Rüzgar etkisi altında çerçeve yapıların ayarlı kütle sonümleyicileri ile kontrolü
Control of frame structures with mass submissions under the impact of wind
Yazar: MOHAMED CONDE
Danışman: PROF. DR. SİNAN MELİH NİGDELİ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ SEDA ÖNCÜ DAVAS
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Jaya algoritması = Jaya algorithm ; Matlab = Matlab ; Pasif kontrol sistemleri = Passive control systems ; Rüzgar = Wind

Özet:
Son otuz yılda kentsel inşaat yapılarının hızlı gelişimiyle birlikte, yüksek binalar, geniş açıklıklı köprüler ve açık deniz platformları gibi birçok büyük yapı hayata geçirilmiştir. Bu tür yapılar, dinamik çevresel tehditlerin etkisi altında büyük titreşimlere duyarlıdır. İnşaat mühendisliği yapılarının sürekli değişen dinamik etkilerle başa çıkarken en iyi dinamik performansı sağlaması için önemli bir kriter, istenmeyen dış etkilerin (örneğin, rüzgâr) oluşturduğu titreşim tepkilerini sönümlemektedir. Günümüz bina tasarımında, yapısal kontrol sistemleri, doğal dinamik yüklerin neden olduğu ve istenmeyen titreşim etkileriyle başa çıkmak için son derece önemli bir role sahiptir.  Binalarda kullanılan pasif kontrol sistemleri arasında yer alan ayarlı kütle sönümleyicileri (TMD) sadece yeni yapıların tasarımı ve bileşenlerinde değil, aynı zamanda mevcut yapıların dinamik etkilerine karşı dayanıklılığını artırmada daha fazla kabul görmektedir. Ayarlı kütle sönümleyicileri (TMD), yapıların spesifik rezonans frekanslarını kontrol etmek amacıyla cihazın özelliklerini ayarlayarak, deprem veya rüzgâr etkisi altındaki bir yapının titreşimlerini hafifletmeyi amaçlar.
Bu tez çalışmasında, rüzgâr hareketinin neden olduğu titreşimler sırasında açığa çıkan enerjilerin pasif olarak dağıtılması amaçlanmaktadır. 30 katlı bir binanın üzerindeki rüzgâr etkisini azaltmak için Jaya algoritması (JA) dahil olmak üzere Matlab'daki meta-sezgisel algoritmalar kullanılarak parametrelerini optimize edilen ayarlı kütle sönümleyici (TMD) kullanıldı. Daha sonra SAP2000 kullanılarak yapısal analiz yapılmıştır. İlk adımda, hedef bina yapısının modal parametreleri, Robot Structural Analysis sonlu eleman modelinden elde edilmiştir. Daha sonra kütle sönümleyicisinin fiziksel özellikleri olan kütle, rijitlik ve sönüm parametreleri titreşimi en iyi şekilde azaltmak üzere optimum olarak belirlenecektir. 
Optimizasyon sürecinde, Jaya algoritması gibi meta-sezgisel yöntemler kullanılarak sayısal iterasyon uygulanmıştır. Hedef bina için ayarlı kütle sönümleyici sistem bulunan ve bulunmayan durumlar altında rüzgâr etkisiyle meydana gelen yer değiştirme değerleri minimize edilerek, ayarlı kütle sönümleyici sistemlerin optimal parametreleri hesaplanmıştır. Kontrol etkinliğini değerlendirmek amacıyla, TMD'li ve TMD'siz sistem yapılarının tepkilerini karşılaştırılmıştır. 30 katlı bina modelin analiz sonuçları, önerilen ayarlı kütle sönümleyici sisteminin hem yapısal güvenliği hem de konut konforunu artırmak adına kat titreşimini azaltma ve rüzgâr uyarıları nedeniyle geçen titreşim süresini azaltma konusunda oldukça etkili olduğunu göstermektedir.
MATLAB sonuçlarına göre, TMD'nin optimizasyon sonuçlarını incelediğimizde optimum yer değiştirme değeri elde edildiğinde yapıdaki yer değiştirmenin %19,2 civarında azaldığını, toplam ivme değerinin ise %55,88 oranında azaldığını gözlemliyoruz. SAP2000'de, TMD yapının en yüksek seviyesindeki yer değiştirmesi %21,40 oranında ve ivme %57,68 oranında azalma konusunda özellikle başarılı olduğunu kanıtladı. 
Son olarak, bu tezde elde edilen sayısal sonuçlar, TMD sisteminin yer değiştirme azaltılmasında etkili olduğunu ve dolayısıyla rüzgâr etkisi altındaki yapıların etkili kontrolünün bir ölçüsü olarak kullanılabileceği sonucuna varmıştır.

Abstract:
With the rapid development of urban construction structures over the past three decades, many large structures such as high-rise buildings, long-span bridges and offshore platforms have been implemented. Such structures are susceptible to strong vibrations under the influence of dynamic environmental threats. An important criterion for civil engineering structures to provide the best dynamic performance in the face of constantly changing dynamic effects is to damp vibration responses caused by undesirable external effects (e.g. wind). In today's building design, structural control systems play an extremely important role in managing the unwanted vibration effects caused by natural dynamic loads. Tuned mass dampers (TMDs), which are part of passive control systems used in buildings, are increasingly accepted not only in the design and components of new structures, but also to increase the durability of existing structures against dynamic effects. Tuned mass dampers (TMDs) aim to attenuate the vibrations of a structure under the influence of an earthquake or wind by adjusting the characteristics of the device to control the specific resonance frequencies of the structures.
In this thesis, the aim is to passively dissipate the energies released during vibrations caused by the movement of the wind. To reduce the impact of wind on a 30-story building, a tuned mass damper (TMD) was used, the parameters of which were optimized using meta-heuristic algorithms in MATLAB, including the Jaya algorithm (JA). Then, structural analysis was carried out using SAP2000. In the first step, the modal parameters of the building structure to be studied were obtained from the finite element model of Robot Structural Analysis. Then, the physical properties of the mass damper, namely mass, stiffness, and damping parameters, will be optimally determined to best reduce vibrations.
During the optimization process, a numerical iteration was applied using meta-heuristic methods including those of the Jaya algorithm. For the target building, the optimal parameters of the tuned mass damper systems were calculated by minimizing the wind-induced displacement values under conditions with and without a tuned mass damper system. To evaluate the effectiveness of the control, the structural responses in systems with and without TMD were compared. The analysis results of the 30-story model show that the proposed tuned mass damper system is very effective in reducing ground vibration and vibration time due to wind warnings to increase both safety structural and residential comfort.
According to the MATLAB results, when we look at the optimization results of TMD, we observe that when the optimal displacement value is reached, the displacement in the structure decreases by approximately 19.2% and the total acceleration value decreases by 55.88%. In SAP2000, TMD was particularly effective in reducing displacement at the highest level of the structure by 21.40% and acceleration by 57.68%.
Finally, the numerical results obtained in this thesis conclude that the TMD system is effective in reducing displacements and can therefore be used as a measure of the effective control of structures under the influence of wind.