Krenlerin sismik etki altındaki davranışlarının modellenmesi ve titreşimlerinin aktif kontrolü

Abstract

Depremlerin krenlere verdiği hasarların önemi ancak 2000'li yıllara yaklaşıldığında anlaşılmaya başlanmıştır. Depremlerin krenler üzerindeki etkisinin geç fark edilmesinin bir nedeni, büyük kapasiteli krenlerin yakın zamana kadar çok yaygın bir şekilde kullanılmamasıdır. Ancak son yıllarda dünya çapında üretim ve tüketimin artmasının doğal bir sonucu olarak daha büyük gemiler, daha büyük limanlar ve dolayısıyla daha büyük krenler kullanılmaya başlanmıştır. Diğer bir neden ise, krenler üzerindeki deprem etkilerini gözlemleyecek önemli bir deneyimin olmamasıdır. Ancak 1995 Kobe depreminin krenler üzerindeki yıkıcı etkisi bu konunun önemini ortaya koymuştur. Bu depremde krenlerin kolayca hasar görmeleri ve yıkılmaları krenlerin depreme karşı dayanıklı hale getirilmesini gündeme getirmiştir. Bu tarihten sonra krenlerin sismik performanslarını arttırmak için çeşitli çalışmalar yürütülmeye başlanmıştır. Bu problemi, ∞krenlerde depremden kaynaklanan yapısal titreşimlerin azaltılması problemi∞ olarak tanımlamak mümkündür. Bu problemin çözümü için önerilen yöntemlerden biri de, kren yapısına gelen titreşimlerin aktif kontrol yolu ile azaltılmasıdır.Bu doktora tezinin amacı, krenlerin deprem etkisi altındaki davranışlarını ortaya koyan çok serbestlik dereceli bir matematik model geliştirmek ve geliştirilen matematik modeli kullanarak kren yapısında oluşan titreşimleri aktif kontrol yoluyla azaltmaktır. Aktif titreşim kontrolü için eyleyici doyumlu bir kontrol algoritmasının geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda tez, geliştirilen matematik model, krenlerde depremden kaynaklanan yapısal titreşimlerin azaltılması problemine çözüm olarak sunulan yöntem (aktif titreşim kontrolü) ve tasarlanan kontrol algoritması (eyleyici doyumlu karma H2/H ∞ kontrolör) ile literatüre pek çok alanda katkı sağlamaktadır.Bu hedefler doğrultusunda tez, iki ana kısımdan oluşmaktadır. İlk ana kısımda, depreme maruz krenlerin dinamik davranışlarını ortaya koyan, çok serbestlik dereceli bir matematik model geliştirilmiş ve matematik modelin doğruluğu 1/20 ölçekli kren modeli üzerinde sarsma masasında gerçek deprem verileri kullanılarak yapılan deneyler yoluyla doğrulanmıştır. Geliştirilen matematik model yardımıyla, krenlerde deprem etkilerinin incelenmesi, dinamik etkilerin gözlemlenebilmesi yoluyla uygun konstrüktif tedbirlerin alınması ve aktif-pasif kontrol yöntemleri ile depreme karşı stabilitelerinin sağlanması mümkün olacaktır.İkinci ana kısımda ise, krenlerde depremden kaynaklanan yapısal titreşimlerin azaltılması problemine çözüm olarak aktif titreşim kontrolü önerilmiş ve bu amaçla kontrol algoritması tasarımı yapılmıştır. Son yıllarda, depremden kaynaklanan titreşimleri izole etmek için aktif kontrol uygulamaları öneren çalışmalar hız kazanmıştır. Krenlerde depremden kaynaklanan titreşimlerin aktif titreşim kontrolü yoluyla azaltılması yeni ve gelişmeye açık bir konudur. Bu yolla krenlerin sismik performanslarını arttırmak için yeni bir yöntem önerilmiştir.Son dönemlerde, dayanıklı kontrol tekniklerinin çözümünde yaşanan gelişmelere paralel olarak birçok mühendislik probleminin çözümünde H2 ve H ∞ kontrol yapıları sıklıkla tercih edilmektedir. Aktif titreşim kontrolü uygulamaları bu problemlerin en önemlilerinden biridir. Özellikle Japonya ve Amerika'da uygulama alanı bulan aktif kontrol tekniklerinde, kontrol algoritması olarak sıklıkla H2 ve H ∞ gibi dayanıklı kontrol yöntemleri kullanılmaktadır. Bunun en önemli nedeni, sistemin bozucu girişlerden etkilenmesinin engellenmesi için bozuculardan çıkışlara olan transfer fonksiyonları matrisinin sonsuz normunu minimum yapma düşüncesiyle ortaya çıkan H ∞ kontrol yapısının deprem gibi şiddeti ve özellikleri önceden bilinemeyen bozucu girişlerin etkisi altındaki yapısal sistemler için son derece uygun bir kontrol algoritması olmasıdır. Ancak, H ∞ kontrol tasarımı daha çok frekans alanıyla ilgilidir. Kapalı çevrim sistemi için iyi bir geçici rejim cevabını garanti edemez. H2 kontrol ise geçici rejim cevaplarında daha başarılıdır. Bu nedenle bu doktora tezinde, arzu edilen frekans ve geçici rejim cevaplarının elde edilebilmesi için, H2 ve H ∞ kontrol yapılarının Doğrusal Matris Eşitsizlikleri (DME) yaklaşımıyla uygun bir şekilde birleştirilmesiyle elde edilen karma H2/H ∞ kontrol yapısı kullanılmıştır. Ancak, aktif yapısal kontrolün önemli bir problemi sismik yüklerin rastlantısal durumlarından dolayı, ihtiyaç duyulan gerekli kontrol kuvvetinin, uygulamada kullanılan eyleyicilerin kapasitelerini aşabilmesidir. ∞Eyleyici doyumu problemi∞ olarak adlandırılan bu durum, sistemin kapalı-çevrim performansında ciddi bozulmalar doğurabilir ve bununla birlikte kararsızlığa neden olabilir. Bu problemin giderilmesi ve önerilen yöntemin pratikte uygulanabilir olabilmesi için, tasarlanan karma H2/H ∞ kontrol mimarisine eyleyici doyumu olayı DME kısıtları şeklinde dahil edilmiştir. Bu sayede, optimum performansı sağlayan, eyleyici doyumu limitine bağlı olarak pratikte uygulanabilir durum geri-beslemeli eyleyici doyumlu karma H2/H ∞ kontrol algoritması elde edilmiştir.Sonuç olarak, önerilen kontrol algoritmasının ve aktif kontrol sisteminin etkinliği depreme maruz bir krenin zaman ve frekans cevaplarının verildiği benzetim çalışmalarıyla gösterilmiştir. Gerçek deprem kayıtlarının kullanıldığı benzetim çalışmalarının sonuçları, önerilen kontrol algoritmasının, belirlenen eyleyici doyumu kısıtlarında sistemin kararlılığını garanti altına aldığını ve krenlerde depremden kaynaklanan yapısal titreşimlerin azaltılmasında önemli bir potansiyele sahip olduğunu göstermektedir.