Geri Dön

Yapısal titreşimlerin azaltılmasına yönelik yarı-aktif piston mekanizmalı ayarlı sıvı sütun sönümleyicinin geliştirilmesi ve deprem performansının incelenmesi

Development of a semi-active piston tuned liquid column damper for structural vibration mitigation and investigation of seismic performance

PDF İndir

  1. Tez No: 1018507
  2. Yazar: MUHAMMET BURHAN NAVDAR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ERKAN ÇELEBİ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Sakarya Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Yapı Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Dinamik yükler altında narin ve düşük sönümlü yapılarda oluşabilecek yapısal hasarları, servis edilebilirlik sorunlarını, kullanıcı konforundaki azalmayı ve hassas ekipmanlarda meydana gelebilecek performans kayıplarını sınırlandırmak amacıyla geliştirilen yapısal kontrol sistemleri, günümüzde etkili mühendislik yöntemleri arasında yer almakta ve son yıllarda birçok yapıda uygulanmaktadır. Bu bağlamda, pasif titreşim kontrol sistemleri arasında yer alan Ayarlı Sıvı Sütun Sönümleyiciler (TLCD), basit yapıları, düşük maliyetleri ve harici enerji gereksinimi olmaksızın çalışabilmeleri nedeniyle uygulamada yaygın biçimde tercih edilmektedir. Ancak pasif TLCD sistemlerinin, değişken dinamik talepler, yapısal özelliklerde zamanla meydana gelen değişimler ve gerçek zamanlı uygulamalarda karşılaşılan donanımsal sınırlamalar karşısında uyarlanabilirliklerinin sınırlı olduğu bilinmektedir. Bu durum, özellikle narin ve düşük sönümlü yapılarda, daha esnek ve uyarlanabilir titreşim kontrol yaklaşımlarına duyulan ihtiyacı açık biçimde ortaya koymaktadır. Çalışmanın temel amacı, pasif TLCD sistemlerinin sınırlı uyarlanabilirliğini aşarak yapıda meydana gelen titreşimleri daha etkin biçimde azaltabilecek yarı-aktif pistonmekanizmalı TLCD (Semi-active Piston TLCD, SP-TLCD) sisteminin tasarlanması, kontrol altyapısı ile entegre edilerek işlevsel ve uygulanabilir hâle getirilmesi ve performansı deneysel olarak ortaya konulmuş bir sönümleyici cihaz olarak geliştirilmesidir. Bu doğrultuda, geliştirilen SP-TLCD sisteminin matematiksel modellenmesi, kontrol sistemine entegrasyonu, laboratuvar ölçekli deneylerle titreşim azaltım performansının değerlendirilmesi ve deneysel bulgularla desteklenen sayısal ve parametrik analizler gerçekleştirilmiştir. SP-TLCD, içsel bir yapısal modifikasyon gerektirmeden harici olarak entegre edilebilen elektromanyetik çift pistonlu fren mekanizmasına sahip olup, yapının anlık durumu ve çevresel koşullara bağlı olarak sönümleme özelliğini dinamik biçimde ayarlayabilen, kısmi arıza durumlarında dahi operasyonel dayanıklılık gösterebilen ve hem sönüm hem de kuvvet tabanlı çalışabilen yenilikçi bir sistemdir. Geliştirilen SP-TLCD sisteminin davranışı ve etkinliği, laboratuvar ölçekli tek katlıya indirgenmiş bir test yapısı üzerinde gerçekleştirilen deneysel çalışmalarla incelenmiştir. Deneysel düzenek; tek katlıya indirgenmiş bir test yapısı, pistonsuz ve pistonlu TLCD üniteleri, pistonlu TLCD ile uyumlu yarı-aktif kontrol mekanizması, ölçüm sensörleri, veri toplama sistemi, sarsma tablası, bilgisayar ve kontrol yazılımından oluşmaktadır. Deneysel çalışmalar öncesinde yapı modeli, TLCD sistemi ve yarı-aktif piston–fren mekanizması için kapsamlı karakterizasyon testleri gerçekleştirilmiştir. Bu testler sonucunda yapı ve sönümleyici bileşenlere ait yapısal ve hidrodinamik parametreler belirlenmiştir. TLCD içerisindeki sıvı hareketi ve enerji sönümleme davranışı, hem doğrusal olmayan yük kayıp katsayısına dayalı klasik modelleme yaklaşımı hem de istatistiksel olarak elde edilen eşdeğer doğrusal sönüm yaklaşımı ile temsil edilmiştir. Ayrıca klasik, pistonlu ve yarı-aktif pistonmekanizmalı TLCD sistemleri için hareket denklemleri türetilmiş ve yapı– sönümleyici etkileşimini temsil eden matematiksel modeller durum-uzay formuna dönüştürülmüştür. Elde edilen parametreler ve modeller, deneysel olarak doğrulanarak güvenilir bir analiz altyapısı sağlamıştır. Bu altyapı kullanılarak, tez kapsamında ele alınan önemli araştırma konularından biri olan ikinci mertebe (P–Δ) etkilerinin pasif TLCD sistemlerinin ayarlanması ve titreşim azaltım performansı üzerindeki rolü incelenmiştir. Bu kapsamda, P–Δ etkilerinin sönümleyici ayarı üzerindeki etkileri deneysel ve sayısal analizler ile değerlendirilmiştir. Bu incelemelerin ardından, tez kapsamında geliştirilen SP-TLCD sisteminin kontrol esnekliği ve operasyonel dayanıklılığı ayrıntılı biçimde araştırılmıştır. Sistem performansı hem sönüm tabanlı hem de kuvvet tabanlı kontrol stratejileri altında incelenmiş; ayrıca pratik uygulamalar açısından kritik öneme sahip kısmi aktüasyon (tek pistonun aktif çalışma durumu) koşullarında operasyonel davranışı deneysel olarak değerlendirilmiştir. Bunlara ek olarak, SP-TLCD sisteminin titreşim azaltım performansı ve kontrol etkinliği daha geniş uyarım koşulları, farklı kontrol yaklaşımları ve ilave analiz senaryoları dikkate alınarak kapsamlı biçimde incelenmiştir. Bu amaçla sistem performansı, yakın ve uzak alan deprem kayıtları altında farklı kontrol algoritmaları uygulanarak gerçekleştirilen sarsma tablası deneyleri ile değerlendirilmiş, sistem tepkileri zaman ve frekans alanında analiz edilmiştir. Ayrıca gerçek zamanlı yarı-aktif uygulamalarda kaçınılmaz olan donanımsal zaman gecikmesinin kontrol başarımına etkisi hem deneysel hem de ek sayısal çalışmalar ile araştırılmıştır. Bu doğrultuda farklı kontrol stratejilerinin zaman gecikmesi altındaki davranışları karşılaştırılmış ve gecikme kaynaklı performans kayıplarını azaltmaya yönelik genetik algoritma tabanlı gecikme telafili kontrol yaklaşımları geliştirilerek sisteme entegre edilmiştir. Sonuç olarak bu tez, pasif ve yarı-aktif TLCD sistemlerinin tasarımını, laboratuvar ölçekli deneysel uygulamalarını, ikinci mertebe (P–Δ) etkilerinin sistem ayarı ve performansı üzerindeki rolünü ve gelişmiş gecikme telafili kontrol stratejilerinin geliştirilmesini kapsayan kapsamlı bir araştırma sunmaktadır. Yapılan incelemeler, P– Δ etkilerinin ihmal edilmesi durumunda sönümleyici ayarında sapmalar oluşabildiğini ve bunun önemli performans kayıplarına yol açabildiğini göstermiştir. Geliştirilen SPTLCD sisteminin kontrol esnekliği hem sönüm tabanlı hem de kuvvet tabanlı kontrol yaklaşımlarına uyum sağlayabildiği ve kısmi aktüasyon koşullarında dahi operasyonel dayanıklılığını sürdürebildiği deneysel olarak ortaya konmuştur. Yakın ve uzak alan deprem kayıtları altında gerçekleştirilen sarsma tablası deneyleri, yarı-aktif yaklaşımın özellikle RMS temelli performans ölçütlerinde pasif TLCD sistemine kıyasla daha belirgin ve tutarlı titreşim azaltımı sağlayabildiğini göstermiştir. Ayrıca, gerçek zamanlı uygulamalarda kaçınılmaz olan donanımsal zaman gecikmesinin kontrol performansını sınırlayabildiği belirlenmiş ve geliştirilen genetik algoritma tabanlı gecikme telafili kontrol yaklaşımının bu olumsuz etkileri önemli ölçüde azaltabildiği gösterilmiştir. Geliştirilen SP-TLCD sisteminin uygulanabilirliği, güvenilirliği ve titreşim azaltma etkinliği doğrulanarak deneysel ve sayısal sonuçlarla ortaya konmuştur. Ayrıca, sistemin pasif TLCD'ye kıyasla daha yüksek ve daha uyarlanabilir bir titreşim azaltma kapasitesi sunduğu gösterilmiştir. Modüler tasarımı, dıştan monte edilebilir olması, çeşitli kontrol stratejileriyle uyumluluğu ve geliştirilmiş kontrol etkinliği sayesinde SP-TLCD sistemi, pratik mühendislik uygulamaları için sağlam ve yenilikçi bir alternatif olarak öne çıkmaktadır.

Özet (Çeviri)

The vibration response of slender and low-damped structures under dynamic loads has become an increasingly critical engineering problem in terms of both structural safety and serviceability. In particular, tower-type structures such as high-rise buildings, industrial chimneys, and wind turbines exhibit high sensitivity to wind-, wave-, and earthquake-induced dynamic excitations due to their slender geometry and low structural damping ratios. Under seismic actions, the resulting dynamic demands may lead to damage in structural members and severe safety concerns, whereas vibrations induced by environmental loads such as wind and waves primarily govern serviceability performance, causing reduced occupant comfort, malfunction of sensitive mechanical and electronic equipment, and interruptions in operational performance. Moreover, the long-term cyclic effects of such vibrations may result in fatigue and progressive damage accumulation in structural components. To mitigate these adverse effects, the use of vibration control systems has assumed a critical role in improving structural performance in modern engineering practice. Within this context, Tuned Liquid Column Dampers (TLCDs), which belong to the class of passive vibration control systems, have been widely adopted in practice due to their simple mechanical configuration, low cost, and ability to operate without external energy input. However, passive TLCD systems are designed with fixed parameters corresponding to a specific natural frequency and damping ratio, which restricts their effectiveness to limited loading conditions. Variations in structural dynamic properties over time, as well as differences in the characteristics of dynamic excitations, may lead to insufficient fixed damping capacity, thereby significantly limiting the adaptability of passive TLCD systems. This limitation highlights the need for more flexible and adaptive vibration control approaches, particularly for slender and low-damped structures. The primary objective of this thesis is to develop a new semi-active TLCD system capable of reducing the structural and non-structural damage potential induced by earthquake, wind, and similar dynamic loads, limiting vibration levels that adversely affect occupant comfort, preventing performance degradation of sensitive systems and equipment, and enhancing the overall safety, functionality, and serviceability of structures. To achieve this objective, a semi-active piston TLCD (SP-TLCD) system is developed, mathematically modeled, integrated with a control framework, and experimentally tested under laboratory-scale conditions. The effectiveness of the proposed system is validated by experimental results and further supported through numerical and parametric analyses. The SP-TLCD system incorporates an externally mountable electromagnetic dual-piston braking mechanism that does not require internal structural modification, enables real-time adjustment of damping properties based on the instantaneous structural response and environmental conditions, maintains operational robustness even under partial failure scenarios, and provides control flexibility through both damping-based and force-based operation. To investigate the behavior and effectiveness of the proposed SP-TLCD system, experimental studies were conducted on a laboratory-scale single-degree-of-freedom (SDOF) shear frame structure. Prior to the experimental campaign, comprehensive characterization tests were performed for the structural model, TLCD unit, and semiactive piston–brake mechanism, yielding experimentally identified natural frequencies, damping ratios, mass distributions, and hydrodynamic parameters. The fluid motion and energy dissipation behavior within the TLCD were represented using a classical nonlinear head-loss-based modeling approach. In addition, statistically equivalent linear damping ratios were derived to effectively capture the system dynamics in numerical simulations. These parameters were integrated into experimentally validated numerical models, providing a reliable analysis framework. Following the establishment of the experimental and numerical infrastructure, one of the key research topics addressed in this thesis was the role of second-order (P–Δ) effects, which become pronounced in slender and tall structures, on the tuning and vibration mitigation performance of passive TLCD systems. For this purpose, a P–Δsensitive SDOF reference structural model was developed, and free vibration tests conducted under different mass levels experimentally quantified the reduction in effective stiffness and the associated shifts in natural frequency. These findings were confirmed through comparisons with validated numerical models. Accordingly, the optimal liquid column lengths of passive TLCD systems were determined both by considering and neglecting P–Δ effects and shake table experiments were conducted under real earthquake records for both cases. The experimental results demonstrated that TLCDs tuned with consideration of P–Δ effects achieved approximately 15% greater reduction in peak responses and about 30% higher vibration mitigation performance based on RMS metrics compared to TLCDs tuned without accounting for P–Δ effects. Subsequently, the control flexibility and operational robustness of the developed semiactive SP-TLCD system were examined in detail. The system was tested under both damping-based and force-based semi-active control strategies. Moreover, partial actuation scenarios, corresponding to single-piston operation, were experimentally evaluated due to their practical significance. The results showed that even without delay compensation, the SP-TLCD system retained approximately 84% of its vibration mitigation performance relative to the fully actuated configuration, demonstrating operational continuity under potential failure or partial functionality conditions. After establishing the control flexibility and robustness of the system, the vibration mitigation performance of passive and semi-active TLCD systems was comparatively evaluated through shake table experiments under real earthquake records representing near-fault and far-field characteristics. The results indicated that the semi-active system provided average RMS response reductions of approximately 45% and 40% under far-field and near-fault earthquakes, respectively, relative to the uncontrolled structure, with reductions reaching up to 65% for certain records. Compared to the passive system, the semi-active approach yielded maximum improvements exceeding 30% in RMS-based performance metrics, while the average additional vibration reduction was approximately 18% for far-field and 17% for near-fault earthquakes. While a more stable and predictable damping behavior was observed under far-field earthquakes, increased performance dispersion was noted under pulse-type near-fault excitations due to fluid inertia and physical response time limitations. Among the control strategies considered, LQRCC and DBGC exhibited consistent and positive performance even in the presence of time delays, whereas VBGC showed unstable behavior, and BBC and SC provided only limited improvements associated with transient phase alignment within specific delay ranges. In light of these findings, the final stage of the study focused on mitigating performance degradation caused by hardware-induced time delays through the development of delay-compensated feedback control strategies. A genetic algorithmbased controller (GAC) and a genetic algorithm–optimized LQR-based clipping controller (GA-LQRCC) were integrated into the SP-TLCD system and evaluated experimentally and numerically. The results demonstrated that delay compensation provided significant improvements in RMS-based energy reduction, with the GALQRCC approach achieving up to 33% additional improvement in RMS performance compared to the conventional LQRCC. In terms of average values, RMS vibration reduction increased from 18% to 25% for far-field earthquakes and from 14% to 20% for near-fault earthquakes. Overall, this thesis presents a comprehensive investigation covering the design of passive and semi-active TLCD systems, their laboratory-scale experimental implementation, the consideration of second-order (P–Δ) effects, and the development of advanced delay-compensated control strategies. The applicability, reliability, and vibration mitigation effectiveness of the proposed SP-TLCD system are demonstrated through validated experimental and numerical results, showing that it offers a higher and more adaptive vibration reduction capacity compared to conventional passive TLCD systems. With its modular design, external mountability, compatibility with various control strategies, and enhanced control effectiveness, the SP-TLCD system represents a robust and innovative alternative for practical engineering applications.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    200037

    Helikopter rotor kanadı titreşimlerinin aktif flaplarla azaltılması

    Helicopter rotor blade vibration reduction using active flaps

    UĞUR DALLI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2007

    Havacılık ve Uzay MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ŞEFAATDİN YÜKSEL

  2. Tez No

    606793

    Yüksek basınçlı uçak motorlarının fan kanat titreşimlerinin azaltılması ve testleri

    Reduction and testing of fan blade vibration of high pressure aircraft engines

    OZAN KURAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Makine MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. RAHMİ GÜÇLÜ

  3. Tez No

    401

    Antakya tarihi ticaret merkezi mekansal yapı değişim ve gelişim sürecinin kent ticaret merkezi planlamasına etkinliği

    The Effectiveness of spatial structural chance and development period of the historical trade center of Antakya in the urban trade planning

    NEVİN TURGUT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1986

    Şehircilik ve Bölge PlanlamaGazi Üniversitesi

    Şehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. NURCAN UYDAŞ

  4. Tez No

    204

    Nükleer rezonasta moleküler yapıların incelenmesi (yapısal faz geçiş kuramları üzerine bir inceleme)

    Başlık çevirisi yok

    ABDURRAHMAN ANDİÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1986

    Fizik ve Fizik MühendisliğiUludağ Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYTAÇ YALÇINER

  5. Tez No

    75

    Alloxan'ın sıçan pankreası üzerine etkilerinin ışık ve elektron mikroskobu seviyelerinde araştırılması

    Investigation about the effect of alloxan on the rat at light and electronmicroscopical levels

    SAİM ÖZDAMAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1987

    BiyokimyaCumhuriyet Üniversitesi

    Morfoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERDOĞAN GÜRSOY

Geri Dön