Yapısal kontrol sistemleri ve sıvı sönümleyicilerin yapılarda kullanımı
Structural control systems and the use of liquid dampers on the structures
- Tez No: 126837
- Danışmanlar: DOÇ. DR. A. NECMETTİN GÜNDÜZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2002
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 81
Özet
YAPISAL KONTROL SİSTEMLERİ VE SIVI SONUMLEYICILERIN YAPILARDA KULLANIMI ÖZET Deprem ve rüzgarın sebep olduğu yapısal titreşimlerin kontrolü rijitlik, kütle, sönüm, yapısal şekil değişimi veya pasif ve aktif karşı koyucu kuvvetlerin oluşturulması gibi pek çok yollarla yapılabilir. Günümüzde, yeni yapıların tasarımında veya mevcut yapıların iyileştirilmesinde deprem, rüzgar ve diğer dış etkenlere karşı yapısal kontrol tasarımın önemli kısmını oluşturabilmektedir. Günümüze dek, bazı yapısal kontrol yöntemleri başarıyla kullanılmıştır ve önerilen yeni yöntemler uygulamaların genişletilmesini, etkisinin arttırılmasını vaat etmektedir. Yapısal kontrol kavramıyla ilk olarak 100 yıl kadar önce karşılaşılmıştır. Japonya'da mühendislik profesörü olarak çalışan John Milne küçük ahşap bir ev inşa etmiş ve bu evi mafsal biçimli mesnetler üzerine yerleştirerek yapının depremden izole edilebileceğini göstermiştir. Yapısal kontrol sistemleri üç ana grupta incelenebilir. Bunlar; - Pasif Kontrol Sistemleri (Taban İzolasyonu ve Pasif Enerji Sönümleyen Sistemler). - Aktif Kontrol Sistemleri - Karma ve Yan Aktif Kontrol Sistemleri. Yapı mühendisliği çevreleri yapısal kontrol teknolojisini ilk olarak 19601ar'da benimsemiştir. O zamandan günümüze kadar birçok farklı yollar izlenmiştir. Buna bir örnek olarak pasif kontrol sistemlerinin birinci grubunda yer alan alçak ve orta yükseklikte yapılar ve köprülere uygulanan taban izolasyon sistemi verilebilir. Bu sistemde amaç yapıyı zemin hareketinin yüksek titreşimli frekanslarını filtreleyen ve doğal titreşim periyodunu yaklaşık olarak 2sn.'ye uzatan yeterince esnek bir taban üzerine oturtmaktır. Ancak, bu şekilde bir yaklaşım depremin 2sn. civarındaki periyot için oldukça fazla enerji yayan bir spektruma sahip olması halinde yetersiz kalabilir. Alternatif çözüm olarak izolasyon sistemini yapı doğal titreşim periyodu 3 veya 4 sn. olana kadar esnekleştirmek gösterilebilirse de bu da uygun olmayan genliklere sebep olabilir. Ayrıca bazı yapılar, örneğin narin yüksek binalar, taban izolasyonu için uygun olmayabilir. Bu yüzden, amacı zeminin yüksek titreşimlerini filtrelemek olan izolatörler hastane, bilgisayar merkezi ve benzeri yapıların değerli ve kırılgan cihazlarını korumak için kullanılmıştır. Geleneksel sabit tabanlı bir yapısal sistemi deprem direncini arttırmak için daha rijit hale getirmek yapı ve yapının tüm elemanlarının daha fazla kuvvete maruz kalması anlamına gelir. Zira, bu tip bir yapı yer hareketini güçlendirme eğilimindedir. Bu etkiyi azaltmak için yapı ya çok rijit olmalı ya da yüksek sönüm kapasitesine sahip olmalıdır. En iyi halde bile rijitlik artışı yapıdaki hassas ekipman ve yapı bileşenlerini oldukça yüksek ivmelere karşı koymak zorunda bırakabilir. XIİzolasyon, yapılan orta ve büyük şiddetli depremlerde olabilecek zararlara karşı düşük maliyetle korumanın yollarından biridir. Taban izolasyon sistemi üzerine inşa edilen bir yapı, aynı ölçekte ve şartlarda inşa edilen bir yapımn frekansından daha düşük temel frekansa sahip olmalıdır. Bu sağlanabilirse 1. titreşim modunda meydana gelen deformasyon sadece izolasyon sisteminde kalır ve yapının üst katlan rijit davranış gösterir. Pasif kontrol sistemlerinin ikinci grubu pasif enerji sönümleyen sistemlerdir. Bu sistemler sönüm, rijitlik, vs. değiştirmeye yarayan çok geniş bir malzeme ve araçlar sınıfinı içeren, doğal zararların azaltılmasına, yaşlı ve noksan yapılann iyileştirilmesine yarayan sistemlerdir. Genelde hepsi yerleştirildikleri yapısal sistemin enerji sönümleme kapasitesini arttırır. Bu işlem kinetik enerjinin ısıya dönüştürülmesi veya enerjinin titreşim modlan arasında aktarılmasıyla olur. Birinci yöntemde kayma sürtünmesi, metallerin akması, metallerin faz dönüşümü, viskoelastik katılann şekil değiştirmesi prensipleriyle işleyen cihazlar kullanılır. İkinci yöntemde ise dinamik titreşim sönümleyici işlevi gören tamamlayıcı titreşim araçlan kullanılır. Pasif kontrol yapının başlangıç tasanmına, yapıya viskoelastik malzemeler eklenip eklenmediğine, vuruş etkili sönümleyici kullanımına veya ayarlı kütle sönümleyicilerin kullanımına bağlı olabilir. Başlangıç tasannu uygun kütle ve rijitlik dağılımıyla veya taban izolasyon sistemi kullanılarak etkilenebilir. Pasif kontrol sistemi dışandan bir enerji girişine gereksinmez. Pasif kontrolle denetlenen bir yapıdaki enerji kullanılan kontrol araçlan da dahil hiçbir etken tarafından arttınlamaz. Pasif kontrolün 4 ana avantajı; 1) Diğer sistemlere göre ucuzdur. 2) Dışandan enerji girişine ihtiyaç duymaz. (Büyük depremlerde enerji kesintileri olabileceği göz ardı edilemez.) 3) Sağlam ve güvenilirdir. 4) Büyük bir depremde bile çalışır. Aktif kontrol sistemleri, güvenlik ve konfor seviyesinin amaçlandığı yapılarda makine, trafik titreşimlerinin, rüzgar ve depremlerin sebep olduğu iç ve dış kaynaklı zorlamalann tepkilerinin kontrolünde kullanılır. Aktif kontrol aktif kütle sönümleyici, karma kütle sönümleyici gibi elektronik, hidrolik veya pnömatik cihazlar kullanan aktüatörler (karşı koyucu kontrol kuvvetini oluşturacak mekanizmayı harekete geçiren sistem) içerir. Bu tür sistemlerin en önemli özelliği kontrolün sağlanabilmesi için dış güç kaynağına ihtiyaç duymalandır. Dış güç kaynağına bağımlılık büyük depremlerde her zaman olası olan güç kesintisi durumunda bu sistemleri etkisiz hale getirebilmektedir. Diğer yandan, kullanılan elektrikli kontrol üniteleri ve aktüatörlerin güvenlik seviyesi henüz inşaat mühendisliği uygulamalan için tam güvenilir kabul edilememektedir. Çok büyük şiddetli depremler genelde 100 yıl hatta daha büyük zaman aralıklannda meydana gelir. Ancak bu sistemleri böyle büyük bir zaman diliminde her an işleyebilecek durumda tutmak da pek ekonomik değildir. Karma kontrol sistemi, aktif ve pasif kontrol cihazlarının birlikte kullanıldığı bir sistemdir. Buna örnek olarak viskoelastik sönümleyiciler kullanılan ve en üst katında aktif kütle sönümleyici bulunan bir yapı veya performansı arttırmak için aktif kontrol aktüatörleri içeren taban izolasyonu gösterilebilir. Çoklu kontrol cihazlan aynı anda işlediği için, bunlann tek başına işlediği durumda ortaya çıkan bazı kısıtlamalar xnazaltılabilir. Karma bir kontrol sistemi, çok daha karmaşık bir sistem olmasına rağmen, tamamıyla aktif bir kontrol sisteminden bile daha güvenilir olabilir. Ayrıca, güç kesintisi olması halinde sistemin pasif bileşenleri işlemeye devam eder ve belli bir seviyede koruma yine sağlanır. Yan aktif kontrol sistemleri, dış enerji gereksinimi tipik aktif kontrol sistemlerine göre çok daha az olan aktif kontrol sistemleridir. Böyle bir sistemdeki cihazlar yapıya mekanik enerji eklemez. Bu tip cihazlara örnek olarak, değişken rijitlik cihazı, değişken orifis sönümleyici, kontrol edilebilen sıvı sönümleyici, değişken sürtünmeli sönümleyici ve benzerleri verilebilir. Bunların çoğu basit bir aküden sağlanan güç ile çalışabilir. Böylece deprem gibi kritik durumlarda ana güç kaynağı kesilse bile sistemin işleyişi sekteye uğramaz. Yapılan çalışmalar uygun şekilde tasarlanan yan aktif sistemlerin pasif sistemlere göre önemli ölçüde iyi performans gösterdiğini, tamamen aktif sistemlerle kıyaslanabileceğini hatta daha iyi olabileceğini göstermiştir. Bu çalışmada tanımlanan çeşitli tiplerde yapısal kontrol sistemleri günümüzde Avrupa ve Rusya'da öncelikle yapılardaki cardı veya cansız varlıkların yüksek titreşimli hareketlerde konforunu arttırmaya yönelik olarak kullanılmaktadır. ABD 'de ise alçak ve orta yükseklikte binalarda pasif taban izolasyonlu sistemlerin sismik koruma amaçlı kullanımı kabul edilmiş bir tasanm stratejisi haline gelmiştir. Genel kontrol literatüründe olduğu gibi yapısal kontrol literatüründe de yapılan çalışmaların tümü tek bir amaca hizmet eder. Bu da şehirlerin ve burada yaşayan insanlann korunmasıdır. X111
Özet (Çeviri)
STRUCTURAL CONTROL SYSTEMS AND THE USE OF LIQUID DAMPERS ON THE STRUCTURES SUMMARY The control of structural vibrations produced by earthquake or wind can be done by various means such as modifying rigidities, masses, damping or shape, and by providing passive or active counter forces. It is now established that structural control can be an important part of designing new structures and retrofitting existing structures for earthquake and wind. Up to now, some methods of structural control have been used succesfiilly and newly proposed methods offer the possibility of extending application and improving efficiency. The notion of structural control can trace its roots back more than 100 years to John Milne, a professor of engineering in Japan, who built a small house of wood and placed it on ball bearings to demonstrate that a structure could be isolated from earthquake shaking. Structural control systems can be divided into three groups: - Passive Control Systems (Base Isolation and Passive Energy Dissipation Systems) - Active Control Systems - Hybrid and Semiactive Control Systems The structural engineering community first embraced structural control technology in the 1960s, and since then has pursued a number of different paths; one examle is base isolation system, which is the first group of passive control systems, for low-rise and medium-rise structures and bridges. The objective is to mount the structure on a sufficiently flexible base that filters out the high frequencies of the ground motion and lengthens the natural period of vibration to approximately 2s. However, this would be unsatisfactory if the earthquake spectrum had a significant amount of energy in the neighborhood of 2s. period. The alternative would be to soften the base isolation until the natural period was 3 or 4s, but this would lead to large amplitude motions that would be objectionable. Moreover, certain structures because of their shape, for example slender high-rise buildings, may not be suitable for base isolation. Isolators, whose purpose is to filter out the high frequencies in the ground motion, have been used to protect the fragile content of hospitals, computer facilities and so on. In conventional fixed-base design, strengthening a structural system to provide improved seismic resistance leads to a suffer structure which attracts more force to both the structure and its contents. A fixed- base building tends to amplify the ground motion. To minimize this amplification, the structural system must either be extremely rigid or incorporate a large amount of damping. At best, rigidity result in the contents of building experiencing the peak ground accelerations, which still may be too high for sensitive internal equipment and contents. xivIsolation allows the engineer to control damage in moderate and large earthquakes for both the building and its contents using low-cost structural systems. When a building is built on an isolation system, it should have a fundamental frequency that is lower than both its fixed-base frequency and the dominant frequencies of the ground motion. The first mode of the isolated structure then involves only in the isolation system, the structure above being almost rigid. Second group of passive control systems is passive energy dissipation systems. Passive energy dissipation systems encompass a range of material and devices for enhancing damping, stiffness and strength, and can be used both for natural hazard mittigation and for rehabilitation of aging or deficient structures. In general, they are all characterized by a capability to enhance energy dissipation in the structural systems to which they are installed. This may be achieved either by conversion of kinetic energy to heat or by transferring of energy among vibrating modes. The first method includes devices that operate on principles such as frictional sliding, yielding of metals, phase transformation in metals, deformation of viscoelastic solids or fluids, and fluid orificing. The latter method includes supplemental oscillators, which act as dynamic vibration absorbers. Passive control may depend on the initial design of the structure, on the addition of viscoelastic material to the structure, on the use of impact dampers, or on the use of tuned mass dampers. Initial design may use a tapered distribution of mass and stiffness or techniques of base isolation, where the lowest floor is deliberately made very flexible, thereby reducing the transmission of forces into the upper stories. Passive control system does not require an external power source. The energy in a passively controlled structural system, including the passive devices, cannot be increased by the passive control devices. Passive control has four main advantages; 1) It is usually relatively inexpensive. 2) It consumes no external energy (energy may not be available during a major earthquake). 3) It is inherently stable. 4) It works even during a major earthquake. Active control systems are used to control the response of structures to internal or external excitation, such as machinery, traffic noise, wind, or earthquakes, where the safety or comfort level of the occupants is of concern. Active control makes use of a wide variety of actuators, including active mass dampers, hybrid mass dampers, tendon controls, which may employ hydraulic, pneumatic, electromagnetic devices. An essential feature of active control systems is that external power is used to effect the control action. This makes such systems vulnerable to power failure, which is always a possibility during a strong earthquake. On the other hand, active control employs electrical control units and electrically driven actuators. The reliability in these devices does not seems to satisfy the requirement in civil engineering so far. Strong earthquake in consideration may occur once in a hundred years or more. To maintain the best condition of the system during this long term does not appear to be economical. Hybrid control system can be defined as one that employs a combination of passive and active devices. For example, a structure equipped with distributed viscoelastic damping supplemented with an active mass damper on or near the top of the structure, or a base isolated structure with actuators actively controlled to enhance xvperformance. Because multiple control devices are operating, hybrid control systems can reduce some restrictions and limitations that exist when each system is acting alone. Thus, higher levels of performance may be achievable. Additionally, the resulting hybrid control system can be more reliable than a fully active system, although it is also often somewhat more complicated. A side benefit of hybrid control is that, in the case of a power failure, the passive component of the control still offers some degree of protection, unlike an active control system. Semiactive control systems are a class of active control systems for which the external energy requirements are several orders of magnitude smaller than those of typical active control systems. Typically, semiactive control devices do not add mechanical energy to the structural system. Examples of such devices are variable stiffness devices, variable orifice dampers, controllable fluid dampers, variable friction dampers, and so forth. Many of these devices can operate on battery power, which is critical during seismic events when the main power source to the structure may fail. Preliminary studies indicate that appropriately implemented semiactive systems performs significantly better than passive devices and have the potential to achieve, or even surpass, the performance of fully active systems. Various kind of structural control systems described in this work, are currently implemented to modern structures, primarily to enhance occupant comfort during periods of high excitations, in Europe and Russia. In the U.S. and elsewhere, passive base isolation systems in low and medium-rise buildings for seismic protection have become an accepted design strategy. Similar to the general controls literature, the structural control literature tends to represent diverse interests and viewpoints, though all share a common goal, the protection of cities and the people of them. XVI
Benzer Tezler
- Deprem yalıtımlı ve ek sönümleyicili olarak tasarlanan iki yapının genel yapı parametreleri üzerinden karşılaştırılması
Comparison of two structures designed as seismically isolated and with supplementary damping system in terms of global structural response parameters
RAMAZAN ÖZGÜR İRİDERE
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KUTLU DARILMAZ
- Ayarlı sıvı sönümleyicilerin betonarme binaların deprem performansına etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of tuned liquid dampers on earthquake performance of reinforced concrete buildings
BİRKAN DAĞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA GENÇOĞLU
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUZAFFER BÖREKÇİ
- Viskoz sönümleyiciler ile bağlanmış komşu yapı-zemin sisteminin dinamik davranışının incelenmesi
Investigation of the dynamic behavior of adjacent building-soil system interconnected by viscous dampers
YAVUZ SELİM HATİPOĞLU
Doktora
Türkçe
2021
İnşaat MühendisliğiAtatürk Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OĞUZ AKIN DÜZGÜN
- Investigation of the benefits of variable orifice dampers used in an earthquake excited three story structure
Degişken sönümlemeli amortisörlerin deprem etkisi altındaki üç katlı bir yapıya olan faydasının değerlendirilmesi
HAKAN GÖKDAĞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
İnşaat Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsüİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. GÜRSOY TURAN
- Heteroatom katkılı grafen sentezi, karakterizasyonu ve enerji depolama ve dönüşümü uygulamalarının araştırılması
Heteroatom-doped graphene synthesis, characterization and investigation of energy storage and conversion applications
ÇAĞDAŞ KIZIL