Geri Dön

Probabilistic cost-benefit optimization of viscous and tuned mass dampers in seismic retrofitting of buildings

Yapıların sismik etkilere karşı viskoz ve ayarlı kütle sönümleyiciler ile güçlendirilmesinin olasılıksal fayda-maliyet optimizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 689647
  2. Yazar: HAKAN KESKİN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. UFUK YAZGAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Deprem Mühendisliği, Earthquake Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 117

Özet

Günümüzde, sismik etkilere maruz kalan yapıların davranışını iyileştirmek için çeşitli sönümleme ve güçlendirme yöntemleri kullanılmaktadır. Konvansiyonel olarak, yapılar; perde duvarların eklenmesi, kolonların mantolanması, viskoz sönümleyicilerin eklenmesi veya ayarlanmış kütle sönümleme sistemlerinin kurulması gibi farklı güçlendirme yöntemlerinden yalnızca biri kullanılarak güçlendirilmektedir. Yalnızca tek bir güçlendirme yöntemi kullanıldığında, yapıda birden çok yöntemi kullanmanın potansiyel faydaları elde edilemez. Bu çalışma, çoklu güçlendirme yöntemlerine sahip sistemlerin optimum tasarımı için olasılıksal maliyet-fayda değerlendirmesine dayalı bir yaklaşım sunmaktadır. Çalışmada, viskoz ve ayarlanmış kütle sönümleyicileri ile güçlendirilmiş sünek, çok katlı betonarme bir çerçeve bina göz önüne alınmıştır. Bu yapı için optimum güçlendirme, bir dizi alternatif konfigürasyon için yıllık beklenen maliyetlerin hesaplanmasıyla belirlenmiştir. Bu süreçte, daha önce birlikte kullanılmayan iki farklı sönümleme sistemi: (1) ayarlanmış kütle sönümleyicileri (AKS) ve (2) akışkan viskoz sönümleyiciler (AVS) birlikte ele alınmıştır. AKS'ler için, kütle oranı, maliyet-fayda değerlendirmesi temelinde optimize edilmesi gereken kritik parametredir. Öte yandan, etkili kritik sönümleme oranı, AVS'lerde temel optimizasyon parametresidir. Kabul edilen kütle oranına ve etkili sönümleme oranı kombinasyonuna bağlı olarak, iki sistem, yapısal etkilerde çok farklı düzeylerde iyileştirme sağlayabilir. Ancak aynı zamanda bu elemanların kurulum maliyetleri de kapasitelerine bağlı olarak önemli ölçüde farklılık gösterebilir. Bu tezin amacı, maliyet-fayda analizine dayalı bir yaklaşımın, birden fazla güçlendirme teknolojisinin bir arada kullanıldığı optimum güçlendirme tasarımına uygulanabilirliğini araştırmaktır. Bu tezin bir parçası olarak, iki sönümleme sisteminin bir arada kullanıldığı yapı modelleri için hasar olasılıkları belirli bir sismik tehlike tahmini dikkate alınarak değerlendirilmiştir. Bu olasılıklar, 2000 SAC / FEMA yöntemi kullanılarak hesaplanmıştır. Maliyet değerlendirmesinin bir parçası olarak, her güçlendirme alternatifi için yıllık maliyet değeri hesaplanmıştır. Çalışmada yapının maksimum katlar arası öteleme değerleri kullanılmış ve hasar sınır durumları buna göre belirlenmiştir. Bu araştırmada, temsili bir 3 katlı ve tek açıklıklı sünek betonarme betonarme yapı ele alınmıştır. Yapı, Türk Bina Deprem Yönetmeliğine (TSSC, 2018) göre tasarlanmış bir betonarme çerçeveyi temsil etmektedir. Yapısal sistem OpenSees'de modellenmiştir. Sonlu eleman modelindeki AKS ve AVS bileşenlerinin modellemesi, Tek Serbestlik Dereceli Sistemin (TSDS) analiz sonuçları analitik olarak türetilmiş ifadelerden elde edilen sonuçlarla karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Bu doğrulamada harmonik bir hareket kullanılmıştır. Yapısal sistem hem sönümleyicili hem de sönümleyicisiz olarak OpenSees'de modellenmiştir. Burada amaç, çeşitli güçlendirme alternatifleri ile binanın hem orijinal durumunda hem de deprem etkileri altındaki performansını belirlemektir. Çalışma kapsamında, seçilen 12 yer hareketi ile gerçekleştirilen zaman tanım alanında analizler, belirli bir spektral ivme seviyelerine göre ölçeklendirilerek modele etkitilmiştir. Maksimum katlar arası yer değiştirme ve yer hareketi şiddeti arasındaki ilişki, AKS ve AVS'nin her bir kombinasyonu için tespit edilmiştir. Analizler, 25 alternatif güçlendirme sistemi kombinasyonu için gerçekleştirilmiştir Bunlar, AKS için dört farklı kütle oranını, AVS için dört viskoz sönümleme oranını, tekli güçlendirme cihazlarına sahip sistemleri ve güçlendirilmemiş sistemi temsil etmektedir. Analizlerde 2000 SAC/FEMA yöntemi kullanılarak hasar olasılıkları hesaplanmıştır. Bu olasılıklar, deprem tehlikesi altındaki bina için yıllık beklenen maliyet değerlerinin hesaplanmasında kullanılmıştır. Çalışmanın temel amacı, güçlendirilerek binanın kullanım ömrü boyunca sebebiyet vermesi muhtemel kayıpların ne şekilde azaltılabileceğini göstermektir. Maliyet optimizasyonuna geçmeden önce hem yapının inşa maliyeti hem de AKS ve AVS elemanlarının maliyetleri hesaplanmıştır. Hesaplamalarda tüm yatırım maliyetlerinin yıllık değerleri, binanın kullanım ömrü boyunca ilgili maliyetin her yıl sabit %5 faiz oranıyla ödeneceği varsayılarak belirlenmiştir. Yapının yeniden inşa maliyeti, AKS ve AVS elemanlarının farklı kütle ve sönüm oranları için maliyetleri literatürdeki çalışmalar dikkate alınarak hesaplanmıştır. Yeniden inşa maliyeti, AKS ve AVS maliyetlerine ek olarak, can kaybı ile değerli ve hassas cihazların maliyet değerleri de literatürdeki mevcut bilgiler esas alınarak toplam maliyet hesabına katılmıştır. Maliyetler hesaplandıktan sonra hasar durumlarına ait olasılıklar kullanılarak üç farklı varsayımsal durum için maliyet optimizasyonu yapılmıştır. Bunlardan ilki, sıradan bir konut türü bir bina için güçlendirme optimizasyonunu temsil etmektedir. İkinci durum, üretim teknolojisinin gelişmesi ve kullanımlarının yaygınlaşması sonucu AKS ve AVS elemanlarının maliyetlerinin düşmesi durumunu temsil etmektedir. Bu aşamada AKS ve AVS maliyetinin, mevcut maliyetin %25'ine düştüğü varsayılmıştır. Son durumda, binanın kullanım amacının değiştiği varsayılmıştır. Bu durumda yapı içerisinde değerli ve hassas cihazlar olduğu varsayılarak bu cihazlarla ilgili olası deprem hasarları maliyet hesabına dahil edilmiştir. Ayrıca sadece yapının hasar nedeniyle oluşan yapısal kaybı değil, yapının kullanım dışı kaldığı sürenin uzunluğuna bağlı ek maliyetler de hesaplara dahil edilmiştir. Her üç durum için maliyet optimizasyonunda elde edilen sonuçlar, değişkenlik göstermiştir. Her bir durumda dikkate alınan farklı parametreler, optimal sistemin belirlenmesinde büyük rol oynamıştır. Bu nedenle her bir durum için, hasar maliyet yüzdeleri ve toplam maliyetler ayrı ayrı dikkate alınmıştır. İlk durum için, binanın mevcut halinde maruz kalacağı deprem etkisinde hesaplanan toplam maliyetin, herhangi bir sönümleyici cihazla güçlendirilmesi seçeneğine göre daha uygun olduğu görülmüştür. Bu nedenle yapının orijinal halinin güçlendirme seçeneklerine göre daha optimal bir maliyet değeri verdiği belirlenmiştir. Bu sonucun, güncel yönetmeliğe göre tasarlanan bir yapı sistemi için beklenen bir sonuç olduğu söylenebilir. İncelenen ikinci durum, sönümleyici cihazların gelecekte daha yaygın kullanılır hale gelmeleri sonucu maliyetlerinin azalması durumunu temsil etmektedir. Bu durumda yapının, maliyeti azaltılmış AKS ve AVS elemanlarının birlikte kullanılması ile güçlendirilmesinin durumunda optimal maliyet sonucunu verdiği görülmüştür. Bu seçenekte, iki farklı sönümleyici sistemin beraber kullanılmasının tekil olarak kullanımlarına göre daha ekonomik bir seçenek olacağı gösterilmiştir. İlgili maliyetlerin düşebileceği bir senaryoda istendiği durumda sönümleyici cihazların optimal tasarımının olasılıksal fayda-maliyet ilişkisiyle yapılabileceği sonucuna ulaşılmıştır. Son durumda yapının kullanım amacında ön görülen değişikliğe bağlı olarak hafif ve orta hasar seviyeleri için hesaplanan olasılıklarının maliyete önemli düzeyde etkisi olduğu görülmüştür. Kullanım amacına bağlı olarak yapı sisteminde yer alan değerli ve hassas cihazların maliyete etkisi dikkat alındığı için güçlendirme ihtiyacının doğacağı görülmüştür. Bu maliyet değerlerine ek olarak kullanım amacından kaynaklı iş/kira kesintisi maliyetleri de dikkate alınmıştır. Yapılan analizler sonrasında, yapının maruz kalacağı deprem etkileri altında elde edilen olasılıksal hasar yüzdelerine göre, yapının AKS ve AVS elemanları ile güçlendirilmesinin en optimal sonucu verdiği görülmüştür. Bu durumda, yapıdaki kullanım amacı değişikliği ve performans hedefinin arttırılması hedefi ön görüldüğü için elde edilen sonuca göre yapının güçlendirilmesi gerektiği de gösterilmiştir. Bu çalışmada, AKS ve AVS sistemlerin beraber etkili şekilde kullanılmasının tekil olarak kullanılmalarına kıyasla daha başarılı sonuç verebileceği, gösterilmek istenmiştir. Yapılan çalışma sonrasında, üç katlı bir çerçeve sistem üzerinde, iki farklı sönümleyici cihazın ayrı ayrı ve beraber kullanılması durumunda olasılıksal maliyet-fayda optimizasyonu üç farklı durum için gerçekleştirilmiş ve her durum için farklı güçlendirme seçeneklerinin optimal seçenek olarak elde edildiği gözlenmiştir. Bu sistemlerin beraber çalıştığı durum için optimal tasarımların yapılmasının mümkün olduğu gösterilmiştir. Burada kullanılan yöntemle, yapıda meydana gelebilecek farklı türlerdeki olası kayıplar (muhteviyat hasarları, kullanım dışı kalma süresi, v.b.) ve maliyetler (sönümleyici fiyatları, v.b.) optimal tasarımın belirlenmesinde doğrudan göz önüne alınabilmektedir.

Özet (Çeviri)

Today, various damping retrofitting methods are used for improving the behavior of structural systems subjected to seismic actions. Conventionally, the structures are retrofitted by using only one retrofitting method such as addition of structural walls, attachment of viscous dampers or installation of tuned mass damping systems. When only a single retrofitting method is utilized, the potential benefits of utilizing multiple methods in a single structure cannot be achieved. This study presents a probabilistic cost-benefit assessment-based approach for optimal design of systems with multiple retrofitting methods. Specifically, a ductile multistory reinforced concrete frame building retrofitted with viscous and tuned-mass dampers, is considered. The optimal retrofitting scheme for the case-study building is identified by computing the annual expected costs for a range of alternative retrofitting configurations. In this process, two different damping systems are considered jointly, which have not been used together before. These are: (1) tuned mass dampers (TMD) and (2) fluid viscous dampers (FVD). For the TMDs, mass ratio is the critical parameter that needs to be optimized on the basis of cost-benefit evaluation. On the other hand, effective critical damping ratio is the essential optimization parameter in FVD systems. Depending on the adopted mass ratio and effective damping ratio combination the two systems may provide vastly different levels of improvement to the structural response. However, at the same time, the installation costs may differ significantly, as well. The aim of this thesis is to investigate the applicability of a cost-benefit analysis based approach to optimal retrofit design using multiple retrofitting technologies. As a part of this thesis, the damage likelihoods for the structure with two damping systems under the effect of different seismic ground motions are evaluated by considering a specific seismic hazard. These likelihoods are evaluated using the 2000 SAC/FEMA method depending on the seismic hazard at the site where the structure is located. As a part of cost evaluation, the annual cost value for each retrofit alternative is calculated. This is evaluation is repeated for all damage states. In the study, the maximum interstory drift values of the structure are used, and the damage limits are determined accordingly. In this research, a 3 story 1 bay ductile RC moment resisting frame building is considered as the case study structure. The structure represents a frame that is designed to the latest Turkish Structure Seismic Code (TSSC, 2018). The structural system is modeled in OpenSees. By optimizing the Modeling of Tuned Mass Damper (TMD) and Fluid Viscous Damper (FVD) components in the finite-element model was validated by comparing the Single Degree of Freedom System (SDOF) analysis results with the results from analytically derived expressions. A harmonic excitation is used in this validation. Both damper elements with proven modeling approaches are implemented to the case study building model. The structural system and dynamic properties of the case study structure are modeled in OpenSees both with and without dampers. The aim here was to determine the performance of the building both in its original condition and under the earthquake effects with various retrofitting alternatives. After the dampers' simulated behavior in OpenSees are validated, the time history analysis performed with 12 selected ground motions is scaled to a range of intensities. The relationship between maximum interstory drift and the shaking intensity is identified for each combination of TMD and FVD. The analyzes were carried out for 25 alternative retrofitting system combinations. These covered four different mass ratios for the TMD, four viscous damping ratios for the FVD, systems with single retrofitting devices and the bare system. Using the 2000 SAC/FEMA method, probabilities of failure was calculated for all damage states and analyzes models. These probabilities are used for calculating the annual expected cost values for the building under the earthquake hazard. The main aim of the study is to show how much a seismic performance and financial gain will be provided throughout the life of the building, by retrofitting it. For the cost estimation, both the reconstruction cost of the case study structure and the cost of TMD and FVD elements were calculated. All investment costs in the calculations are determined according to the condition that the investment is annually paid throughout the service life of the building assuming a constant 5% inflation rate. The reconstruction cost of the main structure and the retrofitting costs (i.e. costs of TMD and FVD elements) were estimated by considering the studies in the literature. After calculating the costs, the optimization was performed for three hypothetical cases assuming different market conditions and building occupancies. The first case represents the cost optimization for a typical residential building structure by using the best estimates of the costs as of today. The second case represents the hypothetical situation assuming that the costs of TMD and FVD elements decreases due to advancements in their manufacturing processes and their use becomes widespread. In this case, it was assumed that TMD and FVD costs are reduced to 25% of their costs as of today. In the last case, it is assumed that the purpose of use of the building is changed. It is assumed that building houses highly expensive contents (e.g. special equipment, machinery). In this last case, the potential losses related to damage to the contents are included in the expected annual cost calculation. In addition, additional losses due to downtime are also included in the cost. A different optimal retrofitting scheme was identified in each case. According to the cost optimization for the first case, it is shown that keeping the original building as it is, is a more appropriate option than retrofitting it with damping devices from a cost-wise point of view. In the second case, it is found that the optimal expected cost can be obtained if the structure is retrofitted with TMD and FVD elements given that their costs are decreased to the assumed level. In the last case, it has been observed that likelihoods of low to moderate damage levels become critical as a result of the change in the occupancy properties of the structure. For this reason, the most optimal cost value of the building has been found when it is retrofitted with TMD and FVD elements. In the study, probabilistic cost-benefit optimization was performed for three different situations and optimal values of different approaches where it is demonstrated that optimal retrofitting schemes with multiple types of damping devices can be designed by optimizing the annual expected cost. Using this approach, various types of costs associated with the seismic damage (i.e. contents damage, downtime losses) as well as the retrofitting (i.e. cost of dampers) can be directly taken into account in the retrofit design.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    693929

    Rüzgâr enerjisi kaynakları içeren güç sistemleri için güvenlik kısıtlı optimal güç akışı çözümü

    Security constrained optimal power flow solution for power systems including wind energy generation

    ALİŞAN AYVAZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. VEYSEL MURAT İSTEMİHAN GENÇ

  2. Tez No

    418978

    Flight deck centered cost efficient 4D trajectory planning

    Kokpit otomasyonu tabanlı 4D rota planlaması

    MEVLÜT UZUN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÖKHAN İNALHAN

  3. Tez No

    692422

    Hybridization of probabilistic graphical models and metaheuristics for handling dynamism and uncertainty

    Değişimin ve belirsizliğin ele alınması için olasılıksal çizgesel biçelerin ve sezgi-üstlerinin melezleştirilmesi

    GÖNÜL ULUDAĞ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞE ŞİMA UYAR

  4. Tez No

    455349

    Elektrik iletim sistemi güç transformatörleri için güvenilirlik merkezli donanım yönetimi sürecinin kurulması ve değerlendirilmesi

    Reliability centered asset management for power transformers in Turkish national power transmission system

    HAVVA AYSUN KÖKSAL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYDOĞAN ÖZDEMİR

  5. Tez No

    855505

    Takım çalışması esaslı demontaj hattı işgören atama ve dengeleme problemi için oyun teorisi odaklı yaklaşımlar

    Game theory-oriented approaches for multi-manned disassembly line worker assignment and balancing problem

    YILDIZ KÖSE

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMRE ÇEVİKCAN

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SİNAN ERTEMEL

Geri Dön