Geri Dön

Comparative study on optimal sensor placement for structural health monitoring applications

Yapısal sağlık izleme için sensör yerleşiminde kullanılan metodların karşılaştırılması

PDF İndir

  1. Tez No: 600800
  2. Yazar: CEYHUN ÖZOĞUL
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ BURCU GÜNEŞ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 103

Özet

Yapısal sağlık izleme, mühendislik yapılarının mevcut durumlarının saptanması ve hasar tespiti yapmak amacıyla yapıların sürekli ya da belirli zaman aralıkları ile izlenmesidir. Yapısal sağlık takibi çerçevesi altında hasarsız değerlendirme yöntemleri ile birlikte titreşim verilerine dayanan hasar tespit yöntemleri yer almaktadır. Titreşim verileri ışığında yapılan değerlendirme yöntemlerinde temel olarak bir yapının belirleyici nitelikteki yapısal parametreleri izlenir. Buradaki temel kavram yapının imzası niteliğindeki dinamik davranışın hasarla birlikte değişkenlik göstereceği gerçeğidir. Yapı sağlığı izlemesi, önemli yapısal verileri elde ederek önlemler alınmasını sağlar dolayısıyla yapıların korunmasını ve servis ömürlerinin uzamasını sağlar. Yapı izleme sistemlerine birçok açıdan ihtiyaç duyulur. Yapıların gerçek dinamik özellikleri tespit edilir. Yapıların projelendirilmesindeki ve analizlerindeki kabullerin kontrolü yapılır. Yapı tasarımında kullanılan rehber şartnameler iyileştirilebilir. Yeni güçlendirme ve destek yöntemleri geliştirilebilir. Yapının aşırı yüklemeler altında nasıl davranacağına dair tahminler yapılabilir. Bu aşırı yüklemelerin sonucu yapılarda oluşabilecek hasarlar tespit edilebilir. Hasar dağılımlarının, yapı üzerindeki konumları belirlenebilir. Yapı sağlığı izlemesi için birçok parametre dikkate alınmalıdır. Bu parametrelerden bazıları; ivmeler, yer değiştirmeler, nem ve sıcaklıktır. Tüm mühendislik yapıları belli bir servis ömrüne göre tasarlanırlar ve bu süre içinde de aşırı yükleme durumlarına maruz kalabilirler. Bu anlamda yapıdaki değişikliklerin izlenmesi ve gerekli onarım ve güçlendirme çalışmalarının zamanında yapılması hem ekonomik anlamda hem de can kaybı anlamında istenmeyen durumların yaşanmasına engel olacaktır. Deprem önlenemez bir gerçektir. Yapısal sağlık izleme sayesinde, depremler yaşanmadan yapıların kalan ömürleri belirlenebilir. Yapıların kalan ömürleri için veya yapının depreme karşı dayanıklı olup olmadığı sadece yapısal sağlık izleme kullanılarak karar verilebilen bir durum değildir. Fakat yapısal sağlık izleme tahribatsızdır. Ayrıca yapısal sağlık izleme sistemi kullanılarak, güçlendirme ihtiyacı olan yapılar tespit edilebilir. Gerekli tespitler yapıldıktan sonra güçlendirme çalışmasına başlanır. Yapısal sağlık izleme sistemi kullanılarak hasar tespiti yapılırken yapıya zarar verilmeden tespitler yapılmış olur. Yapı sağlığı izlemesi için titreşim bazlı yapısal sağlık izlemesi yöntemi kullanılır. Titreşim bazlı yapısal sağlık izlemesi, özellikle tahrip edici olmayan ve kesintisiz doğası ile sürekli bir izleme aracı olarak popülerlik kazanmıştır. Ayrıca yapının iç dinamikleri hakkında zengin bilgiler sağlar. Titreşim bazlı tekniklerin arkasındaki temel ilke, yapının fiziksel özelliklerinde meydana gelen bir değişikliğin, çeşitli sensörler kullanılarak ölçülebilen yapının titreşim tepkisine yansımasıdır. Yapılar çevresel titreşimlere maruz kalır. Bu titreşimlere rüzgar ve deprem örnek verilebilir. Bu etkiler yapılarda titreşimlere neden olur. Yüksek yapılarda rüzgar etkileri deprem kadar önemlidir. Dolayısıyla tasarımda önemli bir yer tutmaktadır. Bu etkiler yapılarda dinamik yükler oluşturur. Bu tasarım parametreleri göz önünde bulundurulmalıdır. Titreşimler yapı sağlığı konusunda önemli parametrelerdir. Belli bir düzeyin üzerindeki titreşimler yapılara zarar vermektedir. Yapıların maruz kaldığı titreşimler ise yapıya yerleştirilen sensörler kullanılarak izlenir. Yapıya yerleştirilen ivme ölçerler ile yapının analizinin yapılması; modal frekanslar, mod şekilleri, sönüm oranları gibi dinamik karakteristiklerin belirlenmesi mümkündür. Tüm bu takip yapı üzerinde hiçbir tahribat yapmaksızın rüzgar, trafik gibi çevresel titreşim tesirleri altında yapılabilir. Böylelikle kuvvetli bir yer hareketi gibi zorlayıcı bir yükleme durumu sonrasında hızlı bir şekilde durum tespiti yapmak, öncesi ve sonrası şeklinde bir parametre kıyaslaması ile mümkün olacaktır. Hasar tespiti aşamalı olarak önce hasarın olup olmadığı, varsa lokasyonu ve büyüklüğünün tespiti ve son olarak da yapının geriye kalan servis ömrünün belirlenmesi öğelerini içermektedir. Tüm bu çalışmaların etkin bir şekilde yapılması için sensör yerleşimi büyük önem taşımaktadır. Sensör yerleşiminin kilit noktası hangi parametrelerin ölçülmek ve takip edilmek istendiği ile ilgilidir. Küçük ölçekli yapılar için sensörlerin nereye yerleştirileceğine tecrübe ve uygulama pratiği kullanılarak karar verilebilir fakat sensörlerin yerleştirilmesi, özellikle büyük ölçekli düzensiz sistemler için yapısal sağlık izlemenin kritik bir yönüdür. Hem deneysel hem de analitik kaynaklar üzerindeki talepleri azaltmak için minumum sensör setinin kullanılması istenmektedir. Ayrıca ekonomik koşullar da, en az sayıda sensör yerleşiminde önemli bir değişkendir. Yapıya yerleştirilen her sensörden veri alınır. Dolayısıyla bu sensörlerden alınan verilerin işlenmesi gerekir. Gereğinden fazla sensör yerleştirmek, elde edilen veri sayısını arttırır ve bu verilerin işlenmesi sırasında hem zaman hem de iş gücü anlamında kayıplar yaşanır bu yüzden bu durum ekonomik değildir. Dolayısıyla en doğru bilgileri elde edebilecek şekilde sensör yerleşimi yapılmalıdır. Bununla birlikte, etkisiz sensör konumlarından elde edilen veriler mühendislik yapısı hakkında çok az bilgi üretecektir. En uygun sensör konumlarının seçilmesi, titreşime dayalı yapısal sağlık izleme probleminin başarısı için çok önemlidir çünkü bu sensör konumlarından elde edilen veriler yapısal özelliklerin en iyi şekilde tanımlanmasına neden olacaktır. Yerleştirdiğimiz sensörlerden elde edilen verilerle yapının frekansları, mod şekilleri, sönüm oranları elde edilir. Bu tez çalışmasında, titreşim verileri kapsamında en etkili sensör yerleştirme yöntemleri yapı mühendisliği uygulamaları alanında incelenmiştir ve literatürde öne çıkan yöntemler tartışılmıştır. Bu çalışmaya konu olan yöntemler; modal tanımlama perspektifli, öz vektörler birleşen çarpım (eigenvector component product method), mod şekli toplama grafik (mode shape summation plot), etkin nokta kalıntı (drive point residue method) , modal kinetik enerji (modal kinetic energy method) ve etkili bağımsızlık yöntemleridir (effective independence). Öz vektörler birleşen çarpım yöntemi ve mod şekli toplama grafik yöntemi görsel tabanlı sezgisel yaklaşımlardır. Bu yöntemler sensörün cevaba olan katkılarını maksimize eder. Mod şekli toplama grafik yönteminde, mod şekilleri matrisinde toplama işlemi yapılmaktadır, aynı şekilde öz vektörler birleşen çarpım yönteminde mod şekilleri matrisinde çarpım işlemi yapılmaktadır. Diğer üç yöntem ise daha sistematik enerji bazlı kriter esasına dayanmaktadır. Modal kinetik enerji ve etkili bağımsızlık yöntemleri hedef modların tahmin hatalarını en aza indirmeyi amaçlar. Tez kapsamında, bu sensör yerleştirme kriterleri yapısal karmaşıklık derecesi artan bir şekilde farklı sistemlere uygulandı. Seçilen analitik sistemler sırasıyla ; toplu kütle yay sistemi, kafes sistem ve çerçeve sistemdir. Seçilen bu sistemler için bu kriterler ışığında en uygun sensör yerleşimi belirlendi. Analitik örnekler sonrası yapılan numerik simulasyonlar ışığında önerilen sensör yerleşiminin modal parametrelerin belirlenmesi açısından etkinliği test edildi. Bu tez çalışmasında, bahsi geçen sensör yerleştirme yöntemleri inşaat mühendisliği yapılarının yapısal sağlık izlemesi alanında incelenmiştir. Bu yöntemler arasında, enerji tabanlı teknikler olan; modal kinetik enerji ve etkin bağımsızlık yöntemleri hedeflenen modların tanımlanması açısından daha iyi performans göstermiştir. Enerji tabanlı yöntemler, tezde incelenen yapılar için doğru sonuçlar vermiştir. Çerçeve sistemde yatay düğüm noktalarının yer değiştirmeleri büyük olduğundan çarpım ve toplamda bu büyük yatay yer değiştirmeler etkili olmaktadır ve çerçeve sistem için mod şekli grafik toplama ve öz vektörler birleşen çarpım yöntemleri kullanıldığında düşey sensör yerleştirilememektedir. Sayısal simulasyon sonuçları, enerji tabanlı yöntemlerin hedef modların tanımlanması için daha iyi performans gösterdiğini ortaya koymaktadır. Sayısal simulasyonlar her bir sensör yerleştirme senaryoları için uygulanmıştır. Bu simulasyonlar sayesinde doğal frekanslar ve mod şekilleri yakalanmıştır. Mod şekillerinin doğru bir şekilde saptanmasında modal gerçekleşme kriter sayıları kullanılmıştır.

Özet (Çeviri)

Vibration based structural health monitoring has gained popularity as a continuous monitoring tool mainly due to its non-destructive and non-intrusive nature. It also provides rich information about the internal dynamics of the structure. The basic principle behind the vibration based techniques is that a change in the structure's physical properties will reflect itself in the vibration response of the structure which can be measured using a variety of sensors. Deployment of sensors is a critical aspect of structural health monitoring especially for large-scale systems. Using a minimum set of sensors is desired in order to reduce the demands on both the experimental and analytical resources. However, data acquired from ineffective sensor locations will produce little information on the engineering structure. Selecting the optimal sensor locations is crucial for the success of vibration-based structural health monitoring problem such that the data acquired from these locations will result in the best identification of the structural characteristics. This thesis reviews the current, most influential sensor placement methods and evaluation criteria and discusses the basic issues related to each approach. The methods that hold promise from the perspective of modal identification can be named as the eigenvector component product method, mode shape summation plot method, drive point residue method, modal kinetic energy method and the effective independence method. The eigenvector component product method and mode shape summation plot method are visual based heuristic approaches trying to maximize the sensor contributions to the response. The modal kinetic energy method and effective independence method aim to minimize the estimation errors of the target modes. The candidate methods are applied to a variety of two dimensional structural systems including beam, frame and truss systems. The merits and the drawbacks of each approach are discussed with numerical illustrations. In this thesis, these five different optimal sensor placement criterias are investigated in the field of structural health monitoring of civil engineering structures. Among these methods, the energy based techniques, modal kinetic energy and effective independence methods perform better in terms of identifying the target modes. The numerical simulation results suggest that the energy based methods perform better for the modal identification of the target modes.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    826659

    Finite element modeling of an origami inspired delta mechanism

    Origamiden esinlenilmiş delta mekanizmasının sonlu eleman modellemesi

    ATA ARJOMANDI FARD

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ATAKAN ALTINKAYNAK

    DR. MERVE ACER KALAFAT

  2. Tez No

    201752

    A comparative study of tracking algorithms in underwater environment using sonar simulation

    Su altı ortamında sonar benzetimi kullanarak hedef izleme algoritmalarının karşılaştırılması

    EMRE EGE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2007

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. AFŞAR SARANLI

  3. Tez No

    864101

    A comparative study of deep learning approaches for autonomous vehicle control

    Otonom araç kontrolü için ̇derin öğrenme yaklaşımlarının karşılaştırılması

    EMRE ŞAHİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLAY ÖKE GÜNEL

  4. Tez No

    465461

    Uyarlamalı araç takip sistemlerinde model öngörülü kontrol yöntemleri: Karşılaştırmalı bir çalışma

    Model predictive control approaches for adaptive cruise control systems: A comparative study

    UMUT KARAPINAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AFİFE LEYLA GÖREN

  5. Tez No

    425874

    Fırçasız doğru akım motorlarında optimal hall sensör konumunun motor parametrelerine etkisi

    Effect of optimal hall sensor's position on parameters of brushless direct current motors (BLDCM)

    KEMAL HASANUSTA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMarmara Üniversitesi

    Elektrik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NECİBE FÜSUN OYMAN SERTELLER

Geri Dön