Ayarlı Kütle Sönümleyici

“Ayarlı Kütle Sönümleyici (AKS)”; bir kütle, bir yay ve bir sönümden oluşur ve yapıya etkiyen dinamik etkileri azaltmak için kullanılan bir sistemdir. Temel amacı, yapıların çevresel faktörlerden (rüzgâr, deprem vs.) kaynaklanan titreşimlerin, zararlı etkilerini yok etmek ya da mümkün olduğu kadar azaltmaktır. Yapının kütlesi ile yapı üzerine eklenen Ayarlı Kütle Sönümleyici’nin kütlesi arasında bir faz farkı oluşturularak atalet kuvvetinin sebep olduğu enerjiyi sönümlemektir.

Deprem sonrasında yapının ayakta kalabilmesi için ve servis şartlarını da sağlıklı bir şekilde yerine getirebilmesi için yapıya ilave sönüm sağlayan pasif sönümleyici sistemlerinin kullanılması her zaman daha avantaj sağlamaktadır. Bir yapının sönüm kapasitesini artırmak için viskoz veya sürtünme sönümleyicileri yerleştirilir. Ama bunu uygulamada yapmak neredeyse imkânsızdır. Çünkü yapılarımız çok katlıdır ve sönümleyicilerin mesnetleneceği bir nokta bulunmamaktadır. Bu problemi çözmek için ayarlı kütle sönümleyiciler (AKS) geliştirilmiştir.

Ayarlı Kütle Sönümleyici parametreleri uygun şekilde seçilerek, yapının istenen titreşim moduna ayarlandığı takdirde, o moddaki titreşim enerjisinin bir kısmının Ayarlı Kütle Sönümleyiciye aktarılması sağlanarak esas yapının titreşim enerjisi azaltılır.

Ayarlı Kütle Sönümleyiciler farklı şekilde yapıya mesnetlenebilir. Ayarlı Kütle Sönümleyicilerin en yaygın kullanılan modeli; kütle, yay ve sönümleyiciden oluşan tek serbestlik dereceli modelidir.

Rüzgâr Etkisinde Ayarlı Kütle Sönümleyici Kullanımı

1970’den beri AKS sistemlerinin üzerinde etkili bir şekilde çalışılmış ve rüzgâr titreşimlerinin etkilerini önlemek için birçok araştırma yapılmıştır. Bu araştırmaların birçoğunda, Ayarlı Kütle Sönümleyicilerin performansı artırılarak, tasarım parametreleri ve parametrelerin optimizasyonu üzerine çalışmalar yoğunlaştırılmıştır. Uygulamaların çoğunda yapının en üst katına tek bir Ayarlı Kütle Sönümleyici yerleştirilerek temel frekansa ayarlanmıştır.

Rüzgâr yükleri doğada bulunan değişken yüklerden biridir.  Birçok yüksek yapıda rüzgâr etkisinden kaynaklanan titreşim enerjisini azaltabilmek ve yapı konforunu sağlamak için AKS’li sistemler kullanılmakta ve iyi bir performans sergiledikleri gözlenmektedir.

Deprem Etkisinde Ayarlı Kütle Sönümleyici Davranışı

Ayarlı Kütle Sönümleyicinin deprem uygulamalarındaki kullanımı ile ilgili araştırmalar tek bir AKS’nin genellikle deprem etkisinde çok etkili olmadığını göstermiştir. Bu durumda iki sonuç çıkarılabilir. Bunlardan ilki, deprem hareketi karmaşık ve anlık hareketler içerir bu nedenle deprem hareketi kararsız ve dengesiz bir davranıştır. Dahası maksimum değerine oldukça çabuk ulaşabilir. Tek bir Ayarlı Kütle Sönümleyici yerleştirilmiş binada kısa sürede meydana gelen deprem etkisine karşı hemen harekete geçmez. Sonuç olarak yapının enerji yutma kapasitesi ihtiyacı olduğu sırada sağlanamaz. İkincisi ise, deprem hareketleri geniş frekans bantları içermekte olup binanın durumunda ve yüksek yapıların modlarında önemli ölçüde titreşimlere sebep olur. Yapının ana frekansına ayarlı tek AKS’li sistemlerde yüksek modların engellenmesi çok zor olmaktadır ve tek Ayarlı Kütle Sönümleyicili sistemlerin yüksek mod tepkilerini yükselttiği görülmüştür.

Depreme karşı bina tasarımında yapı konforunun yanında yapının güvenliği ve fonksiyonelliği ön plandadır. Bu nedenle Ayarlı Kütle Sönümleyicili sistemler rüzgâra maruz kalan binalar için kullanmaya daha uygundur. Deprem rüzgara göre daha değişken bir davranış göstermektedir ve bu değişkenlilik ilk birkaç saniyede yer hareketinin ivmesinin en yüksek seviyelere gelmesiyle oluşur. Bununla birlikte sismik etkilerin frekansları, rüzgâr frekanslarına göre daha baskındır ve yapı çevresinde daha yoğundur. Deprem birçok yapı modunu etkilerken, rüzgâr ise genellikle binanın ilk modunu etkilemektedir. Son zamanlardaki araştırmalar Ayarlı Kütle Sönümleyicilerin sismik performansı ile ilgili çelişkili sonuçlar ortaya koymuştur. Bazıları AKS’lerin kuvvetli depremlerin etkilerini azalttığını onaylarken, diğerleri şüphelerini sürdürmektedirler. Bu anlaşmazlık büyük oranda Ayarlı Kütle Sönümleyici parametrelerinin seçiminde farklı deprem araştırmaları tarafından kullanılan sismik girdilerin frekans karakterlerindeki farklılıklardır

Çoklu Ayarlı Kütle Sönümleyiciler

Çoklu Ayarlı Kütle Sönümleyici sistemlerinin oluşumu, Ayarlı Kütle Sönümleyicinin bir adet kullanılmasının, sadece tek bir mod frekansı kullanımı anlamına geldiği için, oluşan eksikliği fark eden araştırmacıların birçok moda ayarlanabilen sistem geliştirme ihtiyacından doğmuştur. Bu sistem Çoklu Ayarlı Kütle Sönümleyici sistemi olarak isimlendirilmiştir. Tek serbestlik dereceli bir sisteme birçok frekansa ayarlanabilen AKS’ler eklenerek rastgele geniş frekans bandında analiz yapılmasıyla Çoklu Ayarlı Kütle Sönümleyici sistemlerin AKS’ye göre daha etkili oldukları saptanmıştır. Çoklu Ayarlı Kütle Sönümleyici yerleşim olarak da avantajlı olmalarına rağmen yerdeğiştirme kontrolünde geleneksel AKS tasarımına göre bir avantaj sağlayamamıştır.

Başka bir araştırmada 3 serbestlik dereceli bir sistemin her katına yerleştirilen AKS’lerle oluşturulan Çoklu Ayarlı Kütle Sönümleyici sisteme uygulanan harmonik ve deprem yükleri sonucunda modal kirlilik yaşanmış, katlara eklenen AKS’ler diğer katların yerdeğiştirmelerini az da olsa artırmıştır. Sonuç olarak her kata yerleştirilen Çoklu Ayarlı Kütle Sönümleyicilerden gerekli performans alınamamıştır.

Ayarlı Kütle Sönümleyicilerin, güçlü deprem ve rüzgârın etkisinden kaynaklı zararı titreşimleri azaltmada etki oldukları bilinmektedir. Bundan dolayı bu sönümleyicilerin optimum şekilde tasarlanmaları önem arz etmektedir.

Ayarlı kütle sönümleyicinin dünyada birçok uygulaması mevcuttur. 1975’de inşaa edilen John Hancock Tower, 1978’de yapılan Newyork’daki Citicorp Center binası, 1976’da yapılan Kanada Toronto’daki Canadian National Tower, 1988’de yapılan Japonya’daki Chiba Port Tower, yine Japonya’da 1990’da inşaa edilen Crystal Tower, 2004 yılında inşaa edilen 101 katlı Taipei gökdeleni, Katar Doha’daki 2007 yılında inşaa edilen Aspire Tower , Çin Shanghaiki 2008’de yapılan World Financial Center binası ve Japonya Tokyo’daki 2012’de inşaa edilen Tokyo Sky Tree gökdeleni TMD kullanılan yapılara örnek olarak verilebilir

Kaynak:ŞEYMA TEBERİK-YAPILARDA AYARLI KÜTLE SÖNÜMLEYİCİLERİN (AKS) KULLANIMI VE ZEMİN ETKİSİ