Seismic response assessment of a reinforced concrete structure using different types of seismic isolators
Farklı sismik izolatör tipleri kullanılarak betonarme bir yapının sismik tepkisinin değerlendirilmesi
- Tez No: 998899
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ARCAN YANIK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: İnşaat mühendisliği, Civil engineering
- 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
İnsanlık tarihi boyunca depremler en yıkıcı doğal afetler arasında yer almıştır. Yer kabuğundaki ani kırılmalar sonucu açığa çıkan enerji, yüzeye sismik dalgalar halinde yayılmakta ve yapıların dinamik davranışını doğrudan etkilemektedir. Türkiye'nin sismik açıdan aktif tektonik kuşaklar üzerinde konumlanması, deprem riskini ülke için süreklilik gösteren ve göz ardı edilemez bir olgu haline getirmektedir. Depremlerin zamanının, büyüklüğünün ve etkisinin kesin olarak tahmin edilememesi, yapıların yalnızca göçmenin önlenmesi yaklaşımıyla değil; aynı zamanda can güvenliğini, ekonomik kayıpların azaltılmasını ve kullanım sürekliliğini esas alan performans hedefleri doğrultusunda tasarlanmasını zorunlu kılmaktadır. Özellikle yoğun yerleşim alanlarında meydana gelen büyük depremler, geleneksel tasarım anlayışının sınırlarını ortaya koymuş ve daha etkin mühendislik çözümlerine olan ihtiyacı açıkça göstermiştir. Geleneksel deprem tasarım yaklaşımı, yapı elemanlarının dayanımını ve sünekliğini artırarak deprem enerjisinin yapı bünyesinde karşılanmasını esas almaktadır. Bu yöntemde deprem enerjisi doğrudan üstyapıya iletilmekte ve belirli hasar seviyeleri kabul edilmektedir. Can güvenliğinin sağlanması temel hedef olmakla birlikte, deprem sonrasında yapının kullanılabilirliğinin korunması garanti edilememektedir. Özellikle hastaneler, acil müdahale merkezleri, itfaiye binaları, veri merkezleri ve kritik altyapılar gibi deprem sonrasında da işlevini sürdürmesi gereken yapılarda bu yaklaşım yetersiz kalmaktadır. Bu nedenle yapısal kontrol yöntemleri ve özellikle pasif kontrol sistemleri arasında yer alan sismik izolasyon sistemleri ön plana çıkmıştır. Sismik izolasyon sistemlerinin temel prensibi, yapıyı temelden ayırarak deprem enerjisinin üstyapıya iletimini azaltmaktır. Bu sistemlerde kullanılan izolatörler, yüksek düşey rijitlik ve düşük yatay rijitlik sağlayacak şekilde tasarlanmaktadır. Böylece yapının doğal titreşim periyodu uzatılmakta ve sistem, yer hareketinin baskın frekans aralığından uzaklaştırılmaktadır. Periyot uzaması sayesinde yapıya etkiyen taban kesme kuvvetleri ve eğilme momentleri azalmakta; kat ivmeleri, hızları ve iç kuvvet talepleri önemli ölçüde düşmektedir. Bununla birlikte, periyodun uzaması izolasyon seviyesinde daha büyük yer değiştirmelere neden olabilmektedir. Bu nedenle izolatörlerin sönüm kapasitesi kritik önem taşımaktadır. Yüksek sönümleme kapasitesi sayesinde hem maksimum hem de artık yer değiştirmeler kontrol altına alınmakta ve yapının deprem sonrası kullanılabilirliği korunmaktadır. Bu çalışmanın ilk aşamasında, önceki araştırmalar incelenmiş ve sismik izolasyon sistemleri tanıtılmıştır. Literatürde özellikle elastomer esaslı izolatörlerin, yüksek enerji sönümleme kapasitesi ve uygulama kolaylığı nedeniyle yaygın olarak tercih edildiği görülmektedir. Bu kapsamda tez çalışmasının temel odak noktası, elastomer esaslı iki farklı sismik izolasyon sistemi olan kurşun çekirdekli kauçuk izolatör (LRB) ve yüksek sönümlü kauçuk izolatör (HDRB) sistemlerinin performans değerlendirmesidir. LRB sisteminde enerji sönümleme, kurşun çekirdeğin akma davranışı sayesinde histeretik mekanizma ile sağlanırken; HDRB sisteminde yüksek doğal sönüm kapasitesine sahip özel kauçuk bileşimi sayesinde sürekli ve dengeli bir enerji tüketimi gerçekleşmektedir. Çalışma kapsamında 7 katlı betonarme bir yapı modeli oluşturulmuştur. Taban izolasyonunun yapısal davranış üzerindeki etkileri SAP2000 yazılımı kullanılarak sayısal olarak değerlendirilmiştir. Bu çalışma kapsamında yapısal davranışın belirlenmesi amacıyla doğrusal olmayan zaman tanım alanı analizi uygulanmıştır. Bu yöntem, gerçek deprem kayıtlarının zamana bağlı ivme değerlerinin doğrudan modele uygulanmasını sağlamakta ve yapının elastik ötesi davranışının gerçekçi biçimde incelenmesine olanak tanımaktadır. Deprem kayıtları olarak PEER veri tabanından temin edilen 1999 Kocaeli ve 1992 Landers depremleri kullanılmıştır. Seçilen kayıtlar, AFAD tarafından tanımlanan hedef tasarım spektrumlarına uygun şekilde ölçeklendirilmiş ve SeismoMatch programı kullanılarak spektrum uyumlaması gerçekleştirilmiştir. Böylece analizlerde kullanılan yer hareketlerinin ilgili deprem tehlike düzeyini temsil etmesi sağlanmıştır. Çeşitli deprem kayıtları altında sabit tabanlı yapıların performansı, LRB ve HDRB izolasyonlu yapıların performansı ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca yapısal malzeme dayanımındaki değişimlerin sismik izolasyon sistemlerinin etkinliği üzerindeki etkilerini incelemek amacıyla aynı yapı geometrisi için farklı malzeme dayanım seviyelerine sahip modeller oluşturulmuştur. İlk modelde yeni tasarım koşullarını temsil eden C30 beton ve B420C donatı çeliği kullanılmıştır. İkinci modelde ise mevcut yapı stoğunda sıklıkla karşılaşılan düşük dayanım seviyelerini temsil etmek amacıyla C15 beton ve BC1 donatı çeliği esas alınmıştır. Böylece sismik izolasyon sistemlerinin yalnızca yeni tasarlanan yapılar için değil, aynı zamanda mevcut ve malzeme kapasitesi sınırlı yapılar için de etkinliği değerlendirilmiştir. Performans değerlendirmesinde taban kesme kuvveti, taban eğilme momenti, maksimum yer değiştirme, kat ivmeleri, kat hızları ve doğal titreşim periyotları temel parametreler olarak dikkate alınmıştır. Analiz sonuçlarına göre sabit tabanlı yapının birinci doğal titreşim periyodu 0.60 s olarak belirlenmiştir. LRB sistemi kullanıldığında bu periyot 1.77 s'ye yükselmiş ve yaklaşık %195 oranında artış göstermiştir. HDRB sisteminde ise temel periyot 2.38 s'ye ulaşmış ve yaklaşık %297 oranında artmıştır. Bu önemli periyot uzaması, yapının etkin yatay rijitliğinin azaldığını ve deprem enerjisinin üstyapıya daha düşük frekans aralığında iletildiğini göstermektedir. Taban kesme kuvveti ve taban momenti değerleri açısından her iki izolasyon sistemi de sabit tabanlı modele kıyasla belirgin azalmalar sağlamıştır. Özellikle HDRB sistemi, yüksek doğal sönüm kapasitesi sayesinde kuvvet taleplerinin azaltılmasında LRB sistemine kıyasla daha etkili bulunmuştur. Kocaeli ve Landers deprem kayıtları altında yapılan analizlerde sabit tabanlı model en yüksek taban kesme kuvveti ve moment değerlerini üretirken, LRB ve HDRB modellerinde bu değerlerin önemli ölçüde azaldığı gözlemlenmiştir. LRB sistemi, kurşun çekirdeğin akma davranışına dayanan enerji sönümleme mekanizması sayesinde belirgin bir histeretik davranış sergilemiş ve deprem enerjisinin kontrollü biçimde tüketilmesine katkı sağlamıştır. Bu özellik özellikle uzun periyotlu yer hareketleri altında yapının performansını olumlu yönde etkilemiştir. HDRB sistemi ise daha dengeli ve sürekli bir enerji sönümleme davranışı göstererek üstyapıdaki iç kuvvet taleplerini daha etkin biçimde azaltmıştır. Ancak bazı analiz durumlarında LRB sistemine kıyasla daha düşük artık yer değiştirme değerleri üretmiştir. Kat ivmeleri ve hızları incelendiğinde sabit tabanlı modelde ivme değerlerinin yapı yüksekliği boyunca arttığı ve üst katlarda yoğunlaştığı görülmüştür. İzolatörlü modellerde ise ivmelerin belirgin biçimde azaldığı ve sismik taleplerin izolasyon seviyesinde yoğunlaştığı belirlenmiştir. Bu durum, üstyapı elemanlarında hasar oluşma riskinin azaltılması açısından önemli bir avantaj sağlamaktadır. Malzeme dayanımının düşürüldüğü C15–BC1 modelde sabit tabanlı sistemin kuvvet ve deformasyon taleplerinde belirgin artışlar meydana gelmiştir. Buna karşılık, LRB ve HDRB izolasyonlu modellerde malzeme dayanımındaki azalma yapısal tepki üzerinde sınırlı etki göstermiştir. İzolasyonlu sistemlerde davranışın büyük ölçüde izolatör özellikleri tarafından kontrol edildiği ve üstyapı malzeme kapasitesindeki düşüşün genel performansı dramatik biçimde etkilemediği görülmüştür. Bu bulgu, sismik izolasyon sistemlerinin mevcut yapı stokunun güçlendirilmesinde önemli bir potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Genel değerlendirme sonucunda, her iki izolasyon sisteminin de yapının deprem performansını önemli ölçüde iyileştirdiği belirlenmiştir. HDRB sistemi kuvvet azaltımı ve ivme kontrolü açısından daha etkin sonuçlar verirken; LRB sistemi histeretik enerji tüketim kapasitesi ile kontrollü ve kararlı bir davranış sergilemiştir. Sistem seçiminin; kuvvet azaltımı hedefleri, enerji sönümleme mekanizması, yer değiştirme kapasitesi, bakım gereksinimleri ve proje özelindeki performans beklentileri doğrultusunda yapılması gerektiği sonucuna varılmıştır. Bu çalışma, sismik izolasyon sistemlerinin hem yeni tasarlanacak yapılar hem de malzeme dayanımı düşük mevcut yapı stoğu için etkili bir çözüm sunduğunu ortaya koymaktadır. Gelecek çalışmalarda farklı deprem kayıtları, zemin-yapı etkileşimi, sıcaklık değişimleri, yaşlanma etkileri ve ekonomik analizlerin dikkate alınması; ayrıca farklı izolasyon türlerinin karşılaştırılması, sismik izolasyon sistemlerinin daha kapsamlı değerlendirilmesine katkı sağlayacaktır.
Özet (Çeviri)
Throughout human history, earthquakes have been among the most destructive natural disasters. The dynamic behavior of structures is directly impacted by the energy produced as a result of abrupt cracks in the Earth's crust, which travel to the surface as seismic waves.Turkey's location on active fault lines makes earthquake hazard a constant and unavoidable reality. The inability to precisely predict the time, magnitude, and impact of earthquakes necessitates that structures be designed not only with the objective of preventing collapse, but also in accordance with performance targets that prioritize life safety, reduction of economic losses, and post-earthquake functionality. Major earthquakes occurring particularly in densely populated areas have revealed the limitations of conventional design approaches and clearly demonstrated the need for more effective engineering solutions. In order to diffuse earthquake energy within the structural system, the traditional seismic design technique is predicated on making structural parts stronger and more ductile. In this method, seismic energy is directly transmitted to the superstructure, and certain levels of damage are accepted. Although ensuring life safety is the primary objective, preserving the functionality of the structure after an earthquake cannot be guaranteed. Particularly for buildings that need to continue functioning following an earthquake, such as hospitals, emergency response centers, fire stations, data centers, and key infrastructure sites, this strategy is inadequate.For this reason, structural control methods, particularly seismic isolation systems classified as passive control systems, have come to the forefront. By separating the structure from its foundation, seismic isolation systems work on the basic tenet of minimizing the transfer of seismic energy to the superstructure. The isolators used in these systems are designed to provide high vertical stiffness and low horizontal stiffness. This lengthens the structure's natural vibration period and moves the system away from the ground motion's dominating frequency range. Story accelerations, velocities, and internal force demands all drastically diminish as a result of the period elongation, which also lessens base shear forces and bending moments pressing on the structure. However, greater displacements at the isolation level could result from the period's extension. Therefore, the damping capacity of the isolators is of critical importance. Because of its great damping capacity, the structure's post-earthquake functionality is maintained while maximum and residual displacements are kept under control. In the first stage of this study, previous research was reviewed and seismic isolation systems were introduced. The literature indicates that elastomer-based isolators are widely preferred due to their high energy dissipation capacity and ease of application. The performance evaluation of two distinct elastomer-based seismic isolation systems lead rubber bearing (LRB) and high damping rubber bearing (HDRB) systems is the primary emphasis of in this context. While the lead core's yielding behavior in the LRB system results in a hysteretic mechanism for energy dissipation, specifically compounded rubber with a high inherent damping capacity provides continuous and consistent energy dissipation in the HDRB system. A model of a seven-story reinforced concrete building was created as part of the study. SAP2000 software was used to quantitatively assess how base isolation affected structural behavior. The analysis method used was nonlinear time history analysis. This method enables the direct application of time-dependent acceleration records of real earthquakes to the model and allows realistic investigation of the inelastic behavior of the structure. The 1999 Kocaeli and 1992 Landers earthquake records obtained from the PEER database were used as ground motion inputs. The selected records were scaled in accordance with the target design spectra defined by AFAD, and spectrum matching was performed using the SeismoMatch program. As a result, it was guaranteed that the ground motions utilized in the analysis accurately reflected the level of seismic threat. The performance of fixed-base structures was compared to that of LRB- and HDRB-isolated structures under a variety of earthquake records. Additionally, models with varying levels of material strength were developed for the same structural geometry in order to examine how differences in structural material strength affect the efficacy of seismic isolation systems. In the first model, C30 concrete and B420C reinforcing steel representing new design conditions were used. The low strength levels commonly found in the existing building stock were represented in the second model by using C15 concrete and BC1 reinforcing steel. Thus, the effectiveness of seismic isolation systems was evaluated not only for newly designed structures but also for existing structures with limited material capacity. Base shear force, base bending moment, maximum displacement, story accelerations, story velocities, and natural vibration periods were taken into consideration as the main criteria in the performance evaluation. The first natural vibration period of the fixed-base construction was found to be 0.60 seconds based on the analytical results. When the LRB system was used, this period increased to 1.77 s, corresponding to an increase of approximately 195%. In the HDRB system, the fundamental period reached 2.38 s, representing an increase of approximately 297%. This notable period elongation suggests that the structure's effective horizontal stiffness has decreased and that the superstructure receives earthquake energy at lower frequencies. Both isolation methods offered notable decreases in base shear force and base moment values when compared to the fixed-base model. Because of its strong inherent damping capability, the HDRB system was specifically found to be more successful than the LRB system in lowering force demands. In the analyses conducted under the Kocaeli and Landers earthquake records, the fixed-base model produced the highest base shear force and moment values, whereas these values were significantly reduced in the LRB and HDRB models. Because of the energy dissipation mechanism based on the lead core yielding, the LRB system demonstrated noticeable hysteretic behavior and helped to manage the consumption of earthquake energy. The performance of the structure was positively impacted by this attribute, especially when there were prolonged ground motions. The HDRB system, on the other hand, demonstrated a more balanced and continuous energy dissipation behavior, reducing internal force demands in the superstructure more effectively. However, in some analysis cases, it produced lower residual displacement values compared to the LRB system. Analysis of story velocities and accelerations revealed that acceleration values were focused in the upper stories and rose with the fixed-base model's height. In the isolated models, accelerations were significantly reduced and seismic demands were concentrated at the isolation level. This provides a significant advantage in terms of reducing the risk of damage in superstructure elements. In the C15–BC1 model with reduced material strength, significant increases were observed in force and deformation demands in the fixed-base system. In contrast, in the LRB- and HDRB-isolated models, the reduction in material strength had a limited effect on structural response. It was observed that in isolated systems, behavior was largely controlled by the properties of the isolators, and the decrease in superstructure material capacity did not dramatically affect overall performance. According to this research, seismic isolation techniques show a great deal of promise for fortifying the existing stock of buildings. Overall, the seismic performance of the structure was shown to be greatly enhanced by both isolation technologies. While the LRB system demonstrated controlled and steady behavior due to its hysteretic energy dissipation capabilities, the HDRB system produced more effective outcomes in terms of force reduction and acceleration control. The system should be selected according to project-specific performance objectives, including force reduction targets, energy dissipation mechanism, displacement capacity, maintenance requirements, and expected performance criteria. This study demonstrates that seismic isolation systems provide an effective solution for both newly designed structures and existing building stock with low material strength. In future studies, consideration of different earthquake records, soil–structure interaction, temperature variations, aging effects, and economic analyses, as well as comparison of different isolation types, will contribute to a more comprehensive evaluation of seismic isolation systems.
Benzer Tezler
- Mantolanmış betonarme kolonların değişik yükleme şartları altındaki davranışları
Başlık çevirisi yok
BERNA KANSIZ
- Mevcut bir betonarme binanın deprem performansının incelenmesi ve güçlendirilmesi
Seismic performance analysis and strengthening of an existing reinforced concrete structure
MUSTAFA AYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. ZEKAİ CELEP
- Analysis of preparedness and response to earthquake risk of Beşiktaş district using GIS
Beşiktaş ilçesinin deprem riskine hazırlığının coğrafi bilgi sistemleri kullanılarak analizi
AYŞEGÜL ÖZTURAN AKŞİT
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Jeodezi ve FotogrametriBoğaziçi ÜniversitesiJeodezi Ana Bilim Dalı
DOÇ. HALUK ÖZENER
DR. ONUR YILMAZ
- Correlations between ground motion intensity measures and structural response parameters through nonlinear dynamic analyses
Yer hareketi şiddet ölçütleri ve yapısal davranış parametreleri arasındaki korelasyonların doğrusal olmayan dinamik analizler yardımıyla bulunması
UFUK HANCILAR
Doktora
İngilizce
2009
Deprem MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ESER DURUKAL
- Perdelerden oluşan oniki katlı bir betonarme yapının performansının belirlenmesi
Seismic performance assessment of a 12-storey reinforced concrete shear wall structure
NECATİ GÖKTUĞ AŞIK
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. A. NECMETTİN GÜNDÜZ