Steel Yielding Damper Experiments On RC Frames

Abstract

Structures are expected to satisfy life safety performance level under strong ground motions. It could be understood that can only be possible by allowing minor damage to the structural elements if the economy is taken account. This is also the definition of capacity design which is mainly accepted by the mass in recent years. In this approach, the structure is expected to dissipate enormous energy generated by strong ground motions by its nonlinear behavior. This nonlinear behavior generally translates to plastic hinges forming on the beam – column joints. However, the position and the condition of this plastic hinges could cause failure of the structure. Various energy damping systems can be added to the structure to dissipate the enormous energy generated during the strong ground motions. One of these is metallic yielding dampers. These systems not only increase the lateral rigidity of the structure but also reduce the internal forces to the structural elements by increasing the damping ratio. These systems, which are yield during strong ground motions, dissipate most of the energy. These are both economic and effective systems as they can be easily changed after they damaged.
Keywords: Passive damper, Metallic yielding damper, RC frame

Full text

7. Yapı Mekaniği Laboratuvarları Çalıştayı
4-5 Ekim 2019, KTO Karatay Üniversitesi, Konya
1
BETONARME ÇERÇEVELERDE ÇELİK EĞİLMELİ
SÖNÜMLEYİCİ DENEYLERİ
STEEL YIELDING DAMPER EXPERIMENTS ON RC FRAMES
Ömer KARAGÖZ
1
, Mizan DOĞAN2, Meltem ERYILMAZ-YILDIRIM3
ÖZET
Yapıların güçlü yer hareketleri sırasında can sağlığı performansını sağlamaları beklenir.
Ekonomiklik göz önüne alındığında bunun ancak yapının belli miktarda hasar almasına izin
verilerek gerçekleştirilebileceği anlaşılmaktadır. Bu tanım son yıllarda hâkim olan kapasite
tasarımı kavramına karşılık gelmektedir. Bu yaklaşımda yapının güçlü yer hareketleri sırasında
ortaya çıkan büyük enerjiyi göstereceği elastik ötesi davranış ile soğurması beklenir. Bu elastik
ötesi davranış çoğunlukla kolon ve kiriş birleşimlerinde plastik mafsal olarak ortaya çıkar.
Ancak oluşacak bu mafsallar konumu ve durumuna göre yapının göçmesine sebebiyet verebilir.
Güçlü yer hareketleri sırasında ortaya çıkan bu büyük enerjiyi soğurmak için yapıya çeşitli
enerji sönümleyici sistemler eklenebilir. Bunlardan bir tanesi de metalik eğilmeli
sönümleyicilerdir. Bu sistemler yapının yanal rijitliğini arttırdığı gibi sönüm oranını da
arttırarak yapısal elemanlara gelen iç kuvvetleri azaltırlar. Güçlü yer hareketleri sırasında
eğilerek hasar alan bu sistemler enerjinin büyük kısmını soğururlar. Bu sistemler daha sonradan
kolayca değişebilir olmaları ile hem ekonomik hem de etkilidirler.
Anahtar Kelimeler: Pasif sönümleyici, Metalik eğilmeli sönümleyici, Betonarme çerçeve
ABSTRACT
Structures are expected to satisfy life safety performance level under strong ground motions. It
could be understood that can only be possible by allowing minor damage to the structural
elements if the economy is taken account. This is also the definition of capacity design which is
mainly accepted by the mass in recent years. In this approach, the structure is expected to
dissipate enormous energy generated by strong ground motions by its nonlinear behavior. This
nonlinear behavior generally translates to plastic hinges forming on the beam – column joints.
However, the position and the condition of this plastic hinges could cause failure of the structure.
Various energy damping systems can be added to the structure to dissipate the enormous energy
generated during the strong ground motions. One of these is metallic yielding dampers. These
systems not only increase the lateral rigidity of the structure but also reduce the internal forces
to the structural elements by increasing the damping ratio. These systems, which are yield during
strong ground motions, dissipate most of the energy. These are both economic and effective
systems as they can be easily changed after they damaged.
Keywords: Passive damper, Metallic yielding damper, RC frame
GİRİŞ
Güçlü yer hareketleri sırasında yapının hasar görmesi yerine bu amaçla özel olarak tasarlanmış
sistemlerin kullanılması fikri 1970’lerin başında ortaya çıkmıştır (Kelly, Skinner, and Heine 1972).
1
Araştırma Görevlisi, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, Eskişehir, okaragoz@ogu.edu.tr
2 Profesör Doktor, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, Eskişehir, mizan26@gmail.com
3 Araştırma Görevlisi, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, Eskişehir, meryilmaz@ogu.edu.tr

Betonarme Çerçevelerde Çelik Eğilmeli Sönümleyici Deneyleri
2
Araştırmacılar yapının yük taşıma fonksiyonu ile enerji soğurma fonksiyonlarını birbirinden ayırarak
güçlü yer hareketleri sırasında yapının yük taşıma kapasitesinin azalmamasını amaçlamışlardır. Bu
doğrultuda bir sistem önermişlerdir. Zamanla bu sönümleyici sistemler üzerinde yapılan çalışmalar
artmış ve 1980’lerden bu yana birçok yapının güçlendirilmesi içinde kullanılmışlardır (Skinner et al.
1980; Towashiraporn et al. 2002).
Şekil 1. Metalik eğilmeli sönümleyicilere örnekler a) çelik üçgen, b) çelik yarık, c) çelik boru, d) çelik kesme
– eğilme kutusu, e) çelik yastık
Yapılara sonradan ilave edilebildiği gibi ilk tasarım aşamasında hesaplara katılabilen bu
sistemleri en genel anlamda üç gruba ayırabiliriz. Bunlar pasif sönümleyiciler, aktif sönümleyiciler
ve hibrit sönümleyicilerdir. Pasif sönümleyiciler kullanımı için harici bir enerjiye ihtiyaç duymaması,
tasarımının ve montajının kolay olması ve bakım gerektirmemesi gibi sebeplerle çoğunlukla tercih
edilmişlerdir. Pasif sönümleyicileri ise kendi içinde iki ana gruba ayırabiliriz. Bunlar sismik
izolasyon sistemleri ve pasif enerji sönümleyicilerdir. Sismik izolasyon sistemlerinin üretimi,
tasarımı zor ve pahalı olduğundan sadece büyük bütçeli yada şehir hastanesi gibi çok önemli
yapılarda kullanılmaktadır. Pasif enerji sönümleyiciler ise kendi içinde birçok farklı sönümleyiciyi
barındırmaktadır. Bu çalışmanın da konusu olan metalik eğilmeli sönümleyiciler bu alt gruba
dâhildir. Bu tip sönümleyicilerde genellikle yatay hareket sonucu farklı metallerin eğilmesi sonucu
enerji harcama prensibiyle çalışmaktadır. Bunlardan bir kaçı örnek olarak Şekil 1’de verilmiştir.
Çoğunlukla malzeme olarak çelik, yumuşak çelik, alüminyum, kurşun veya bakır tercih edilmektedir.
(Javanmardi et al. 2019). Bu çalışmada malzeme olarak çelik seçildiğinden çelik eğilmeli
sönümleyici ismini almaktadır. Güçlü yer hareketleri sırasında bu tip sönümleyiciler akma, burulma,
burkulma, buruşma ve yırtılma gibi çeşitli şekillerde enerji harcarlar.
Şekil 2. 1 Nolu Deney düzeneği genel görünümü
Bu çalışmanın amacı benzer çalışmalar yapacak araştırmacılara ve benzer sistemler tasarlamak
isteyen bilim insanlarına yardımcı olmaktır. Quasi-statik olarak yapılacak bu deneylerde 1000kN
kapasiteli bir aktüvatör yatay yükleme için ve 1000kN kapasiteli başka bir aktüvatör yük dağıtma
kirişi ile birlikte düşey yükleme için kullanılacaktır.

Ö Karagöz, M, Doğan, M. Eryılmaz Yıldırım
3
YÖNTEM
Bu çalışma kapsamında Eskişehir Osmangazi Üniversitesi İnşaat Mühendisliği “Yapı Mekaniği ve
Deprem Araştırma Laboratuvarı” ’nda birden fazla tipte çelik eğilmeli sönümleyicinin hem bireysel
hem de betonarme çerçeveler içeresine konarak deneysel çalışmalarının yapılması planlanmıştır. Bu
amaçla Şekil 2’de görülen çelik eğilmeli sönümleyicilerin bireysel deneylerinin yapılacağı 1 nolu
deney düzeneği ve Şekil 3’te görülen çelik eğilmeli sönümleyicilerin tek katlı ve tek açıklıklı
betonarme çerçeveler içerisinde deneysel çalışmalarının yapılacağı 2 nolu deney düzeneği
kurulacaktır.
İlk olarak birçok tasarım adayı belirlenecek ve bunlar Abaqus gibi bir sonlu elemanlar yazılımı
ile modellenecektir. Davranışları incelenen bu adaylardan seçilen çelik eğilmeli sönümleyiciler
öncelikle 1 nolu deney düzeneğinde kuvvet – deplasman davranışları incelenecek ve akma
deplasmanı, eşdeğer sönüm oranı, toplam soğurulan enerji, kütle ve yükseklik gibi parametreler
gözetilerek aralarından 2 nolu deney düzeneğinde kullanılmak üzere adaylar belirlenecektir. Seçilen
çelik eğilmeli pasif sönümleyiciler tek katlı ve tek açıklıklı betonarme çerçeve arasına Şekil 3’te
görüldüğü gibi yerleştirilecek ve artan tersinir tekrarlı yükler altında kuvvet – deplasman grafikleri
elde edilecektir. Ayrıca çerçevenin kolonları üzerine eksenel yük taşıma kapasitesinin belli bir
yüzdesi oranında eksenel yük uygulanacak ve bu yük deneyler boyunca sabit tutulacaktır. Kiriş
üzerindeki yayılı yükü temsil etmesi amacıyla kiriş üzerine ağırlık konması planlanmıştır.
Şekil 3. 2 Nolu Deney düzeneği genel görünümü
2 nolu deney düzeneğinde kullanılacak betonarme çerçeve tam ölçekli olarak inşa edilecektir.
Rijit çelik elemanlar kullanılarak kirişe sabitlenecek çelik eğilmeli sönümleyici sistemin çerçevenin
artan tekrarlı tersinir yükler altında enerji yutma kapasitesini arttırması öngörülmektedir. 1 nolu ve
2 nolu deney düzeneğinde uygulanacak yükleme Şekil 4’te gösterildiği gibidir ve deneyler
deplasman kontrollü olarak gerçekleştirilecektir.
Deneyler sonucunda elde edilen veriler eşdeğer viskoz sönüm oranına dönüştürülerek
genelleştirilmesi amaçlanmıştır. Bu şekilde çok katlı çok açıklıklı bir yapıda bu sönümleyicinin
kullanılması durumu için doğrusal olmayan hesapların yapılması ve yapının deprem kuvvetleri
altında davranışının incelenmesi mümkün olacaktır. Ayrıca deneysel olarak çalışmaları yapılan
sönümleyiciler için analitik hesap modelleri de ortaya konmak istenmektedir. Deneyler sonucunda
elde edilen ve literatürdeki benzerlerine göre üstün olduğu görülen çelik eğilmeli sönümleyicinin
ulusal ve uluslararası patenti alınarak ülkemize kazandırılması düşünülmektedir. Bu sayede

Betonarme Çerçevelerde Çelik Eğilmeli Sönümleyici Deneyleri
4
mühendislik tecrübesi ve patenti ülkemizde olan metalik eğilmeli pasif bir sönümleyici tasarımına
sahip olunması amaçlanmaktadır.
Şekil 4. Yükleme fonksiyonu
Deneylere maddi destek bulmak amacıyla “Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı
(AFAD)” ‘nın başvuruya açmış olduğu “Ulusal Deprem Programı (UDAP)” ‘na çağrılı proje
kapsamında başvuru yapılmıştır.
Şekil 5. a) Öncül deneyler için hazırlanan betonarme çerçeve b) Deney numunesi ile birlikte düşey yükleme
siteminin genel görünümü
2 nolu deney düzeneğinin kurulumu büyük oranda tamamlanmış olup öncül deneylerin
yapılabilmesi için bir adet tam ölçekli betonarme çerçeve imal edilmiştir (Şekil 5). Çerçevenin
yüksekliği temel dâhil 3 metre ve genişliği 4.5 metredir. Kolon ve kirişlerin boyutları 0.3x0.3
metredir.
Deneyler sırasında veri toplamak için TDG firmasının 8 kanallı statik veri toplama cihazı
“Testbox 1001” kullanılacaktır (Şekil 6). Yatay deplasman ölçümleri için aktüvatörün dahili
potansiyometrik cetvelinin yanında çerçevenin farklı noktalarından, güçlü zemine bağlandığı alt
noktadan ve eksen dışı hareket yapıp yapmadığını ölçmek için eksenine dik olarak okumalar yapmak
amacıyla ekstra potansiyometrik cetveller de kullanılacaktır.
(a)
(b)

Ö Karagöz, M, Doğan, M. Eryılmaz Yıldırım
5
Şekil 6. a) Testbox 1001 statik veri toplama cihazı b) Aktüvatör bilgisayar bağlantı cihazı
SONUÇ
Bu çalışmada bir pasif sönümleyici tipi olan çelik eğilmeli sönümleyici üzerinde yapılması planlanan
deney düzeneği ve adımları verilmiştir. Toplamda iki adet deney düzeneği tasarlanmış ve tam ölçekli
betonarme çerçeveler üzerinde çalışılması planlanmıştır. Deneyler sonucunda literatürdeki benzer
sönümleyicilerden akma deplasmanı, başlangıç rijitliği, eşdeğer sönüm oranı, toplam enerji soğurma
kapasitesi, kütle ve yükseklik gibi parametreler göz önüne alındığında daha başarılı bir çelik eğilmeli
sönümleyici ortaya konması bu deneysel çalışmanın başarılı şekilde sonuçlanması için gerekli
şartlardır.
KAYNAKLAR
Javanmardi, Ahad et al. 2019. “State-of-the-Art Review of Metallic Dampers: Testing, Development and
Implementation.” Archives of Computational Methods in Engineering.
http://link.springer.com/10.1007/s11831-019-09329-9 (March 30, 2019).
Kelly, J.M., R.I. Skinner, and A.J. Heine. 1972. “Mechanisms of Energy Absorption in Special Devices for
Use in Earthquake Resistant Structures.” Bulletin of N.Z. Society for Earthquake Engineering 5(3): 63–
88. http://www.nzsee.org.nz/db/Bulletin/Archive/05(3)0063.pdf (February 5, 2019).
Skinner, R I, R G Tyler, A J Heine, and W H Robinson. 1980. “Hysteretic Dampers For The Protection of
Structures From Earthquakes.” 13(4): 22–36.
http://www.nzsee.org.nz/db/Bulletin/Archive/13(1)0022.pdf (February 14, 2019).
Towashiraporn, P, J Park, B J Goodno, and J I Craig. 2002. “Passive Control Methods for Seismic Response
Modification.” Progress in Structural Engineering and Materials 4(1): 74–86.
http://doi.wiley.com/10.1002/pse.107.
(a)
(b)