Metasezgisel algoritmalar ile optimize aktif ayarlı kütle sönümleyicileri ile yapıların kontrolü
Control of structures by active tuned mass dampers optimized via metaheuristic algorithms
Yazar: AYLİN ECE KAYABEKİR
Danışman: PROF. DR. GEBRAİL BEKDAŞ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
İnşaat mühendisliği bakımından geçmişten günümüze yapısal sistemler incelendiğinde, sistemlerin insanların ihtiyaçları temelinde teknoloji, çevre ve ekonomik faktörler gibi çok sayıda etmene bağlı olarak değiştiği ve çeşitlilik gösterdiği görülmektedir. Bu duruma, insanların geçmişte olduğu gibi günümüzde barınma ihtiyaçlarını karşılamak amacıyla yapılar inşa etmelerine karşın, artan nüfus ve ihtiyaçlar nedeniyle günümüzde geçmişe nazaran çok daha yüksek yapılar kullanılıyor olması veya geçmişten günümüze teknolojinin gelişmesiyle inşa edilen köprüler, açık deniz yapıları, rüzgâr tribünleri, televizyon kuleleri, elektrik nakil hatları üretilmesi örnek olarak gösterilebilir. İhtiyaca bağlı artan yapısal çeşitlik ise daha karmaşık yapı sistemlerin tasarlanması ile tasarımda yapıya özel farklı dış etiklerin de dikkate alınması berberinde getirmiştir. Geleneksel yöntemlerin söz konusu etkilere karşı yapısal güvenliği sağlamadaki yetersizliği, mimari, estetik veya ekonomik sebepler tasarımlarda yenilikçi çözümlerin kullanılmasını gerekli kılmıştır.
Tez çalışması kapsamında söz konusu yenilikçi çözümlerden kontrol sistemlerinin bir türü olan aktif ayarlı kütle sönümleyicilerinin (ATMD) optimum tasarımı incelenmiştir. Optimizasyon işleminin gerçekleştirilmesi amacıyla metasezgisel algoritma tabanlı yöntem geliştirilmiştir. Matlab R2018a ile bilgisayar kodu yazılmış yöntemde, metasezgisel algoritmalar içerisinde etkinliği bilimsel çalışmalarla kanıtlanmış Armoni arama, öğretme-öğrenme tabanlı optimizasyon, çiçek tozlaşma ve jaya algoritmaları kullanılmıştır. Optimizasyon işleminde tasarım değişkenleri olan ATMD sistemi (kütle, periyot ve sönüm oranı) ile sisteme ait PID (orantı+integral+türev) kontrolcü parametrelerinin (orantı sabiti, integral zamanı ve türev zamanı) en uygun değerleri FEMA P:695 tanımlanan 24 deprem kaydının dış etki olarak tanımlandığı yapısal sistemin son kat yerdeğiştirmesinin minimum değerinin elde edilmesi amacıyla aranmıştır. On katlı kesme binası üzerinde çeşitli durumlar altında test edilen yöntemden ait sonuçlar algoritmaların optimizasyon performansının kendi içerisinde ve kontrol sistemin etkinliğinin belirlenmesi bakımdan ise TMD sistemi ile karşılaştırılmıştır. Bu sonuçlara göre, algoritma olarak armoni arama (HS) algoritmasının en uygun olduğu optimum ATMD tasarımın performansının kontrolsüz sisteme göre %52.13'e, TMD kontrollü sisteme göre ise %29.97'e varan düzeyde daha etkin olduğu görülmüştür.

Abstract:
Examining the structural systems from past to present in terms of civil engineering, it is seen that the systems change and vary depending on many factors such as technology, environment and economic factors on the basis of people's needs. As example of this situation, the use of much higher structures with respect to the past, or the production of bridges, offshore structures, wind turbines, television towers, electricity transmission lines with the development of technology can be given. Increasing structural diversity depending on the human needs has revealed the necessity to take into account different external factors specific to the structure in design as well as complex structural systems. The inability of traditional methods to provide structural safety against these effects, architectural, aesthetic or economic reasons make it necessary to use innovative solutions in designs.
Within the scope of the thesis, the optimum design of active tuned mass dampers (ATMD), which is a type of control systems, has been investigated. A metaheuristic algorithm-based method has been developed in order to perform the optimization process. In the method, written with Matlab R2018a, harmony search, teaching-learning-based optimization, flower pollination and jaya algorithms are used as metaheuristic algorithms. Design variables of optimization ATMD system parameters are mass, period, damping ratio, proportional constant, integral time and derivative time.
The most suitable values of combination of these design variables are searched in order to obtain the minimum value of the top storey displacement of the structural system for critical earthquakes within 24 earthquake records defined in FEMA P: 695. Developed method is tested on a 10-storey shear building and the results are evaluated in terms of the optimization performance of the algorithms and the efficiency of the control system.
According to these results, it has been seen that the most suitable algorithm for the optimum ATMD design is harmony searh. It has been also understood that the optimum ATMD system decreases the maximum displacement value up to 52.13% compared to the uncontrolled system and it is 29.97% more successfull than the TMD controlled system.