Deprem etkisindeki yapıların aktif kontrolü
Active control of structures under seismic excitation
- Tez No: 101192
- Danışmanlar: DOÇ.DR. NECMETTİN GÜNDÜZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2000
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 48
Özet
Tarihsel süreç olarak yapı tasarımı üç safhaya ayrılabilir. Bunlardan klasik dönem sadece statik kuvvetlerle ilgilenir ve tasarlanan yapının depreme karşı koyacak yeter rij itlik de olması prensibine dayanır. İkinci dönem ise modern çağdır. Modern çağda yapı tasarlanırken dinamik analize de başvurulur, hangi durumlarda dinamik analize başvurulacağı yönetmelikler de belirtilir. Bu iki dönemde de yapılar dinamik kuvvetlere kendi başlarına karşı koyarlar, bu sebeple sistem yeter rijitlikte ve süneklikte olmalıdır. Bu ise kesit alanlarının büyümesine veya kullanılan malzeme dayanımının artmasını gerektirir. Yapısal tasarım açısından üçüncü dönem ise yapımn dinamik kuvvetlere karşı, bir geri besleme sistemi yardımıyla kendini adapte edebilmesi prensibine dayanır. Aktif veya pasif kontrol sisteminin kullanılmasının sebebi, şiddetli depremlerde veya rüzgarda, hastane ve iletişim merkezleri gibi yapıların içindeki değerli eşyaların korunması da olabilir. Asıl amaç insan hayatım kurtarmak olmakla birlikte, yapımn güvenliği, işlevselliği dolayısıyla gerilme ve deplasman gibi iç kuvvetleri de sınır değerleri aşmamalıdır. Sımr durumlar güvenlik yönünden veya konfor bakımından seçilir ve genelde deplasmanlar kontrol altma alınarak azaltılmaya çalışılır. Yapısal kontrol yeni binaların tasarımında veya mevcut binaların onarımında, şiddetli deprem kuvvetlerine ve rüzgarlara karşı koymak açısından son derece önemlidir. Özellikle yapının ana taşıyıcı sisteminin zarar görmemesine çalışılır. Bununla birlikte kontrol elemanlarının tasarımında sadece tek bir uygun çözüm bulunmaz. Seçilen kontrol sisteminin performansı her deprem için farklıdır. Deprem kaydının büyüklüğü ve frekans içeriği kontrol algoritmasının optimalliğini etkiler. Bu yüzden control mekanizmasının seçimi, oluşturulması sürekli araştırılan bir konudur. En etkin kontrol yasası göreli kat ötelemelerinin, en az kontrol kuvvetiyle minimum seviye de tutmak şeklinde tanımlanabilir. Bütün titreşen yapılar iç gerilmeler ve kesit çatlamaları yoluyla plastik şekil değiştirmeler yardımıyla giriş enerjisini yayarlar. Bazı yapıların kritik sönüm oranları düşük olduğundan orta şiddetteki depremlerde bile fazla titreşirler. Örneğin çelik yapıların sönüm oranlan düşük olduğundan fazla deplasman yaparlar. Bu tür yapılarda kontrol sisteminin uygulanması yerinde olabilir. Aktif kontrollü sistemlerde dış güç kaynağı kontrol kuvvetlerini uygulayan aktüatörleri harekete geçirmeye yarar. Kontrol kuvvetleri uygun olarak seçilen algoritmaya göre hesaplanır, seçilen algoritma hata üretimini azaltmak ve yapı stabilitesini korumak için mümkün olduğunca basit seçilmelidir. Dış enerjiye ihtiyaç duyulması aktif kontrolün en belirgin özelliğidir. Hatta kütlece ve boyutça büyük olan binalarda bu enerji gereksinimi pratik olarak sağlanamayabilir. Aktüatörlere yollanan sinyaller, sistem mukabelesinin sensörler yardımıyla ölçüm değerlerinin fonksiyonudur. Aktif kontrol elemanları birden fazla mod için geniş bir frekans ortamında etkilidir. Bu sebeple aktif kontrol daha çok, yüksek modlarm etkili olduğu yüksek ve narin yapılarda uygundur. Aktif kontrol sisteminin tasarımında maliyeti, yerleşimi, güvenilirliği ve bakımı göz önünde bulundurulmalıdır. Aktif kontrollü yapılar depreme karşı verdikleri tepki bakımından pasif kontrollü binalardan üstündür. Ayrıca tasarım aşamasında sistemin uygun seçilmesi ile rij itlik iyi bir şekilde dağıtılabilir ki bu yapının dinamik yüklere daha iyi karşılık vermesini sağlar. Kontrol algoritmasının optimalliği yapının tavrı ile gerekli kontrol enerjisi arasındaki dengeyi ifade eden ikinci dereceden tanımlanan performans indeksi ile yapılır. Optimalliği sağlayan performans indeksinde kullanılan Q ve R ağırlık matrislerinin uygun seçimidir. Bir çok durumda yapı kayma çerçevesi olarak alınır, kayma çerçevesinde kolonların yatay yerdeğiştirmesinde sadece kesme kuvvetinin etkili olduğu varsayılır. Döşemelerin kolonlara kıyasla sonsuz rij it olduğu kabul edilerek yapı kütlesinin kat döşemelerinde toplandığı varsayılır. Pasif kontrol sistemleri herhangi bir dış enerjiye ihtiyaç duymazlar, daha ekonomik ve uygulanmaları daha kolaydır. Bununla birlikte aktif kontrol kadar da etkin değildirler. Çünkü çoğunlukla yapımn birinci moduna göre ayarlanırlar. Pasif kontrol elemanları dış etkiyi üzerlerine alırlar yada yapı içinde dağıtırlar. Dış etkiyi üzerlerine alanlar yapıyı iki kısma bölerler. Yatayda esnek düşeyde rij it pasif kontrol elemanlarının bulunduğu alt yapı ve rijit üst yapı. Böylece dinamik yükleme altında alt yapı fazla deformasyon yaparken üst yapıda göreli kat ötelemeleri önlenmiş olur. Kinetik enerjiyi genelde ısı enerjisine çeviren pasif sistemler ise yapımn rijitliğini, sönümünü arttırarak enerjinin yapı içinde dağılmasını sağlarlar ve enerjiyi bütün modlara yayarlar. Pasif kontrol sistemi yapımn yeniden düzenlenmesi gibidir, diğer kontrol sistemlerine oranla ucuzdur ve dış enerji verilmediği için doğası gereği yapı stabilitesini bozmaz. Diğer taraftan bir aktif kontrollü sistemde uygulama hataları ciddi sorunlar yaratabilir, yapı stabilitesi tehlikeye girebilir. Karma kontrollü yapılar aktif ve pasif kontrollü sistemlerin bir arada kullanılması ile oluşur ve çıkış noktası pasif kontrolün performansım arttırmaktır. Pasif kontrol sistemi dinamik kuvvetin etkisini tüm yapıya dağıtırken, aktif kontrol elemanları yapımn büyük deprem kuvvetlerinde karşı koyabilme kabiliyetini arttırırlar. Ayrıca pasif kontrol elemanının aktif kontrol ile birlikte kullanılması enerji gereksinimini azaltır. Karma kontrollü sistemler aktif kontrollü sistemlere oranla daha az enerji kullanırlar. Karma kontrolün bir diğer yaran deprem sırasında herhangi bir elektrik kesintisi anında aktif kontrol elemanı devre dışı kalırken pasif kontrol elemanları hala çalışıyor olacaktır. Bununla birlikte karma kontrol sistemler diğer kontrol sistemlerine göre daha komplekstirler. Yarı-aktif kontrollü binalar aktif kontrolün bir grubudur çoğunlukla kontrol edilebilir pasif kontrol elemanları olarak düşünülebilirler. Enerji gereksinimleri çok azdır. Karşı koyucu kuvvetler aktif olmayan elemanlar yardımıyla yaratılır. Sisteme verdikleri enerji yok denecek kadar az olduğundan stabilite problemi ortaya çıkmaz. Pasif kontrolün güvenilirliğini ve aktif kontrolün uyum sağlayabilme yeteneğini yani aktif ve pasif kontrolün en iyi özelliklerini bünyelerinde bulundururlar. Yapısal kontrolün en önemli sorunlarından biri yapının gerçek gerilmeleri hakkında çok az bilgiye sahip olmamızdır. Bu sebeple dış ortamdaki değişimi ölçmek için duyarga (algılayıcı) da denilen sensörler kullanılır. Yapının çeşitli yerlerine konan sensörler ölçtükleri giriş verilerini elektrik sinyallerine çevirirler. Yapısal kontrol de düşünülmesi gereken diğer konular: -Zemin hareketinin doğru olarak tayin edilmesi için yapı-zemin ilişkisinin bilinmesi gerekir. -Yapının yatay yöndeki hareketinin yanında düşey yöndeki hareketi ve burulma etkiside düşünülmelidir. -Sensörler ve aktüatörler yapı içinde en uygun yerlere konulmalıdır. -Bakım, güvenilirlik, enerji gereksinimi, aktüatörlerin ve sensörlerin hata toleransı, kullanılan elektronik aygıtlar önemli araştırma konusudur. -Deneysel çalışmalara da özen gösterilmeli aktüatör ve sensörlerin seçimi ve etkinliği test edilmelidir. Tasarım aşamasında ise -Bilgisayar donanımın güvenilirliği, -Kontrol algoritmasının gücü, -Zaman gecikmesi faktörü, -Aktüatör kuvvetinin büyüklüğü, -Yapısal kontrol uygulanmış yapının güvenilirliği (stabilitesi) - Ekonomik unsurlar da düşünülmelidir. Bu tezde depremlerin ve şiddetli depremlerin yapılar üzerindeki zararlı etkisini azaltmak için 1987 yılında Jahn N.Yang tarafından geliştirilen ani optimal kapalı- çevrim kontrol algoritması kullanılmıştır, içinde açık çevrim bulunduran hiçbir kontrol algoritması yapı mühendisliğine uygulanamaz çünkü açık çevrim deprem kaydının önceden elimizde olmasını gerektirir. Ani optimal kontrolde amaç, kontrol vektörü u(t) ve yapı davranış vektörü z(t) ye göre kuadratik seçilen performans indeksi J'nin her t anında minimize edilmesine dayanır. Bu çalışmada, ani optimal kapalı kontrol algoritması kullanılarak deprem kuvveti etkisindeki yapımn kat deplasmanları elde edilmiştir. Kontrol algotimasınm etkisini göstermek için üç adet örnek Matlab programı yardımıyla çözülmüştür. Formülasyon bir boyutlu lineer yapı için AMD (Aktif Kütle Sönümleyici) kullanılarak verilmiştir. Burada en önemli nokta ağırlık matrisi Q ve R'nin seçimi olmaktadır. Çünkü Q ve R ye atanan değerler sayesinde yapı davranışı elastik bölgede tutulabilir. Yapı çok serbestlik dereceli ve deprem kuvveti bir doğrultudan etkitilerek idealize edilmiştir. Sekiz katlı yapının herbir katının kütleleri, rijitlikleri, sönümleri eşit alınmıştır. Aktif kütle sönümleyici en üst kata yerleştirilmiştir. Kontrol her zaman aralığında Q ve R ağırlık matrisleri aracılığıyla düzenlenir. Verilen formülasyon, bütün lineer yapılar için geçerlidir.
Özet (Çeviri)
The history of structural design can be divided into three eras. Much of the classical era for civil structural design dealt with only static loads (earthquake resisting system is rigid system). Second is the modern era of structural design added specifications on the dynamic response (mode shapes). The engineering structure has traditionally relied on its self-ability to dissipate the input energy by earthquake and wind (causing increase of element section areas or strength of material, earthquake resisting system is rigid-flexible system must have enough strength, rigidity and ductility to resist earthquake). Third is the postmodern era of an integrated approach to the design of structure and the feedback systems(passively or actively controlled systems). The goals of the postmodern era are to increase the survivability of the building (or equipment within the building, e.g.operation of sensitive equipment in hospitals, communication centers, computer rooms) in the presence of extraordinary excitations from winds and earthquakes. The objective is not only to minimize the effects of potentially large destructive forces and human life, but also assure structural safety and maintain the building's functions and facilities (keep the stresses and strains and accelerations and displacements at a specified set of locations within the structure specified bounds in the presence of any disturbances, winds or earthquakes, less than a certain size. Some of these output limitations are selected for human comfort (accelerations) and some are selected for human safety (stresses), usually related to displacements. Structural control can be an important part of designing new structures and retrofiting existing structures to protect from extreme loads of earthquakes and winds. The primary objective of the control systems to be considered is to prevent both structural and non-structural damage under a maximum credible earthquake. When designing controllers there iş no theory available that can select a model that is best (or even appropriate) for control design. The performance of a control strategy varies from one earthquake ground motion to another (the magnitude and frequency content of the excitation will clearly influence an optimum design). Hence, modelling for control design remains a vital research issue. (A most effective control law is defined as one which can limit the story drift to a target level with a minimum amount of control effort) All vibrating structures dissipate energy due to internal stressing, cracking, plastic deformations; the larger the energy dissipation capacity the smaller the amplitudes of vibration. Some structures have very low damping on the order of 1% of critical damping and consequently experience large amplitudes of vibration even for moderately strong earthquakes. An active control system has an external source powers control actuators that apply forces (counteracting control forces) to the structures. The regulation of the control force is done according to an appropriate algorithm (a complicated algorithm caused the control system to be complex, thus generating errors and instability). External power using to effect the control action is an essential feature of active control systems. These forces can be used to dissipate energy in the structure, required control force values can be quite large to limit its practical application in the case of large and massive buildings. The signals sent to the control actuators are a function of the response of the system measured with physical sensors (optical, mechanical, electrical, chemical). Active devices can be designed to influence a number of vibration modes (active dampers can be effective over a much wider frequency range). Hence, active control is most suited for tall and slender structures, where the response can be influenced by a number of natural modes. The design of an active control system requires the consideration of cost-effectiveness and the ease of instalation, also an active system has to be robust, reliable, and easy to maintain. The effects of the active control are obviously superior to the passive control in decreasing the response of structure vibration. Moreover, structural optimization enables optimum redistribution of the stiffness of a structure, to resist more efficiently the earthquakes. The optimality of the control forces is with respect to a performance measure (performance index represents a balance between structural response and control energy), the quadratic cost functional of structural response and control energy. The combined structure-control system is then optimized with respect to the structural weight objective function. The structure is idealized as a shear building. A shear building is deflected by shear forces only, the total mass of structure is concentrated at the level of the floors, the floors are infinitely rigid as compared to the columns, and the deformation of the structure is independent of the axial forces present in the columns. A passive control system does not require an external power source and they are more economic and easy in applications of engineering. Such systems have inherent limitations. For example they are generally tuned to the first mode vibration. Passive control techniques are mainly divided into two parts of the absorption and dissipation. The absorber for vibration control makes use of a subsystem, which is set on the main structure and vibrates with it, to share partly the vibrating energy in order to reduce the amplitude of the main structure. Dissipating device uses designed dissipators to dissipate the vibration energy. Passive energy dissipation systems encompass a range of materials and devices for enhancing damping, stiffness and strength. The capability to enhance energy dissipation in the structural systems may be achieved either by conversion of kinetic energy to heat, or by transferring of energy among vibrating modes. The energy in a passively controlled structural system cannot be increased by the passive control devices. A passive control system, incorporated into the original design of structure, is usually relatively inexpensive and inherently stable. The distinguishing difference between passive and active control is that passive control does not make any-real time changes in the system and hence cannot destabilize a conservative system. On the other hand, an active control can destabilize if the implementation errors (choosing an incorrect stiffness, damping, or mass) are serious enough, the fact that control decisions are made in real time.A hybrid control system is the combined use of active and passive control systems in order to improve the performance of a passive control scheme (e.g. a base isolated structure with actively controlled actuators to enhance performance). The rationale of hybrid systems for earthquake resistant design is the following, a passive system (isolation system) produces a dynamic decoupling of the structure from its foundation and gives a resistant scheme to relative motion with large deformation capability, while an active system contributes to the improvement of the dynamic performance of the structure by providing a resistant scheme to absolute motion. Alternatively, passive control may be added to an active control scheme to decrease its energy requirements. The essential difference between an active and a hybrid control scheme is the amount of external energy used to control. A benefit of hybrid control is that, in the case of power failure, the passive component of the control still offers some degree of protection (reliability), unlike an active control system. But it is also often more complicated. Semiactive control systems are a class of active control systems for which the external energy requirements are smaller than typical active control systems. In fact, many can be operated by the battery power, which is critical during seismic events when the main power source to the structure may fail. In the semiactive control methods, the counter-active control forces are created by reactive devices with variable damping and/or stiffness characteristics. Semiactive devices (often viewed as controllable passive devices) do not add mechanical energy to the structural system, therefore bounded-input, bounded-output stability is guaranteed (unlike active control, semi-active control does not have the stability problem). Semiactive control strategies provide the reliability of passive devices and adaptability of active systems (combination of the best features of both passive and active control systems). One of the problems facing structural control is that very little is known about the actual stresses and strains in earthquake vibrations of structures. Sensors meausure changes in external environmental conditions. Sensors, as future smart material systems, are required to determine the mechanical, electromagnetic, chemical, and other properties of the host material and the surrounding environment in order to automatically allow the required adaptive material response. In their simplest form, sensors may be considered as linear system elements that transform input structural information, such as strain, into output electrical information, such as a time-varying electrical voltage or current. Ideal sensor elements have an output response that is exactly linear and noise free. Other issues in control that need to be adressed are as follows: -Soil-structure interaction effects are important in that accurate definitions of base motions -Control of horizontal and vertical response of the structure should be considered and it is noted that research is needed on the torsional response of buildings. -Optimal location and configuration of actuators and sensors should be adressed -The maintainability, reliability, power requirements of the control system, and fault tolerance and redundancy in actuators, sensors, and electronics are important issues that need extensive research.-Experimental work is also necessary for the testing of control system components (efficient actuators, suitable sensors). Laboratory and full-scale experiments should be performed for testing. On the other hand numerous factors of practical importance should be also considered in evaluating the efficiency of a specific structural control. Among these factors are -Energy requirements -Safety and serviceability (interstory drift, floor acceleration, base shear, total energy input to structure and overturning moments) -Hardware reliability -Control algorithm robustness -Time delay (should be minimized) -Actuator force/stroke/velocity requirements -Overall reliability of controlled structure -Economical considerations (total system cost, space to install system) In this study, using the instantaneous optimal closed-loop control algoritm floor displacements of structure under seismic exitation are obtained. To illustrate the effectiveness of this control algorithm three numerical examples are solved by using Matlab routine. In formulation, a one-dimensional linear building structure implemented by an AMD (Active Mass Damper) control system is assumed. Structure is idealized by multi degree of system and subjected to one-dimensional ground acceleration. An eight-storey building in which masses, stiffnesses and damping coefficient of each storey are equal. An active mass damper is installed on the top floor of the building. Control efficiency is regulated at every time instant by the weighting matrices Q and R. Formulation is valid for all linear structures.
Benzer Tezler
- Deprem etkisindeki yapıların aktif kütle sönümleyici ve aktif kiriş kontrol sistemleri ile korunması
Active mass damper and active tendon control for earthquake excited structures
MUSTAFA MELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2002
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. A. NECMETTİN GÜNDÜZ
- Deprem etkisindeki yapıların optimal yarı-aktif kontrolü
Optimal semi-active control for the structures under the earthquake effects
MELİH ÖZDİLİM
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÜNAL ALDEMİR
- Deprem etkisindeki yapılarda aktif ve pasif kontrol sistemlerinin uygulanması
Başlık çevirisi yok
BARIŞ SARI
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. A. NECMETTİN GÜNDÜZ
- Yapıların titreşim izolasyonunda aktif ve pasif kontrol yöntemlerinin uygulanması ve karşılaştırılması
Application and comparison of active and passive control methods in vibration isolation of structures
FUAT ÖZERDEM
Yüksek Lisans
Türkçe
2000
Makine MühendisliğiFırat ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HASAN ALLİ
DOÇ. DR. YUSUF CALAYIR
- Sismik taban yalıtımlı bir binanın deprem yalıtım birimi ankrajlarının incelenmesi
Investigation of the seismic isolator anchors of a base-isolated building
İLKCAN CEYLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ PINAR ÖZDEMİR ÇAĞLAYAN