Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
484000		Yüksek yapılarda sönüm uygulamaları: Modelleme ve analiz / Applications of vibration damping systems on high-rise structures: Modelling and analysis Yazar:FURKAN TERZİOĞLU Danışman: PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Dinamiği, Titreşimi ve Akustiği Bilim Dalı Konu:Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering Dizin:Dinamik soğurucu = Dynamic absorber ; Doğrusal olmayan dinamik = Nonlinear dynamics ; Doğrusal olmayan titreşimler = Nonlinear vibrations ; Enerji sönümleme = Energy damping ; Kablolu asma sistemler = Suspended cable systems ; Mekanik titreşim = Mechanical vibration ; Serbest titreşim analizi = Free vibration analysis ; Serbest titreşimler = Free vibrations ; Zorlanmış titreşim = Forced vibration	Onaylandı Yüksek Lisans Türkçe 2017 145 s.
Yüksek yapılarda neredeyse her zaman, ve mekanik sistemlerde ise çoğu zaman yüksek genlikli titreşimlerden kaçınılması hedeflenir. Çünkü; yüksek yapılarda meydana gelen yüksek genlikli titreşim hareketleri (örneğin rezonans titreşimleri), bu yapılarda çeşitli hasarların oluşmasına neden olabilmektedir. Yapılarda yeterli miktarda sönüm özelliğinin bulunması ile aşırı titreşimlerin önüne geçilebilir. Ancak, bir yapı, sönüm dikkate alınmadan veya hassas bir sönüm hesabı yapılmadan inşa edilmişse, bu yapının aşırı titreşimlere maruz kalma ihtimali çok yüksektir. Bu tip yapılarda oluşabilecek yüksek genlikli titreşimlerin ise, çeşitli ek sönüm mekanizmaları vasıtasıyla yapıya harici olarak sönüm kazandırılarak, kabûl edilebilir seviyelere indirilmesi hedeflenir. Literatürde çeşitlilik gösteren bu ek sönüm sistemlerinin yüksek yapılara verimli bir biçimde uygulanabilmesi ve işlevlerini sorunsuz bir şekilde yerine getirebilmeleri için, bu sistemlerin ilgili yapıya uygun şekilde tasarlanmaları gerekir. Bu nedenle, ek sönüm sistemlerinin matematiksel olarak doğru modellenebilmesine ve analizlerinin zaman sarfiyatından uzak bir biçimde yapılabilmesine ihtiyaç duyulur. Bu tez çalışması kapsamında; ek sönüm sistemlerinden halatlı sönüm sisteminin ve ayarlı kütle sönümleyici sisteminin yüksek yapılara uygulanması konusu ele alınmış ve bu ek sönüm sistemleri ile yüksek yapılara kazandırılan sönüm miktarlarına ilişkin analizler gerçekleştirilmiştir. Bu bağlamda, ilk olarak, teze konu olan problem tanıtılıp, literatürdeki çalışmalar incelenmiş ve bu tezin amaç ile kapsamı özetlenmiştir. Titreşim hareketi ile ilgili temel teorik esaslardan ve sonlu eleman yönteminin temel formülasyonları kısaca açıklandıktan sonra, ayarlı kütle sönümleyicilerin basit yapılara uygulanmasına ilişkin teorik bilgilere yer verilmiş ve ayarlı kütle sönümleyicilerin bu basit yapılara etkisi açıklanmıştır. Literatürde, halatlı sönüm sistemi, halatların kendi modal titreşimlerine sönüm kazandırılması amacıyla daha çok köprülerde kullanılmıştır. Bu tez kapsamında yapılan çalışma ile, literatürdeki diğer çalışmalardan farklı olarak, bu halatlı sönüm sisteminin yüksek yapılara uygulanabilmesi amacıyla, viskoz sönüm elemanının yanında ön gerilmeye sahip bir yay elemanı da içeren bir tasarım sunulmuş ve bu tasarımı temsil eden bir yarı-analitik yaklaşım modeli ortaya konulmuştur. Tezde sunulan bu yarı-analitik model, halatlı sönüm sisteminin lineer olmayan davranışını da temsil etmektedir. Sözü edilen yarı-analitik model kullanılarak, bir yüksek yapı için hedeflenen sönüm miktarının, halatlı sönüm sistemi ile nasıl sağlanabileceği sistematik olarak irdelenmiştir. Sayısal uygulama olarak, sonlu elemanlar yöntemiyle örnek bir yüksek yapı modeli oluşturulmuş ve bu yapı modeli kullanılarak halatlı sönüm sisteminin sayısal analizleri gerçekleştirilmiştir. Sayısal uygulama kapsamında yapılan analizler vasıtasıyla, halatlı sönüm sisteminin parametrelerinin en iyi şekilde nasıl seçilmesi gerektiği sunulmuştur. Ayrıca, halatlı sönüm sisteminin parametrelerinden viskoz xxii sönüm katsayısının ve halat önyükünün optimizasyonunun yapıya kazandırılan viskoz sönüm oranını nasıl etkilediği gösterilmiştir. Sayısal model üzerinde yapılan analizler sonucunda, halatlı sönüm sisteminin yüksek yapılara uygulanması ile ilgili ortaya çıkan genel sonuçlar da yine bu tez kapsamında sunulmuş ve yorumlanmıştır. Bu tez çalışmasında, halatlı sönüm sisteminin yüksek yapılara sönüm kazandırılması hedefiyle kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. Halatlı sönüm sistemi ile yapılara kazandırılan sönüm miktarlarının tahmininde ise, tez kapsamında önerilen yarıanalitik modelin kullanılmasının avantajlı olduğu görülmüştür. Tez kapsamında incelenen ve yüksek yapılara sönüm kazandırmak için kullanılan bir diğer yöntem de yapılara ayarlı kütle sönümleyicilerin uygulanmasıdır. Bu incelemede bu amaca yönelik olarak bir yapısal modifikasyon yöntemi kullanılmıştır. Tez kapsamında özetlenen bu yapısal modifikasyon yöntemi; sönümlü çok serbestlik dereceli karmaşık yapılara ayarlı kütle sönümleyici eklenmesi durumunda, tüm modelin yeniden oluşturulmasına ve analizlerinin tekrarlanmasına gerek kalmaksızın, ayarlı kütle sönümleyicilerin bu tip yapılara eklenmesinin etkilerinin hesaplanabilmesine izin vermektedir. Sönümlü çok serbestlik dereceli karmaşık yapılar için optimize edilmesi tekrarlı ve masraflı analizlere ihtiyaç duyan ayarlı kütle sönümleyicilerin, bu yaklaşım ile nasıl kolayca optimize edilebileceği sayısal çalışmalar kapsamında sunulmuştur. Ayrıca bu tez kapsamında, tek bir ayarlı kütle sönümleyici kütlesi kullanılması ile yüksek bir yapının birden fazla moduna nasıl sönüm kazandırılabileceği açıklanmış, ve tanıtılan modifikasyon yöntemi kullanılarak yüksek bir yapı modeli üzerinde gerçekleştirilen örnek analizler ile bu yaklaşım doğrulanmıştır. Yüksek yapılarda yaygın olarak kullanılan ayarlı kütle sönümleyicilerin, tez kapsamında özetlenen yapısal modifikasyon yöntemi ile optimize edilmesinin oldukça verimli olduğu görülmüştür. Son olarak, bu tez kapsamında gerçekleştirilen çalışmalardan elde edilen sonuçlar değerlendirilmiş ve kazanımlardan söz edilmiştir. Ayrıca, gelecekte üzerinde çalışılabilecek konular hakkında öneriler sunulmuştur.
Vibration, which is generally regarded as undesirable in many mechanical systems, is definitely an undesirable motion for the high-rise structures. Because the fact that, high amplitude vibrations (e.g., resonance vibrations) may cause various damages in the high-rise structures. In order to avoid excessive vibrations, it is needed that the structures have sufficient damping capability. In spite of that, it is possible to encounter the high-rise structures which do not possess sufficient levels of damping. Therefore, it is desirable to eliminate the resonance vibrations which may occur in these structures. However, it is mostly not possible to completely eliminate the resonance vibrations, especially in the high-rise structures due to variation of the excitation frequencies. Hence, it is aimed to reduce the amplitudes of the resonance vibrations to acceptable levels by providing external damping to the high-rise structures by utilizing various additional damping systems. The additional damping systems which vary widely in the literature should be designed properly for the structure, so as to be efficiently implemented to the structures. In order to provide additional damping systems to the high-rise structures efficiently, it is essential to model the whole system accurately and to carry out the analyses efficiently. In this thesis, a damping system utilising cable and tuned mass damper are investigated as the additional damping systems for the high-rise structures in details. One of the objectives of the thesis is to develop mathematical models of the system including the additional damping subsystem for the high-rise structures, which should allow carrying out the analyses efficiently. It is also aimed to outline an optimization procedure which can be used to maximise the damping provided to the high-rise structure via efficient numerical analyses. In the first section of the thesis, the problem associated with damping in high-rise structures is introduced. Then, a literature survey on the additional damping systems is presented. In the literature survey, the practical applications of the additional damping systems are also gathered. Then, the aims and the scope of the thesis are briefly summarized. After that, fundamental theoretical background about vibrations of single- and multidegrees- of-freedom systems is outlined. Undamped and damped mechanical systems are included in the theoretical background section. The basic formulations of the static and the dynamic analyses in finite element method are very briefly summarised. Then, the basic theory of tuned mass dampers is presented for simple mechanical systems. The parameters of tuned mass dampers are examined when it is applied to a single degree of freedom system and the effects of these parameters on the dynamic response of the system are discussed. The cable damping system, which is generally used for the cable-stayed bridges, is one of the damping systems investigated in the thesis to reduce vibrations on highxxiv rise structures. At the first section of the third chapter, the conceptual design of the cable damping system for high-rise structures is introduced. Then, the working principle of the proposed cable damping system on a high-rise structure is described. The proposed cable damping system designed here is composed of a cable equipped with a viscous damper and a pre-loaded spring, one side of the damper-spring pair being grounded. At the second section of the third chapter, a simple but efficient, semi-analytical approach is utilized for the analyses of the proposed cable damping system to high-rise structures. The proposed approach also includes nonlinear effects of the introduced cable damping system such as nonlinear cable forces and nonlinear vibrations of the proposed damper-spring pair. In order to generalize the proposed method, a systematic procedure is developed so as to makes this system applicable to any high-rise structure. After that, at the third section, a sample high-rise structure model is developed by using finite element method to demonstrate the proposed cable damping system as a design example. After establishing the desired level of damping for the system under investigation, parametric studies of the cable damping system are carried out by using iterative analyses of the proposed approach method in order to satisfy the damping requirements. Such iterative analyses are successfully applied to determine the appropriate the values of the parameters of the cable damping system, yielding the desired level of damping. It is demonstrated by using the results obtained from such analyses that optimizing the viscous damping coefficient of the damper used in the proposed cable damping system is an essential step in order to determine the attainable level of viscous damping ratio of the highrise structure. Furthermore, some additional analyses are carried out to determine the sensitivity of the damping levels of the system to various parameters including the cable pre-load and the spring pre-load. Another additional damping mechanism investigated in the scope of this thesis to provide additional damping to high-rise structures is the use of the so-called tuned mass dampers. Tuned mass dampers are often utilised to suppress the excessive vibrations levels in many mechanical systems. However, unlike its application to single degree of freedom systems, the analyses and optimisation of tuned mass dampers for the multi degrees of freedom systems is not a simple task. The main reason for this is that the optimisation of tuned mass dampers for such systems generally requires iterative analyses. Here, in this thesis, an efficient structural modification method is utilised for the analyses of the structures with tuned mass dampers and their optimisation in terms of maximum damping. The proposed method for this purpose allows very efficient and low-cost calculations of frequency response functions of a modified structure if the natural frequencies and the corresponding mode shapes of the original structure are already available. Using the high-rise structure model developed within this thesis, the analyses of the system with the tuned mass dampers are performed by using the efficient structural modification method to demonstrate benefits of the method. The optimization of tuned mass damper for the specific modes of the high-rise structure model is performed in a systematic procedure by using this method. The results show that the method can be used effectively for damped multi-degrees-of-freedom systems to optimise one or more tuned mass dampers. Furthermore, it is shown that it is possible to reduce the vibration levels of more than one mode of the structures by using a single tuned mass damper. The application of this approach is also demonstrated by using the multi-degrees-of-freedom model of the high-rise structure developed in this study. Finally, all results obtained on the studied additional damping systems are discussed and some conclusions are made. Furthermore, some suggestions are made for the future studies.