Energy based multi-objective optimization for threedimensional buildings incorporating tuned mass dampers
Ayarlı kütle sönümleyici eklenmiş betonarme bir binanın sismik enerji bazlı çok amaclı optimizasyonu
- Tez No: 994658
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ARCAN YANIK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Yapı dinamiği, İnşaat mühendisliği, Structural dynamics, Civil engineering
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yapı tasarımı, inşaat mühendisliğinin en kritik aşamalarından biridir. Mühendisler, rüzgâr ve darbe yükleri gibi statik ve dinamik etkilerin yanı sıra, özellikle büyük ivmeler, yer değiştirmeler ve hızlar oluşturarak yapıların güvenliği ve servis verilebilirliğini tehdit eden en kritik ve öngörülemez dinamik yük türü olan depremleri dikkate almak zorundadır. Teknolojik gelişmeler ve yapı sistemlerinin giderek daha karmaşık hâle gelmesiyle birlikte, sismik tasarım esasları da yeni bilgiler ve performans beklentileri doğrultusunda sürekli olarak gelişmektedir. Depremler sırasında oluşan aşırı titreşimler, kullanıcı konforunun azalmasına, yapısal ve yapısal olmayan elemanlarda hasara ve hatta yapıların işlevini kaybetmesine neden olabilmektedir. Bu nedenle, yapıların dinamik davranışının doğru şekilde anlaşılması ve kontrol edilmesi, deprem mühendisliğinde temel bir araştırma konusu hâline gelmiştir. Bu problem, özellikle esnek ve yüksek yapılarda daha belirgin hâle gelmektedir. Bu tür yapılar, sismik etkiler altında büyük yatay yer değiştirmelere ve yüksek kat ivmelerine maruz kalmaktadır. Perdeler, çaprazlar eklemek veya eleman boyutlarını artırmak gibi geleneksel güçlendirme yöntemleri, yapının rijitliğini arttırmakta; ancak ivmeye bağlı problemlere çoğu zaman yeterli çözüm sunamamaktadır. Hatta bazı durumlarda, artan rijitlik yapının doğal frekanslarını depremin baskın frekanslarına yaklaştırarak titreşimlerin büyümesine neden olabilmektedir. Geçmiş deprem kayıtları, orta ve büyük ölçekli yer hareketlerinin aşırı kat ötelemesi ve ivmeler yoluyla ciddi hasarlara neden olduğunu göstermiş ve klasik tasarım yaklaşımlarının ötesinde daha etkin titreşim azaltma tekniklerine olan ihtiyacı ortaya koymuştur. Titreşim kontrol teknolojileri, rijitlik veya dayanım artışına doğrudan bağlı olmaksızın yapısal talepleri azaltmayı amaçlayan modern sismik tasarımın temel unsurları hâline gelmiştir. Yapısal kontrol; pasif, aktif, yarı aktif ve hibrit sistemler aracılığıyla sağlanabilmekte olup, her bir sistem farklı çalışma prensiplerine sahiptir. Pasif kontrol sistemleri, dayanıklılıkları, basitlikleri ve harici bir enerji kaynağına ihtiyaç duymamaları nedeniyle yaygın olarak tercih edilmektedir. Bu sistemler, yapıya giren kinetik enerjinin emilmesi, azaltılması veya dağıtılması esasına dayanmaktadır. Bu bağlamda titreşim kontrolünün temel amacı, yapısal deformasyonları azaltarak kullanıcı konforunu artırmak ve yapısal olmayan elemanları korumaktır. Yapıların giderek daha karmaşık ve esnek hâle gelmesi, bu hedeflere eş zamanlı olarak ulaşmayı zorlaştırmakta ve titreşim kontrol cihazlarını performansa dayalı deprem mühendisliğinin vazgeçilmez bileşenleri hâline getirmektedir. Pasif kontrol sistemleri arasında Ayarlı Kütle Sönümleyici TMD, etkinliği kanıtlanmış ve yaygın olarak kabul gören çözümlerden biri olarak öne çıkmaktadır. xxv TMD, ana yapıya yay ve sönüm elemanları ile bağlanan yardımcı bir kütleden oluşmaktadır. Yapının baskın titreşim frekansına uygun şekilde ayarlandığında, yapı ile zıt fazda titreşerek sismik enerjinin bir kısmını üzerine almakta ve dağıtmaktadır. Bir TMD'nin etkinliği; kütle oranı, frekans oranı ve sönüm oranı olmak üzere üç temel parametreye büyük ölçüde bağlıdır. Bu nedenle, etkin bir TMD tasarımı için bu parametrelerin uygun şekilde belirlenmesi gerekmektedir. Geleneksel ayarlama formülleri yaklaşık çözümler sunmakta; ancak çok yönlü yer hareketleri veya karmaşık üç boyutlu (3D) yapı sistemleri söz konusu olduğunda gerçekçi sismik etkiler altında yetersiz kalabilmektedir. Bu nedenle, yüksek performanslı TMD tasarımlarının elde edilmesinde optimizasyon teknikleri önemli bir araç hâline gelmiştir. Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO), Diferansiyel Evrim (DE), Genetik Algoritmalar (GA) ve Harmony Search (HS) gibi modern optimizasyon algoritmaları, geniş bir tasarım uzayının araştırılmasına ve birden fazla performans hedefinin eş zamanlı olarak değerlendirilmesine olanak tanımaktadır. Son yıllarda, yalnızca yer değiştirme veya ivme azaltımına odaklanmak yerine, toplam yapı enerjisinin minimize edilmesi gibi enerji temelli performans ölçütleri ön plana çıkmış; bu yaklaşım, ana yapı ile TMD arasındaki enerji transfer mekanizmasının daha iyi anlaşılmasını sağlamıştır. Bu tez çalışması, iki yönlü yer hareketine maruz kalan üç boyutlu (3D) bir kayma binası modeli üzerine yerleştirilmiş bir TMD sisteminin enerji temelli optimizasyonunu incelemektedir. Geleneksel TMD tasarım yaklaşımları çoğunlukla yer değiştirme veya ivme azaltımını hedeflerken, bu çalışma deprem sırasında yapıda meydana gelen enerji akışının önemini vurgulamaktadır. Enerji temelli tasarım, yapısal davranışın daha derinlemesine yorumlanmasını sağlamakta ve daha etkin titreşim kontrol stratejilerinin geliştirilmesine katkıda bulunmaktadır. Ancak literatürde, toplam yapı enerjisini optimizasyon hedefi olarak ele alan çalışmalar sınırlıdır ve mevcut uygulamaların çoğu tek yönlü uyarım altında iki boyutlu modellerle sınırlı kalmaktadır. Bu durum, gerçekçi 3D sistemler için enerji temelli ve çok amaçlı TMD optimizasyonu konusunda önemli bir araştırma boşluğu oluşturmaktadır. Bu boşluğu gidermek amacıyla, bu çalışmada çatı seviyesinde iki yönlü TMD bulunan 3D bir kayma binası modeli geliştirilmiştir. Yapı, toplu kütle, rijitlik ve sönüm matrisleri kullanılarak modellenmiş beş katlı bir sistem olup toplamda 15 serbestlik derecesine (SD) sahiptir. TMD, burulma etkileri ihmal edilerek x ve y doğrultularında iki ek SD katkısı sağlamakta ve birleşik sistem toplamda 17 SD'den oluşmaktadır. Yapı, El Centro (1940) ve Tarzana (1994) olmak üzere iki yönlü etki eden deprem kayıtları altında analiz edilmiştir. Dinamik analizler Newmark-Beta yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiş ve enerji bileşenleri zaman tanım alanında hesaplanmıştır. Optimizasyon işlemleri MATLAB yapısal tepki büyüklükleri ile toplam yapı enerjisinin eşzamanlı olarak minimize edilmesi şeklinde formüle edilmiştir. Tasarım uzayının etkin bir şekilde araştırılması ve Pareto‑optimal çözümlerin elde edilmesi için güncel metasezgisel algoritmalar olan Non‑Dominated Sorting Genetic Algorithm III (NSGA‑III) ve Multi‑Objective Grey Wolf Optimizer (MOGWO) kullanılmıştır. Nihai optimum TMD konfigürasyonu, rekabet eden performans hedefleri arasında dengeli bir çözüm sağlamak amacıyla normalize edilmiş ideal nokta yaklaşımı esas alınarak Pareto cephesinden seçilmiştir. ortamında yürütülmüştür. Elde edilen sonuçlar, TMD kullanımının yapının sismik performansını xxvi önemli ölçüde iyileştirdiğini göstermektedir. El Centro depremi etkisi altında, en üst kat yer değiştirmeleri x doğrultusunda yaklaşık %47, y doğrultusunda ise %38 oranında azalırken Tarzana depremi altında bu azalma x doğrultusunda %23, y doğrultusunda ise %28 olarak elde edilmiştir. Ayrıca, toplam yapı enerjisinin El Centro kaydı için yaklaşık %63, Tarzana kaydı için ise yaklaşık %45 oranında azaltıldığı belirlenmiştir. Bu sonuçlar klasik güçlendirme yaklaşımlarının ötesinde daha etkin titreşim azaltma tekniklerine olan ihtiyacı ortaya koymuştu.
Özet (Çeviri)
Designing a structure is a very critical part of the construction. Engineers must consider both static and dynamic loads such as wind, impact loads, and, most importantly, earthquakes, which represent the most critical and unpredictable type of dynamic loads, since they generate significant accelerations, displacements, and velocities that can threaten structural safety and serviceability. As technology progresses and structural systems become more polished, seismic design rules continue to evolve, reflecting new information and performance expectations. Excessive vibrations generated by earthquakes can lead to discomfort for people there, damage to structural and nonstructural materials, and even loss of operation. Therefore, understanding and managing the dynamic reaction of a building has become a major concern in earthquake engineering. The challenge becomes more pronounced for flexible and tall buildings, which tend to be subjected to significant lateral displacements and experience high floor accelerations under seismic stresses. Traditional strengthening methods, such as adding shear walls, bracing, or increasing member dimensions, improve stiffness, but they fail to address acceleration-related concerns. In a few instances, greater stiffness might even push the natural frequencies of the structure closer to prominent earthquake frequencies, leading to magnified vibrations. Past earthquake events have shown that medium and large ground motions can cause significant damage by causing excessive inter-story drift and accelerations, emphasizing the need for more efficient vibration mitigation techniques beyond standard design approaches. Vibration control technologies have become key elements of modern seismic design, seeking to reduce structural demand without relying basically on stiffness or strength gains. Structural control can be achieved through many methods, including passive, active, semi-active, and hybrid systems, each with different operating principles. Passive control systems are particularly popular because of their durability, simplicity, and independence from external power sources. They act by absorbing, decreasing, or dispersing the kinetic energy into the structure. In this context, the purpose of vibration control is to minimize structural deformation to promote comfort for occupants and protect nonstructural components. As buildings get more complex and adaptable, attaining these goals together becomes challenging, making vibration control devices essential elements of performance-based earthquake xxix engineering. Among passive systems, the Tuned Mass Damper (TMD) has emerged as one of the most effective and generally accepted options. TMD consists of an auxiliary mass coupled to the main structure by a spring and damper. When adjusted to the dominant frequency of the building, the TMD vibrates out of phase with the structure, absorbing and distributing a portion of seismic energy. The efficiency of a TMD depends significantly on three parameters: mass ratio, frequency ratio, and damping ratio. To develop an effective TMD, one needs to pick these characteristics properly. Traditional tuning formulas provide approximate solutions but often fall short under realistic seismic excitations, particularly when dealing with multi-directional ground motion or complex 3D structures. As a result, optimization techniques have become essential tools for achieving high-performance TMD designs. Modern optimization algorithms, such as Particle Swarm Optimization (PSO), Differential Evaluation (DE), Genetic Algorithms (GA), and Harmony Search (HS), enable engineers to explore a wide design range and evaluate multiple performance objectives. Instead of relying solely on displacement or acceleration reduction, recent research emphasizes energy-based performance measures, such as minimizing total structure energy, which provide an indication of the energy transfer mechanism from the main structure to the TMD. This thesis presents an energy-based optimization study of a TMD system implemented in a three-dimensional (3D) shear building model subjected to bi-directional ground motion. While conventional TMD design approaches mainly target displacement or acceleration reduction, recent research has shown the importance of understanding how energy flows through a structure during an earthquake. Energy-based design provides a deeper interpretation of structural behavior and can potentially lead to more efficient vibration control strategies. However, only a limited number of studies have focused on the total structure energy as an optimization objective, and most applications still rely on two-dimensional models with single-direction excitation. This creates a gap in the literature regarding energy-based, multi-objective TMD optimization of realistic 3D systems. This study aims to address this gap by developing a full 3D shear building model with a two-directional TMD equipped in the roof level. The building consists of five stories, idealized using lumped-mass, stiffness, and damping matrices; as a result, it is a 15 degree-of-freedom (DOF) structure model. The TMD, by neglecting the torsional behavior, contributes two additional DOF in the x and y direction. Leading to a combined system of 17 DOF. The structure is analyzed under bi-directional earthquake records, specifically El Centro (1940) and Tarzana (1994). The dynamic response is obtained using the Newmark-Beta method, and the energy components are traced throughout the analysis. Optimization is performed in MATLAB formulated by simultaneously minimizing top floor displacement in both directions x and y, and total structural energy. Advanced metaheuristic algorithms, especially the Non‑Dominated Sorting Genetic Algorithm III (NSGA‑III) and the Multi‑Objective Grey Wolf Optimizer (MOGWO), are applied to effectively explore the design space and identify Pareto‑optimal solutions. The ultimate optimal TMD configuration is selected from the Pareto front based on a normalized ideal‑point approach, ensuring a fair trade‑off xxx between competing performance objectives., and results demonstrate that the TMD significantly enhances seismic performance. The reduction in top-floor displacement reaches approximately 47% in the x direction and 38% in the y direction under the El Centro record, while under the Tarzana record, it is reduced by 23% in the x direction and 28% in the y direction. While the total structure energy has been decreased to around 63% under El Centro and 45% under the Tarzana record.
Benzer Tezler
- A methodology for energy optimization of buildings considering simultaneously building envelope HVAC and renewable system parameters
Binalarda yapı kabuğu, mekanik sistemler ve yenilenebilir enerji sistemleri parametrelerinin eş zamanlı enerji optimizasyonu için bir yöntem
MELTEM BAYRAKTAR
Doktora
İngilizce
2015
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE ZERRİN YILMAZ
PROF. DR. MARCO PERINO
- Shading device design and optimization via genetic algorithm by using surface temperature metric and electricity load
Gölgeleme elemanı tasarımı ve yüzey sıcaklık metriği ve elektrik yükü kullanılarak genetik algoritma yardımıyla optimizasyonu
AYŞEGÜL ÖYKÜ GÖRGÜN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
MimarlıkYaşar Üniversitesiİç Mimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BAŞAK KUNDAKCI KOYUNBABA
- Design and optimization of turbomachinery disks
Turbomakina disklerinin tasarımı ve optimizasyonu
SÜLEYMAN MUTİ
Doktora
İngilizce
2026
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYTAÇ ARIKOĞLU
- Deprem etkisindeki yapıların aktif kontrolü
Active control of structures under seismic excitation
BEKİR BORA GÖZÜKIZIL
- Thermo-elastic analysis and multi objective optimal design of functionally graded flywheel for energy storage systems
Enerji depolama sistemleri için fonksiyonel derecelendirilmiş volan termoelastik analizi ve çok parametreli optimizasyonu
ALPER UYAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM OZKOL
