isolated systems is their ability to decouple the superstructure from ground motion, thereby reducing the energy input to the structure and minimizing the seismic demands transmitted to the upper structure. Base isolation systems effectively lengthen the structure's fundamental period, which can coincide with the dominant pulse periods (typically 2–5 seconds) of near-fault ground motions. This overlap can significantly increase the displacement demands on seismic isolators, potentially exceeding their design capacities. To mitigate such increased demands, the lateral displacement capacities of isolation units can be limited; however, this often leads to increased force transfer to the superstructure. Although the TBEC 2018 emphasizes the importance of addressing near-fault effects in long-period structures, it lacks clear technical guidance on how to evaluate these effects in practice. In this study, a representative five-story, four-bay reinforced concrete frame structure was analyzed under both far-fault and near-fault ground motions. Initially, the reinforced concrete frame structure was modeled and analyzed with fixed supports. Based on the load combinations derived from this model, and in accordance with Section 14 of TBEC 2018, the structure was redesigned to incorporate lead rubber bearings (LRBs) and reanalyzed as a base-isolated system. When base isolation is active, the fundamental period of the structure increased from 0,78 seconds to 2,66 seconds, resulting in a 70% reduction in spectral acceleration. The structural behavior of a base-isolated building system under near-fault seismic effects is investigated with the supplemental damping devices. The base-isolated models were analyzed using nonlinear time history analyses for two ground motion sets representing far-fault and near-fault seismic effects, each containing 11 earthquake records. Due to insufficient displacement capacity under near-fault conditions, supplemental viscous dampers were added at the isolation interface to reduce displacement demands to acceptable levels. A total of four dampers were used, arranged in pairs along both X and Y axes at the outermost bays of the structural system to provide balanced damping forces. The performance of the three structural configurations fixed-base, base-isolated, and base-isolated with viscous dampers was comparatively evaluated in terms of story displacements, interstory drift ratios, floor accelerations, and base shear forces. However, under near-fault conditions, the displacement demand reached 506,6 mm, approaching the isolator's maximum capacity of 520 mm. By incorporating viscous dampers into the system, the average peak displacement was reduced to 298,5 mm. The analysis results demonstrated that seismic isolation significantly reduces interstory drifts, base shear forces, floor accelerations, and internal forces in structural members. Moreover, the addition of supplemental damping elements increased the overall stiffness of the system, resulting in more controlled structural response during seismic events. In particular, reductions in interstory drifts help prevent damage to non-structural components and enhance the overall safety and integrity of the system. The study verified the importance of the impact of the near fault effect in the design of seismic isolation systems. It has been demonstrated that with a sufficient number of damping elements placed at the isolation interface, capacity exceedances in the isolation system in near-earthquake impacts can be prevented.
Benzer Tezler
- Yapılarda taban izolasyonu sistemleri
Base isolation systems in structures
AHMET CANER BAŞDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÜNAL ALDEMİR
- Taban izolasyonlu sıvı depolama tanklarının deprem davranışına ilave sönümleyicilerin etkisi
Effect of supplemental damping on the earthquake behavior of base-isolated liquid storage tanks
ELİF GÜLER
Doktora
Türkçe
2019
Deprem Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşaİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENK ALHAN
- Sismik izolasyonlu binalar için yakın fay katsayılarının gerekliliği ve yeterliliği
The necessity and the adequacy of near-source factors for seismically isolated buildings
MUHAMMAD KHALİD SAİFULLAH
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CENK ALHAN
- Sismik izolasyon ve ayarlı sıvı sönümleyicili hibrit kontrol sistemlerinin optimizasyonu ve makine öğrenmesi ile tahmini
Optimization of hybrid control systems with seismic isolationand tuned liquid damper and prediction with machine learning
AYLA OCAK
Doktora
Türkçe
2025
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşaİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GEBRAİL BEKDAŞ
- Sismik izolasyonlu binalardaki doğrusal olmayan sıvı viskoz sönümleyicilerin yakın depremlere karşı etkinliği
Effectiveness of non-linear fluid viscous dampers in seismically isolated buildings against near-field earthquakes
ELİF GÜLER
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CENK ALHAN