Yapı sistemlerinin dinamik ve statik davranışlarının kontrol elemanları yardımıyla iyileştirilmesi
Improvement of dynamic and static behaviors of the structural systems using control elements
- Tez No: 104272
- Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA SAVCI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2001
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 110
Özet
YAPI SİSTEMLERİNİN DİNAMİK VE STATİK DAVRANIŞLARININ KONTROL ELEMANLARI YARDIMIYLA İYİLEŞTİRİLMESİ ÖZET Malzeme özelliklerinin iyileştirilmesi ve buna bağlı olarak mukavemeti daha yüksek olan hafif metallerin üretilmesi ile yapısal sistemlerin kütleleri azaldı ve yapılar daha esnek bir duruma geldi. Böylece, yüklenme şekillerindeki olası kararsızlıklar sonucunda yapılarda ortaya çıkan aşırı sapmalar ve titreşimler insan rahatlığını ve yapı emniyetini tehdit etmeye başladı. Bu problemlere çözüm olarak değişik yapısal kontrol yöntemleri önerilmektedir. Yapısal kontrolün temeli; istenmeyen yapısal hareketlerin en aza indirilmesi amacıyla, kontrol kuvvetleri olarak adlandırılan bir grup yardımcı kuvvetin yapıya uygulanması prensibine dayanır. Bu kuvvetleri oluşturmak için pasif ya da aktif olarak etkiyen değişik kontrol mekanizmaları kullanılmaktadır. Titreşimin bozucu ve rahatsız edici etkilerini azaltmak amacıyla değişik titreşim kontrol yöntemleri geliştirilmiştir. Bu yöntemler pasif, yarı-aktif, aktif ve bünyesinde pasif-aktif özellikleri birlikte bulunduran karmaşık tip titreşim kontrol yöntemi olmak üzere başlıca dört ana grupta incelenebilir. Titreşim kontrolü amacıyla, titreşen tek serbestlik dereceli ana sisteme 'dinamik titreşim absorbed' olarak adlandırılan tek serbestlik dereceli yardımcı bir sistemin ilavesi ile rezonans kolaylıkla kontrol edilebilir. Bu yardımcı sistemin uygun şekilde ayarı ile ana kütlenin titreşimi tamamen durdurulabilir. Bir dış enerji kaynağına gerek duymaksızın işlevini yerine getiren bu pasif titreşim kontrol sistemi, sadece çok dar bir çalışma aralığmdaki periyodik ikaz durumları için etkilidir. Bu nedenle, ikaz frekansında ortaya çıkacak olası bir kararsızlık durumunda kontrol işlemi tehlikeye girer. Kararsız frekans durumlarında optimum ayar şartlarının korunabilmesi amacıyla, pasif karakterdeki dinamik titreşim absorberinin yay ve/veya sönüm değerleri uygun şekilde değiştirilebilir. Esas itibariyle temelde pasif özelliklere sahip olan böyle bir kontrol sistemi 'yarı aktif dinamik titreşim absorbed' olarak adlandırılır. Ana sistemin ve absorber kütlesinin yerdeğiştirmeleri sürekli olarak gözlenir. İkaz frekansının değişmesi durumunda yay rijitliğinin ve sönüm katsayısının değerleri bir kontrol organı tarafından belirlenir ve buna göre absorber kütlesinin konumu tayin edilir. Absorber kütlesinin hareketi uygun bir mekanizma yardımıyla dolaylı olarak sağlanır. Çeşitli nedenlerle kararsız duruma gelen ikaz frekanslarında oldukça etkili olan diğer bir kontrol yöntemi, bünyesinde aktif elemanlar bulunduran aktif dinamik titreşim absorberidir. Bu kontrol yönteminde, yapının ve absorber sisteminin yerdeğiştirmeleri ve/veya hızları sürekli olarak ölçülür ve aktif elemanın fiziksel parametreleri durum değişkenleri vasıtasıyla geri beslenir. Bu durumda, sistemdeki aktif eleman, kendisine ulaşan sinyalin faz değişimine uygun olarak pozitif veya XIInegatif bir yay gibi hareket eder. Titreşim kontrolunda pasif titreşim absorberinin yetersiz kaldığı durumlar için önerilen aktif titreşim absorberi sürekli olarak bir dış enerji kaynağına gerek duymaktadır. Bu enerji ihtiyacı ise kontrol edilen yapının büyüklüğüne bağlı olarak olarak aşırı derecede artmaktadır. Ayrıca, yapının emniyeti açısından, acil durumlarda enerji kaynağının neden olabileceği arızaları önlemek için de uygun ölçümlerin yapılması gerekir. Bu problemlere çözüm olarak bünyesinde aktif ve pasif elemanlar bulunduran ve aktif olarak kontrol edilen karmaşık tipte pasif kütle damperi geliştirildi. Bu çalışmada, konunun yalın bir şekilde anlatımına özen gösterildi, gerek teorik ve gerekse deneysel incelemelerin sonuçları mümkün olduğunca şekil ve diyagramlarla görsel olarak verilmeye çalışıldı. Bölümlerde ele alınan konular şu şekilde özetlenebilir : Birinci bölümde, ilk olarak aktif deformasyon kontrolü tanıtıldı, daha sonra titreşim kontrolü amacıyla önerilen pasif, yarı-aktif, aktif ve pasif-aktif özelliklerin birlikte kullanıldığı karmaşık titreşim kontrol yöntemleri üzerinde duruldu. Bu kontrol yöntemlerinin birbirlerine göre avantajları, dezavantajları belirtildi ve bu titreşim kontrol yöntemleriyle ilgili olarak daha önce yapılan çalışmalar ayrı başlıklar altında sunuldu. İkinci bölümde, yapısal sistemlerin belirli bir grubunu oluşturan köprülere uygulanabilecek aktif bir deformasyon kontrol yöntemi incelendi. Halatların yardımcı eleman olarak kullanıldığı bu yönteminin kontrol algoritması çıkarıldı ve deneysel çalışmalar laboratuvar şartlarında oluşturulan bir köprü modeli üzerinde gerçekleştirildi. Köprünün, sabit yük (ölü yük), hareketli yük ve ani yükleme durumları için yapısal cevapları ayrı ayrı incelendi. Üçüncü bölümde, harmonik ikaza maruz çok serbestlik dereceli yapısal sistemlerde titreşim kontrolü amacıyla geliştirilen yarı-aktif bir titreşim kontrol yöntemi tanıtıldı. Ele alınan iki serbestlik dereceli bir sistemde, ikaz frekansının yapının her iki doğal frekansıyla çakışma olasılığı da gözönüne alınarak yapılan incelemede, kontrol sistemi parametrelerinin yapısal cevap üzerindeki etkileri ayrı ayrı incelendi. Deneysel çalışmalar, laboratuvar şartlarında oluşturulan iki serbestlik dereceli bir sistem üzerinde yapıldı. Kontrol sisteminin yapısal cevap üzerindeki etkileri teorik ve deneysel sonuçlarla gösterildi. Dördüncü bölümde, çok serbestlik dereceli sistemlerde darbesel yüklerin etkisiyle ortaya çıkan geçici titreşimlerin kontrolü için tasarlanan yine yarı-aktif karakterde geri beslemeli bir titreşim kontrol yöntemi incelendi. Duhamel integrali kullanılarak oluşturulan bir yazılım programı ile kontrol sisteminin yapısal cevap üzerindeki etkileri teorik olarak incelendi. Değişik darbesel yük formlarının ele alındığı bu çalışmada, kontrol edilen parametreler olarak ana sistemin belirli noktalarındaki genlik değerleri ile taşıyıcı kolonlardaki kesme kuvvetleri seçildi. Yapılan incelemelerde; kontrol sisteminin, genliklerden ziyade kesme kuvvetleri üzerinde çok daha fazla etkili olduğu görüldü. Yükleme formuna bağlı olarak, gözönüne alman model yapıda ortaya çıkan kesme kuvvetlerinde %45'i aşan azalmalar kaydedildi. Kontrol sistemini oluşturan bilgisayar ve diğer donanımların gerek duyulan çalışma hızlarına sahip olmayışı nedeniyle; darbesel yükleme durumu için kontrol sisteminden beklenen sonuçlara ulaşılamadı. Dolayısıyla deneysel çalışmalar sadece harmonik yükleme durumu için yapıldı. xııı
Özet (Çeviri)
IMPROVEMENT OF DYNAMIC AND STATIC BEHAVIORS OF THE STRUCTURAL SYSTEMS USING CONTROL ELEMENTS SUMMARY The development of new materials of higher durability and strength in the recent years have led the constructions to become more durable, while the structures have started to become less and less heavy. The results of this tendency in the design engineering have led to more elastic systems, which yields more instability, discomfort to humans and danger of safety of structure. The solution to this problem was offered by introducing new control systems. The basis of structural control is to apply a set of auxiliary forces which are called the control forces to the structure, to minimize the displacements at desired points of the structure. To generate these loads, either passive or active control systems are designed on the systems. To eliminate the damages due to vibrations, a variety of vibration control methods have been introduced, which can be mainly classified as passive, semi-active, active systems. Also, hybrid systems include both active and passive components. For one degree-of- freedom systems, the resonance frequency can easily be controlled by attaching a second spring-mass system, which is named as“dynamic vibration absorber”. This method, though being very practical and is self-working without requiring any external energy input, is effective for a very narrow frequency bandwidth, which means that any small deviation in the excitation frequency highly thretaens the effectiveness of control being applied. To be able to keep the optimum control settings at variable frequency systems, the spring and/or damping characteristics of the absorber system may be changed accordingly. By doing so, basically a passive control system becomes a semi-active control system. The displacement values of the absorber and the main structure are continuously measured, and the position of the absorber mass is determined by a suitable additional mechanism, to meet the optimum conditions for the system as the excitation frequency changes. Another method to control the effects of vibrations with varying frequencies is the active control systems that hold active members in its structure. The displacements and/or velocities of the structure and the absorber system are continuously measured, and the physical parameters of the active members are fed back. The active members in the system behave as a positive or negative spring member depending on the phase of the signal. The active control is offered for structures where the passive controls are not sufficient. One drawback for active control systems is the energy requirements of the system that must be supplied from outside, and which can enourmously increase as the structure xivbecomes larger. The energy problem under extraordinary conditions is then introduced another problem to be solved. A solution introduced is a system that holds both active and passive members and actively controlled. In this study, the theory has been handled as simple as possible, and the results for either experimental or theoretical studies have been graphically presented. In the first part, the active deformation control systems have been introduced, followed by introducing the complex control systems that use active, semi-active and passive control systems together, and each were compared to the others, referring to the previous studies based on them. The second part has been devoted to active control of birdge deflections. The secondary elements of the model were steel ropes, and a control algorithm has been developed for the model, and experiments were carried out to investigate the responses of the bridge under implusive, moving and static loadings. The third part is about harmonic excitation of a multi-degree-of-freedom system and the semi-active control method proposed. A two-degree-of-freedom system was considered, and the resonance conditions for both natural frequencies of the system. The effects of the control system parameters on the system response have been detailly analysed. The experimental studies were also carried out, and the effects of the control system have both theoretically and experimentally illustrated. The fourth part of the study is on the solution of impulsive loadings to multi-degree-of- freedom systems. The aim was to minimize the transient vibrations of the system using a semi-active control system. A software was developed using the Duhamel Integral to investigate the effect of the control system on the response of the structure. The calculations has demonstrated that the control system had much better effects on improving the shear force distribution over the structure rather than the displacement values. Reduction ratios more than 45% have been calculated. Due to the lack of sophisticated hardware to collect and interpret response data under impulsive loading conditions, the analysis has been conducted only on theoretical scale. xv
Benzer Tezler
- Eksenel doğrultuda kayıcı bulonlu düğüm noktaları içeren çelik yapı sistemlerinin performanslarının incelenmesi
Examination of performance of steel structures having sliding slotted joints in axial direction of elements
BAYKAL DÖNMEZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2004
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. ERKAN ÖZER
- Sismik titreşimler altında betonarme perde ve çerçeve sistemlerin doğrusal olmayan stokastik analizi
Non-linear stochastic analysis of 3D reinforced-concrete shear wall-frame structures under seismic excitation
BEYZA TAŞKIN
- Doğrusal olmayan kolon-kiriş fiber eleman modelinin incelenmesi
Ivestigation of nonlinear column-beam fiber element model
HAKAN ÖZEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BARIŞ ERKUŞ
- Vibration and damping analyses of variable curved composite sandwich beams and shells by the differential quadrature method
Değişken eğriliğe sahip kompozit sandviç kirişler ve kabukların diferansiyel kareleme yöntemi ile titreşim ve sönüm analizleri
AHMET GÖKAY ÖZTÜRK
Doktora
İngilizce
2024
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYTAÇ ARIKOĞLU
- Elektrik dağıtım sistemlerinde birey odaklı konfor öncelikli talep yönetimi için akıllı yöntem geliştirilmesi
Developing an intelligent method for the user oriented comfort based demand response studies in the electricity distribution systems
MEHMET ALİ SÖNMEZ
Doktora
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA BAĞRIYANIK