Seismic resilience of steel plate shear walls enhanced with innovative hybrid viscoelastic dampers: A numerical investigation
Yenilikçi hibrit viskoelastik sönümleyicilerle güçlendirilmiş çelik levha perde duvarların sismik dayanımı: Nümerik bir inceleme
- Tez No: 996594
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BARLAS ÖZDEN ÇAĞLAYAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Giriş ve Araştırma Gerekçesi Çelik Plak Perde Duvarlar (SPSW'ler), etkili bir yanal yük taşıma sistemleri olarak kabul edilir. Bununla birlikte, geleneksel tasarımları genellikle web plakasında ve sınır elemanlarında belirgin gerilim yığılmaları da dahil olmak üzere önemli dezavantajlarla sınırlandırılır. Bu yığılmalar, istenmeyen burkulmaya, döngüsel yükler altında dayanım kaybına ve sismik olaylar sonrasında karmaşık ve maliyetli onarımlara yol açar. Bu araştırma, geleneksel bir SPSW çerçevesi içine Çok Katmanlı Viskoelastik Sönümleyici (MLVED) entegre eden yeni bir hibrit yapısal sistem önererek ve sayısal olarak inceleyerek bu sınırlamaları ele almaktadır. Çalışma, hasar kontrolü stratejisi geliştirerek elastik olmayan talebi değiştirilebilir sönümleyicilere yönlendirmeyi ve böylece sismik dayanıklılığı ve onarılabilirliği artırmayı amaçlamaktadır. Sistemin benzersiz performans imzasının—yüksek enerji sönümleme ve kuvvet azaltma kapasitesinin—karakterize edilmesine ve performansa dayalı tasarım bağlamında katlar arası öteleme davranışı gibi bunun sonucunda ortaya çıkan dengelemelerin anlaşılmasına özel bir odaklanma vardır. Araştırma Metodolojisi Önerilen sistemi bileşen doğrulamasından tam ölçekli sismik değerlendirmeye doğru kademeli olarak araştırmak için, sonlu elemanlar analiz yazılımı ABAQUS/Standard kullanılarak sistematik üç aşamalı sayısal bir metodoloji izlenmiştir. Faz I: Doğrulama ve Temel Performans Karşılaştırması Yüksek doğruluklu sonlu eleman modelleri geliştirilmiş, öncelikle geleneksel bir SPSW ve Çok Katmanlı Viskoelastik Sönümleyicinin (MLVED) yerleşik deneysel kıyaslarla doğrulanması ile başlanmıştır. Ardından, bir hibrit SPSW-MLVED modeli bir araya getirilmiş ve doğrusal olmayan statik (itme) ve yarı-statik döngüsel analize tabi tutulmuştur. Bu faz, hibrit sistemin nihai dayanım, histeretik enerji sönümleme, kendini merkezleme eğilimi ve hasarı birincil bileşenlerden kurban sigortası olarak sönümleyiciye kaydırma etkinliğindeki iyileştirmelerini nicelendirerek temel karşılaştırmayı sağlamıştır. Faz II: Sönümleyici Optimizasyonu için Parametrik Çalışma Temel karşılaştırmanın ardından, tek tek MLVED tasarım parametrelerinin etkisini izole etmek için özel bir parametrik çalışma yürütülmüştür. Değiştirilen özellikler arasında viskoelastik kayma modülü (C₁₀), kayıp faktörü (D), sönümleyici uzunluğu (L), kauçuk katman sayısı (N) ve katman kalınlığı (T) yer almıştır. Ortaya çıkan itme ve histerezis tepkilerinin analizi, net yön veren eğilimleri belirlemiştir: C₁₀, L ve N parametreleri baskın olarak sistem dayanımını ve rijitliğini kontrol ederken, kayıp faktörü D ise enerji sönümleme kapasitesini yalnızca yönetmiştir. Bu fazın sonuçları, ileri sistem seviyesi analizi için optimize edilmiş bir sönümleyici konfigürasyonunun seçimine doğrudan rehberlik etmiştir. Faz III: Sistem-Seviyesinde Sismik Doğrulama Optimize edilmiş hibrit konfigürasyon, çok katlı bir bina modeli içinde uygulanmış ve gerçekçi dinamik yük altında değerlendirilmiştir. Doğrusal olmayan zaman tanım alanı analizi, 1999 Kocaeli depremine ait kaydedilmiş yer hareketi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu son faz, temel periyot, katlar arası öteleme profilleri, toplam taban kesme kuvveti ve yapısal çerçeve ile sönümleyiciler arasındaki enerji sönümleme dağılımı gibi anahtar metrikleri ölçerek sistemin geçici sismik talepler altındaki performansını doğrulamıştır. Ana Bulgular ve Sonuçlar Entegre sayısal araştırma, hibrit SPSW-MLVED sisteminin performansına ilişkin kapsamlı içgörüler sağlamıştır: I. Temel Davranışsal Dönüşüm: MLVED entegrasyonu, sistemin tepkisini temelden değiştirerek geleneksel bir plak akma mekanizmasından hasar kontrollü bir mekanizmaya geçiş sağlamıştır. Bu, birincil çelik bileşenlerdeki plastik şekildeğiştirmede aşırı (%60'ı aşan) bir azalma ile kanıtlanmıştır. II. Ayrıştırılmış Tasarım Parametreleri: Parametrik çalışma, net bir etki hiyerarşisi ortaya koymuştur. Sönümleyicinin kayma modülü (C₁₀), uzunluğu (L) ve katman sayısı (N), sistem dayanımı ve rijitliğinin birincil belirleyicileri olarak tanımlanmıştır. Buna karşılık, kayıp faktörünün (D), hedefli tasarıma olanak tanıyan, histeretik enerji sönümlemesini kontrol eden ana parametre olduğu kanıtlanmıştır. III. Geliştirilmiş Bileşen-Seviyesi Performans: Döngüsel yükleme altında hibrit sistem, %22 daha yükük nihai yük kapasitesi sergilemiş ve daha dolgun, daha kararlı histerezis döngüleri üreterek, her döngüde yaklaşık %35 daha fazla enerji sönümlemesi sağlamış ve artık yer değiştirmeleri en aza indiren güçlü bir kendini merkezleme eğilimi göstermiştir. IV. Doğrulanmış Sistem-Seviyesi Sismik Tepki: Gerçek zemin hareketleri altında çok katlı konfigürasyondaki hibrit sistem, temel hasar-kontrol işlevini doğruladı. Tepe taban kesme kuvvetinde kayda değer bir azalma (~%23) sağladı ve toplam sismik enerji girdisinin %20,0'lik kısmını MLVED'lere aktararak burada sönümlenmesini başardı; bu birimler etkin yapısal sigortalar olarak görev yaptı. Bu ilave sönümleme, birincil taşıyıcı sistemdeki plastik enerji payını yaklaşık %15 oranında azalttı ve ana yapısal elemanların korunma kapasitesini doğrudan gösterdi. V. Karakteristik Performans Dengelemesi: Analiz, anahtar bir davranışsal imzayı nicelendirmiştir: sistemin doğal periyot uzaması ve yüksek sönüm kapasitesi—kuvvet azaltma ve enerji sönümleme faydalarının temelini oluşturan—eşzamanlı olarak, daha rijit olan geleneksel SPSW'ye kıyasla artan katlar arası ötelemeye yol açmıştır. Bu durum, uygulaması için performansa dayalı bir tasarım çerçevesinin gerekliliğini vurgulamaktadır. Sonuç ve Katkı Bu araştırma, SPSW-MLVED hibrit sistemini çelik yapılarda sismik dayanıklılığı geliştirmek için uygulanabilir ve yenilikçi bir yol olarak kesin bir şekilde ortaya koymaktadır. Geleneksel SPSW'lerin sınırlamalarını sistematik olarak ele alarak, çalışma, hasar kontrolüne ve onarılabilirliğe öncelik veren bir tasarım stratejisi için doğrulanmış sayısal bir çerçeve sunmaktadır. Sistemin gösterdiği kuvvet taleplerini azaltma, değiştirilebilir bileşenler aracılığıyla enerjiyi verimli bir şekilde sönümleme ve kendini merkezlemeyi teşvik etme yeteneği, performansa dayalı mühendislik için ikna edici bir alternatif sunmaktadır. Bulgular şu yollarla alana önemli ölçüde katkı sağlamaktadır: (1) anahtar sönümleyici parametrelerinin farklı rollerini netleştirerek, özelleştirilmiş tasarım için bir yol haritası sağlamak; (2) sistemin etkinliğine dair hem bileşen hem de sistem seviyesinde nicel kanıtlar sunmak; ve (3) performansa dayalı bir bağlam içindeki uygun uygulama alanlarını tanımlayarak, gelecekteki tasarım kılavuzlarının ve deneysel doğrulamanın geliştirilmesi için bir temel oluşturmak. Bu çalışma, modern sismik dayanımlı sistemler için paradigması sadece dayanım artırımından, akıllı hasar yönetimine kaydırmaktadır.
Özet (Çeviri)
Introduction and Research Rationale Steel Plate Shear Walls (SPSWs) are recognized as efficient lateral load-resisting systems. However, their conventional design is often constrained by significant drawbacks, including pronounced stress concentrations in the web plate and boundary elements. These concentrations lead to undesirable buckling, strength degradation under cyclic loads, and complex, costly repairs following seismic events. This research addresses these limitations by proposing and numerically investigating a novel hybrid structural system that integrates a Multi-Layer Viscoelastic Damper (MLVED) within a conventional SPSW framework. The study aims to develop a damage-control strategy that shifts inelastic demand towards replaceable dampers, thereby enhancing seismic resilience and repairability. A particular focus is placed on characterizing the system's unique performance signature—its capacity for high energy dissipation and force reduction—and understanding the consequential trade-offs, such as inter-story drift behavior, within a performance-based design context. Research Methodology A systematic three-phase numerical methodology was employed, utilizing the finite element analysis software ABAQUS/Standard to progressively investigate the proposed system from component validation to full-scale seismic assessment. Phase I: Validation and Baseline Performance Comparison High-fidelity finite element models were developed, commencing with the validation of a conventional SPSW and the Multi-Layer Viscoelastic Damper (MLVED) against established experimental benchmarks. Subsequently, a hybrid SPSW-MLVED model was assembled and subjected to nonlinear static (pushover) and quasi-static cyclic analysis. This phase provided the foundational comparison, quantifying the hybrid system's improvements in ultimate strength, hysteretic energy dissipation, self-centering tendency, and its efficacy in shifting damage away from primary components toward the damper as a sacrificial fuse. Phase II: Parametric Study for Damper Optimization Following the baseline comparison, a dedicated parametric study was conducted to isolate the influence of individual MLVED design parameters. The properties varied included the viscoelastic shear modulus (C₁₀), loss factor (D), damper length (L), number of rubber layers (N), and layer thickness (T). Analyzing the resulting pushover and hysteresis responses identified clear governing trends: parameters C₁₀, L, and N predominantly controlled system strength and stiffness, while the loss factor D exclusively governed energy dissipation capacity. The outcomes of this phase directly informed the selection of an optimized damper configuration for advanced system-level analysis. Phase III: System-Level Seismic Validation The optimized hybrid configuration was implemented within a multi-story building model and evaluated under realistic dynamic loading. Nonlinear time history analysis was performed using the recorded ground motion from the 1999 Kocaeli earthquake. This final phase assessed the global seismic performance, quantifying key metrics such as fundamental period, inter-story drift profiles, total base shear, and the breakdown of energy dissipation between the structural frame and the dampers, thereby validating the system's performance under transient seismic demands. Key Findings and Results The integrated numerical investigation yielded comprehensive insights into the performance of the hybrid SPSW-MLVED system: I. Fundamental Behavioral Transformation: The integration of the MLVED fundamentally altered the system's response, transitioning it from a traditional, plate-yielding mechanism to a damage-controlled one. This was evidenced by a drastic reduction (exceeding 60%) in plastic strain within the primary steel components. II. Decoupled Design Parameters: The parametric study established a clear hierarchy of influence. The damper's shear modulus (C₁₀), length (L), and number of layers (N) were identified as the primary governors of system strength and stiffness. In contrast, the loss factor (D) was proven to be the principal parameter controlling hysteretic energy dissipation, enabling targeted design. III. Enhanced Component-Level Performance: Under cyclic loading, the hybrid system demonstrated a 22% higher ultimate load capacity and generated fuller, more stable hysteresis loops, providing approximately 35% greater energy dissipation per cycle alongside a strong self-centering tendency that minimized residual displacements. IV. Validated System-Level Seismic Response: When subjected to real ground motions, the hybrid system in a multi story configuration confirmed its core damage control function. It achieved a significant reduction in peak base shear (~23%) and successfully redirected 20.0 % of the total seismic input energy to be dissipated by the MLVEDs, which acted as effective structural fuses. This supplemental dissipation reduced the plastic energy share in the primary structure by approximately 15 %, directly demonstrating the system's capacity to protect key structural elements. V. Characteristic Performance Trade-off: The analysis quantified a key behavioral signature: the system's inherent period elongation and high damping capacity, which underpin its force reduction and energy dissipation benefits, concurrently resulted in increased inter-story drift compared to the stiffer conventional SPSW. This highlights the necessity of a performance-based design framework for its application. Conclusion and Contribution This research conclusively establishes the SPSW-MLVED hybrid system as a viable and innovative pathway for advancing seismic resilience in steel structures. By systematically addressing the limitations of conventional SPSWs, the study provides a validated numerical framework for a design strategy that prioritizes damage control and repairability. The system's demonstrated ability to reduce force demands, dissipate energy efficiently through replaceable components, and promote self-centering offers a compelling alternative for performance-based engineering. The findings contribute significantly to the field by: (1) clarifying the distinct roles of key damper parameters, providing a roadmap for tailored design; (2) offering quantitative evidence of the system's efficacy at both component and system levels; and (3) defining its suitable applications within a performance-based context, thereby laying a foundation for future development of design guidelines and experimental validation. This work shifts the paradigm from mere strength enhancement to intelligent damage management for modern seismic-resistant systems.
Benzer Tezler
- Experimental study of substandard RC frames enhanced with tube-in-tube buckling-restrained braces
Burkulmasi önlenmiş tüp içinde tüp çaprazlar ile iyileştirilmiş standart alti betonarme çerçevelerin deneysel çalişmasi
EMİNE EVRİM OYGUÇ
Doktora
İngilizce
2025
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDUL HAYIR
- Mevcut betonarme bir binanın çelik kat ilavesi sonrası güçlendirilerek 2018 TBDY kapsamındaperformansının değerlendirilmesi
Evaluation of the performance of an existing reinforced concrete building retrofitted after steel floor addition under the scope of 2018 TBEC
UFUK YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLİZ BAYRAMOĞLU
- Resilient design of CLT buildings against fire and earthquake
Çok katlı CLT binaların yangın ve depreme karşı direnç esaslı tasarımı
ÖMER ASIM ŞİŞMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖMER TUĞRUL TURAN
PROF. DR. ARIO CECCOTTI
- Çok katlı bir yapının statik ve betonarme hesapları
Design calculations of a multi-storey reinforced concrete systems
DURAN BELENE
- Deprem etkilerine karşı geliştirilen pasif ve aktif kontrol sistemleri
Başlık çevirisi yok
MELTEM ŞAHİN