Content uploaded by Ömer Karagöz
Author content
All content in this area was uploaded by Ömer Karagöz on Dec 01, 2023
Content may be subject to copyright.
BETONARME ÇERÇEVELERDE YENİ BİR EĞİLMELİ ÇELİK
SÖNÜMLEYİCİNİN DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ
Ömer Karagöz1, Mizan Doğan2
1Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, İnşaat Müh. Bölümü,
Eskişehir
okaragoz@ogu.edu.tr
GENİŞLETİLMİŞ ÖZET
Pasif sönümleyiciler farklı şekillerde çok uzun süredir kullanılmakta ve üzerinde araştırmalar
yapılmaktadır. Pasif sönümleyici olarak nitelendirilen eğilmeli metalik sönümleyiciler moment aktaran çelik
çerçevelerde ve betonarme (BA) çerçevelerle kullanılabilmektedir. Günümüzde bununla ilgili birçok çalışma ve
ticari uygulama mevcuttur. Hastane gibi önemli yapılarda kullanılan ve bu alanda en çok tercih edilen, uygulamada
yaygın olarak kullanılan bir diğer tip ise yapı ile zemin arasına yerleştirilen sismik taban izolatörleridir. Bir başka
pasif sönümleyici sistem ise yapının çerçeveleri arasına konulan hidrolik sönümleyiciler olarak sayılabilir. Bu
sistemler yapının sönüm oranını büyük oranda arttırmakta ve yapının deprem anındaki davranışını geliştirmektedir.
Pasif sönümleyici sistemler içerisinde eğilmeli metalik sönümleyiciler neredeyse ön yatırım maliyeti
gerektirmeyen ve de üretimi çok kolay olan sistemlerdir. Bu sistemin ilk ortaya çıkışı 1972 yılında Kelly, J. M. ve
arkadaşlarının ortaya koyduğu bir fikirle olmuştur. Bu sistemin çalışma prensibi deprem anında metal parçaların
çıkan büyük enerjiyi şekil değiştirerek soğurması şeklindedir. Yapının deprem anındaki salınımı sırasında metal
parçalar akma, burulma, burkulma, yırtılma ve buruşma gibi şekillerde hasar görerek deprem enerjisini soğurur.
Uygun türdeki metalden imal edilmiş bu sistem yapının çerçeveleri arasına yerleştirilir ve yapının sönüm oranını
büyük oranda arttırmasının yanında belirli bir oranda rijitlik artışı da sağlar.
Bu sistemlerin ilk ortaya konduğu tarihten günümüze birçok çalışma yapılmış ve önerilen farklı tipteki
metalik sönümleyiciler üzerinde hem deneysel çalışmalar yapılmış hem de nümerik olarak oluşturulmuştur.
Laboratuvarda öncül modelleri hazırlanan sistemler 1980 yılına kadar birçok gerçek yapı üzerinde hem
güçlendirme amaçlı hem de ilk tasarım ve inşa aşamasında kullanılmıştır. Bunlardan ilki Yeni Zelanda’daki
Rangitikei Köprü ayaklarında kullanılan metalik burulma kirişidir. Bir diğeri ise 1989 yılında Loma Prieta
depreminde yapısal hasar gören Wells Fargo Bankasında kullanılan metalik eğilmeli sönümleyicilerdir. Ayrıca bu
sönümleyici Amerika Birleşik Devletleri’nde kullanılan ilk metalik eğilmeli sönümleyici olma özelliğini de taşır.
1985 yılında Mexico depreminde hasar görerek güçlendirilen ancak 1986 ve 1989 yıllarındaki depremlerle tekrar
hasar gören 12 katlı Izazaga binası yaklaşık 250 adet metalik eğilmeli sönümleyici ile güçlendirilmiştir. Yine 1985
Mexico depreminde hasar gören 6 katlı bir hastanenin kardiyoloji bloğu da 90 adet metalik eğilmeli sönümleyici
kullanılarak güçlendirilmiştir. Mexico’da 3 bloklu bir apartman 1992 yılında 40 açıklıkta metalik sönümleyiciler
ile güçlendirilmiş ve çatı ötelenmesinde %20, katlardaki en büyük yanal ötelenmede ise %20 iyileşme olduğu
görülmüştür.
Pasif metalik eğilmeli sönümleyicilerin diğer sistemlere göre bir avantajı da basit metal elemanlardan
oluşmaları ve üretimi için çok az mühendislik tecrübe birikimi gerekmesidir. Ayrıca üretim maliyetleri çok
düşüktür. Çoğunlukla malzeme olarak çelik, yumuşak çelik, alüminyum, kurşun veya bakır tercih edilmektedir.
Sönümleyici sistemin farklı elemanlarını birleştirmek için kaynak veya bulon kullanılır. Bu sebeple üretimi ve
montajı sismik taban izolatörleri veya hidrolik sistemlere göre çok daha kolaydır. Ayrıca üretim tesisi gibi büyük
ön yatırım masraflarına da ihtiyaç yoktur.
Bu çalışmada toplam 9 adet eş ve birebir ölçekli BA çerçevenin sabit düşey yük (1000kN) altında farklı
kat ötelenme seviyelerinde yük-deplasman davranışı tekrarlı tersinir yüklemeler ile incelenmiştir. Bu
çerçevelerden bazıları içerisine tasarımı farklı pasif eğilmeli çelik sönümleyiciler bulunmaktadır. BA çerçevelerin
boyutları ve donatı detayları Şekil 1’de verilmiştir. Çerçevelerde kullanılan sönümleyiciler ise Tablo 1’de
verilmiştir. BA çerçeveler 3 farklı zamanda 3’erli olarak C30/37 hazır beton kullanılarak laboratuvar ortamında
üretilmiştir.
Tablo 1’de görüldüğü üzere iki BA çerçevede sönümleyici kullanılmamış ve çerçevenin sönümleyiciler
olmadan davranışı incelenmiştir (Şekil 2). Bir adet deney yatay yükleme sisteminin bir hatasından dolayı
kontrolsüz hareketi sonucunda iptal edilmek durumunda kalınmıştır. Kalan altı adet BA çerçevede ise altı farklı
sönümleyici kullanılmıştır.
Tablo 1. BA Çerçevelerde Kullanılan Sönümleyici Tipleri
BA Çerçeve No
Sönümleyici Tipi
Sönümleyici Adlandırması
Açıklama
1
Yok
-
-
2
Tip 1
Yarıklı (Slit)
-
3
Tip 2
RMS-TADAS (Multi Step Restricted TADAS)
Tam ve yarım boy üçgen levhalar
4
Deney iptal edildi
-
Yatay yükleme sisteminde meydana
gelen bir arıza sebebiyle
5
Yok
-
-
6
Tip 3
MS-TADAS (Multi Step TADAS)
Tam boy üçgen levhalar
7
Tip 4
MSV-TADAS (Multi Step Variable TADAS)
Tam boy üçgen levhalar, 3 ince + 4 kalın
8
Tip 5
MSV-TADAS (Multi Step Variable TADAS)
Tam boy üçgen levhalar, 4 kalın + 3 ince
9
Tip 6
U-TADAS (Unhindered TADAS)
Tam boy üçgen levhalar, 7 eş kalınlıkta
Tip1 sönümleyici literatürde çokça araştırılmış ve davranışı çok iyi bilinen yarıklı çelik sönümleyicidir.
Bu tipteki sönümleyici referans olması açısından kullanılmıştır. Diğer tüm sönümleyiciler yine literatürde
davranışı çokça incelenmiş üçgensel rijitlik ve sönüm katan (TADAS) bir başka metalik eğilmeli sönümleyicinin
farklı versiyonlarıdır. Bu sönümleyiciye yapılan şekilsel değişikliklerle bu sönümleyicinin davranışının
geliştirilmesi öngörülmüştür. Yapılan en büyük yenilik bu sönümleyicilerin %2.0 kat ötelenmesine kadar farklı ve
daha büyük kat ötelenmelerinde farklı davranmasını sağlayacak değişiklikten gelmektedir. Bu sisteme “Multi
Step” adı verilmiştir. Örneğin Tip2 sönümleyicide 3 adet tam ve 4 adet yarım üçgen çelik levha bulunmaktadır.
Bu levhalardan 3 tam levha her kat ötelenmesi seviyesinde yapıya rijitlik ve sönüm katmaktadır. Ancak %2.0 kat
ötelenmesinden sonra daha rijit olan 4 yarım üçgen levhada davranışa katılmaktadır. Benzer şekilde Tip3
sönümleyicide de 7 adet tam üçgen çelik levha bulunmaktadır. Ancak, önce 3 adet daha sonra 4 adet levha
davranışa katılmaktadır.
Şekil 1. BA Çerçeve Boyutları ve Donatı Detayları
Tip4 ve Tip5 sönümleyicilerde aynı sönümleyici içerisinde farklı kalınlıklarda levhalar kullanılmıştır.
Yapıya katılan rijitlik %2.0 kat ötelenmesi öncesi ve sonrası için daha belirgin hale getirilmiştir. Bu sistem
“Variable” olarak isimlendirilmiştir. Tip6 sönümleyicide ise çelik yapılar gibi kat ötelenmesi fazla olan yapılarda
kullanılmak üzere TADAS tipi bir sönümleyicinin kat ötelenmesinden bağımsız her kat ötelenmesi seviyesinde
sabit rijitlik ve sönüm katkısının olması amaçlanmıştır. Bu sistem “Unhindered” olarak isimlendirilmiştir.
Bu sönümleyiciler Şekil 1’de görüldüğü gibi rijit bir çelik çapraz yardımıyla kirişlerin altı ile temel arasına
yerleştirilmiştir. Kirişin hem altına hem de üstüne çelik levhalar yerleştirilmiş ve sönümleyiciler kirişin altındaki
çelik levhaya sabitlenmiştir. Kirişin üzerindeki levhada kirişin altındaki levha ile çok sayıda çelik tij ile
sabitlenmiştir. Deneyler sırasında kirişin hem altındaki hem de üstündeki çelik levhanın yatay deplasmanları
izlenmiş ve kirişle birlikte hareket ettikleri kirişe göre göreceli yer değiştirme yapmadıkları görülmüştür. Kiriş ve
temel arasına konulan çelik çapraz, BA çerçevenin temeline kimyasal dübel kullanılarak her bir ayakta 6 adet
olmak üzere toplam 12 noktada çelik tijlerle sabitlenmiştir. Deneyler sırasında bu çapraz ayağın yatayda ya da
düşeyde çerçevenin temeline göre herhangi bir göreceli deplasman yapmadığı görülmüştür. Bu durumda tüm
ankrajların istenen şekilde çalıştığını söylemek mümkündür. BA çerçeveler ise laboratuvardaki güçlü zemine
temelde bırakılan delikler yardımıyla çelik tijler ile sabitlenmiştir.
Şekil 2. Pasif Sönümleyicisi Bulunmayan BA Çerçeve 1 ve 5’in Yük – Deplasman Davranışı
Tüm deneyler sırasında düşeyde 1000kN ve her kolona 500kN olmak üzere sabit bir yük uygulanmıştır.
Bu yükün BA çerçevenin yatay hareketleri sırasında değişkenliği göz ardı edilebilinecek kadar azdır. Kolona gelen
bu 500kN düşey kuvvet kolon boyutları (300mm x 300mm) ve kullanılan betonun dayanımı (C30/37) göz önüne
alındığında düşey kapasitesinin yaklaşık %18.5’ine karşılık gelmektedir. Düşeyde yükleme yapan sistemin
detayları ile ilgili bir konferans bildirisi kaynakça kısmına eklenmiştir.
Şekil 3. Tersinir Tekrarlı Yükleme Protokolü
Deneyler sırasında tüm çerçevelere deplasman kontrollü ve değerleri Şekil 3’te verilen yükleme protokolü
uygulanmıştır. Burada uygulanan deplasman belirli kat ötelenme değerlerine karşılık gelmektedir. Her bir yükleme
adımı tersinir olacak şekilde 3 kez tekrar edilmiştir. BA çerçeveler en fazla %4.0 kat ötelenmesine kadar yük
uygulanmıştır.
Her 3 yükleme adımından sonra kolon-temel, kolon-kiriş birleşimleri ile BA çerçevenin önemli görülen
yerlerinin fotoğrafları çekilerek arşivlenmiştir. Ayrıca bir adet kolon-temel birleşimi ile sönümleyici olan
deneylerde sönümleyici, olmayan deneylerde ise BA çerçevenin genel görünümü kamera kaydına alınmıştır.
Bunların haricinde bir adet kolondan temelden 5cm, 15cm ve 30cm yukarısından düşey deplasman ölçümleri
alınarak kolon-temel birleşiminin dönmesi incelenmiştir. Burada kolon-temel birleşiminde plastik mafsalın
oluşacağı bölge temelden 15cm yukarısı olarak hesap edilmiş ve böylece mafsal altı, mafsal ve mafsal üzerinden
dönme değerleri kayıt altına alınmıştır. Ayrıca, BA çerçevenin temel seviyesinden alınan yatay deplasman
ölçümleri ile bu çerçevenin laboratuvardaki güçlü zemine ne kadar iyi ankastre olarak sabitlendiği ölçülmüştür.
Deneyler sırasında hiçbir çerçevenin temel hizasında yatayda 1mm’den fazla yer değiştirmediği görülmüş
olduğundan BA çerçeveler zemine ankastre olarak mesnetlenmiştir denilebilir. Kullanılan tüm sönümleyiciler
S235 çelik malzemeden imal edilmiş olup birleşimlerinde sadece kaynak ve bulon kullanılmıştır (Şekil 4).
Şekil 4. Çalışmada Kullanılan Pasif Çelik Eğilmeli Sönümleyiciler
Deneyler sonucunda pasif çelik eğilmeli sönümleyici ilave dilen tüm çerçevelerin sönümleyici
bulunmayan çerçevelere göre yük-deplasman davranışlarının iyileştiği görülmüştür. Sönümleyici ilave dilen
çerçevelerin aynı kat ötelenmesinde daha büyük yatay kuvvetlere ulaştığı ve daha büyük enerji soğurduğu
görülmüştür. Ayrıca sönümleyici ilavesi yapılan çerçevelerde kolon-temel ve kolon-kiriş birleşimlerinde daha geç
çatlak oluşumunun gözlendiği, çatlakların sayısının daha az olduğu görülmüştür. Örneğin sönümleyici ilavesi
yapılmayan BA çerçeve 5 ile Tip4 sönümleyici ilave edilen BA çerçeve 7 karşılaştırıldığında (Şekil 5) yaklaşık
%2.0 kat ötelenmesine denk gelen ±52mm deplasmandaki maksimum kuvvette %25 artış ve harcanan enerji
bakımından yaklaşık %30 artış görülmektedir.
Şekil 3. Sönümleyici Bulunmayan BA Çerçeve 5 ve Tip4 Sönümleyici Bulunan BA Çerçeve 7’ni Yük –
Deplasman Davranışı
Tip1
Tip2
Tip3
Tip4
Tip5
Tip6
Şekil 4. a) BA Çerçeve 8 ve Deney Düzeneğinin Genel Görünümü, b) BA Çerçeve 8 %4.0 kat
ötelenmesinde Kolon – Temel Birleşimi Hasarı
Şekil 4’de BA Çerçeve 8’in deney düzeneğine yerleştirilmiş ve deney başlamadan hemen önceki fotoğrafı
görülmektedir. Yine aynı şekilde örnek olarak bu çerçevenin %4.0 kat ötelenmesi seviyesinde kolon – temel
birleşiminde oluşan plastik mafsal hasarı gözükmektedir.
Sonuç olarak incelenen tüm metalik eğilmeli sönümleyicilerin BA çerçeve yük – deplasman davranışını
geliştirdiği, bu tipteki sönümleyicilerim üretiminin ve montajının kolay, ekonomik olduğu ve bu işlemler için özel
bir tecrübe gerektirmediği görülmüştür. Elde edilen sonuçlar OpenSees ve benzeri sonlu elemanlar yazılımları ile
genelleştirilerek bu sönümleyicilerin gerçek bir yapıda, yapı performansına ne derece katkıda bulunacağı bu
çalışmanın bir sonraki aşamasıdır. Bu çalışma ile elde edilen sönümleyici tipleri analitik analizlerle yorumlanarak
elde edilen sonuçlar bilimsel dizinlerde taranan uluslararası hakemli dergilerde yayınlanacaktır.
KAYNAKÇA
J. M. Kelly, R. I. Skinner, and A. J. Heine, “Mechanisms of energy absorption in special devices for use in
earthquake resistant structures,” Bull. N.Z. Soc. Earthq. Eng., vol. 5, no. 3, pp. 63–88, 1972, Accessed: Feb. 05,
2019. [Online]. Available: http://www.nzsee.org.nz/db/Bulletin/Archive/05(3)0063.pdf.
R. I. Skinner, R. G. Tyler, A. J. Heine, and W. H. Robinson, “Hysteretic Dampers For The Protection Of Structures
From Earthquakes,” Bull. New Zeal. Natl. Soc. Earthq. Eng., vol. 13, no. 4, pp. 22–36, 1980, Accessed: Feb. 14,
2019. [Online]. Available: http://www.nzsee.org.nz/db/Bulletin/Archive/13(1)0022.pdf.
P. Towashiraporn, J. Park, B. J. Goodno, and J. I. Craig, “Passive control methods for seismic response
modification,” Prog. Struct. Eng. Mater., vol. 4, no. 1, pp. 74–86, 2002, doi: 10.1002/pse.107.
I. Nuzzo, D. Losanno, N. Caterino, G. Serino, and L. M. Bozzo Rotondo, “Experimental and analytical
characterization of steel shear links for seismic energy dissipation,” Eng. Struct., vol. 172, pp. 405–418, Oct. 2018,
doi: 10.1016/J.ENGSTRUCT.2018.06.005.
R. Aghlara, M. Md. Tahir, and A. Adnan, “COMPARATIVE STUDY OF EIGHT METALLIC YIELDING
DAMPERS,” J. Teknol., vol. 77, no. 16, pp. 119–125, Nov. 2015, doi: 10.11113/jt.v77.6408.
A. Javanmardi, Z. Ibrahim, K. Ghaedi, H. Benisi Ghadim, and M. U. Hanif, “State-of-the-Art Review of Metallic
Dampers: Testing, Development and Implementation,” Arch. Comput. Methods Eng., Mar. 2019, doi:
10.1007/s11831-019-09329-9.
Karagöz, Ö., Eryılmaz Yıldırım, M., Doğan, M., & Ünlüoğlu, E., (2019). A Vertical Loading System With Linear
Slide Bearing For Full Size Column and Frame Experiments . Ulusal 7. Yapı Mekaniği Laboratuvarları Çalıştayı
(pp.113-118). Konya, Turkey, Erişim adresi: http://w.ymlt.org/wp-content/uploads/2019/10/ymlc2019.pdf
(a)
(b)
