Konut Binalarında Deprem Felaketlerini Azaltmak İçin Dijital İkiz Teknolojisinin Geliştirilmesinde Kaldırma Halatlarının Sismik Tepki Analizi Üzerine Çalışma

Deprem sırasında asansör hasarının en yaygın nedenlerini azaltmanın bir yolunu arıyoruz

Keisuke Minagawa, Satoshi Fujita, Takashi Matsushima, Koichi Kajiwara ve Toshihiko Horiuchi tarafından

Bu makale ilk olarak Eylül 15'te 2024. Asansör ve Yürüyen Merdiven Teknolojileri Sempozyumu'nda sunulmuş ve şu adreste yayınlanmıştır: Asansör ve Yürüyen Merdiven Kitaplığı. 

Anahtar Kelimeler: Tel halat, Titreşim, Simülasyon, Sismik tepki, Deprem, Dijital ikiz

Özet

Bir asansörde deprem sırasında meydana gelen en yaygın hasar, halatın bir iç ekipman parçasına ve bir asansör boşluğunun braketine takılmasıdır. Bir binanın ve binadaki asansör halatlarının doğal periyotları genellikle yakın olup rezonansa neden olur ve halatın büyük bir tepkisi indüklenir. Sonuç olarak, halatın takılması yolcuların bir arabada hapsolmasına ve asansör çalışmasının uzun süreli askıya alınmasına yol açabilir, bu da sakinlerin veya sakinlerin günlük yaşamları üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Bu tür hasarları azaltmak için, halatın tepkisini önceden sismik tepki analizi ile tahmin etmek ve halatın tepkisinin artmadığı koşulları netleştirmek önemlidir. 

Öte yandan, bilgi teknolojileri alanında, son zamanlarda dijital ikiz adı verilen yöntem uygulanmaktadır. Dijital ikiz, gerçek uzayda var olan nesneleri sanal bir uzayda inşa etme yöntemidir ve doğal afetler gibi olayları simüle ederek hasarı tahmin etmek için kullanışlıdır. Deprem gibi nadir olaylar için, dijital ikizin uygulanması iş sürekliliği planlaması, tahliye planlaması ve sismik güçlendirme açısından çok etkili bir yöntemdir. Bu nedenle, yazarların araştırma ekibi konut binaları için bir deprem-felaket dijital ikizi inşa ediyor. 

Deprem-felaket dijital ikizi, yer hareketinin, binaların, mobilyaların vb. analitik modellerinin oluşturulmasını gerektirir ve yazarlar, özellikle sıklıkla hasar gören halatlar olmak üzere asansörlerin analitik bir modelini oluşturuyorlar. Bu makale, yöntemin genel bir görünümünü ve sismik tepki analizinin sonuçlarını sunmaktadır. Bu makalede kullanılan yöntem, dalga denklemine dayanmaktadır ve bir halat üzerindeki gerilimin mekansal dağılımını ve zamansal değişimini hesaba katmaktadır. Depremler sırasında halatın tepkisinin artmadığı koşulların araştırılması bu makaleye dahil edilmemiştir. Gelecekte tartışılacaktır. 

1. Giriş

2011'deki Büyük Doğu Japonya Depremi veya 2023'teki Türkiye-Suriye Depremi gibi büyük bir deprem meydana geldiğinde, binalar ve alanlar ciddi şekilde hasar görebilir. Binalar çökmese bile, insanların günlük yaşamları elektrik, su, gaz vb. kesintilerinden büyük ölçüde etkilenir. Depremlerin asansörlere verdiği hasar geçmişte yaygın olarak bildirilmiştir,^[1] ve asansörlerin kapanması da artan bina yükseklikleri ve yaşlanan toplum nedeniyle apartman sakinleri üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. 2018 Japonya Hükümeti anketine göre, Japonya'daki apartman konut binalarının toplam konutlara oranı %43.5'ti.^[2] Apartman konut binalarındaki asansörler bir depremde hasar görürse, toplum üzerinde önemli bir etkisi olur. Bu nedenle, özellikle konut binaları için, deprem sırasında ve sonrasında asansörlerin hasar azaltma ve erken onarımı konusunda yüksek beklentiler vardır.

Bilgi teknolojileri alanında, dijital ikiz adı verilen yöntem son zamanlarda geliştirilmiş ve yaygın olarak uygulanmıştır. Dijital ikiz, gerçek uzayda var olan nesneleri sanal bir uzayda inşa etme ve Nesnelerin İnterneti (IoT) teknolojisi vb. tarafından izlenen gerçek nesnelerin durumuna dayanarak doğal afetler gibi olayları sanal bir uzayda simüle ederek hasarı tahmin etme yöntemidir. Deprem gibi nadir olaylar için, dijital ikizin uygulanması iş sürekliliği planlaması, tahliye planlaması ve sismik güçlendirme açısından çok etkili bir yöntemdir.

Bu nedenle, yazarların araştırma ekibi konut binaları için bir deprem-felaket dijital ikizi önerdi ve inşa ediyor. Deprem-felaket dijital ikizi, bir deprem felaketi sırasında bir durumu simüle etmek için zemin, binalar, mobilyalar vb.'nin analitik modellerinin inşasını gerektirir ve yazarlar asansörlerin analitik bir modelini inşa eder. Halat titreşimi asansörlerdeki deprem hasarının ana nedeni olduğundan,^[1] Yazarlar ilk olarak kaldırma halatlarının sismik tepki analiz modelini oluşturdular. Bu makale, deprem-felaket dijital ikizinin, analitik yöntemin ve kaldırma halatı titreşiminin sismik tepki analizinin genel bir görünümünü sunmaktadır. Bu makalede kullanılan titreşim tepki analizi yöntemi dalga denklemine dayanır ve bir halat üzerindeki gerilimin mekansal dağılımını ve zamansal değişimini hesaba katar.

2. Deprem-Afet Dijital İkizi

Dijital ikiz, gerçek uzaydaki bir yapıyla neredeyse ikiz gibi özdeş olan, sanal bir uzayda doğru bir model oluşturan bir teknolojidir. IoT teknolojisini kullanarak gerçek yapıdan gelen bilgileri gerçek zamanlı olarak izleyerek ve algılayarak, sanal uzayda oldukça doğru bir model oluşturmak mümkündür. Örneğin, dijital ikizler endüstriyel tesislere uygulandığında, dijital ikizleri kullanarak yapılan simülasyonlar optimizasyon, sistemlerdeki değişikliklerin etkilerinin tahmini vb. için yararlı olabilir. Dijital ikizler ayrıca kazaları, arızaları, felaketleri vb. simüle etmek için de kullanılabilir ve elde edilen simülasyon sonuçları ve bilgi gerçek uzaya geri beslenebilir. Böylece, simülasyon sonuçları öngörücü bakım, anormallik tespiti, iş sürekliliği planlaması vb. için kullanılabilir. 

Yazarların araştırma ekibi bu yöntemi kullanarak deprem-afet dijital ikizi oluşturarak deprem sırasında apartman/toprak tipi konut binalarında meydana gelen hasarı tahmin ve öngörüyor.^[3] Şekil 1, bir konut binası için deprem-felaket dijital ikizinin konseptini göstermektedir. Konut binalarının bu deprem-felaket dijital ikizi, deprem zemin hareketleri, mobilyalar, tesisler, su, gaz ve elektrik temini, asansör, sakin davranışı vb. içerir. Bir apartman binasının tamamının deprem sırasındaki davranışı, gerçek uzaydaki bina veya tesislerin tasarım bilgileri, izleme veya algılamadan elde edilen dinamik özellikler ve gözlenen ve tahmin edilen deprem zemin hareketleri kullanılarak sanal bir alanda simüle edilir. Simülasyondan elde edilen sonuçlar ve bilgiler, sakinler arasında felaket önleme konusunda fikir birliği oluşturmak, tahliye planları, felaket önleme planları ve sismik güçlendirme oluşturmak ve iyileştirmek için faydalıdır.

3. Halat Titreşiminin Analitik Yöntemleri

Yazarlar, deprem-felaket dijital ikizi için bir asansörün analitik modelini oluşturmaktan sorumludur. Bu makalede, asansörlerde deprem hasarının ana nedeni olan kaldırma halatları için bir titreşim analizi modeli oluşturulmuş ve sismik tepki analizi gerçekleştirilmiştir.

Dalga denklemine dayalı analitik yöntem^[4] Asansörlerin dijital ikizleri için uygulanır. Halatın kendi ağırlığından kaynaklanan gerilim dağılımı ve kabinin düşey hareketinden kaynaklanan gerilim değişimi göz önüne alındığında, kaldırma halatları için dalga denklemi Denklem (1)'de gösterilir.

Şekil 2'de gösterildiği gibi, t zaman, z kökeni binanın tepesi olan mekansal koordinattır, u(z,t) ipin enine yer değiştirmesidir, A ipin doğrusal yoğunluğudur, V kafesin hızı ve C ipin sönümleme katsayısıdır. İpin düşey elastikiyetinin göz ardı edildiğini varsayarak, arabanın yer değiştirmesi zaraba Geometrik olarak aşağıdaki denklemle hesaplanır.

Dönüşümün l bir ip uzunluğudur, ∆z sonlu farklar yönteminde ipin her bir elemanının uzunluğu, N halat elemanlarının sayısı ve ui enine yer değiştirmesidir iipin 1. elemanı. Arabanın dikey ivmesi zaraba ikinci dereceden türev ile belirlenebilir zaraba Denklem (2)'den elde edildiğinden, gerilim aşağıdaki denklemle ifade edilir.

Dönüşümün mcar1 arabanın ip başına kütlesi, g yer çekimi ivmesidir.

Daha doğru bir simülasyon için, ipin düşey elastikiyeti ve ip ile araba arasındaki bağlantı yayı dikkate alınmalıdır. Ancak, doğrusal olmayan özelliklere sahip olması ve hesaplama süresini artırması nedeniyle bu makalede dikkate alınmamıştır ve bu makaledeki simülasyon analizi çok sayıda sismik dalga için gerçekleştirilmiştir. İpin düşey elastikiyetinin etkileri gelecekte araştırılacaktır.

4. Sismik Tepki Analizi

4.1 Analitik Amaç

Konut yapılarının deprem-afet dijital ikizi için asansör modelinin etkinliğini doğrulamak ve sorunlarını açıklığa kavuşturmak amacıyla bir apartman binasındaki asansörün kaldırma halatının sismik tepki analizi yapılmıştır.

4.2 Analitik Model

Bu analizde, bir apartman konut binasındaki asansör analitik hedef olarak seçildi. Bu apartman konut binası mevcut değildir ancak Japonya'nın başkenti bölgesinde bulunduğu varsayılmaktadır. Bina, Şekil 15 ve Tablo 43.9'de gösterildiği gibi 3 m yüksekliğe sahip 1 katlı bir binadır. Her katmanın kütlesi ve sertliğinin düzgün olduğu varsayılmıştır.

Her hikayenin kütlesi m₁, m₂, ..., m₁₄, m₁₅ [kilogram]	400000
Her hikayenin katılığı k₁, k₂, ..., k₁₄, k₁₅ [N/m]	2000 × 10⁶
Yükseklik H [M]	43.9
1.doğal dönem Tₙ₁ [S]	0.88
Sönümleme oranı ζ [%]	3

Arabanın kütlesi maraba [kilogram]	900, 1800
Arabanın pozisyonu	Zemin, 5., 8. kat
Halat Uzunluğu l [M]	40.4, 29.1, 20.2
Doğrusal yoğunluk ρA [kg/mXNUMX]	0.494
İp sayısı	4
İpin bağlanması	2:1
Sönümleme oranı ζ [%]	0.2

Tablo 2'de asansörün parametreleri gösterilmektedir. Analiz için genel asansör özellikleri kullanılmıştır. İçerisindeki yolcuların kütlesi de dikkate alınarak 900 kg ve 1800 kg olmak üzere iki adet kabin kütlesi kullanılmıştır. Yaklaşık birinci doğal periyot halat uzunluğundan belirlenebilir. Şekil 4'te görüldüğü gibi 20.8 kg'lık kabin kütlesi için 900 m'lik halat uzunluğu ve 29.4 kg'lık kabin kütlesi için 1800 m'lik halat uzunluğu binanın doğal periyoduyla aynı doğal periyodu verir. Bu nedenle kabinin konumu beşinci ve sekizinci katlarda seçilmiştir, çünkü binanın doğal periyodu halatınkine eşit olduğunda tepki artmaktadır. Ayrıca karşılaştırma amacıyla kabinlerin sıklıkla kaldığı zemin kat, kabin konumu olarak seçilmiştir.

4.3 Analitik Prosedür

Öncelikle 15 katlı binanın deprem davranışı hesaplanmış, ardından binanın tepki yer değiştirmeleri halatın üst ve alt kısımlarına girilmiştir. 

Binaya giren sismik dalgalar K-NET tarafından gözlemlenen toplam 28 yatay dalgaydı.^[5] Japonya başkent bölgesindeki aynı yerde. Analizde kullanılan sismik dalgaların 3.0'dan beri JMA sismik yoğunluğu 2010 veya daha yüksekti. Şekil 5 sismik dalgaların özelliklerini göstermektedir. Şekil 5 (a) ve (b) tüm 28 sismik dalganın tepki spektrumlarını göstermektedir ve sismik dalgaların yaklaşık 0.2 ve 0.6 saniyelik baskın periyotlara sahip olduğu doğrulanmıştır. Şekil 5 (c), 28 sismik dalga arasında en büyük ivmeye sahip zaman geçmişi dalga formudur.

4.4 Analitik Sonuçlar

Şekil 6, her sismik dalganın maksimum ivmelenmesi ile ipin maksimum tepki yer değiştirmesi arasındaki ilişkiyi regresyon çizgisiyle birlikte gösterir. Sismik dalga sayısı 28 olduğundan, her ip uzunluğu için 28 çizim vardır. Şekil 6'da gösterildiği gibi, 20.2 m uzunluğundaki ipin tepkisi, maraba 900 kg'dır ve 29.1 m uzunluğundaki halatın tepkisi, maraba 1800 kg'dır. Bu nedenle, binanın doğal periyodu halatınkine eşit olduğunda halatın titreşimi daha büyük olur. Ancak, halatın koşulları aynı olsa bile, sismik dalgaya bağlı olarak tepki yer değiştirmesinde değişiklikler olur. Bu nedenle, sismik dalgaları doğru bir şekilde tahmin etmek ve deprem-felaket dijital ikizini oluşturmak için halatların tepkisini artıran koşullar altında sismik tepki analizini gerçekleştirmek önemlidir. Sismik tepkide, Denklem (3) ile ifade edilen gerilim değişimlerinden kaynaklanan doğrusal olmayanlığın etkisi küçüktür,^[4] Bu nedenle regresyon çizgileri uygulandı. Gelecekte, doğrusal olmayan olgular için uygun regresyon yöntemleri araştırılacak ve doğru değerlendirmeler için yanıt değişimlerini hesaba katabilen olasılıksal bir yaklaşım uygulanacaktır.

Şekil 7, 28 sismik dalga arasında en büyük ivmeye sahip sismik dalga için halatların titreşim modunu göstermektedir. Şekil 7'den, binanın ve halatın birinci doğal periyodunun yakın olması nedeniyle birinci titreşim modunun baskın olduğu doğrulanmıştır. Ek olarak, birinci titreşim modu deprem-felaket dijital ikizi için değerlendirme hedefi olacaktır, çünkü 1. titreşim modunun tepki yer değiştirmesi genellikle diğer daha yüksek modlardan daha büyüktür.

5. Sonuç

Bu makalede, yazarlar asansörlü apartman konut binaları için deprem-felaket dijital ikizini tanıttılar ve kaldırma halatlarının analiz modelini oluşturdular. Kaldırma halatının sismik tepki analizinin bir sonucu olarak, aşağıdaki etkinlik ve sorunlar doğrulandı.

Deprem-felaket dijital ikizi için asansör halatlarının titreşim analiz yöntemi ve modeli, halatların depremler sırasındaki davranışlarını değerlendirmek için etkilidir. Ancak, gelecekte analitik yöntem ve modelin doğruluğunu artırmak için bir binadaki gerçek bir asansör sisteminin sarsıcı masası kullanılarak sismik bir deneyi gereklidir. 

Bina ve halatın koşulları aynı olsa bile, halatların tepkisi sismik dalgaya bağlı olarak farklı olacaktır. Bu nedenle, sismik dalgaların doğru bir şekilde tahmin edilmesi, bir depremin asansöre verdiği hasarı tahmin etmek için çok önemlidir. Ayrıca, farklı sismik dalga türleri için sismik tepki analizi de gereklidir, çünkü sismik dalgalar küçük olsa bile, sismik dalgaların frekans özelliklerine bağlı olarak halatın tepkisi büyük olabilir.

Gelecekte, deprem sırasında halatın tepkisinin artmadığı koşullar, halatın düşey elastikiyetinin etkisi vb. ile halatın tepkileri için regresyon yöntemleri ve olasılıksal yaklaşımlar araştırılacaktır.

Teşekkür 

Bu çalışma JST-Mirai Program Hibe Numarası JPMJMI22H2, Japonya tarafından desteklenmiştir. Yazarlar, bu projeyi yürütmede değerli tavsiyeleri ve özverili yardımları için JST'ye ve araştırma ekibimizin üyelerine teşekkürlerini sunmak isterler.

Referanslar

[1] S. Fujita, M. Shimoaki ve K. Minagawa, “Japonya'daki Büyük Depremler Sonucu Asansör ve Yürüyen Merdivenlerde Meydana Gelen Sismik Hasara İlişkin Rapor”. Binalardaki Ulaşım Sistemleri, Cilt 3, No 1 (2020).

[2] İstatistik Bürosu, Japonya İçişleri ve İletişim Bakanlığı, 2018 Konut ve Arazi Araştırması, stat.go.jp/data/jyutaku/2018/pdf/g_gaiyou.pdf, (2018), Japonca.

[3] T. Horiuchi, K. Kajiwara, Y. Sekimoto, H. Koizumi, S. Fujita ve K. Minagawa, “Kat Mülkiyeti/Apartman Konut Binalarının Deprem-Afet Dijital İkizinin İnşası.” 16. Japonya Deprem Mühendisliği Sempozyumu Bildirileri, Day1-G404-22.pdf (2023), Japonca.

[4] K. Minagawa ve S. Fujita, “Japonya Makine Mühendisleri Derneği'ndeki Halat Titreşim Analizi Çalışma Grubunun Faaliyetleri ve Sonuçları.” 14. Asansör ve Yürüyen Merdiven Teknolojileri Sempozyumu Bildirileri, s. 13-1 – 13-10 (2023).

[5] Ulusal Dünya Bilimi ve Afet Dayanıklılığı Araştırma Enstitüsü, Güçlü Hareket Sismograf Ağları, kyoshin.bosai.go.jp