Bina türü yapılar için pasif sönümleyici sistemlerin optimizasyonu ve analizi
Optimization and analysis of passive damper systems for building type structures
Yazar: APAER MUBULI
Danışman: DOÇ. DR. SİNAN MELİH NİGDELİ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Geçtiğimiz otuz yıl boyunca, kentsel inşaat yapılarının hızlı gelişimiyle birlikte, yüksek binalar, büyük açıklıklı köprüler ve açık deniz platformları gibi birçok büyük yapılar hayata geçirilmiştir. Bu yapılar, şiddetli deprem, rüzgâr ve dalga yükleri gibi dinamik çevresel tehlikelerin etkisinde büyük titreşimlere yatkındır. İnşaat mühendislik yapılarının deprem ve rüzgâr gibi sürekli değişken dinamik etkilerin karşısında en iyi dinamik performansı sağlamasındaki önemli kriterlerden biri, istenmeyen dış etkilerin (rüzgâr, deprem vb.) oluşturduğu titreşim tepkilerinin söndürülmesidir. Yapısal kontrol sistemleri, bu tür doğal dinamik yüklerin etkilerinden kaynaklanan istenmeyen titreşim etkilerini karşılamak için günümüz bina tasarımında çok önemli bir yere sahiptir. Pasif kontrol sistemleri, dinamik kuvvetlerden meydana gelen titreşimleri, kesit zorlarını ve yer değiştirmeleri güvenlik sınırları içerisinde tutarak yapının ve yapı içindeki donanımın korunmasını sağlayabilen etkili, ekonomik, sade, güvenilir ve kolay uygulanır olmaları gibi doğal avantajları nedeniyle yaygın olarak benimsenmiştir. Pasif enerji sönümleme kontrol teknolojisi, bina yapılarının afet etkilerinin önlenmesi ve azaltılması ve insan yerleşimlerinin rahatlığının arttırılması için kullanılmaktadır. Önemli bir akademik değeri ve geniş uygulama alanlara sahiptir. 
Son zamanlarda yapılan yoğun analitik ve deneysel araştırmalar sonucunda, binalarda kullanılan pasif kontrol sistemlerinden ayarlanmış kütle sönümleyicilerinin (TMD) titreşim kontrolleri yalnızca yeni yapıların tasarımı ve bileşenlerinde değil, mevcut yapıların rüzgâr, deprem ve insan faaliyetleri gibi dinamik etkilere karşı dayanaklığının güçlendirilmesinde daha fazla kabul görmektedir. Ayarlanmış kütle sönümleyicileri (TMD), yapının spesifik rezonans frekanslarını kontrol etmek için cihazın özelliklerini ayarlayarak deprem veya rüzgâr uyarımı altındaki bir yapının titreşimlerini hafifletmeyi amaçlamaktadır.
Bu tez çalışmasında, pasif sönümleyici sistemlerinden pratikte yaygın olarak kullanılan ayarlanmış kütle sönümleyicisinin (TMD) bina türü yapılardaki kullanımı, özellikle burulma düzensizliği bulunan asimetrik binaların yer hareketi uyarım yükleri altındaki titreşim kontrolü için tekli ve çift ayarlı kütle sönümleyicilerinin optimal konumu ve sistem parametrelerinin sistematik olarak belirlenmesi ve titreşim kontrolü araştırılmıştır. İlk olarak, hedef bina yapısının modal parametreleri onun ETABS sonlu eleman modelinden çıkarılmıştır. Tekli ve çift ayarlı kütle sönümleyici sisteminin optimum konumu, kontrollü mod şekillerine ve hem modal katılımcı kütle oranı hem de modal yön faktörüne dayalı olarak belirlenmiştir. Daha sonra, kütle sönümleyicisinin fiziksel özellikleri olan kütle, rijitlik ve sönüm parametrelerinin yanında konumu da burulma düzensizliğinden oluşan açısal titreşimin azaltılması için optimum olarak belirlenecektir. Optimizasyonda meta-sezgisel yöntemlerden Jaya algoritması kullanılarak sayısal iterasyon süreci kullanılacaktır. Tekli ve çift ayarlı kütle sönümleyici sistemi olan ve olmayan hedef bina için deprem etkileri altında yer değiştirme değerleri minimize edilerek tekli ve çift ayarlı kütle sönümleyici sistemlerinin optimal parametreleri hesaplanmıştır. Kontrol etkinliğini değerlendirmek için, tekli ve çift ayarlı kütle sönümleyici sistemleri olan ve olmayan binanın tepkileri karşılaştırılmıştır. Tek katlı örnek model bir bina ile 10 katlı gerçek bir binadan elde edilen analiz sonuçları, önerilen çift ayarlı kütle sönümleyici sisteminin hem yapısal güvenliği hem de konut konforunu artırmak için kat titreşimini, taban kesme kuvvetini ve deprem uyarıları nedeniyle geçen titreşim süresini azaltmada oldukça etkili olduğunu göstermektedir. Ayrıca, çift ayarlı kütle sönümleme sisteminin kütle artışına eşdeğer olan ve böylece asimetrik yapılar için kontrol etkinliğini artıran çift ayarlı kütle sönümleme sisteminin optimum düzlemsel konumunun belirlenmesinde burulma etkisinin göz önünde bulundurulması gerektiği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Over the past three decades, with the rapid development of urban construction structures, many large structures such as tall buildings, large span bridges and offshore platforms have been implemented. These structures are prone to large vibrations under the influence of dynamic environmental hazards such as strong earthquakes, wind and wave loads. One of the most important criteria for civil engineering structures to provide the best dynamic performance against constantly changing dynamic effects such as earthquakes and winds is the damping of vibration responses caused by undesired external effects (wind, earthquake, etc.). Structural control systems have a very important place in today's building design to meet the unwanted vibration effects caused by the effects of such natural dynamic loads. Passive control systems have been widely adopted due to their natural advantages such as being effective, economical, simple, reliable and easy to apply, which can ensure the protection of the structure and the equipment inside the structure by keeping the vibrations caused by dynamic forces, internal forces and displacements within safety limits. Passive energy dissipation control technology is used to prevent and mitigate the disaster effects of building structures and to increase the comfort of human settlements. It has an important academic value and wide application areas. 
As a result of recent intensive analytical and experimental research, vibration controls of tuned mass damping system (TMD) from passive control systems used in buildings are gaining more acceptance not only in the design and components of new structures, but also in strengthening the resilience of existing structures against dynamic effects such as wind, earthquake and human activities. Tuned mass damping system (TMD) aim to attenuate the vibrations of a structure under earthquake or wind excitation by tuning the device's properties to control the structure's specific resonance frequencies. 
In this thesis, the use of tuned mass damping system (TMD), which is one of the passive damping systems that is widely used in practice for building type structures was investigated with the optimal location of single and double tuned mass damping system for vibration control under ground motion excitation, including asymmetrical buildings with torsional irregularity. The systematic determination of motion direction and system parameters and vibration control were investigated. First, the modal parameters of the target building structure are extracted from its ETABS finite element model. The optimum position of the single and double tuned mass damping system was determined based on the controlled mode shapes and both the modal participant mass ratio and the modal direction factor. Then, the physical properties of the mass dampers, which are mass, stiffness and damping parameters, as well as its position will be determined as optimum for reducing angular vibration caused by torsional irregularity. In the optimization, numerical iteration process will be used by using the Jaya algorithm, one of the meta-heuristic methods. The optimal parameters of the single and double tuned mass damping systems are calculated by minimizing the displacement values under earthquake effects for the target building with and without a single and double tuned mass damping system. To evaluate the control effectiveness, the response of the building with and without single and double tuned mass damping systems was compared. Analysis results obtained from a single-storey exemplary building model and a 10-storey real building show that the proposed double tuned mass damper system is highly effective in reducing floor vibration, floor shear force and elapsed vibration time due to earthquake warnings to increase both structural safety and residential comfort. In addition, it was concluded that the torsional effect should be considered in determining the optimum planar position of the double tuned mass damping system, which is equivalent to the mass increase of the double tuned mass damping system, thus increasing the control efficiency for asymmetrical structures.