Deprem etkisindeki yapıların aktif kütle sönümleyici ve aktif kiriş kontrol sistemleri ile korunması
Active mass damper and active tendon control for earthquake excited structures
- Tez No: 126950
- 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: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 80
Özet
DEPREM ETKİSİNDEKİ YAPILARIN AKTİF KÜTLE SÖNÜMLEYİCİ VE AKTİF KİRİŞ KONTROL SİSTEMLERİ İLE KORUNMASI ÖZET Günümüzde inşaat alanında ulaşılan teknoloji ve kullanılan malzemeler sayesinde; binalar daha yüksek ve esnek bir şekilde inşa edilebilmektedir. Yapıların daha esnek olmasının yanında artan güvenlik değerleri ve maliyetleri azaltma çabalarının sonucu olarak yapı kontrolünde yeni koruma yöntemleri geliştirilmiştir. Geliştirilen bu yöntemler 4 ana başlığa ayrılabilir. Bunlar; i) Pasif kontrol sistemleri, ii) Aktif kontrol sistemleri, iii) Karma kontrol sistemleri, iv) Yan aktif kontrol sistemleridir. Pasif kontrol sistemleri; yapının dış etkilere karşı dayanıklılığını artırmak amacıyla, yapıya yerleştirilen özel elemanlardır. Maliyeti düşük olan ve dışarıdan bir güç kaynağına ihtiyaç duymayan pasif kontrol sistemleri, sismik izolasyon sistemleri ve pasif enerji sönümleyiciler olarak iki gruba ayrılabilir. Sismik izolasyon sistemleri, temele yerleştirilen izolatörler aracılığı ile yapıyı zeminin titreşiminden korur. Pasif enerji sönümleyiciler ise sistemin enerji yutma kapasitesini artırırlar. Yüksek olmayan binaların korunmasında etkili olan pasif kontrol sistemleri kendilerini dış etkiye göre uyarlayamazlar. Aktif kontrol sistemleri, dışarıdan bir enerji kaynağı yardımıyla yapının deplasmanını istenilen düzeyde tutmak için geliştirilen sistemlerdir. Aktif kontrol sistemlerinin geliştirilmesinin başlıca sebepleri aşağıdaki gibi sıralanabilir: 1) Aktif kontrolün yerleştirilmesinin bir amacı aşın titreşimlere karşı binayı korumaktır. 2) Aktif kontrol sistemleri binaya daha az yer kaplayacak şekilde monte edilebildiklerinden pasif kontrol sistemleri gibi çok yer kaplamazlar. 3) Herhangi bir nedenle; beklenmeyen bir dış yükle karşılaştığında yapı zarar görebilir; hatta yıkılabilir. Aktif kontrol kullanılmadığında yıkılabilecek bir bina, aktif kontrol sistemi kullanılarak kurtarılabilir. Bu ekstra korumanın önemi, deniz üzerindeki platformlar, hastaneler ve nükleer enerji santralleri gibi pahalı yapılar düşünüldüğünde dahada önem kazanmaktadır. VIII4) Aktif kontrol sistemlerinin monte edilmesi ile değerli veya çok hassas malzemeleri barındıran binalar; tehlikelerden korunabilir. 5) Pasif kontrol elemanları yapının depreme karşı preformansını artırmakla birlikte; sistemin doğasından kaynaklanan bir takım nedenlerle başarıları sınırlı kalmaktadır. Örneğin ayarlı kütle sönümleyiciler genelde birinci mod frekansa göre ayarlandıkları için sadece birinci modun etkin olduğu titreşimlerde etkilidirler. Ancak aktif kontrol sistemleri daha geniş bir frekans aralığında başarılıdırlar. 6) Aktif kontrol sistemlerinin yapıda kullanılması, malzemenin iyi kullanılmasını ve maliyetlerin düşmesini sağlayabilir. Aktif kontrol sisteminin yapı kontrolünde pratik olarak kullanılması için çözülmesi gereken birçok sorun vardır. Bunlar; 1) Kontrol kuvvetinin oluşturulması sorunu, 2) Kontrol kuvvetinin oluşturulması ve kontrol sisteminin çalışması için gerekli enerjinin sürekli hazır bulundurulması sorunu, 3) Aktif kontrol sisteminin kurulması için gerekli sermaye ve sistemin devamlı çalışması için gerekli bakım masraflarının çokluğu, 4) Büyük kontrol kuvvetinin yapıda stabilite sorununa neden olma olasılığıdır. Aktif kontrol sistemleri, ideal durumdaki ideal sistemler için geliştirilmiştir. Yukarıda belirtilen problemlerin dışında sistemin gerçek zamanlı uygulamaları esnasında birçok önemli problem ortaya çıkmaktadır. Oluşabilecek problemler aşağıda sıralanmıştır. i) Modelleme Hataları, ii) Zaman Gecikmesi, iii) Yapının Lineer Olmaması, iv) Yapı Parametrelerindeki Belirsizlikler, v) Sensör ve Kontrol Eleman Sayısının Sınırlı Olması. Aktif kontrol sistemlerinin yapıyı dış etkiye karşı koruması için gerekli enerjinin çok olması ve pasif kontrol sistemlerinin depremlere karşı kendilerini uyarlayamamaları karma kontrol sistemlerinin geliştirilmesini zorunlu kılmıştır. Karma kontrol sistemleri, aktif ve pasif kontrol sistemlerinin birarada kullanılması olarak tanımlanabilir. Karma kontrol sistemleri, iki ayrı sistemin birlikte kullanılmasından dolayı performansı yüksek olan ancak projelendirilmesi oldukça karmaşık sistemlerdir. Yukarıda bahsedilen kontrol sistemleri dışında, yapıların dış etkilere karşı korunmasında yan aktif kontrol sistemi de kullanılabilir. Yan aktif kontrol sistemi kontrol edilebilen pasif elemanlar olarak tanımlanabilir. Pasif sistemin özellikleri ile IXaktif sistemin kendisini depreme göre adapte edebilme özelliğini birleştiren sistemlerdir. Sistemin çalışması için gerekli enerji çok azdır ve sisteme mekanik enerji yüklemezler. Dolayısıyla yan aktif kontrol sistemleri, yapıda stabilite sorununa neden olmazlar. Klasik optimal kontrol algoritması; binaların deprem etkisine karşı korunmasında kullanılamamaktadır. Bunun nedeni, klasik optimal kontrol algoritma denklemlerinin çözümü için deprem ivmesinin önceden bilinmesi gereğidir. Bu sebeple ani optimal kontrol algoritması geliştirilmiştir. Ani optimal kontrol algoritması zemine yerleştirilen sensörler aracılığı ile herhangi bir (t) anında o (t) anına kadar olan zemin hareketinin kaydedilmiş değerlerini kullanır. Bu tez çalışmasında ani optimal kontrol algoritmasının deprem karşısındaki etkisini göstermek amacıyla 3 adet deprem için aktif kiriş kontrol ve aktif kütle sönümleyici sistemi kullanılarak çözüm yapılmıştır. Sayısal örneğin çözümünün yapılması için ani optimal kapalı çevri kontrol algoritması kullanılarak aktif kiriş ve aktif kütle kontrolü için Matlab programlama dilinde 2 ayrı bilgisayar programı geliştirilmiştir. Örneğin çözümünde 10 katlı bir bina seçilmiş ve binanın karakteristik özellikleri her katta aynı alınmıştır. Tez çalışmasının sonuçlan göstermektedirki, her iki sistem de teorik olarak deprem etkisindeki yapıların korunmasında başarılı olmuş, yapının deplasmanında %50 ye varan azalmalar meydana getirmişlerdir.
Özet (Çeviri)
ACTIVE MASS DAMPER AND ACTIVE TENDON CONTROL FOR EARTHQUAKE EXCITED STRUCTURES SUMMARY Today it is possible to construct taller and more flexible buildings, which is due to the advancement of technology and the usage of high quality materials. Moreover, increasing safety levels and the need to decrease the cost of buildings has led to the introduction of new control systems. These are: i) Passive control system ii) Active control system iii) Hybrid control system iv) Semiactive control system Passive control systems are those into which special materials are placed in order to make buildings resistant to environmental loads. The basic characteristics of passive control systems are their low cost and their ability to operate without necessitating an external power source. These systems can be classified under two categories: 1) Base isolation systems; 2) Passive energy dissipation systems. Base isolation systems preserve buildings from vibration with the help of isolators placed in the buildings base. Passive energy dissipation systems increase the potential of energy absorbtion of the system. However passive systems are unable to react to external loads and therefore they are more effective in the control of shorter buildings. In structural engineering, active structural control has become known as an area of research in which the motion of a structure is controlled or modified by means of the action of a control system through some external energy supply. Active systems are presently under close scrutiny in terms of their future structural applicability stemming from a number of motivating factors. They include the following: 1) With the advent of new materials and new construction methods, structures are becoming taller, longer and more flexible. The application of active control is one of the options in safeguarding such structures against excessive vibrations. 2) Active systems can be attractive candidates for retrofitting or strengthening existing structures against, for example, earthquake hazard. Current passive means of using interior shear walls or base isolation system are structurally invasive. Active XIsystems, on the other hand, can be more effective and can be incorporated into an existing structure with less interference. 3) Civil engineering structures are not designed to withstand all possible external loads. However, extraordinary loading episodes do occur, resulting in structural damage or even failure. Active control in this context can mean a last resort attempt to save a structure which, without it, would not be able to survive. This extra protection is particularly atractive when one considers the high cost of some recent large structures such as deep-water offshore platforms, hospitals and nuclear plants. 4) Some structures house valuable and sensitive equipment or secondary systems. Their operating safety is of paramount importance. Active control can thus be applied at the substructure's level to ensure proper operating conditions for secondary systems. 5) Passive control systems have inherent limitations. For example, the tuned mass damper system, is tuned to the first modal frequency of the structure, it is basically designed to reduce only a first mode vibration. An active mass damper, on the other hand, can be effective over a much wider frequency range. 6) Finally integration of active control systems in an optimal fashion can conceivably result in better, utilization of material at lower costs. There are various problems that must be overcome before the practical application of active control systems in building control. These are: 1) The difficulty of generating control force, 2) The difficulty of providing the required amount of energy for the operation of control systems. 3) The large amount of capital required for the assembly of the control system and the high cost of its maintenance. 4) The possibility of creating detrimental effects after the assembly of the system, by jeopardizing the stability of the building. Active control systems are largely based on idealized system descriptions under ideal conditions. In terms of real-time aplication, it has been pointed out that a number of important problems must be addressed from a practical stanpoint. i) Modelling Errors ii) Time Delay iii) Structural Nonlinearities iv) Uncertainties in Structural Parameters v) Limited Number of Sensors and Controllers XllHybrid control system are typically defined as a combination of passive and active devices. Because multiple control devices are operating, hybrid control systems can alleviate some of the restrictions and limitations that exist when each system is acting alone. Additionally, the resulting hybrid control can be more reliable than a fully active system, although it is also often somewhat more complicated. Semiactive control system are often viewed as controllable passive systems. Control strategies based on semiactive devices appear to combine the best features of both passive and active control systems. Semiactive control systems are a class of active control systems for which the external energy requirements are orders of magnitude smaller than typical active control systems. Typically, semiactive control devices do not add mechanical energy to the structural system, therefore bounded- input/ bounded-output stability is guaranteed. It is not possible to apply classical optimal control algorithm to the control of building against the effects of earhtquakes. This is because, the entire earthquake acceleration history should be known a priori for these algorithims to be applicable. Due to this fact, the instantaneous optimal control algorithm has been introduced. Although the entire earthquake base excitation history to the building is not known a priori, it can be measured in real-time on-line by installing sensors in the basement floor. In other words, at any time (t), the earthquake record is available up to that time instant (t). Such measured information is used in the instantaneous optimal control algorithm. In this thesis project, the application of active tendon control and active mass damper systems are analysed in three different earthquake studies in order to demonstrate the effect of instantaneous optimal control algorithm in an earthquake situation. To achieve the goal summarised above, 2 different computer programs are developed in Matlab code. In order to solve the problem, a 1 0 storey building, with identical structural properties in every storey, was chosen. The results of this project are; theoretically both system are effective in the control of earthquake excited buildings. Both system succeed in decreasing the displacement of the building by up to 50 %. xc tukswockct W WJWU» pOKfiMAMASYUM MEBI0Bİ Xlll
Benzer Tezler
- Deprem etkisindeki yapıların aktif kontrolü
Active control of structures under seismic excitation
BEKİR BORA GÖZÜKIZIL
- Deprem etkisindeki yapıların sismik taban izolasyonu ve çoklu ayarlı kütle sönümleyici sistemleri ile karma korunması
Hybrid protection of earthquake excited structures by using seismic base isolation and multiple tuned mass damper systems
MOHAMMAD HARRIS WAHEB
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Deprem Mühendisliğiİstanbul Aydın Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEPANTA NAİMİ
- Simülasyon çevriminde donanım yöntemiyle yarı aktif ayarlı kütle sönümleyicilerinin performans analizi
Performance analysis of semi active tuned mass dampers with hardware in the loop simulation method
HÜSEYİN AGGÜMÜŞ
Doktora
Türkçe
2020
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAHMİ GÜÇLÜ
- 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
- 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