Evaluation of seismic health monitoring system of Golden Horn Metro Bridge
Haliç Metro Köprüsü sismik sağlık izleme sisteminin değerlendirilmesi
- Tez No: 568617
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ BARIŞ ERKUŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 143
Özet
Performansa dayalı tasarım anlayışı inşaat mühendisliğinde kabul görmüş bir yaklaşımdır. Bu çerçevede yalnızca tasarım sonrasında değil yapı hizmet süresi içinde herhangi bir zamandaki yapının performansının da tahmin edilebilmesi gerekmektedir. Örneğin, Hasar görmüş yapılarda yeni performans seviyesinin belirlenmesi gerekebilir. Sistem tanılama ise verilen bir yapının davranışının belirli parametreler ışığında tespit edilmesinde kullanılabilmektedir. Öte yandan yapıların tasarımında da yapısal eleman kapasiteleri azaltılır gerekli karşı koyulması gereken kuvvetler ise artırılmaktadır. Bu yaklaşım da yapıların dinamik davranışını öngörülen davranıştan uzaklaştırabilir. Bu sebeple önemli yapılarda sistem tanılama tasarımın hemen ardından ve/veya ani yüklemelere karşılaştıktan sonra uygulanabilir. Bu sayede yapının değişen dinamik davranışının kaynağı bulunabilmektedir. Buradan hareketle, yapısal sistem tanılama yapının performans seviyesinin belirlenmesi ile beraber kullanıldığında daha gerçekçi sonuçlar elde edilebilmektedir. Yapısal sağlık izleme çalışmalarında yapısal davranış tahmini için ivme ve yerdeğiştirme ölçümlerinden yararlanılmaktadır. Sistem tanılama algoritmaları yardımıyla sensor verilerinden yapının modal özellikleri elde edilebilmektedir. Yapının modal özellikleri ise yapının teorik modeli ile gerçek fiziksel model arasında benzerlik açısından karşılaştırabilmek üzere bir referans noktası sunar. Bu sayede yapının fiziksel modelinden alınan özellikler ile teorik modeli birbirlerine yaklaştırılabilmektedir. Bu yöntem ile ulaşılmak istenilen öncelikli olarak yapının hasarlı olup olmadığının saptanmasıdır. Hasarlı olduğu anlaşılırsa, yapının hasarının lokasyonunu bulmak gerekmektedir. Hasar lokasyonu bulunursa herhangi bir kayıp vermeden yapısal hasar onarılabilecektir. Ayrıca yapısal hasarın ve lokasyonunun bulunmasının ardından yapının hasar seviyesinin tespitidir. Yapının hasar seviyesinin tespit edilmesi yapının onarılabilirliğinin de değerini verecektir. Nihai amaç ise yapının kalan ömrünün tespit edilmesidir. Yapının kalan hizmet ömrünün tespit edilmesi, yapıların daha güvenli kullanımlarını sağlayabilir ve muhtemel olumsuz sonuçlardan kaçınılmasına hizmet edecektir. Bu çalışmada Haliç Metro Geçiş Köprüsünün sistem tanılaması ve performans seviyesinin belirlenmesi uygulanmıştır. Haliç köprüsü inşaatı 2009 yılında başlamış, 2014 yılında kullanıma açılmış olan ve demiryolu metro geçişi için kullanılan eğik askılı çelik bir köprüdür. Eğik askılı çelik köprü, açılır/kapanır köprü, tek açıklıklı köprü, Beyoğlu yaklaşım köprüsü ve Unkapanı yaklaşım köprüsü olmak üzere 5 ayrı bölümden oluşmaktadır. Bu bölümlerden Beyoğlu ve Unkapanı yaklaşım köprüleri betonarme ve diğer köprüler çelik olarak inşa edilmiştir. Hacıosman-Yenikapı M2 metro hattı için kullanılmaktadır. Köprü tasarımı Wiecon firması tarafından yapılmış olup, köprü üzerinde Vienna Consulting Engineers isimli firma tarafından kurulmuş olan kalıcı bir sağlık izleme sistemi mevcuttur. Haliç köprüsü sağlık izleme sisteminde sıcaklık yerdeğiştirme, eğim, ivme ölçümü için kullanılan sensörler ve GPS'ler bulunmaktadır. Bu sensorlerde ölçülen veriler Metro İstanbul ana merkezinde toplanmaktadır. Ayrıca VCE firması tarafından, yapının yapım aşaması sonrasında ilk ölçümler geçici sensörlerle gerçekleştirilmiştir. İlk ölçümler ile hem yapının tasarım projelerine uygunluğu test edilmiş hem de kalıcı sağlık izleme sistemi test edilmiştir. Ancak halihazırda sistem tanılama sisteminin yapılması için geliştirilmiş bir yazılım köprü işletmesi bünyesinde bulunmamaktadır. Bu çalışmanın amacı Haliç Köprüsü özelinde geliştirilecek bir yazılımın köprünün mevcut sistemini değerlendirmek hem de yapı ömrü boyunca karşılaştığı yüklemeler sonrasında da yapı sağlığını değerlendirecek bir çatı sunmaktır. Bu çalışmada ivme ölçümleriyle yapılarda kullanılan sistem tanılama algoritmalarının deneysel ve nümerik olarak karşılaştırılması, Haliç köprüsünde yapılan saha çalışmalarıyla elde edilen yapısal ivme ölçümlerinin, yapıda bulunan sensör ölçümleri ile karşılaştırılması, sistem tanılama algoritmalarını Haliç köprüsü üzerinde uygulanarak karşılaştırılması ve son olarak da Haliç köprüsü performans seviyesinin belirlenmesi gerçekleştirilmiştir. Karşılaştırılan sistem tanılama algoritmaları, Ortalama normalize spektral güç yoğunluğu, frekans alanında dekompozisyon ve stokastik altuzay tanılamasıdır. Sistem tanılama algoritmaları MATLAB yazılımı kullanılarak programlanmıştır. Literatürde köprü yapılarının sistem tanılamasında yaygın olarak kullanılan bu 3 ayrı sistem tanılama algoritması, ITU Çelik Laboratuvarında hazırlanmış deney düzeneğinde farklı sensor sayılarının sistem tanılamaya etkisi açısından karşılaştırılmıştır. Ayrıca yine MATLAB yazılımı kullanılarak programlanan 2 boyutlu yapısal analiz programı geliştirilmiş, doğruluğu SAP2000 programı ile karşılaştırılmıştır. Nümerik model üzerine farklı seviyelerde gauss beyaz gürültüsü uygulanarak sistem tanılama algoritmalarına gürültü seviyesi etkisi araştırılmıştır. Ayrıca kurulan deney düzeneğinde iki farklı ivme ölçerden alınan titreşim verileri karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada ivme ölçer ölçümlerinden deplasman sinyaline geçişte filtreleme ve referans doğrulama (baseline correction) etkisi araştırılmıştır. Öte yandan bu algoritmalar Haliç köprüsü kalıcı sağlık sisteminde test edilmiş ve gerekli parametreler elde edilememiştir. Bu sebeple Haliç Köprüsü tabliyesinde öğlen pik saatlerde saha ölçümleri yapılmış ve modal parametreler başarı ile elde edilmiştir. Böylece mevcut kalıcı yapısal sağlık izleme sistemi ve saha ölçümleri sonucunda elde edilen veriler de karşılaştırılmıştır. Saha ölçümü sonucunda elde edilen yapısal modal parametrelerin ilk ölçümlerde elde edilen parametrelere yakın olduğu görülmüştür. Son olarak yapısal sonlu eleman modeli mevcut tasarım raporları, proje çizimleri ve geoteknik raporları ışığında toprak etkisini de dikkate alacak şekilde kurulmuştur. Yapısal analizler genel olarak kabul görmüş bir yapısal analiz programı olan SAP2000 programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Verilen deprem etkisi altında doğrusal davranışa geçmesi öngörülen yapı bölgeleri tasarım raporlarına göre sünek davranış kabulu yapılan yapı bölgeleri olarak seçilmiştir. Yapının doğrusal olmayan davranışı SAP2000 yazılımı kullanılarak rijit-plastik mafsal olarak modellenmiştir. Kurulan yapısal modelin modal analizleri statik itme ve zaman tanım alanında analizler yapılmış ve yapının tasarım raporlarına da uygun olarak doğrusal olmayan davranışa geçtiği gözlemlenmiştir. Karşılaştırılan sistem tanılama algoritmalarının yüksek gürültü seviyelerinde ve sensor sayısının da yakalanmak istenen mode sayısına bağlı olmak üzere elde edilen sonuçların kabul edilebilir mertebe olduğu görülmüştür. Sonuç olarak, Haliç Metro Köprüsü yapısal sağlık izleme sisteminin deprem etkilerine yönelik kullanılması açısından mevcut sistem değerlendirilmiş ve mevcut sistemin deprem sonrası karar alma süreçlerinde kullanımı için geliştirilmesi gerektiği sonucuna ulaşılmıştır.
Özet (Çeviri)
Performance-based design is an established approach in civil engineering. In this context, it is required to estimate the performance of the building at any time both after the design and during the service period. For example, the new performance level should be determined in damaged structures. System identification can be performed to ascertain the behavior of a given structure using specific parameters. However, structural element capacities are reduced and the forces to be resisted are increased in the design of structures. Therefore, in case of critical structures, such as bridges, system identification should be performed immediately after design and when encountering sudden loads. Thus, the source of the changing dynamic behavior of the structure can be detected in order that more realistic results can be obtained to analyze the structure. In structural health monitoring studies, acceleration and displacement measurements are used to predict structural behavior. Modal properties of the structure can be obtained from sensor data using system identification algorithms, and they provide a reference point in order to compare the theoretical and real physical models of the structure. In this way, those models can be brought closer to each other. This method is primarily used to determine whether the structure is damaged. In case there is damage then its location should be found. If the damage can be located, it can be repaired without any loss. Upon the damage and location are identified, the damage level of the structure should also be determined, which will provide the reparability of the structure. Lastly, the remaining service life of the structure should be established, since it may ensure safer use of the structure and can serve to avoid possible negative consequences. In this study, system identification of the Golden Horn Metro Crossing Bridge was realized and the performance of the bridge was assessed. The construction of the Golden Horn Bridge was started in 2009, and the bridge was opened in 2014. The bridge has been used for metro crossing of Hacıosman-Yenikapı M2 metro line. The Golden Horn Bridge consists of five separate bridges: cable-stayed bridge, swing bridge, single-span bridge, Beyoglu approaching bridge, and Unkapanı approaching bridge. Beyoglu and Unkapanı approaching bridges are made of reinforced concrete, while other bridges are constructed as steel structures. The bridge design was made by Wiecon, and there is a permanent health monitoring system on the bridge, which was established by Vienna Consulting Engineers (VCE). The permanent bridge health monitoring system includes sensors and GPSs for temperature displacement, slope and acceleration measurement. The data measured by the sensors are collected at the Metro Istanbul Headquarters. In addition, the first measurements were made by VCE using temporary sensors after the construction of the bridge. Based on the first measurements, the suitability of the bridge to design projects and the permanent health monitoring system were tested. However, no software developed for system identification is currently available for the bridges. This study aims to evaluate the current system of the bridge by the software to be developed specifically for the Golden Horn Bridge and to present a framework to evaluate the health of a building when it is subjected to loads throughout its service life. In this study, system identification methods are also compared using experimental and numerical studies. Additionally, system identification methods are implemented in the Golden Horn Bridge. Comparison of structural acceleration measurements involves field studies on the Golden Horn Bridge based on the sensor measurements of the structure, comparison of system identification algorithms on the Golden Horn Bridge and finally the determination of the performance of the Golden Horn Bridge were performed. Moreover, Average Normalized Power Spectral Density, frequency domain decomposition and Stochastic Subspace Identification were used as compared system identification algorithms, which were programmed using MATLAB software. These three different algorithms, which are widely used in the system identification of bridge structures in the literature, were compared in terms of the effect of different sensor numbers on the system identification within the experiments performed in ITU Steel Laboratory. Moreover, two-dimensional structural analysis program that was also programmed using MATLAB software was developed, and its accuracy was compared with SAP2000 software. System identification was performed by applying different levels of Gaussian white noise on the numerical model.
Benzer Tezler
- Structural health monitoring condition assessment and seismic vulnerability estimation of highway bridges
Karayolu köprülerinin yapı sağlığı izlemesi yapısal durum değerlendirmesi ve sismik güvenilirlik tahmini
HÜSEYİN ÇOLAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
İnşaat MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERDAR SOYÖZ
- Hava kirliliği konusunda çevre bilgi sistemi tasarımı ve gerçekleştirilmesi pilot projesi
Design of an information system about air pollution
HARUN İYİDİKER
- Baraj güvenliği ve dolgu barajlarda sayısal analiz: İkizdere Barajı örneği
Dam safety and numerical analysis of embankment dams: The case study of İkizdere Dam
SÜLEYMAN SARAYLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
İnşaat MühendisliğiSakarya Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OSMAN SÖNMEZ
PROF. DR. SEDAT SERT
- Bursa tarihi minarelerinin dinamik davranışlarının ve performanslarının incelemesi
Numerical and emprical investigation of dynamic performance of historical masonry minarets in bursa
CAVİT SERHATOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Deprem MühendisliğiUludağ Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. RAMAZAN LİVAOĞLU