EFFECTS OF WIND, AMBIENT AND EARTHQUAKE LOADING ON IDENTIFICATION ON STRUCTURAL CHARACTERISTICS OF THE TALL BUILDINGS


Creative Commons License

Beyen K.

9TCEE Conference Book, vol.1, no.1, pp.449-458, 2021 (International Conference Book)

  • Publication Type: Article / Article
  • Volume: 1 Issue: 1
  • Publication Date: 2021
  • Title of Journal : 9TCEE Conference Book
  • Page Numbers: pp.449-458

Abstract

Responses to different dynamic loads are key records and essentially hold important structural information for structural identification studies. Uncontrollable natural forces like earthquake, wind or microtremors developed by different source mechanisms produce different responses in the structural systems. In the frame of the structural dynamics, excitation forces and corresponding structural responses that are measurable kinematic variables can be used as a set of pair in structural identification analysis. Strong ground motions caused by uncontrollable but recordable seismic forces are the forces acting on the mass in the direction of the excitation generate structural vibrations in a broader frequency range and effectively participated dynamic parameters can be predicted from the records for the measurement points. The occurrence frequency of seismic forces, such as strong ground motion, is much lower than the wind (storm) conditions that are active throughout the year. The wind reactions of the tall buildings are therefore more important than the earthquake. In addition, supplying the life comfort of the occupancies is another important problem that needs to be solved. Effects of wind excitation that is typically the dominant loading on low frequency structures with fundamental frequencies below 1Hz are observable for long span bridges and tall buildings. Response to such low frequency wind forces diminishes at higher frequencies. For the working tall structure likely to be excited by wind loading, both symmetric and non-symmetric modes may be identified. Along the wind loading, ambient vibration responses, which is the nearest excitation source to the ideal stationary Gaussian white noise distribution, exhibiting excellent random character over a broader frequency range, fundamental modes and corresponding frequencies are identified well enough. It is seen that all these natural forces are not alternatives of each other and they substitute or complement the weak / insensitive frequency bands of some others in revealing the dynamic characteristics of the studied engineering structure. These data sets, which are obtained for the working tall building from the structural health monitoring network program operating by the Kandilli Observatory and Earthquake Research Institute, are evaluated in the above framework and the contributions of each of them are discussed.

Yapıların zamanla değişen farklı yüklere karşı sergiledikleri dinamik tepkiler yapı karekteristiği tanılama çalışmalarının temel verileridir. Kontrol dışı doğada çeşitli tetikleyici mekanizmalar ile gelişen kuvvetli yer hareketi, rüzgâr veya mikrotremor hareketleri yapılarda farklı tepki titreşimleri üretir. Yapı dinamiği çerçevesinde tetikleyici girdi kuvvetler ile yapıların ürettiği karşıt tepkiler ölçülebilir kinematik değişkenler olup, bu veri çiftleri yapı tanılama analizlerinde kullanılır. Kontrol edilemeyen fakat ölçülebilen sismik kuvvetlerin neden olduğu örneğin kuvvetli yer hareketi kütleye etkiyen kuvvetler olup etkidikleri yönde neden olacakları geniş frekans yelpazesine yayılmış yapısal titreşim tepkileri sayesinde etkin parametreler ölçüm noktalarında tahmin edilebilmektedir. Yapının kuvvetli yer hareketi gibi sismik kuvvetlere yakalanma sıklığı, yıl boyu etkin olan rüzgâr (fırtına) şartlarından çok düşüktür. Yüksek yapıların fırtına tepkileri bu sebeple depreme göre daha çok önem kazanmaktadır. Ayrıca yaşam konforuna tehdit oluşturmaları bir diğer çözümlenmesi gereken problemdir. Rüzgâr yükleri 1 Hz.’in altında düşük frekans özelliğiyle yüksek yapı ve büyük açıklıklı esnek köprüler gibi yapılarda etkileri izlenebilmekte ama yüksek frekanslarda etkileri kaybolmaktadır. Bu çalışmada, girdi kuvvetleri seti zayıf, kuvvetli, yakın ve uzak kaynak alanları olan değişik deprem kayıtları, fırtına kayıtları ve metro içi dinamit patlatma kayıtlarından oluşmuştur. Yapı üzerinde kurulu yapı sağlığı izleme ağı ile girdiler ve yapısal tepkiler kayıt altına alınmış ve girdi-çıktı veri setleri olarak kullanılmıştır. Tanılama çalışmalarında klasik frekans tanım alanında güç spektrumu (PSD) ve ihtimal yoğunluk fonksiyonlarıyla (PDF) ve zaman tanım alanında Gözlemci/Kalman tanılama süzgeçleriyle uygulanan Eigen öz değer gerçekleşme algoritmaları (OKID-ERA)’nın sonuçları tartışılmıştır. Frekans muhteviyatının zamanla değişimi ve veri setlerinin stasyoner özellik göstermeme ihtimali dikkate alınarak ayrıca zaman-frekans tanım alanında dalgacık analizi (wavelet) ve Hilbert-Huang dönüşümleriyle (HHT) mevcut yapının farklı dinamik girdi kuvvetlere gösterdiği davranışlar ve hakim karekteristiği tartışılmıştır. Çalışılan yüksek yapıda rüzgâr şartlarında izlenen etkin frekans bandında yüksek yapının simetrik ve simetrik olmayan modları kayıtlarda izlenmiştir. Gauss normal dağılımı sergileyen geniş bir frekans yelpazesinde yapıyı etkileyen çevrel titreşimlerin tepki kayıtlarında ise yapının önemli hakim modları yeterli doğrulukta tanılanmıştır. DB yönünde yapının doğal hakim frekanslarını 0.25Hz, 0.9Hz; KG yönünde 0.4Hz, 1.4Hz ve yaklaşık 3Hz’lerde global tepki tepelerinin bütün kayıt istasyonlarında ortak harekete iştirak ettikleri izlenmiştir. Etkiyen bütün bu doğal kuvvetlerin genelde doğada olduğu gibi birbirlerinin alternatifi olmadığı, çalışılan mühendislik yapısının dinamik özelliklerinin tam anlaşılmasında birbirlerinin zayıf ve duyarsız kaldıkları frekans bandlarının davranış bilglerini tamamladıkları görülmektedir. Ayrıca, bir yüksek yapı üzerinde kurulu yapı sağlığı izleme ağından elde edilen veri setlerinden elde edilen sonuçların periyodik takibi yapıda olabilecek anomalilerin tesbiti için önemli bir arşiv oluşturmaktadır. Yapı tanılama çalışmasıyla elde edilen gerçek yapısal dinamik özellikler ve yapı sağlığının mevcut durumu ileri analizler için güvenilirliği yüksek sayısal yapı modellerini oluşturmanın yolunu açmıştır.