Geri Dön

Investigation of non-contact smartphone-based monitoring of structures

Yapıların akıllı telefon tabanlı temassız sağlık izleme metodları ile incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 663248
  2. Yazar: MEHMET SEFA ORAK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. TURGUT ÖZTÜRK
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 282

Özet

Yapısal sağlık izleme için kullanılan temassız ölçüm yöntemlerinin, binalar, köprüler ve demiryolları gibi farklı yapı türlerinin değerlendirilmesinde kullanılan geleneksel yapısal sağlık izleme metotlarına ve tahribatsız muayene yöntemlerine göre birçok üstünlüğü vardır. Genellikle yapısal sağlık izleme metodlarında kablolu veya kablosuz sensörler incelenen yapı üzerine yerleştirilmektedir. Bu durum fazla işçilik ve zaman gerektirmesinin yanında, kullanılan sensörlerin maliyeti de yüksektir. Ayrıca, kullanılan sensörler ile beraber ek ekipmanlar da yapı üzerine ilave yükler getirmektedir. Bu durum, özellikle büyük ölçekli yapılar düşünüldüğünde uygulamada ciddi zorluklar oluşturmaktadır. Bunlara ilave olarak, geleneksel yöntemlerde kullanılan sensörler yapı üzerinde sadece belirli noktalara konumlandırılabildiğinden, sadece lokal olarak bilgi elde edilip yapının geneli hakkında bilgi elde etmek istenildiğinde yetersiz kalmaktadır. Özellikle, geometrik olarak belirli kolonlar, kirişler, kablolar, kafes sistemler ve demiryolu rayları gibi yapı elemanları eksenel gerilmeye maruz kalan yaygın mühendislik yapılarıdır. Bu yapıların bazıları için gerilmeler döngüseldir, yani tekrarlayan çekme-basınç gerilmeleri altında burkulmaya neden olabilir. Yapı elemanı olan, iki ucu ankastre mesnetli kirişlerde veya sürekli kaynaklı demiryolu raylarında sıcaklık ile beraber artan termal gerilmelerin sahada yerinde ölçülmesi durumunda burkulmaya sebep olan yapısal anormallikler önlenebilir. Bu tez çalışmasında, termal strese maruz kalan narin ve rijit olacak şekilde seçilmiş farklı en kesitlerdeki çelik yapı elemanlarının titreşim özelliklerini tahmin edebilmek için akıllı telefon kamerası ve bilgisayar algoritması kullanılmıştır. Literatür araştırılması yapılarak, görüntü işleme teknikleri araştırılmış ve bu tez çalışmasındaki amaca en uygun görüntü işleme yöntemi belirlenerek, akıllı telefon kameraları ile temassız bir izleme ve inceleme yaklaşımı sunulmuştur. Geleneksel olarak video kameralar saniyede 30 kare çekim yapabilmektedir. Daha hızlı kare saniye çekim hızı için ekonomik olarak ulaşılması güç ve geometrik özellikleri bakımından taşınabilirliği zor olan süper hızlı kameralar da mevcuttur. Güncel teknolojik gelişmelere bağlı olarak cep telefonu kameraları ağır çekim modunda saniyede 240 kare çekebilmektedir. Teorik olarak video kayıtlarındaki her bir kareyi sinyal olarak düşünürsek, Nyquist frekansı düşünüldüğünde, örnekleme oranının yarısı olacağından 120 Hz'e kadar olan titreşim sayılarını yakalayabilme düşüncesinden yola çıkarak ve genelde de ilgilendiğimiz yapıların doğal titreşim frekansları bu değerden çok daha küçük olduğundan cep telefonu kameraları geleneksel kameralara iyi bir alternatif olarak kullanılabileceği düşünülmüştür. Bu tez kapsamında, farklı yapı elemanlarını temsilen idealleştirilmiş kirişlerin doğal titreşim frekanslarının termal yükler altındaki değişimini akıllı telefon kameraları ve bilgisayar algoritması kullanılarak, temassız, pratik bir yapısal sağlık inceleme metodu geliştirilmiştir. Bulunan sonuçlar, geleneksel yapısal sağlık izleme yöntemlerinde kullanılan, ivme ölçerler vasıtasıyla bulunan sonuçlar ile karşılaştırılarak doğrulaması yapımıştır. Bu yaklaşım, geleneksel yapısal sağlık izleme yöntemlerinde, yapıların dinamik parametrelerinin temassız ölçümü için kullanılan ivmeölçerlerin ve lazer vibrometrelerin yerini alması düşünülerek, yüksek hızlı kameralar kullanılarak önerilen bazı yeni araştırmalar ışığında düşünülmüştür. Fakat literatürde yapılan bu araştırılmalarda ilgili alanda kullanılan gerek görüntü işleme algoritmaları olsun gerekse kullanılan süper hızlı kameralar olsun laboratuvar ortamlarının dışında gerçek saha uygulamaları düşünüldüğünde amacına uygun olmadığı düşünülmüştür. Bu tez çalışması ile literatürde bulunan bu açığı kapatmak için, herkes tarafından kolayca ulaşılabilir akıllı telefon kameraları ve literatürde amaçlanan işlem doğrultusunda, video kaydındaki her bir karede bulunan piksellerin incelenmesi yerine yapıda ilgili kısımdaki piksellerin incelenmesine olanak veren dolayısıyla da video kaydında olacak olan birçok sinyal kirliliğinden ayrılmasına izin veren çok eşikli görüntü işleme algoritması uygulanmıştır. Bu tez çalışmasında, belirtilen görüntü işleme algoritmasının kullanılmasındaki bir diğer sebep ise incelenen yapının doğal titreşim freakansı hakkında diğer algoritmalarda olduğu gibi öncü bir başlangıç salınım aralığı bilgisine gerek duymadan ayrıca da işlem hacmi olarak çok daha basit bir uygulama olduğundan donanımsal olarak düşük hesap işlem gücü gerektirmesidir. Bu tez çalışmasında laboratuvar ortamında yapılmış sonuçlar gösterilmektedir. Öncelikle, amaca uygun kullanılabilecek cep telefon kamerasını belirleyebilmek için bu tez çalışmasınının yapıldığı tarihte mevcut olan, güncel farklı türdeki cep telefonlarını, geometrik ve mekanik özellikleri belirli ve üzerine ivmeölçer konumlandırılmış bir konsol çelik kiriş üzerinde deneyler yapılmıştır. Bu deneyler sonucunda elde edilen veriler ışığında asıl deney düzenekleri hazırlanmıştır. Deneylerde kullanılan akıllı telefon kameralarının kıyaslaması yapılırken, aynı kare hızında çekim yapmasına olanak sağlamasına rağmen otomatik odaklama aralığı çok sık ve resimlerdeki çözünürlüğün ani olarak düştüğü modeller elenmiştir. Ayrıca, bu çalışmada kullanılan akıllı telefon kamerasında ek olarak optik resim sabitleme özelliği de olduğundan elde edilen kayıtlarda olabildiğince istenmeyen ilave titreşim sonucu oluşan sinyal kirlilikleri bertaraf edilmiştir. Bu durumu iyileştirmek adına da video kayıtlarını almak için akıllı telefon sabit bir üçayak üzerine sabitlenmiş ve ayrıca kablosuz kumanda vasıtası ile görüntü kayıtları başlatılıp sonlandırılmıştır. Bu tez kapsamında yapılan asıl deneylerde geometrik özellikleri bakımından biri narin ve diğeri rijit sayılabilecek iki farklı geometrik özelliklere sahip yapı elemanı incelenmiş olup iki ucu ankastre olacak şekilde MTS cihazına sabitlenmiştir. Test elemanı üzerinde sıcaklık artışını sağlayacak termal bantlar kullanılarak olabildiğince üniform sıcaklık verilmesi amaçlanmış ve termal genleşmesi sınırlandırılmış durum altında sıcaklık farkları ve sıcaklık dağılımı termal kamera ve sıcaklık ölçerler yardımıyla belirlenmiştir. Belirli sıcaklık farkları oluştuğunda belirli aralıklarla çekiç yardımıyla kirişin üzerinde titreşim oluşturularak video kayıtları alınmıştır. Bu video kayıtlarından sonradan en baştaki zorlanmış titreşim kayıtları çıkarılarak serbest titreşim altında doğal titreşim periyotları belirlenmiştir. Sonuç olarak, test elemanı üzerinde sıcaklık değişimi ile oluşan termal gerilme farkı sonucu doğal titreşim frekanslarındaki değişimler hem kirişin üzerine konumlandırılmış ivme ölçer vasıtasıyla hem de akıllı telefon kameraları kullanılarak alınan video kayıtları ile hem de analitik sonuçlar bulunarak karşılaştırılmıştır. Deneyler, narin kiriş üzerinde üç sefer ve rijit kiriş üzerinde bir sefer ısıtma ve soğutma döngüsü olacak şekilde tekrarlanmıştır. Yapılan deneylerde, gerçek durumu oluşturabilmek için, iki ucu sınırlandırılmış olan kiriş üzerine öngerilme yükleri, akma dayanımlarına orantılı olacak şekilde, MTS cihazı vasıtası ile belirli bir oranda verilmiştir. İki ucu ankastre olarak bağlı çelik test elemanı çekmeden basınca olacak şekilde kirişteki artan termal gerilmeler okunmuştur. Bu tez çalışmasındaki diğer özgün kısım ise akıllı telefon kameraları ile elde edilen doğal titreşim frekanslarından dolaylı olarak yapı dinamiğinde kullandığımız temel teorik formüllerden geri giderek yapıdaki termal gerilmeler bulunmuştur ve bulunan bu gerilmeler, MTS cihazından okunan gerçek gerilmeler ile kıyaslanmıştır. Bu tez kapsamında yapılmış deneysel çalışmalar sonucu akıllı telefon kameraları vasıtasıyla elde edilen video kayıtlarından elde edilmiş doğal titreşim frekanslarının ve dolaylı olarak da termal gerilmelerin, geleneksel olarak yapısal sağlık izleme metotlarında kullanılan ivmeölçerler sonucu bulunan sonuçlar ile mükemmel bir uyum içinde olduğu görülmüştür. Bu tez çalışması kapsamında akıllı telefon kameraları ile önerilen pratik yapısal sağlık izleme metodunun laboratuvar çalışması sonuçları aktarılmıştır. İleride gerçek saha uygulamalarına geçilip bu çalışmalarda kullanılan cep telefonu kameraları ile beraber insansız hava araçları da kullanarak büyük yapıların otonom olarak incelemesinin yapılması planlanmaktadır. Gelecekte bu bulgular ile, mesnet uçları sınırlandırılmış yapı elemanlarında, binalarda, köprülerde ve sürekli kaynaklı demiryolu rayları gibi farklı türdeki yapılarda kritik gerilmelerin veya sıcaklıkların belirlenerek yapısal burkulma gibi farklı türdeki hasar durumlarını önceden belirlemede kullanılan geleneksel yapısal sağlık izleme metotlarına pratik, ekonomik, hızlı ve uygulanabilir bir alternatif olarak kullanılabileceği sonucuna varılmıştır.

Özet (Çeviri)

Non-Contact measurement methods have many superiorities over traditional structural health monitoring and non-destructive testing methods concerning assessing the different structures such as buildings, bridges, and railways. Generally, wired or wireless sensors are used to monitor the structures, which can often be labor-intensive, time-consuming, and costly. Geometrically definite columns, beam-like structures, bridge cables, trusses, and railways' structural elements are general engineering structures dependent on axial stress. The stress for some of these structures is cyclic, i.e., tension-compression, resulting in buckling. Measuring thermal stresses in site for both ends, fully fixed structural elements like these structures may avoid structural anomalies such as buckling. In this thesis, a non-contact monitoring/inspection approach based on a smartphone camera and a computer vision algorithm is proposed to estimate beams' vibrating characteristics and stresses subjected to thermal loads. It is hypothesized that a beam's vibration can be captured using a smartphone camera operating at slow-motion mode, which is higher than conventional video camera frame rates. This approach goes along some new research lines where high-speed cameras were proposed to replace accelerometers or laser vibrometers for the non-contact measurement of the dynamic parameters of structures for structural health monitoring applications by using complex image processing methods. Technological advances let smartphones can take slow-motion videos at 240 frames per second. If we consider the Nyquist frequency, half of the sampling rate can theoretically detect frequencies up to 120 Hz. Depending on this idea, the beam's first natural frequency can be extracted using a smartphone camera and a convenient computer vision algorithm. This dissertation implements the multi-threshold image-processing algorithm via smartphones and shows the natural frequency alteration depends on thermal loads. The first mode's vibration frequency was considered to compare the information obtained with a conventional accelerometer attached to the two different structures investigated, namely a thin beam and a thick beam, which is slender and more rigid than others, representing the real-life structural elements. Different types of smartphone cameras were used in preliminary works compared to finding the most convenient one for the main experiments. One cantilever supported slender beam with an accelerometer attached to it is used in the preliminary experiments. For the main experimental setup, both ends fully fixed slender and rigid steel beams were monitored with a smartphone camera. In the final experiments, the MTS machine's pre-tension was also applied to the beam proportional to its yield strength to create the same boundary condition in real-life structures. The heat was applied to the beam with thermal tape. Both thermal camera and thermocouple measured the heat distribution uniformity and temperature changes on the test specimen. A hammer was used to induce vibrations on the test specimen, and the vibrations are recorded by the smartphone camera located on a tripod. The additional light sources were used to increase the luminance levels and track the pixel changes, considered as signals. Vibrations were also recorded by the accelerometer attached to the test beams to validate the video recordings' extracted frequencies. The thermal stresses were also found out from the extracted video frequencies by the analytical way and compared to the actual stresses recorded by the MTS machine. The results show excellent agreement between the conventional contact method and the proposed non-contact sensing approach. These results can be used in the future to create a monitoring/inspection smartphone application to measure vibrational characteristics and axial stresses of different types of structural components, for instance, to predict the critical temperature of thermally restrained structures in order to prevent thermal buckling.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    497445

    The contemporary analysis of mobile payment systems in Turkey

    Mobil ödeme sisteminin Türkiye'de karşılaştırmalı analizi

    HÜSEYİN ALTUNTAŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    İşletmeYeditepe Üniversitesi

    Yönetim Bilişim Sistemleri Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. UĞUR TEVFİK KAPLANCALI

  2. Tez No

    743710

    Akciğer lobu kama (wedge) rezeksiyonunda non-kontakt diyod lazer uygulamalarının anlık ve postoperatif erken dönem sonuçlarının araştırılması

    Investigation of instant and early stage postoperative results of non-contact diode laser applications in lung lobe wedge resection

    VİLDAN ASLAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Göğüs Kalp ve Damar CerrahisiBursa Uludağ Üniversitesi

    Cerrahi (Veterinerlik) Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAKAN SALCI

  3. Tez No

    862618

    Genç basketbolcularda darbeye bağlı olmayan yumuşak doku yaralanmaları ile genetik varyasyon arasındaki ilişkinin incelenmesi

    Investigation of the relationship between non-impact soft tissue injuries and genetic variation in young basketball players

    MEHMET KAÇAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    GenetikBursa Uludağ Üniversitesi

    Beden Eğitimi ve Spor Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ERKUT TUTKUN

  4. Tez No

    662857

    Modelling and analyses of damped multi-layered structures

    Sönümlü çok katmanlı yapıların modellenmesi ve analizleri

    MEHMET SAİT ÖZER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK

  5. Tez No

    237579

    Kompozit yapı malzemelerinde ısıl özellik ölçümü

    Thermal property measurement in composite construction materials

    RAMAZAN KALKAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2008

    Makine MühendisliğiHarran Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BÜLENT YEŞİLATA

Geri Dön