Bu çalışma, yüksek gerilim doğru akım iletim sistemlerindeki dönüştürücü valf holü yapıları ile tavandan asılı dönüştürücü valflerin yatay ve düşey deprem hareketlerine karşı birlikte korunmasını incelemektedir. Araştırmacılar, kurşun çekirdekli kauçuk mesnetleri, gaz yaylarını, helisel yayları ve hava sönümleyicilerini tek bir sistemde birleştiren doğrusal olmayan, kendini merkezleyen üç boyutlu bir izolasyon mesnedi geliştirmiştir. Gaz yayı–kurşun çekirdekli kauçuk mesnet alt sistemi laboratuvar deneyleriyle incelenmiş; tüm yapı ise 20 üç bileşenli deprem kaydı kullanılarak ABAQUS sonlu eleman modeli üzerinde değerlendirilmiştir. Sayısal analizlerde yatay ivmelerde %31,8–%75,4, yatay yer değiştirmelerde %20,1–%65,1, düşey ivmelerde %24,6–%50,1 ve düşey yer değiştirmelerde %15,2–%39,9 oranında azalma bildirilmiştir.
Önerilen sistemin ayırt edici özelliği, küçük ve orta yer değiştirmelerde sismik izolasyon sağlayacak kadar esnek kalırken büyük yer değiştirmelerde gaz yaylarının doğrusal olmayan geri çağırma kuvvetini artırmasıdır. Bu davranış, mesnedin kuvvet–yer değiştirme eğrisinde büyük deplasmanlara yaklaşıldıkça belirginleşen sertleşme biçiminde görülmüştür. Gaz yayları böylece izolasyon katmanının kontrolsüz biçimde uzaklaşmasını sınırlamayı ve deprem sonrasında başlangıç konumuna dönme eğilimini güçlendirmeyi amaçlamaktadır.
Bununla birlikte çalışma, kendini merkezleme davranışını doğrudan artık yer değiştirme ölçümleriyle doğrulamamıştır. Deneysel doğrulama yalnızca yatay gaz yayı–kurşun çekirdekli kauçuk mesnet alt sistemi üzerinde gerçekleştirilmiş; düşey helisel yay–hava sönümleyicisi sistemi ve tam ölçekli valf holü yapısı fiziksel olarak test edilmemiştir. Bu nedenle bildirilen yapı düzeyindeki deprem performansı sonlu eleman simülasyonuna dayanmakta ve sonuçların gerçek saha uygulamasına aktarılabilmesi için tam sistem deneyleri gerekmektedir.
Araştırmanın temel sorusu nedir?
Araştırmanın temel sorusu, dönüştürücü valf holünün ana taşıyıcı sistemi ile tavandan esnek biçimde asılan ağır elektrik ekipmanlarının yatay ve düşey deprem tepkilerinin aynı izolasyon sistemiyle azaltılıp azaltılamayacağıdır. Çalışma ayrıca büyük yatay yer değiştirmelerde yeterli geri çağırma kuvveti üreterek deprem sonrasındaki kalıcı mesnet deformasyonlarını sınırlayabilecek bir mekanizmanın tasarlanıp tasarlanamayacağını araştırmaktadır.
Dönüştürücü valf holleri, yüksek gerilim doğru akım iletim sistemlerinin kritik tesislerindendir. Bu yapılar yalnızca geniş açıklıklı bir endüstri binasından ibaret değildir. Çelik çerçeveler, betonarme duvarlar, çatı makasları, izolatörler, duvar geçitleri, parafudrlar ve tavandan asılı ağır dönüştürücü valfler birlikte çalışan, dinamik açıdan karmaşık bir yapı–elektrik ekipmanı sistemi oluşturur. Deprem sırasında ana yapı salınırken asılı ekipman kendi düşük frekanslı hareketini sürdürebilir; çatının düşey hareketleri de askı izolatörleri ve valfler üzerinde ilave dinamik büyütme meydana getirebilir.
Mevcut izolasyon çözümlerindeki boşluk
Geleneksel kurşun çekirdekli veya yüksek sönümlü kauçuk mesnetler, yapının yatay titreşim periyodunu uzatarak ve histeretik enerji tüketerek yatay deprem tepkilerini azaltır. Ancak bu mesnetlerin düşey rijitliği genellikle yüksektir. Bu nedenle geniş açıklıklı çatılarda ve askılı elektrik ekipmanlarında görülebilen düşey ivme büyütmesini yeterince kontrol edemezler.
Daha önce geliştirilen üç boyutlu izolasyon sistemleri kauçuk mesnet, hava yayı, sürtünmeli sarkaç, halka yay, negatif rijitlik veya kayma mekanizmaları gibi farklı çözümler kullanmıştır. Araştırmacılara göre dönüştürücü valf holü ile askılı valflerin oluşturduğu bütünleşik sistem için cihaz geometrisinin, parametre tasarımının, bileşen deneylerinin ve tüm yapı performansının birlikte ele alındığı çalışmalar sınırlıdır. Önerilen NSC-3DIB sistemi bu boşluğu yatay ve düşey izolasyonu, enerji tüketimini ve büyük deplasman geri çağırma mekanizmasını aynı mesnette birleştirerek hedeflemektedir.
NSC-3DIB hangi bileşenlerden oluşmaktadır?
Doğrusal olmayan, kendini merkezleyen üç boyutlu izolasyon mesnedi; İngilizce adıyla nonlinear self-centering three-dimensional isolation bearing ve kısaltmasıyla NSC-3DIB, dört ana işlevsel bileşenden oluşmaktadır:
- Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet: Yatay yük taşıma, esnek deformasyon ve histeretik enerji tüketimi sağlar.
- Simetrik gaz yayları: Yatay yer değiştirme büyüdükçe hızla artan doğrusal olmayan geri çağırma kuvveti üretir.
- Helisel yaylar: Düşey rijitliği düşürerek sistemin düşey doğal titreşim periyodunu uzatır.
- Hava sönümleyicileri: Piston hareketi sırasında oluşan gaz sıkışması ve akış direnciyle düşey titreşim enerjisini tüketir.
Sistemde ayrıca düşey hareketin güvenli sınırları aşmasını önleyen deplasman sınırlayıcıları, kayma rayları, bağlantı plakaları ve koruyucu dış gövde bulunmaktadır. Şekil 1’de yatay ve düşey alt sistemlerin aynı mesnette fakat farklı mekanik görevlerle bir araya getirildiği görülmektedir. Yatay sistemin merkezinde kurşun çekirdekli kauçuk mesnet, çevresinde ise simetrik gaz yayları yer alırken düşey sistem helisel yaylar, hava sönümleyicileri ve sınırlayıcı elemanlardan oluşmaktadır.
Yatay hareket nasıl kontrol edilmektedir?
Yatay yönde kurşun çekirdekli kauçuk mesnet ile gaz yayları paralel çalışır ve aynı yatay yer değiştirmeye maruz kalır. Mesnet bir yöne hareket ettiğinde gaz yaylarından biri sıkışırken karşı taraftaki uzar. Hareket yönü tersine döndüğünde bu görevler yer değiştirir. İki gaz yayındaki basınç değişimi birlikte bir geri çağırma kuvveti meydana getirir.
Kurşun çekirdekli kauçuk mesnedin yatay geri çağırma kuvveti Bouc–Wen histerezis modeliyle ifade edilmiştir:
\[ F_L = \alpha K_0 x + (1-\alpha)F_y z \]
Burada FL kurşun çekirdekli kauçuk mesnedin yatay kuvvetini, K0 akma öncesi rijitliği, α akma sonrası rijitlik oranını, x yatay yer değiştirmeyi, Fy akma kuvvetini ve z histeretik iç değişkeni göstermektedir. İlk terim kauçuk tabakaların elastik katkısını, ikinci terim ise kurşun çekirdeğin akmasıyla oluşan çevrimsel enerji tüketimini temsil eder.
Histeretik değişkenin gelişimi aşağıdaki Bouc–Wen ilişkisiyle tanımlanmıştır:
\[ \dot{z} = \frac{1}{x_y}\left[A\dot{x}-\beta|\dot{x}|\,|z|^{n-1}z-\gamma\dot{x}|z|^n\right] \]
xy akma yer değiştirmesini; A, β, γ ve n ise histerezis döngüsünün biçimini, geçiş keskinliğini ve yükleme–boşaltma davranışını belirleyen model parametrelerini ifade eder. Denklem, kuvvetin yalnızca o andaki yer değiştirmeye değil, daha önceki yükleme geçmişine de bağlı olduğunu göstermektedir.
Gaz yayları neden doğrusal olmayan bir kuvvet üretmektedir?
Gaz yaylarının içindeki gaz sıkıştırıldığında hacim küçülür ve basınç yükselir. Küçük bir başlangıç hareketinde hacim değişiminin etkisi sınırlıyken piston strokunun sonuna yaklaşıldıkça aynı miktardaki ek hareket, kalan gaz hacminin daha büyük bir bölümünü etkiler. Bu nedenle kuvvet, yer değiştirmeyle doğrusal biçimde değil giderek hızlanan bir eğriyle artar.
Simetrik gaz yayı grubunun geri çağırma kuvveti politropik gaz süreci kabulü altında şu şekilde modellenmiştir:
\[ F_g = P_{g0}A_gV_0^{n_g}\frac{(V_0+A_gx)^{n_g}-(V_0-A_gx)^{n_g}}{(V_0^2-A_g^2x^2)^{n_g}} \]
Bu denklemde Pg0 başlangıç gaz basıncı, Ag etkin piston alanı, V0 başlangıç gaz hacmi ve ng politropik üs değeridir. Başlangıç basıncının veya piston alanının artırılması geri çağırma kuvvetini yükseltirken başlangıç gaz hacminin büyütülmesi, aynı yer değiştirmedeki göreli hacim değişimini ve dolayısıyla kuvvet artışını azaltır.
Kurşun çekirdekli mesnet ve gaz yayları paralel olduğu için toplam yatay kuvvet iki katkının toplamıdır:
\[ F_h = F_g + \alpha K_0x + (1-\alpha)F_yz \]
Bu ilişki NSC-3DIB sisteminin temel davranışını özetlemektedir. Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet çevrimsel enerjiyi tüketirken gaz yayları özellikle büyük deplasmanlarda artan bir geri çağırma kuvveti sağlar. Kuvvet–yer değiştirme eğrilerindeki geniş histerezis alanı enerji tüketimini, eğrinin uçlara doğru yukarı kıvrılması ise gaz yaylarının sertleşen davranışını göstermektedir.
Düşey izolasyon nasıl sağlanmaktadır?
Düşey sistemde helisel yaylar ile hava sönümleyicileri paralel çalışmaktadır. Helisel yayların geri çağırma kuvveti doğrusal olarak modellenmiştir:
\[ F_s = k_sy \]
Burada ks helisel yayların toplam düşey rijitliği, y düşey yer değiştirmedir. Rijitliğin azaltılması düşey doğal titreşim periyodunu uzatır. Böylece zemindeki hızlı düşey ivme değişimlerinin çatıya ve asılı ekipmana doğrudan aktarılması azaltılmaya çalışılır.
Hava sönümleyicileri değiştirilmiş Maxwell modeliyle temsil edilmiştir. Çalışmada kullanılan eşdeğer rijitlik ve sönüm katsayısı ilişkileri şöyledir:
\[ k_a = 1{,}102\frac{\gamma p_0 A_p}{h_p} \]
\[ c = 1{,}135\frac{\alpha_0 A_p^2}{1+3\varepsilon^2/2} \]
γ havanın özgül ısı oranını, p0 atmosfer basıncını, Ap piston alanını, hp hava haznesi yüksekliğini, α0 sönüm parametresini ve ε eksantriklik oranını göstermektedir. Hava sönümleyicisinin eşdeğer rijitliği helisel yay rijitliğine göre küçük kabul edildiği için düşey rijitlik tasarımında ihmal edilmiş, ağırlıklı olarak sönüm elemanı şeklinde kullanılmıştır.
Düşey mesnet kuvveti bu kabulle aşağıdaki yay–sönümleyici ilişkisine indirgenmiştir:
\[ F_z = k_sy + c\dot{y} \]
İlk terim düşey konuma bağlı elastik kuvveti, ikinci terim ise düşey hıza bağlı sönüm kuvvetini ifade eder. Sistem böylece düşey hareketi yalnızca yaylarla taşımak yerine hareket sırasında enerjinin bir bölümünü hava akış direnci yoluyla tüketmektedir.
Yapı hedefleri tek tek mesnetlere nasıl aktarılmıştır?
Araştırmanın önemli katkılarından biri, tüm valf holü için belirlenen izolasyon hedeflerini her kolon altındaki mesnet bileşenlerinin fiziksel parametrelerine dönüştüren aşamalı tasarım yöntemidir. Şekil 3’te verilen iş akışı üç kademeden oluşmaktadır: yapı ve tasarım hedeflerinin belirlenmesi, parametrelerin kolon tepkilerine göre tek tek mesnetlere dağıtılması ve kurşun çekirdekli mesnet, gaz yayı, helisel yay ile hava sönümleyicisinin geometrik boyutlarının hesaplanması.
İzolasyon katmanı üzerindeki toplam yapı kütlesi M, hedef başlangıç yatay periyodu Th,0, hedef düşey periyot Tv ve hedef düşey sönüm oranı ξv bilindiğinde toplam sistem parametreleri şu ilişkilerle hesaplanmaktadır:
\[ K_{h,0}=\frac{4\pi^2M}{T_{h,0}^2} \]
\[ K_v=\frac{4\pi^2M}{T_v^2} \]
\[ \omega_v=\frac{2\pi}{T_v} \]
\[ C_v=2\xi_vM\omega_v \]
Kh,0 toplam başlangıç yatay rijitliğini, Kv toplam düşey rijitliği, ωv düşey açısal frekansı ve Cv toplam düşey sönüm katsayısını göstermektedir.
Kolon yükleri eşit olmadığı için bütün mesnetlere aynı rijitlik ve sönüm değerinin verilmesi uygun görülmemiştir. Her mesnet için kolon tabanı düşey tepkisine bağlı bir dağıtım katsayısı kullanılmıştır:
\[ \lambda_i=\frac{N_i}{\sum_{i=1}^{N}N_i} \]
\[ k_{h,0,i}=\lambda_iK_{h,0},\qquad k_{v,i}=\lambda_iK_v,\qquad c_i=\lambda_iC_v \]
Ni, ilgili kolon altında taşınan düşey yükü; λi ise o mesnedin toplam sistem içindeki payını ifade etmektedir. Bu yaklaşım sayesinde daha fazla düşey yük taşıyan kolonların altındaki mesnetlere daha yüksek rijitlik ve sönüm kapasitesi atanmıştır.
Yatay rijitlik gaz yayları ile kauçuk mesnet arasında nasıl bölüştürülmüştür?
Gaz yayı grubunun başlangıç rijitliğinin kurşun çekirdekli mesnedin akma sonrası rijitliğine oranı ηk ile tanımlanmıştır. Buna göre:
\[ k_{l2,i}=\frac{k_{h,0,i}}{1+\eta_k} \]
\[ k_{g0,i}=\eta_k k_{l2,i} \]
kl2,i kurşun çekirdekli kauçuk mesnedin akma sonrası rijitliğini, kg0,i ise gaz yayı grubunun başlangıç rijitliğini göstermektedir. Tasarım yer değiştirmesi xm düzeyinde gaz yayı kuvvetinin kurşun çekirdekli mesnet kuvvetine oranı ayrıca ηf ile tanımlanmıştır:
\[ F_{g,i}(x_m)=\eta_fF_{L,i}(x_m) \]
Gaz yayının başlangıç rijitliği ise gaz basıncı ve geometrisiyle şu şekilde ilişkilendirilmiştir:
\[ k_{g0,i}=\frac{2n_gP_{g0,i}A_g^2}{V_0} \]
Bu bağıntılar başlangıç gaz basıncı, piston alanı ve gaz hacminin geriye doğru hesaplanmasına olanak vermektedir. Hesaplanan mesnedin tasarım deplasmanındaki eşdeğer yatay rijitliği ve periyodu hedefi karşılamıyorsa kuvvet oranı veya gaz yayı boyutları değiştirilerek işlem tekrarlanmaktadır.
Yatay alt sistem nasıl deneysel olarak sınanmıştır?
Araştırmacılar kurşun çekirdekli kauçuk mesnet, iki tarafta simetrik gaz yayları, üniversal bağlantılar, çelik plakalar ve hareket sınırlayıcılarından oluşan bir yatay izolasyon numunesi üretmiştir. Numuneye önce işletme durumunu temsil eden sabit bir düşey basınç uygulanmış, ardından yer değiştirme kontrollü tersinir yatay çevrimler verilmiştir. Yatay kuvvet ve deplasman eş zamanlı ölçülerek histerezis eğrileri elde edilmiştir.
Deney düzeninde gaz yayları üniversal mafsallarla bağlanmıştır. Bu bağlantıların amacı küçük dönmeleri ve montaj toleranslarını karşılamak, gaz yayı gövdelerinde istenmeyen eğilme momentlerini azaltmak ve elemanların mümkün olduğunca eksenel kuvvet taşımasını sağlamaktır. Şekil 4 deney makinesini, numune bileşenlerini ve çevrimsel yükleme protokolünü; Şekil 5 ise sağa ve sola hareket sırasında bir gaz yayının sıkışırken karşı taraftakinin uzadığını göstermektedir.
Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet numunesinin etkin çapı 250 mm, kurşun çekirdek çapı 42 mm ve toplam yüksekliği 190 mm’dir. Mesnette 17 adet 3,5 mm kauçuk tabaka ve 16 adet 2,5 mm çelik plaka kullanılmıştır. Akma öncesi rijitlik 3125 kN/m, akma sonrası rijitlik 312,5 kN/m ve akma yer değiştirmesi 4 mm olarak verilmiştir. Gaz yayları için 63, 80 ve 100 mm silindir çapları denenmiş; başlangıç basıncı ve çalışma uzunluğu değiştirilmiştir.
Gaz basıncı ve silindir çapı kuvveti nasıl değiştirmiştir?
Şekil 6’daki histerezis eğrilerinin temel mesajı, başlangıç gaz basıncı yükseldikçe eğrilerin dışa doğru genişlemesi ve büyük deplasmanlardaki yukarı kıvrılmanın belirginleşmesidir. Başlangıç basıncı 0,1 MPa’dan 0,5 MPa’ya çıkarıldığında 63 mm silindirli düzeneğin tepe geri çağırma kuvveti 32,55 kN’dan 45,41 kN’a yükselmiştir. Bu değişim %39,5 artışa karşılık gelmektedir.
Başlangıç basıncının 0,5 MPa olduğu durumda 80 mm çaplı silindirin tepe kuvveti 54,78 kN, 100 mm çaplı silindirin tepe kuvveti ise 69,07 kN olarak ölçülmüştür. Bu değerler 63 mm silindirli düzeneğe göre sırasıyla %20,6 ve %52,1 daha yüksektir. Sonuçlar yalnızca basıncın değil, etkin piston alanının da büyük deplasmandaki geri çağırma kuvvetini belirlediğini göstermektedir.
Gaz yayı çalışma uzunluğu neden önemlidir?
Şekil 7’de gaz yayı çalışma uzunluğu 60, 70 ve 80 mm arasında değiştirilmiştir. Çalışma uzunluğu arttıkça başlangıç gaz hacmi büyümüş ve aynı yatay deplasmanda meydana gelen göreli hacim değişimi küçülmüştür. Bunun sonucunda hem başlangıç rijitliği hem de büyük deplasmandaki geri çağırma kuvveti azalmıştır.
Daha kısa çalışma uzunluğu küçük bir gaz hacmi oluşturduğu için pistonun aynı miktardaki hareketi gazı oransal olarak daha fazla sıkıştırmaktadır. Bu durum daha güçlü bir sertleşme davranışı üretir. Ancak daha yüksek kuvvetin her zaman daha iyi izolasyon anlamına gelmediği unutulmamalıdır; aşırı rijitlik izolasyon periyodunu kısaltabilir ve üst yapıya aktarılan ivmeyi artırabilir.
Teorik model deneylerle ne ölçüde uyuşmuştur?
Model doğrulaması, doğrusal olmayan etkinin en belirgin olduğu 60 mm çalışma uzunluğu ve 0,5 MPa başlangıç basıncı altında, üç farklı silindir çapı için yapılmıştır. Şekil 8’de teorik ve deneysel histerezis eğrileri genel biçim, çevrim alanı ve büyük deplasmandaki kuvvet artışı bakımından birbirine yakın görünmektedir.
Tepe geri çağırma kuvvetindeki hatalar bütün silindir çaplarında %10’un altında kalmış, en yüksek hata %9,7 olarak bildirilmiştir. Bu doğrulama yatay gaz yayı–kurşun çekirdekli kauçuk mesnet modelinin sonlu eleman analizinde kullanılmasını desteklemektedir. Ancak doğrulama yalnızca incelenen numune boyutları, basınçlar, çalışma uzunlukları ve yarı statik yükleme koşulları için geçerlidir; hızlı dinamik yükleme, uzun süreli çevrimsel yorgunluk, sıcaklık değişimi ve tam ölçek etkileri ayrıca test edilmemiştir.
Valf holünün sonlu eleman modeli nasıl kurulmuştur?
İncelenen valf holü, ultra yüksek gerilimli doğru akım iletim projesindeki tek katlı, geniş açıklıklı bir endüstri yapısıdır. Yapının yüksekliği 31,4 m, plan boyutları 94 m × 35,5 m’dir. Sistem çelik çerçeveler ile betonarme duvarları birleştiren karma bir taşıyıcı düzene sahiptir.
Boyuna doğrultuda altı dönüştürücü valf grubu yer almaktadır. Her grupta dört tristör valfi ve bir parafudr olmak üzere beş askı noktası bulunmaktadır. Her askı noktası çatı makasının alt başlığına bir askı izolatörüyle bağlanmış ve 30 kN yoğunlaştırılmış yük taşımaktadır. Bu esnek askı biçimi, valflerin ana yapıdan daha düşük frekansta salınmasına olanak vermektedir.
ABAQUS modelinde çelik çerçeve kirişleri ve kolonları, çatı makası elemanları ile betonarme çerçeve elemanları B31 kiriş elemanlarıyla; perde duvarlar S4R kabuk elemanlarıyla modellenmiştir. Dönüştürücü valfler kabuk, askı izolatörleri ise kiriş elemanlarıyla temsil edilmiştir. Yapısal sönüm için Rayleigh sönüm modeli kullanılmıştır.
İzolasyonsuz yapının temel yatay frekansı 1,51 Hz, düşey frekansı 2,92 Hz olarak hesaplanmıştır. Bunlar yaklaşık 0,66 saniyelik yatay ve 0,34 saniyelik düşey periyotlara karşılık gelmektedir. Asılı dönüştürücü valflerin temel frekansı ise 0,39 Hz’dir. Bu düşük frekans, valflerin ana yapıya göre çok daha esnek ve uzun periyotlu hareket ettiğini göstermektedir.
İzolasyon sistemi yapı modeline nasıl yerleştirilmiştir?
Her kolon tabanına bir tane olmak üzere toplam 51 NSC-3DIB yerleştirilmiştir. Önce izolasyonsuz modelin statik analizi yapılarak her kolonun taban tepkisi hesaplanmış, daha sonra toplam rijitlik ve sönüm değerleri bu tepkiler oranında tek tek mesnetlere dağıtılmıştır. Şekil 10’da mesnetlerin plan üzerindeki konumları ve kolon aksları gösterilmektedir.
Tasarımda başlangıç yatay izolasyon periyodu 2,0 saniye, düşey izolasyon periyodu 0,6 saniye, yatay tasarım yer değiştirmesi 100 mm, düşey tasarım yer değiştirmesi 20 mm ve hedef düşey sönüm oranı 0,15 olarak seçilmiştir. Başlangıç rijitlik oranı ηk 0,5, tasarım deplasmanındaki gaz yayı/kurşun çekirdekli mesnet kuvvet oranı ηf ise 0,7’dir.
Örnek olarak A/1 aksındaki 209,6 kN düşey tepki taşıyan mesnet için düşey rijitlik 3093,1 kN/m, düşey sönüm katsayısı 88,61 kN·s/m olarak hesaplanmıştır. Bu mesnette kurşun çekirdekli kauçuk elemanın dış çapı 280 mm, kurşun çekirdek çapı 44 mm, akma kuvveti 14,85 kN ve akma yer değiştirmesi 8 mm’dir. Gaz yayı başlangıç basıncı 0,3 MPa, tek gaz yayı çapı 147 mm ve çalışma uzunluğu 141 mm olarak verilmiştir.
ABAQUS içerisinde gaz yayı ve kurşun çekirdekli kauçuk mesnet yatay doğrultuda paralel çalışan iki ayrı CONN3D2 bağlantı elemanıyla tanımlanmıştır. Gaz yayı için doğrusal olmayan elastik, kurşun çekirdekli mesnet için elastik-plastik bağlantı davranışı kullanılmıştır. Düşey yönde ise helisel yay rijitliği ile hava sönümleyicisinin sönüm özelliği tek bir bağlantı sistemi içinde temsil edilmiştir.
Deprem hareketleri nasıl seçilmiştir?
Zaman tanım alanı analizlerinde PEER NGA-West2 veri tabanından seçilen 20 deprem kaydı kullanılmıştır. Kayıtların 10’u yakın alan, 10’u uzak alan hareketidir. Moment büyüklükleri 6,50 ile 7,62 arasında, kırılmaya en yakın mesafeler ise 0,34 km ile 76,26 km arasında değişmektedir.
Hedef tasarım koşullarında karakteristik periyot 0,4 saniye ve tasarım yer ivmesi 0,2 g olarak alınmıştır. Deprem hareketinin üç bileşeni modele X:Y:Z = 1:0,85:0,65 oranında uygulanmıştır. Boyuna X doğrultusu ana giriş yönü kabul edilmiştir.
Yatay tepkiler çelik kolon tepesinde, perde duvar tepesinde, çatı makası alt başlığının orta açıklığında ve dönüştürücü valfin alt kısmında incelenmiştir. Düşey tepkiler çatı makası orta açıklığı ile valfin alt kısmında değerlendirilmiştir. Her noktada tepe ve karekök ortalama kare değerleri kullanılarak ivme ve yer değiştirme karşılaştırmaları yapılmıştır.
Yatay izolasyon sonuçları ne göstermektedir?
NSC-3DIB bütün değerlendirme noktalarında hem yatay ivmeyi hem de yatay yer değiştirmeyi azaltmıştır. X ve Y doğrultularındaki sonuçlar birlikte değerlendirildiğinde yatay ivme izolasyon oranları %31,8 ile %75,4, yatay yer değiştirme izolasyon oranları ise %20,1 ile %65,1 arasında değişmiştir.
İvme azalması genel olarak yer değiştirme azalmasından daha yüksek bulunmuştur. Bu durum izolasyon sisteminin üst yapıya aktarılan ani hareketi etkili biçimde süzdüğünü, fakat izolasyon katmanının hareket edebilmesi için belirli bir deplasmana izin vermesi gerektiğini göstermektedir. Başka bir ifadeyle sistem, zemindeki hareketi tamamen ortadan kaldırmamakta; hareketin bir bölümünü mesnet seviyesinde kontrollü bir deplasmana dönüştürmektedir.
Şekil 14 ve Şekil 15’teki kutu grafikler uzak alan kayıtlarında izolasyon oranlarının çoğunlukla yakın alan kayıtlarından daha yüksek olduğunu göstermektedir. Araştırmacılar bu farkı uzak alan hareketlerinin daha düzgün spektral içeriğiyle ilişkilendirmektedir. Bazı yakın alan hareketlerindeki hız darbeleri ve yoğun düşük frekans içeriği, izolasyon katmanında daha büyük deplasman oluşturarak doğrusal olmayan gaz yaylarını daha yüksek rijitlik bölgesine taşıyabilir.
Y doğrultusundaki performans X doğrultusuna göre bir miktar daha düşük bulunmuştur. Yazarlar bu sonucu yapının Y doğrultusundaki plan asimetrisi, düzensiz kütle–rijitlik dağılımı ve yerel titreşim farklılıklarıyla ilişkilendirmektedir. Ancak çalışma bu açıklamayı ayrı bir burulma analiziyle doğrudan sınamamıştır; dolayısıyla bu mekanizma yazarların sayısal sonuçlara dayalı yorumudur.
Düşey izolasyon sonuçları ne göstermektedir?
Düşey kontrol yatay kontrol kadar yüksek olmasa da çatı sistemi ve askılı valflerde anlamlı tepki azalmaları elde edilmiştir. Düşey ivme izolasyon oranları %24,6–%50,1, düşey yer değiştirme izolasyon oranları %15,2–%39,9 aralığındadır.
Şekil 16’da valfin alt kısmındaki düşey tepki azalmasının çatı makası orta açıklığındakinden genel olarak daha yüksek olduğu görülmektedir. Araştırmacılara göre çatı makası orta açıklığı, çatının uzaysal davranışı, askı izolatörlerinin bağlantısı ve yerel eleman titreşimlerinden birlikte etkilenmektedir. Valfin alt kısmı ise askı sisteminin toplam hareketini daha doğrudan yansıtmaktadır.
Bu sonuçlar düşey sistemin deprem hareketini bütünüyle kesmediğini, ancak düşük düşey rijitlik ile hava sönümünü birleştirerek çatıdan asılı ekipmana aktarılan hareketi azalttığını göstermektedir. Düşey izolasyonun performansı, helisel yayların taşıma kapasitesi ve strok sınırı kadar hava sönümleyicilerinin geometrisine de bağlıdır.
Deprem şiddeti arttığında performans neden düşmektedir?
El Centro Array #9, Pacoima Dam, Taft Lincoln School ve Ferndale City Hall kayıtları farklı tepe yer ivmesi seviyelerine ölçeklenerek duyarlılık analizi yapılmıştır. Tepe yer ivmesi 0,2 g’den 0,4 g’ye yükseldiğinde yatay izolasyon oranları kullanılan tepki ölçütüne ve deprem kaydına bağlı olarak 9,2–20,3 yüzde puan azalmıştır.
Daha güçlü deprem hareketi izolasyon katmanında daha büyük deplasman üretir. Bu deplasman gaz yaylarını kuvvet–yer değiştirme eğrisinin sertleşen bölgesine taşır. Eşdeğer yatay rijitlik yükseldiğinde izolasyon periyodu kısalır ve periyot uzatmanın sağladığı ivme azaltma avantajı zayıflar. Bu davranış, gaz yayının güvenli geri çağırma kuvveti ile düşük izolasyon rijitliği arasında bir tasarım dengesi kurulması gerektiğini göstermektedir.
Geri çağırma kuvveti oranının artırılması her zaman yararlı mıdır?
Hayır. Gaz yayı kuvvetinin kurşun çekirdekli kauçuk mesnet kuvvetine oranı olan ηf, 0,7’den 1,1’e çıkarıldığında dört deprem kaydının tamamında yatay izolasyon oranları düşmüştür. Azalma 3,3–8,0 yüzde puan aralığındadır.
Daha yüksek ηf, büyük deplasmanda daha güçlü geri çağırma kuvveti sağladığı için başlangıç konumuna dönme eğilimini artırabilir. Fakat aynı zamanda eşdeğer yatay rijitliği yükseltir ve izolasyon periyodunu kısaltır. Bu nedenle en yüksek kendini merkezleme kuvveti ile en yüksek izolasyon verimi aynı parametre noktasında elde edilmemektedir.
Çalışmanın temel tasarım sonucu, ηf değerinin yalnızca maksimum kuvvete göre seçilmemesi gerektiğidir. Tasarım yatay deplasmanı, hedef periyot, mesnet stroku, üst yapı ivmesi ve deprem sonrası geri dönme ihtiyacı birlikte değerlendirilmelidir.
Hava sönümleyicisi piston çapı düşey performansı nasıl etkilemiştir?
Hava sönümleyicisinin silindir çapı 200,2 mm olarak sabit tutulurken piston çapı 199,4 mm’den 200,0 mm’ye çıkarılmıştır. Piston çapı büyüdükçe piston ile silindir arasındaki halka biçimli akış boşluğu küçülmüş, gaz akış direnci ve eşdeğer sönüm artmıştır.
Şekil 19’daki eğriler bütün incelenen deprem kayıtlarında piston çapı arttıkça düşey ivme ve yer değiştirme izolasyon oranlarının yükseldiğini göstermektedir. Toplam iyileşme 5,6–8,1 yüzde puan aralığındadır.
Bununla birlikte çok küçük bir çalışma boşluğu üretim toleranslarını kritik hâle getirebilir, sürtünme veya sıkışma riskini artırabilir ve istenen strokun gerçekleşmesini engelleyebilir. Araştırmacılar bu nedenle piston çapının yalnızca sayısal izolasyon oranına göre değil, üretilebilirlik, hareket serbestliği, sönüm kuvveti, düşey tasarım deplasmanı ve sınırlayıcı güvenlik payıyla birlikte seçilmesini önermektedir.
Çalışmanın desteklediği sonuçlar
- Gaz yaylarının başlangıç basıncı ve piston alanı, yatay geri çağırma kuvvetini belirgin biçimde değiştirmektedir.
- Gaz yayının çalışma uzunluğu arttığında başlangıç rijitliği ve büyük deplasman kuvveti azalmaktadır.
- Gaz yayı–kurşun çekirdekli kauçuk mesnet modeli, incelenen yarı statik deneylerde en fazla %9,7 tepe kuvveti hatasıyla deneysel eğrileri temsil etmiştir.
- Sonlu eleman modeli içinde NSC-3DIB, ana yapı, çatı ve askılı valflerin yatay ve düşey deprem tepkilerini azaltmıştır.
- Artan deprem şiddeti ve artan gaz yayı kuvvet oranı yatay izolasyon verimini düşürmüştür.
- Hava sönümleyicisindeki akış boşluğunun azaltılması, sayısal modelde düşey izolasyon performansını iyileştirmiştir.
Çalışmanın kanıtlamadığı sonuçlar
- Çalışma, tam ölçekli NSC-3DIB mesnedinin gerçek bir valf holünde deprem altında başarıyla çalıştığını göstermemektedir.
- Deprem sonrası artık yer değiştirme doğrudan hesaplanmadığı veya deneysel olarak ölçülmediği için tam kendini merkezleme performansı doğrulanmamıştır.
- Düşey helisel yay–hava sönümleyicisi alt sistemi bu çalışma kapsamında fiziksel olarak sınanmamıştır.
- Mesnetlerin uzun dönem yorulma, yaşlanma, sıcaklık değişimi, gaz kaçağı, bakım ve arıza davranışı değerlendirilmemiştir.
- Toprak–yapı etkileşimi modele dâhil edilmemiştir.
- Tek bir valf holü geometrisine dayalı sonuçlar bütün dönüştürücü istasyonlarına doğrudan genellenemez.
- Preprint sonuçları hakemli bilimsel uzlaşı veya uygulanmaya hazır tasarım standardı niteliğinde değildir.
Güçlü yönler ve gelecekteki önem
Çalışmanın güçlü yönü, cihaz fikrini yalnızca kavramsal bir çizim olarak bırakmamasıdır. Araştırmacılar mekanik denklemleri kurmuş, yapı hedeflerini tek tek mesnet parametrelerine dönüştüren bir tasarım akışı geliştirmiş, yatay alt sistem numunesini üretmiş, modeli deneysel eğrilerle karşılaştırmış ve ardından bütün valf holü için üç bileşenli deprem analizleri yapmıştır.
Önerilen yaklaşım özellikle enerji iletim altyapısında yalnızca binanın ayakta kalmasına değil, binaya bağlı hassas elektrik ekipmanının işlevini sürdürmesine odaklanmaktadır. Güç iletim tesislerinde deprem sonrası hızlı toparlanma, yapısal hasarın önlenmesi kadar askılı valfler, izolatörler ve bağlantı elemanlarının korunmasına da bağlıdır.
Gelecekteki çalışmaların tam ölçekli üç boyutlu mesnet deneylerini, sarsma tablası doğrulamasını, artık deplasman ölçümlerini, çevrimsel dayanıklılığı, gaz sızdırmazlığını, sıcaklık etkilerini, düşey-yatay etkileşimi, burulma davranışını ve toprak–yapı etkileşimini kapsaması gerekmektedir. Bu doğrulamalar tamamlanmadan sistemin saha performansı kesinleşmiş kabul edilmemelidir.
Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları
Araştırma tasarımının teknik özeti
| Aşama | Uygulanan yöntem | Temel amaç |
|---|---|---|
| Mekanik modelleme | Yatay sistem için Bouc–Wen modeli ve politropik gaz yayı ilişkisi; düşey sistem için paralel helisel yay–hava sönümleyicisi modeli | Mesnet kuvvet–yer değiştirme ve kuvvet–hız davranışını tanımlamak |
| Parametre tasarımı | Hedef yatay/düşey periyot, tasarım deplasmanı ve sönüm oranının kolon tepkilerine göre 51 mesnede dağıtılması | Yapı düzeyindeki hedefleri bileşen geometrisine dönüştürmek |
| Yatay bileşen deneyi | Sabit düşey yük altında yer değiştirme kontrollü tersinir yarı statik basma–kesme deneyi | Gaz basıncı, silindir çapı ve çalışma uzunluğunun etkisini belirlemek |
| Model doğrulaması | Teorik ve deneysel histerezis eğrilerinin karşılaştırılması | Yatay modelin sonlu eleman analizinde kullanılabilirliğini değerlendirmek |
| Yapı analizi | ABAQUS sonlu eleman modeli ve 20 üç bileşenli deprem kaydı | İzolasyonlu ve izolasyonsuz valf holü tepkilerini karşılaştırmak |
| Duyarlılık analizi | PGA, yatay geri çağırma kuvveti oranı ve hava sönümleyicisi piston çapının değiştirilmesi | Performansı en fazla etkileyen tasarım değişkenlerini belirlemek |
Deney numunesinin temel parametreleri
| Bileşen | Ölçülen veya tanımlanan parametre | Değer |
|---|---|---|
| Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet | Etkin çap | 250 mm |
| Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet | Kurşun çekirdek çapı | 42 mm |
| Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet | Toplam yükseklik | 190 mm |
| Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet | Kauçuk tabakalar | 17 × 3,5 mm |
| Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet | Çelik plakalar | 16 × 2,5 mm |
| Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet | Akma öncesi rijitlik | 3125 kN/m |
| Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet | Akma sonrası rijitlik | 312,5 kN/m |
| Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet | Akma yer değiştirmesi | 4 mm |
| Gaz yayları | Silindir çapları | 63, 80 ve 100 mm |
| Gaz yayları | Toplam çalışma uzunluğu | 200 mm |
| Değiştirilen deney koşulları | Başlangıç gaz basıncı | 0,1–0,5 MPa |
| Değiştirilen deney koşulları | Etkin çalışma uzunluğu | 60, 70 ve 80 mm |
Valf holü ve analiz parametreleri
| Parametre | Değer veya uygulama |
|---|---|
| Yapı boyutları | 94 m × 35,5 m plan; 31,4 m yükseklik |
| Dönüştürücü valf grubu | 6 grup |
| Her gruptaki askı noktası | 4 tristör valfi ve 1 parafudr için toplam 5 nokta |
| Her askı noktasındaki yük | 30 kN |
| Mesnet sayısı | 51 NSC-3DIB |
| Başlangıç yatay izolasyon periyodu | 2,0 s |
| Düşey izolasyon periyodu | 0,6 s |
| Yatay tasarım deplasmanı | 100 mm |
| Düşey tasarım deplasmanı | 20 mm |
| Hedef düşey sönüm oranı | 0,15 |
| Başlangıç rijitlik oranı | ηk = 0,5 |
| Geri çağırma kuvveti oranı | ηf = 0,7 |
| Deprem kayıtları | 10 yakın alan ve 10 uzak alan olmak üzere 20 kayıt |
| Üç bileşenli giriş oranı | X:Y:Z = 1:0,85:0,65 |
| Tasarım yer ivmesi | 0,2 g |
Ana deneysel ve sayısal bulgular
| İncelenen değişken veya tepki | Karşılaştırma | Bildirilen sonuç | Bilimsel yorum |
|---|---|---|---|
| 63 mm gaz yayı tepe kuvveti | 0,1 MPa ile 0,5 MPa başlangıç basıncı | 32,55 kN’dan 45,41 kN’a; %39,5 artış | Başlangıç basıncı geri çağırma kuvvetini belirgin biçimde yükseltmiştir. |
| Silindir çapı etkisi | 0,5 MPa altında 63, 80 ve 100 mm | 80 mm: 54,78 kN; 100 mm: 69,07 kN | Daha büyük piston alanı daha yüksek büyük-deplasman kuvveti sağlamıştır. |
| Teorik model doğruluğu | Deneysel ve teorik tepe kuvvetleri | En yüksek hata %9,7 | Yatay model incelenen deney koşullarında kabul edilebilir uyum göstermiştir. |
| Yatay ivme | İzolasyonlu ve izolasyonsuz yapı | %31,8–%75,4 azalma | En güçlü izolasyon etkisi genel olarak yatay ivmelerde elde edilmiştir. |
| Yatay yer değiştirme | İzolasyonlu ve izolasyonsuz yapı | %20,1–%65,1 azalma | Üst yapı deplasmanları azalırken hareketin bir bölümü izolasyon katmanında karşılanmıştır. |
| Düşey ivme | İzolasyonlu ve izolasyonsuz çatı/valf | %24,6–%50,1 azalma | Helisel yay ve hava sönümleyicisi düşey hareket aktarımını azaltmıştır. |
| Düşey yer değiştirme | İzolasyonlu ve izolasyonsuz çatı/valf | %15,2–%39,9 azalma | Düşey deplasman kontrolü ivme kontrolünden daha sınırlı kalmıştır. |
| PGA duyarlılığı | 0,2 g’den 0,4 g’ye artış | Yatay izolasyon oranında 9,2–20,3 yüzde puan düşüş | Büyük deplasmanlarda gaz yaylarının sertleşmesi izolasyon periyodunu kısaltmıştır. |
| ηf duyarlılığı | 0,7’den 1,1’e artış | Yatay izolasyon oranında 3,3–8,0 yüzde puan düşüş | Daha güçlü geri çağırma kuvveti ile daha yüksek izolasyon verimi arasında ödünleşim oluşmuştur. |
| Hava sönümleyicisi piston çapı | 199,4 mm’den 200,0 mm’ye artış | Düşey izolasyon oranında 5,6–8,1 yüzde puan artış | Daha dar halka boşluğu gaz akış direncini ve eşdeğer sönümü artırmıştır. |
Yöntemsel varsayımlar ve sınırlılıklar
- Mesnedin yatay ve düşey davranışlarının yaklaşık olarak birbirinden bağımsız olduğu kabul edilmiştir.
- Gaz yaylarının esas olarak eksenel yük taşıdığı, bağlantı dönmesi ve ikincil eğilme etkilerinin ihmal edilebileceği varsayılmıştır.
- Kurşun çekirdekli kauçuk mesnet davranışı Bouc–Wen modeliyle idealize edilmiştir.
- Düşey deformasyonun esas olarak helisel yaylarda, enerji tüketiminin ise hava sönümleyicilerinde oluştuğu kabul edilmiştir.
- Hava sönümleyicisinin eşdeğer rijitliği düşey tasarımda ihmal edilmiştir.
- Toprak–yapı etkileşimi hesaba katılmamıştır.
- Yatay alt sistem yarı statik olarak sınanmış; tam üç boyutlu mesnet ve düşey alt sistem deneysel olarak doğrulanmamıştır.
- Artık yer değiştirme ve deprem sonrası gerçek yeniden merkezlenme miktarı doğrudan raporlanmamıştır.
- Sonuçlar tek bir valf holü modeli ve seçilen deprem kayıtları için elde edilmiştir.
Kaynak ve Yöntem Notu
Çalışmanın tam özgün adı:Design and Seismic Response Control of a Nonlinear Self-Centering Three-Dimensional Isolation Bearing for Converter Valve Hall Structures
Yazarlar ve sıralamaları: Kunjie Rong, Junrong Gong ve Li Tian.
Yazar kurumları:
- Kunjie Rong: School of Energy Power and Engineering, North China Electric Power University; School of Civil Engineering, Shandong University; Hebei Key Laboratory of Electric Machinery Health Maintenance and Failure Prevention; Yanzhao Electric Power Laboratory.
- Junrong Gong: School of Civil Engineering, Shandong University.
- Li Tian: School of Civil Engineering, Shandong University.
Eş birinci yazarlık: Metinde eş birinci yazarlık veya eş katkı beyanı yer almamaktadır.
Sorumlu yazar: Li Tian. Çalışmada sorumlu yazar e-posta adresi tianli@sdu.edu.cn olarak verilmiştir.
DOI: 10.2139/ssrn.7196888. DOI bilgisi çalışmanın metin bölümünde gösterilmemiş, resmî SSRN kaydı üzerinden doğrulanmıştır.
Dergi: Çalışmanın hakemli bir dergide yayımlandığı veya kabul edildiği doğrulanmamıştır.
Yayın platformu ve özgün yayıncı: SSRN, Elsevier bünyesindeki preprint platformu.
Yayın yılı: 2026.
Kaynak türü: Deneysel yatay bileşen çalışması ile sonlu eleman simülasyonunu birleştiren preprint araştırma çalışması.
Hakemlik durumu: Bu çalışma hakem değerlendirmesinden geçmemiş bir preprinttir; sonuçları bu sınırlılık dikkate alınarak okunmalıdır.
Resmî kaynak bağlantısı: https://ssrn.com/abstract=7196888
Bu Türkçe makale, yüklenen çalışmanın metni, denklemleri, tabloları, deney görselleri, mekanik şemaları, histerezis eğrileri, sonlu eleman modeli, deprem tepki grafikleri ve duyarlılık analizleri incelenerek hazırlanmıştır. Yazar, DOI, platform ve yayın durumu dışındaki bilimsel içerik yüklenen çalışma ile sınırlandırılmış; dış kaynaklardan yeni bilimsel bulgu eklenmemiştir.
Çalışmanın en önemli yöntemsel sınırı, yalnızca yatay gaz yayı–kurşun çekirdekli kauçuk mesnet alt sisteminin fiziksel olarak sınanmış olmasıdır. Düşey alt sistem, tam üç boyutlu mesnet, bütün valf holü ve gerçek deprem sonrası kendini merkezleme davranışı deneysel olarak doğrulanmamıştır. Yapı düzeyindeki izolasyon oranları sonlu eleman simülasyonuna dayanmaktadır. Bu çalışma saha uygulaması, uzun dönem dayanıklılık veya gerçek deprem performansı kanıtı sunmamaktadır.
Bir yorum bırakın
E-posta adresiniz yayınlanmayacaktır. Gerekli alanlar * ile işaretlenmiştir