Geri Dön

Optimum multiple tuned mass dampers for soft story structures

Yumuşak katlı yapılar için optimum çoklu ayarlanmış kütle sönümleyiciler

PDF İndir

  1. Tez No: 876078
  2. Yazar: FARAH SALIM MUSTAFAY ARKHEES ALNAYHOUM
  3. Danışmanlar: Prof. Dr. SİNAN MELİH NİGDELİ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 70

Özet

Depremler, öngörülemezlikleri ve muazzam yıkım potansiyelleri nedeniyle en tehlikeli doğal olaylardan biridir. Özellikle zemin veya ilk katlarda bulunan ve katlar arasında belirgin bir sertlik farkı olan yumuşak-katlı tasarımlı binalarda ciddi hasara yol açarlar. Bu yapısal sertlik dengesizliği, deprem gibi dinamik yükler sırasında bu binaların çökme riskini artırır. Yıllık yaklaşık 11.000 ölümle, depremler ciddi ekonomik ve insanî etkilere sahiptir. Depremlerin neden olduğu kapsamlı hasar, bina dayanıklılığını iyileştirmek için akademik ve mühendislik çabalarını yönlendirmiştir. Yapısal tepki teknolojilerinin gelişmesiyle birlikte, Ayarlı kütle sönümleyiciler (TMD), aktif kütle sönümleyiciler (AMD), yarı aktif kütle sönümleyiciler (SAMD) ve hibrit kütle sönümleyiciler (HBD) gibi çeşitli damper tipleri deprem etkilerini azaltmak ve yapısal performansı iyileştirmek için kullanılmaktadır. Özellikle inşaat mühendisliği alanındaki karmaşık mühendislik problemleri,Genetik Algoritma (GA), Jaya Algoritması (JA) ve Parçacık Sürüsü Optimizasyonu (PSO) gibi meta-sezgisel algoritmalar kullanılarak çözülebilmektedir. Bu algoritmalar, yapısal güvenliği ve performansı artırmak için karmaşık tasarım parametrelerini optimize etmede güçlü çözümler sunar. Bu çalışmanın temel amacı, depremler sırasında yapısal yer değiştirmeyi azaltmak ve yapısal güvenliği artırmak için çoklu Ayarlı Kütle Sönümleyicilerini optimize etmektir. Bu araştırma, Jaya algoritması kullanılarak yapılan parametre optimizasyonu ile yumuşak-katlı bir bina modelinde pasif titreşim kontrolünün incelenmesine odaklanmaktadır. Bu bağlamda, Den-Hartog tekniği ve Jaya algoritması kullanılarak Ayarlı kütle sönümleyiciler (TMD) sistemlerinin tasarlanması ve optimize edilmesi, farklı katlar için optimal parametrelerin belirlenmesiyle gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın sonuçları, çoklu Ayarlı kütle sönümleyicileri (MTMD) uygulamalarının etkinliğini değerlendirmek amacıyla, üst katta tek bir ayarlı kütle sönümleyicisi bulunan model ve herhangi bir TMD kullanılmayan model ile karşılaştırılmıştır. Araştırma; giriş, kontrol sistemleri ve Jaya algoritması hakkında kapsamlı bir genel bakış, metodoloji, bulgular, tartışma ve sonuç bölümlerini kapsayan bölümlerden oluşmaktadır. İnşaat mühendisliğindeki yapısal kontrol sistemleri, özellikle deprem ve rüzgar gibi beklenmedik titreşimlerin neden olduğu hasarları azaltmayı amaçlar. Bu sistemler, yapısal bütünlüğün korunması ve yapıların güvenliğinin sağlanması için hayati öneme sahiptir ve gelecekte daha geniş bir kullanım alanı bulması beklenmektedir. Yapısal kontrol sistemleri genellikle pasif, aktif, yarı-aktif ve hibrit olmak üzere dört ana kategoriye ayrılır; her biri farklı özelliklere ve uygulama alanlarına sahiptir. Pasif kontrol sistemleri, dış güç kaynağı gerektirmeyen ve genellikle yapısal titreşimleri absorbe eden veya dağıtan sistemlerdir. Bu sistemler arasında sismik izolasyonlar ve enerji emici cihazlar bulunur. Sismik izolasyonlar, temelde binayı zemin hareketlerinden izole ederek yapıyı korurken, enerji emici cihazlar dinamik yükleri emerek veya dağıtarak yapıyı koruma altına alır. Ayarlı Kütle Sönümleyicileri (TMD), pasif kontrol sistemlerinin bir örneğidir ve binalarda yapısal doğal frekansa ayarlanarak titreşimleri azaltmak için yaygın olarak kullanılır. Ancak, tek bir ayarlı kütle sönümleyicilerinin belirli bir frekans aralığı dışında etkinliği azalabilir; bu nedenle, daha geniş bir frekans aralığında etkinlik sağlamak amacıyla Çoklu ayarlı kütle sönümleyicileri (MTMD) gibi sistemler geliştirilmiştir. Aktif kontrol sistemleri, yapısal titreşimleri azaltmak için dış güç kaynağı kullanır ve genellikle sensörler ve aktüatörler aracılığıyla çalışırlar. Bu sistemler, titreşimlerin gerçek zamanlı olarak izlenmesi ve kontrol edilmesi sayesinde yüksek adaptasyon ve etkinlik sunarlar. Ancak, karmaşık altyapıya ve sürekli güç kaynağına bağımlılıkları nedeniyle uygulama zorlukları da bulunmaktadır. Yarı-aktif kontrol sistemleri, pasif ve aktif kontrol sistemlerinin bir kombinasyonudur ve genellikle küçük güç kaynaklarından beslenirler. Bu sistemler, yapısal titreşimleri kontrol altına alarak güvenilirlik ve enerji verimliliği sağlarlar. Hibrit kontrol sistemleri, pasif, aktif ve yarı-aktif kontrol sistemlerinin özelliklerini entegre ederek üstün performans sağlarlar. Bu sistemler, büyük titreşim enerjisini absorbe edebilir ve yapısal kontrol kuvvetlerini etkin bir şekilde uygulayarak mühendislik uygulamaları için pratik ve etkili çözümler sunarlar. Hibrit sistemler, özellikle büyük ve karmaşık yapıların titreşim kontrolü için tercih edilirler ve geniş bir kullanım alanına sahiptirler. Den Hartog Tekniği, başlangıçta Den Hartog tarafından tanıtılmış ve temel olarak harmonik uyarıya maruz kalan yapıların titreşim kontrolü için optimal kütle ve sönüm parametrelerini belirlemeyi amaçlayan bir yöntemdir. Bu teknik, zaman içinde geliştirilmiş ve daha geniş frekans aralıklarında etkinlik sağlamak için sönüm elemanlarını da içerecek şekilde uyarlanmıştır. Meta-sezgisel algoritmalar, karmaşık mühendislik problemlerini çözmek için kullanılan güçlü optimizasyon teknikleridir. Bu algoritmalar, genellikle amaç fonksiyonlarını maksimize etme veya minimize etme yoluyla çalışarak, geniş bir uygulama alanına sahiptirler. Teaching Learning Based Optimization (TLBO), Particle Swarm Optimization (PSO) ve Jaya Algoritması (JA) gibi örnekler, bu algoritmaların inşaat mühendisliğindeki etkinliğini ve adaptasyon kabiliyetini gösteren öncü örneklerdir. Jaya Algoritması, 2016 yılında Rao tarafından geliştirilmiş olup, optimizasyon problemlerini çözmek için benzersiz bir yaklaşım sunar. Bu algoritma, en iyi çözüme yaklaşırken en kötü çözümlerden uzaklaşarak ilerler ve bu sayede daha hızlı ve etkili sonuçlar elde edebilir. Diğer optimizasyon algoritmalarından farklı olarak, Jaya Algoritması daha az sayıda ayarlanması gereken parametreye ihtiyaç duyar ve bu özelliğiyle pratik uygulamalarda tercih edilir hale gelmiştir. Ancak, optimal çözüme ulaşmak için birçok iterasyon gerektirebilir. Optimizasyon süreci, genellikle belirli sabitlerin tanımlanması ve kısıtlamaların göz önünde bulundurulması ile başlar. Ardından, algoritma yeni çözümler üretir ve bu çözümleri değerlendirerek en iyi çözüme ulaşmak için iteratif olarak ilerler. Bu süreç, yapısal mühendislikteki kompleks problemleri çözmek için güçlü bir araç olarak kabul edilir ve sürekli olarak geliştirilmektedir. Bu çalışma, FEMA P-695 uzak alan zemin hareketlerinden kaynaklanan 44 farklı deprem uyarısına maruz kalan iki katlı kesme binanın deprem tepkisini detaylı bir şekilde incelemektedir. Bu araştırma, yapılan iki senaryo üzerinde yoğunlaşmaktadır: birinci senaryoda binanın en üst katında tek bir Ayarlı Kütle Sönümleyicisini (TMD) bulunurken, ikinci senaryoda ise her katında tek bir Ayarlı Kütle Sönümleyicisi (TMD)'nin bulunduğu durum simüle edilmektedir. Yapısal özellikler, kütlesi (m), rijitliği (k) ve sönüm katsayısını (c) ifade eden temel parametrelerle tanımlanırken, TMD'lerin parametreleri kütle (m_d), rijitlik (k_d) ve sönüm katsayısı (c_d) olarak belirlenmiştir. Çalışmada, TMD parametrelerinin belirlenmesi için Den-Hartog tekniği ve Jaya meta-sezgisel algoritması kullanılmaktadır. Tek serbestlik dereceli sistemler için, yapı kütleleri konsantre bir nokta olarak ele alınmakta ve kendi yükleri ve dinamik etkilerinden kaynaklanan ivmeler hesaplanmaktadır. Sönüm matrisi, enerji koruma prensipleri temel alınarak Rayleigh tekniği ile belirlenmektedir. Birinci senaryoda, bina tek TMD ile 3 serbestlik derecesi (3DOF) sistem olarak modellenirken, ikinci senaryoda her katında tek TMD ile 4 serbestlik derecesi (4DOF) sistem simüle edilmektedir. Hareket denklemleri, her serbestlik derecesinde kuvvet dengelemesinden türetilmiş ve çözümü için MATLAB Simulink üzerinde 4. derece Runge-Kutta yöntemi kullanılmıştır. Sayısal analiz ve Jaya optimizasyonu ile elde edilen optimal TMD parametreleri; frekans, rijitlik ve sönüm gibi faktörleri içererek dinamik hareketler sırasında maksimum yer değiştirmeyi en aza indirgemeyi ve yay uzaması kısıtlamalarını başarıyla kontrol etmeyi amaçlamaktadır. Sonuç olarak, 44 farklı deprem uyarısı altında yapılan analizler sonucunda periyot ve frekans gibi Optimal TMD parametreleri belirlendi. Her senaryo için Den Hartog tekniği ve Jaya algoritması kullanılarak yapılan 25 tekrarlı analizler MATLAB (R2018a) üzerinde gerçekleştirildi. Yapısal özellikler, periyot, sönüm oranı ve kütle gibi önemli faktörler varsayılarak yapı frekansları ve rijitlikleri hesaplandı ve bu bilgiler Tablo 4.1'de detaylı olarak sunuldu. Optimal TMD değerleri, Den Hartog tekniği ve Jaya algoritması aracılığıyla belirlendi ve her bir senaryo için özel tasarım karakteristikleri Tablo 4.2 ile 4.5 arasında ayrıntılı olarak açıklandı. Çalışmanın bir diğer önemli bileşeni, ayarlı kütle sönümleyicili olmayan yapı, tek bir ayarlı kütle sönümleyici bulunan yapı ve çoklu ayarlı kütle sönümleyici bulunan yapı için göreceli yer değiştirme değerlerini içeren Tablo 4.6 ve 4.7'dir. Bu tablolar, farklı senaryolar altında yapısal tepkiyi karşılaştırmak için kullanılmıştır ve her durumun maksimum yer değiştirme sınırlarına uygunluğunu göstermektedir. Bu çalışmanın tartışma bölümü, yumuşak katlı iki katlı bir yapıda tek ve çoklu Ayarlı Kütle Sönümleyicileri (TMD) kullanımının optimize edilmesinde Jaya algoritmasının Den Hartog tekniğine göre üstünlüğünü detaylı bir şekilde ele almaktadır. Yapılan analizler ve elde edilen sonuçlar, Jaya algoritmasının yapısal özelliklere daha uygun frekans değerleri belirlediğini, daha yüksek sönüm oranları sağladığını ve düşük rijitlik değerleri üzerinde daha başarılı sonuçlar elde ettiğini göstermektedir. Bu gelişmeler, yapıların deprem kaynaklı titreşimlerini etkin bir şekilde azaltma kapasitesini artırmaktadır. Özellikle tek TMD'ler için yapılan karşılaştırmalarda, Den Hartog tekniği bazı durumlarda göreceli yer değiştirme oranında daha yüksek azalma sağlasa da, bu azalmalar genellikle maksimum yer değiştirme sınırlarını aşmaktadır ve sadece beş durumda kabul edilebilir bulunmuştur. Diğer yandan Jaya algoritması, 17 durumda kabul edilebilir sonuçlar vererek, optimize edilen TMD parametrelerinin yapısal stabiliteyi sağlama konusunda daha güvenilir olduğunu ortaya koymuştur. Çoklu TMD'lerin kullanımında ise Jaya algoritması, Den Hartog tekniğine göre daha yüksek bir göreceli yer değiştirme azalma yüzdesi sağlamış ve 25 durumdan 16'sında kabul edilebilir sonuçlar elde etmiştir. Özellikle normal ve yumuşak katlı yapılar için optimize edilen 2C ve 5C durumları, Jaya algoritması ile belirgin bir şekilde göreceli yer değiştirme azalması göstermiştir. Yapının maksimum toplam yer değiştirme ve ivmesi üzerinde yapılan değerlendirmeler, TMD'lerin etkin kullanımıyla özellikle Jaya algoritmasıyla önemli ölçüde azaldığını göstermektedir. Bu sonuçlar, yapıların deprem etkilerine karşı dayanıklılığını artırmak için Jaya algoritmasının TMD parametrelerinin optimize edilmesinde daha etkili bir seçenek olduğunu doğrulamaktadır. Bu çalışmanın sonuçları, Jaya algoritmasının Ayarlı Kütle Sönümleyicileri (TMD) optimizasyonunda Den Hartog tekniğine göre üstünlüğünü detaylı bir şekilde ortaya koymaktadır. Özellikle, yapıların yumuşak katlı ve çoklu TMD'lerle donatıldığı durumlarda Jaya algoritması daha iyi optimal frekans değerleri elde etmiştir. Bu durum, yapıların doğal frekanslarına daha yakın çalışabilme yeteneği ile titreşim azaltımında önemli bir avantaj sağlamıştır. Ayrıca, Jaya algoritması daha yüksek sönüm oranları ve düşük rijitlik değerleri elde ederek Den Hartog tekniğine göre daha etkili bir şekilde titreşim azaltımı sağlamıştır. Tek TMD'ler için yapılan karşılaştırmalarda, Den Hartog tekniği göreceli yer değiştirme oranında bazı durumlarda daha yüksek azalma göstermiş ancak bu azalmalar genellikle maksimum yer değiştirme sınırlarını aşmıştır. Bununla birlikte, Jaya algoritması bu sınırlar içinde etkinliğini korumuş ve genel olarak daha kullanışlı bir çözüm sunmuştur. Çoklu TMD'lerin kullanımında ise Jaya algoritması, göreceli yer değiştirme ve maksimum toplam yer değiştirme azalma yüzdelerinde Den Hartog'a göre daha yüksek performans göstermiştir. Özellikle, yumuşak katlı yapılar için optimize edilen durumlarda belirgin bir şekilde başarı elde etmiştir. Ayrıca, Jaya algoritması maksimum ivme azalmasında da daha yüksek oranlarda azalma sağlamış ve bu da yapıların deprem etkilerine karşı dayanıklılığını artırmada Den Hartog tekniğine göre üstün olduğunu göstermiştir. Tüm bu bulgular, Jaya algoritmasının yapı mühendisliğinde TMD parametrelerinin optimize edilmesinde etkin ve güvenilir bir araç olarak öne çıktığını kanıtlamaktadır.

Özet (Çeviri)

Soft-story structures often suffer damage and collapse during earthquakes due to different vibrations and movement of the ground beneath them, while higher stories are more stable. From this point, this study focuses on implementing multiple-tuned mass dampers (MTMDs) system into a soft-story structure, which is a single TMD placed on each floor of the structure, to investigate its effectiveness in mitigating dynamic responses during seismic excitation. As known, tuned mass dampers (TMDs) are a popular passive control mechanism used to reduce undesirable vibrations in structures by absorbing lateral loads from primary systems. This study was established by using Jaya metaheuristic algorithm (JA) as a fundamental optimization method, which was used for tuning passive mass dampers. In addition, Den Hartog technique has been used as well to optimize the TMD parameters. The numerical optimization of Jaya algorithm, and the application of Den Hartog equations have been performed using Matlab (R2018a) programming. Thus, TMD parameters such as period, damping, mass, and frequency have been estimated. The process of this study was carried out utilizing a two-story model with two different separated TMDs placed on each for a set of cases. This model was loaded by 44 sets of earthquakes, which have recorded by FEMA P-695, and has been analyzed using MATLAB program according to both of Den Hartog technique and Jaya metaheuristic algorithm. The used model was examined and compared to another model that contains a single TMD on the top floor, and to another model that does not consist of any TMD. The results of this study show an improvement results by using multiple TMD analyzed by Jaya metaheuristic algorithm compared to those analyzed by Den Hartog technique in order of mitigate displacement.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    611838

    Dinamik etkiler altındaki yapılarda çoklu ayarlı kütle sönümleyicilerin optimum yerleşimi

    Optimal placement of multiple tuned mass dampers in structures under dynamic excitations

    HÜSEYİN ÇETİN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    İnşaat MühendisliğiNiğde Ömer Halisdemir Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERSİN AYDIN

  2. Tez No

    467932

    Yüksek hızlı tren geçişleri altındaki köprülerde rezonans titreşimlerinin ayarlı kütle sönümleyicilerle azaltılması

    Suppression of resonant vibrations of railway bridges under the passage of high-speed trains using tuned mass dampers

    ONUR ARAZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    İnşaat MühendisliğiKaradeniz Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. VOLKAN KAHYA

  3. Tez No

    689647

    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

    HAKAN KESKİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. UFUK YAZGAN

  4. Tez No

    815283

    The performance evaluation of ai based resource allocation algorithms for donwlink NOMA systems

    Aşağı yönlü NOMA sistemlerinde yapay zeka tabanlı kaynak tahsis algoritmalarının performans analizi

    EDA KURT KARAKUŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN

  5. Tez No

    876526

    Investigation of vibrations created during TBM excavation and rock cutting

    TBM kazısı ve kaya kesme deneyleri sırasında oluşan titreşimlerin incelenmesi

    UĞUR ATEŞ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HANİFİ ÇOPUR

Geri Dön