Depreme yönelik olarak yarı-aktif kontrollü manyetik damper tasarımı ve uygulaması
Design of a semi-active controlled magnetic damper for seismic mitigation of buildings
Yazar: MUAZ KEMERLİ
Danışman: PROF. DR. TAHSİN ENGİN
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Manyetoreolojik (MR) damperler son yirmi yıldır tüm dünyada otomotiv, biyomedikal, inşaat ve savunma sanayi gibi çeşitli alanlarda pratik olarak kullanılmakta ve bu alanlarda yapılan araştırmalar halen güncelliğini korumaktadır. Bu alanların başında ise titreşim altındaki yapıların MR damper ile kontrolü gelmektedir. Bu çalışmada, MR damper kullanılarak betonarme binalardaki sismik titreşimlerinin sönümlenmesi farklı çelik yapı modelleri kullanılarak incelenmiştir. 

Çalışmada öncelikle MR damper içerisindeki akış ve manyetik alana ilişkin analitik modeller ortaya konulmuş, ardından bir referans MR damper dikkate alınarak farklı HAD yaklaşımları incelenmiş ve literatürdeki HAD yaklaşımlarının MR damperin modellenmesinde yetersiz olduğu gösterilmiştir. Daha sonra, reometre yardımıyla MR sıvının reolojik özellikleri belirenmiş ve bu veriler ışığında yeni bir HAD yaklaşımı ortaya konularak sonuçlar referans MR damper ile doğrulanmıştır. Geliştirilen yaklaşım kullanılarak, yapı modellerine uygun ölçekte bir MR damper tasarlanmış, optimize edilmiş ve üretilmiştir. Ayrıca, geliştirilen HAD yaklaşımı üretilen MR damperin test sonuçları ile bir kez daha doğrulanmıştır.  

Üretilen MR damper için literatürdeki parametrik dinamik modeller incelenmiş ve bir yapay sinir ağları dinamik modeli geliştirilmiştir. Yapı modellerinin MR damper ile kontrol edilebilmesi için iki tanesi geliştirilen yapay sinir ağları modeli ile çalışan toplam üç adet kontrol algoritması kullanılmıştır. 

Türkiye yapı stoğunun büyük çoğunluğu 5-8 katlı betonarme binalardan oluşmaktadır. Bu yapıların periyod özellikleri dikkate alınarak, dört farklı çelik yapı modeli tasarlanmıştır. Yapı modelleri bir sarsma tablasına yerleştirilerek El-Centro ve Kocaeli deprem ivmeleri altında MR damper ile yarı-aktif olarak kontrol edilmiştir. Ayrıca ticari bir MR damper kullanılarak deneyler tekrarlanmıştır.

Çalışma sonucunda yapı modellerinin kontrolcüsüz duruma göre taban kesme kuvvetleri indekslerinde %50'ye varan bir iyileşme sağlandığı ve üretilen MR damperin ilgili indekslerde ticari bir MR dampere göre %23 daha iyi sonuç verdiği görülmüştür.

Abstract:
Magnetorheologic (MR) dampers are widely used around the world in various areas such as civil engineering, biomedical applications, automotive and defense industry, and it remains as an active research area. The control of structures via MR dampers under excitation is a leading topic in this area. In this study, the damping of concrete buildings via MR dampers under seismic excitation was investigated by using different steel building models. 

The analytical models for the flow and magnetic field inside the MR damper were examined. Different CFD approaches were investigated by considering a reference MR damper, and it was shown that the existing rheological approaches in the literature are not capable of modeling MR dampers.  Rheological properties of MR fluid were defined by using a rheometer, and a new CFD approach was developed based on these data. The developed approach was then implemented for the design and optimization of the MR damper that was manufactured consistent to the scale of the building models.

Different parametric dynamic models of the manufactured MR damper were investigated, and a non-parametric artificial neural network dynamic model was developed. In order to control the model buildings, three control algorithms were developed as two of them were based on the developed artificial neural network model. 

The building stock of Turkey consists of 5-8 storey reinforced-concrete structures. Four different steel building models were designed by considering their period parameters. Building models were semi-actively controlled by the MR damper on a shaking table under the earthquake acceleration records of El-Centro and Kocaeli. Experiments were re-conducted by using a commercial MR damper.

The study shows that the base shear force indexes can decrease up to 50% regarding the passive-off condition and the manufactured MR damper has 23% better performance compared to a commercial MR damper.