Betonarme binaların tam ölçekli test modellerinin sonlu elemanlar yöntemi ile deprem analizi

Ölçekli deneyler, sahada veya kontrollü bir laboratuvar ortamında gerçekleştirildiğinden model tasarım parametrelerinin kısıtlarını, yönetici fiziksel yasalar ile uyumunu ve fiziksel probleme dâhil edilen tüm ilişkili değişkenlerin uygulanabilirliğini baştan iyi bilmek ve belirlemek gerekmektedir. Prototipe yakın ölçekte modellerle yapılan deneysel araştırma sonuçlarının güvenilirliği konusunda kaygı azalırken, küçük ölçekli model testlerinden elde edilen veriler üzerindeki şüphe de artmaktadır. Bu çalışmada tam ölçekli bir yapının titreşim davranışını istenilen düzeyde temsil edebilecek test modellerinin tasarımında prototip ile sadece geometrik ölçüde bir bağ değil, aynı zamanda kinematik ve dinamik benzeşim ilişkisi de kurulmuştur. Prototipin dinamik davranışını hâkim titreşim modunda sarsma tablası deneylerinde temsil edecek çelikten çerçeve test modellerinin geliştirilmesi için matematiksel adımlar ve tasarım ilkeleri sistematik olarak bir yöntem içinde sunulmuştur. Bu çalışmada referans olarak seçilen Sakarya Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümünün yapı laboratuvarında bulunan küçük ve büyük ölçekli sarsma tablalarının boyutsal özellikleri ve dinamik yükleme kapasitesi gibi teknik özelliklerine bağlı olarak farklı ölçek katsayıları ile kurulan çelikten çerçeve test modellerinin Sap2000 sonlu elemanlar programında kuvvetli deprem yer hareketi kayıtları kullanılarak dinamik analizleri yapılmıştır. Ayrıca meydana gelen kuvvetli deprem yer hareketinin uzaklığına bağlı olarak yapıların dinamik tepkilerini gözlemleyebilmek üzere altı adet yakın alan ve altı adet de uzak alan deprem kaydı olmak üzere toplamda on iki adet deprem kaydı kullanılmıştır. Küçük ölçekli sarsma tablası için λ = 25 ölçek katsayısının sarsma tablasının boyutsal özellikleri ve dinamik yükleme kapasite sınırlarını aşmayacağı belirlenmiş ve bu ölçek katsayısı kullanılarak 8 katlı ölçekli test modeli, tek katlı çift doğrultulu ölçekli test modeli ve tek katlı tek doğrultulu ölçekli test modeli olmak üzere toplamda üç adet çelik model geliştirilmiştir. Tek katlı tek doğrultulu ölçekli test modeli, prototip yapının zayıf doğrultusu olan y-doğrultusu dikkate alınarak tasarlanmıştır. Büyük ölçekli sarsma tablası kullanılarak da ölçek katsayısının küçülmesi sonucunda elde edilecek olan daha büyük boyutlu model yapıların prototip yapıyı temsil edebilme yetkinliğinin ne derecede değiştiği görülmek istenmiştir. Bu sebeple sarsma tablasının boyutsal özellikleri ve dinamik yükleme kapasite sınırlarını aşmayacak şekilde λ = 14 ölçek katsayısı seçilmiştir. Ayrıca büyük ölçekli sarsma tablası için daha küçük boyutlu modeller de geliştirebilmek amacıyla λ = 24 ölçek katsayısı da dikkate alınmıştır. Bu ölçek katsayıları kullanılarak küçük ölçekli sarsma tablası için geliştirilen modeller gibi üçer adet çelik model geliştirilmiştir. Geliştirilen çok katlı sarsma tablası test modellerinin dinamik analiz sonuçları çok katlı prototip yapı ile karşılaştırılmıştır. Ancak tek katlı sarsma tablası test modellerinin sayısal analiz sonuçları ise daha doğru bir yaklaşım olduğu düşünüldüğü için çok katlı betonarme prototip yerine onu temsil eden eşdeğer tek serbestlik dereceli toplu kütleli prototip bir sistem ile karşılaştırılmıştır. Eşdeğer tek serbestlik dereceli prototip yapının dinamik analiz sonuçları çok katlı prototip yapı ile karşılaştırıldığında hata payı oranının %30 seviyelerine ulaştığı görülmüştür. Hata payı oranının bu seviyelere ulaşmasının sebebi prototip yapının diğer mod biçimlerini ihmal etmemiz ve sadece hakim mod biçimine göre tasarlanmamızdır. Ayrıca tek katlı sarsma tablası test modellerinin tasarımı eşdeğer tek serbestlik dereceli prototip yapıya göre yapıldığı için bu hata payının sonuçlar üzerinde bir etkisi olmadığı görülmüştür. Betonarme prototip yapı için Sap2000 sonlu elemanlar programında asıl deprem kayıtları ile dinamik analiz yapılırken çelik modellerde ise bu deprem kayıtlarının ilgili ölçek katsayıları ile ölçeklenmiş halleri kullanılarak dinamik analiz yapılmıştır. Yapılan dinamik analizler sonucunda yapılarda meydana gelen maksimum tepe noktası deplasmanı, maksimum taban kesme kuvveti ve maksimum devrilme momenti değerleri incelenip karşılaştırılmıştır. Yapılan karşılaştırmalar sonucunda uzak alan deprem kayıtlarının yer ivmesi değerlerinin yakın alan deprem kayıtlarına göre daha küçük olduğundan prototip ve model yapılarda daha küçük yer değiştirmelere neden olduğu görülmüştür. Kocaeli, Chi-Chi ve Loma prieta yakın alan deprem kayıtlarının en büyük yer ivmesi değerlerinin birbirine yakın olmasına rağmen prototip ve model yapılarda Kocaeli deprem kaydının etkisi sonucunda Chi-Chi ve Loma prieta deprem kayıtlarına oranla daha fazla maksimum tepe noktası deplasmanı meydana geldiği görülmüştür. Fourier genliği-Frekans grafikleri incelendiğinde Kocaeli deprem kaydının frekans içeriğinin hem prototip yapı hem de model yapıların hakim frekanslarına yakın seviyelerde yoğun olduğu görülmüştür. Frekansların yakın olmasından dolayı rezonans durumunun oluştuğu ve daha büyük yer değiştirmelerin sebebinin rezonans olduğu görülmüştür. Uzak alan deprem kayıtlarından olan N. palm springs ve Morgan hill deprem kayıtları içinde aynı durumun meydana geldiği görülmüştür. Fourier genliği-Frekans grafiklerinin incelenmesiyle Morgan hill deprem kaydının rezonans frekansına yakın olduğu görülmüştür. Bu sebeple N. palm springs deprem kaydına oranla daha büyük yer değiştirmeler meydana gelmiştir. Yapılan karşılaştırmalar sonucunda model yapıların tolere edilebilecek bazı aykırı sonuçlar haricinde genellikle %10'dan küçük hata payı ile prototip yapıyı kabul edilebilir düzeyde temsil ettiği görülmüştür. Seçilmiş olan uzunluk ölçek katsayılarının prototip ile model arasında kinematik ve dinamik etkileşimlerini de kapsayan tam benzeşimin sağlanmasında etkili olduğu anlaşılmıştır. Ayrıca bu çalışmada araştırmacılar için bir öneri niteliğinde mevcut olan birçok pasif titreşim kontrol sistemleri arasından ayrı bir güç kaynağı gerektirmeyen ve kontrol kuvvetlerini yapının hareketinden yararlanarak üreten ayarlı sıvı sütün sönümleyici enerji yalıtım araçları tasarlanmıştır. Ayarlı sıvı sütun sönümleyicili sistemler tasarlanırken imalat maliyetini ve uygulanabilirliğini kabul edilebilir derecede tutacak şekilde gerekli katsayılar seçilerek çok katlı prototip yapı ve tek katlı tek doğrultulu ölçekli test modellerinin kuvvetli deprem yer hareketine maruz kalması durumunda vereceği dinamik tepkiyi azaltmak hedeflenmiştir. Tasarlanan ayarlı sıvı sütun sönümleyicili sistemlerin özellikle deprem kuvvetleri etkisi altında titreşim kapasitesi fazla olan mevcut yüksek katlı yapılara iletilen sismik enerjiyi sönümlemek üzere son derece etkili bir yöntem olabileceği görüşüne varılmıştır.