Structural damage detection with transfer function parameter changes
Transfer fonksiyonu parametre değişimleri ile yapısal hasar tespiti
- Tez No: 673409
- Danışmanlar: PROF. DR. ERCAN YÜKSEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 169
Özet
Mühendislik yapılarında yıllar içerisinde kullanımdan veya çevresel etkilerden kaynaklı birtakım kusurlar ortaya çıkabilir. Ek olarak deprem gibi doğal afetler sonucunda yapıların tasarım felsefeleri dışında zorlanabilir ve bunun sonucunda en zayıf yerlerinde kusurlar kendini gösterir. Çevre ve insan sağlığını korumak amacıyla ortaya çıkan bu kusurların en kısa süre içerisinde tespit edilmesi ve yapı ve çevre güvenliğini arttırmak amacıyla gerekli önlemlerin alınması gereklidir. Gelişen teknoloji ile birlikte yapıların durumlarının anlık olarak takip edilmesi ve olası değişimlerin kısa bir süre içerisinde fark edilebilmesi mümkün olmuştur. Yapının güvenli bir şekilde hizmet etmesi için davranışlarındaki değişikliklerin sürekli olarak takip edildiği yeni çalışma alanına Yapısal Sağlık İzleme adı verilir. Yapısal Sağlık İzleme çalışmaları yaygın olarak yüksek binalar, köprüler, bazı karayolları, havaalanları, tarihi eserler gibi önemli mühendislik yapılarını korumak, hasarları düşük seviyede iken tespit ederek yapı güvenliğini sürdürmek için önlem almak amacıyla gerçekleşmektedir. Öte yandan deprem, hortum, tusunami gibi doğal afetlerden etkilenmiş yapılarda öncelikli olarak meydana gelen hasarın varlığının, sonrasında ise hasarın şiddetinin ve konumunun tespitinin yapılması Yapısal Sağlık İzleme çalışmalarının en önemli amaçlarından biridir. Yapısal Sağlık İzleme çalışmaları, temelde yapıların davranışlarını incelemeyi hedeflemiştir. Yapıda meydana gelen her türlü değişim yapı davranışına etki edeceğinden, yapının belirli bölgelerinden toplanan veriler ile yapıya ait davranışlar elde edilebilir. Böylece yapıda herhangi bir hasar meydana geldiğinde elde edilen bu verilerdeki değişmeler ile hasarın tespit edilebilecek olması muhtemeldir. Günümüzde mühendislik yapılarının davranışları yaygın olarak titreşim tabanlı olarak incelenmektedir. Yapı üzerinde belirlenmiş lokasyonlara koyulacak sensörler sayesinde yapının hem doğal hemde uyarılma sırasındaki davranışları kolaylıkla elde edilebilir. Literatürde Titreşim Tabanlı Hasar Tespit Yöntemleri olarak geçen çalışmalarda doğru sonuca ulaşmak için yapılması gereken en önemli işin yapıya ait titreşimlerin doğru bir şekilde elde edilmesi olduğu bilinmektedir. Çünkü yapıya ait titreşimlerin kayıt edilmesi sırasında yapının içerisinde işletimden kaynaklı, rüzgar gibi doğal kuvvetlerden kaynaklı veya çevresel gürültü kaynaklı bir çok unsur kaydın doğru bir şekilde elde edilmesinin önüne geçmektedir. Ortadan kaldırılabilecek unsurların çalışmalara başlamadan ortadan kaldırılması, diğerlerinin etkisinin ise yapı veya yapının doğrulanmış analitik modeli üzerinde kontrollü olarak gerçekleştirilecek deneyler sonucunda öğrenilmesi ve göz önüne alınması önemlidir. Elde edilen dataların hem kayıt edilmesi hemde ayıklanarak analiz edilmesi başlı başına bir mühendislik sürecidir. Hızlı bir şekilde Yapısal Sağlık İzleme çalışmasını gerçekleştirebilmek için optimum sayıda data ile çalışılması gerekmektedir. Gereğinden fazla data kullanarak hasar tespiti yapmaya çalışmak hem ekonomik olmayacak hemde gereksiz işgücü kullanımına ihtiyaç duyacaktır. Dolayısıyla hasar ile yapı davranışı arasındaki ilişkiyi en doğru şekilde temsil edebilen istatistiksel modelin kurulabilmesi Yapısal Sağlık İzleme çalışmasının en önemli ihtiyacıdır. Sonuç olarak yapı sağlığı izleme çalışmasına başlanırken, izlenecek yapı için en uygun sensör yerleşimleri planlanmalı ve sensörlerin etkili bir şekilde kullanıldığından emin olunmalıdır. Yapı üzerinde meydana gelmiş hasarların tespitinde kullanılabilecek birçok titreşim tabanlı yöntem vardır. Bu yöntemlerin ortak özellikleri genel olarak yapının titreşimlerini inceleyerek hasar tespiti yapmak olsa da birbirlerine göre avantajları veya dez avantajları bulunmaktadır. Genel olarak maliyet, zaman, hassasiyet ve uygulama kolaylığı bu avantaj ve dezantajların kapsamı olarak söylenebilir. Aynı zamanda incelenecek yapının türü de hasar tespiti yapmak için seçilecek yöntemin belirlenmesinde önemli bir rol oynar. Bu tezde titreşim tabanlı hasar tespit yöntemlerinden biri olan yapıya ait transfer fonksiyonlarının parametrelerindeki değişimler ile yapısal hasarın tespiti yapılmıştır. Bina türü yapılarda yapısal hasarın hem lokasyonunun hem de şiddetinin belirlenmesi için yapıya ait katlardan elde edilen transfer fonksiyonu değişimlerinin incelendiği iki analitik çalışma yapıldı. İlk analitik çalışma laboratuvar boyutlarında beş katlı bir bina tipi yapının sonlu elemanlar modeli üzerinde gerçekleştirildi. Bu modelde katlar plastik levhalar ile kolonlar donatılar ile temsil edildi. Modele hem birim basamak fonksiyonu hemde 1940 El Centro deprem kaydı tek yönden etkitildi ve modele ait kat deplasmanları kaydedildi. Her bir katın hareket doğrultusundaki ilk üç modunu temsil eden transfer fonksiyonları, bu etkiler ve meydana gelen kat deplasmanları kullanılarak bulundu. Transfer fonksiyonları elde edildikleri katın karakteristik bir özelliğini yansıttığından, girdi olarak birim basamak fonksiyonunun veya deprem kaydının kullanılması sonucu değiştirmedi ve kata ait transfer fonksiyonlarının her iki durum için de aynı olduğu ortaya çıktı. İlk modelde her bir kata ait kolonların atalet momentleri %10 ile %80 seviyesi arasında azaltılarak katlarda meydana gelen hasar durumları temsil edildi. Ayrıca birden fazla katın aynı anda hasarlı olması durumunu yansıtmak için belirli seviyelerde çoklu kat hasarı durumu da çalışıldı. İlk çalışma sonucunda transfer fonksiyonları değişimleri ile hasarlı kat arasında bir ilişki kurulabildi. Bunun sonucunda hem tekil hemde çoklu kat hasarı durumlarında transfer fonksiyonu değişimleri kullanılarak kat hasarlarının tespit edebileceği ortaya çıktı. Hasarlı kattan elde edilen transfer fonksiyonunun pay değişimi ile bir alt kattan elde edilen transfer fonksiyonunun pay değişiminin birbirine zıt yönde oldukları tespit edildi. Bu ilişki tekil kat hasarı durumunda tüm hasar seviyeleri için hasarlı katın tespitini mümkün kıldı. Çoklu kat hasarı durumlarında hasar tespitinde, ilgili durumda hasarlı olan katların transfer fonksiyonunun pay değişimleri lineer olarak toplanarak toplam değişime yakın bir sonuç elde edildi ve arada kalan bu fark ile lineerlik katsayısının çarpılması ile yapılan hata yüzdece bulundu. İlk çalışmada incelenen bir diğer konu ise katta meydana gelen hasar seviyesinin transfer fonksiyonlarının parametre değişimleri ile tespit edilmesidir. Transfer fonksiyonlarının pay değerlerinin değişimleri ile kat hasarının seviyesi arasında iki farklı ilişki kabulü yapıldı. İlk ilişki transfer fonksiyonunun pay değişiminin, kat hasarının %60 seviyesine kadar olduğu durumda lineer olmasıdır. İkincisi ise transfer fonksiyonunun pay değişiminin, kat hasarının %80 seviyesine kadar olduğu durumda lineer olmasıdır. Tekil kat hasarları, transfer fonksiyonlarının pay değerlerinin değişiminin %60 seviyesindeki hasara kadar lineer kabul edildiği ilişki kullanılarak daha az hata ile tespit edilebildi. Öte yandan transfer fonksiyonlarının pay değerlerinin değişiminin %80 seviyesindeki hasara kadar lineer kabul edildiği ilişki kullanılarak, çoklu kat hasarları, ilk ilişkiye göre daha düşük hata oranı ile tespit edebildi. Sonuç olarak, ilişki daha düşük seviyelere kadar lineer kabul edilirse tekil kat hasarları, daha yüksek seviyelere kadar lineer kabul edilirse çoklu kat hasarları etkili bir şekilde tespit edilebildi. Tekil kat hasarı durumunda birinci kattan elde edilen transfer fonksiyonunun birinci moduna ait olan parametre değişimlerinin tüm katların hasarlarını tespit etmede en etkili parametreler olduğu ortaya çıktı. Çoklu kat hasarı durumunda ise yanlızca birinci kattan elde edilen transfer fonksiyonunun birinci moduna ait parametre değişimlerinin hasarlı katları tespitinde yetersiz kaldığı görüldü. Hasarlı katların yerine göre diğer katlardan elde edilen transfer fonksiyonlarının değişimlerinin incelenmesi gerekti. İkinci çalışmada taşıyıcı sistemi merkezde betonarme çekirdek ve etrafında betonarme çerçeve sistem olan on katlı bir binanın analitik modeli kullanıldı. Bu çalışmada deprem sonrası yüksek binalarda meydana gelebilecek hasarların transfer fonksiyonu değişimleri ile tespiti amaçlandı. Bu çalışmada transfer fonksiyonunun girdisi 1999 Kocaeli Depremi'nin kuzey-güney ivme kaydı olurken, çıktısı kat deplasmanları oldu. Model üzerinde kiriş, kolon ve çekirdek hasarları incelendi. Hasarlı eleman sayıları ve elemanların hasar seviyeleri değiştirilerek farklı durumlar sonucunda transfer fonksiyonu değişimleri araştırıldı. Eleman hasarları kirişlerde plastik mafsal tanımlanarak, kolonlarda atalet momenti düşürülerek, perde duvarda ise kat yüksekliği boyunca tanımlanan sonlu elamanın elastisite modülü azaltılarak temsil edildi. Alt katlardan elde edilen transfer fonksiyonlarının, ilk çalışmada olduğu gibi, kat hasarlarının tespitinde daha hassas olduğu ortaya çıktı. Ayrıca hasar seviyesi ile transfer fonksiyonlarının paylarının yüzde değişiminin doğru orantılı olduğu görüldü. Öte yandan, orta katlardan elde edilen transfer fonksiyonlarının, tüm hasar durumlarına karşı düşük seviyede duyarlı olduğu hatta bazen duyarsız kaldığı görüldü. Ayrıca, üst katlardan elde edilen transfer fonksiyonlarının parametreleri tüm hasar durumları incelendiğinde, alt katlardan elde edilenlerden daha az değişsede orta katlardan elde edilenlere göre daha fazla değişim gösterdi. Alt katlardaki düşük seviyeli hasarın bile ilgili katların transfer fonksiyonunun pay değişimlerinin işaret değişiklikleri ile tespit edilebildiği görüldü. Öte yandan üst katlarda hasarlı eleman sayısı ve hasar seviyesi artsa bile bu yöntemle hasarın varlığının tespit edilebileceği ancak yerinin tespit edilemeyeceği ortaya çıktı. Betonarme çekirdekte meydana gelen hasarın, tüm katlardan elde edilen transfer fonksiyonu parametrelerinde, kiriş veya kolonlardakilere göre daha dikkat çekici değişimlere neden olduğu belirlendi. İlk örnekte olduğu gibi hasarın şiddeti ile parametrelerdeki değişimin seviyesi doğru orantılı olarak değişti. Transfer fonksiyonlarındaki değişimlerin işaretlerinde farklılık olmadığı durum için birbirini izleyen katların transfer fonksiyonlarının parametre değişim oranları incelendi. Hasarlı katın transfer fonksiyonunun parametre değişimi ile bir alt katın transfer fonksiyonunun parametre değişimi arasındaki oranın hasarlı katın belirlenmesinde kullanılabilecek bir diğer metot olduğu tespit edildi. Sonuç olarak bu tezde transfer fonksiyonunun parametre değişimleri ile bina türü yapılar için hasarın yerinin ve seviyesinin tespitinin yapılabileceği gösterildi. Burada önerilen yöntem hem hasarın şiddetini hemde hasarlı katı minimum sayıda sensör kullanarak tespit edebildiği için Yapı Sağlığı İzleme çalışmalarında önemli bir gelişme olarak gösterilebilir.
Özet (Çeviri)
Defects may occur in engineering structures over the years due to use or environmental effects. In addition, as a result of natural disasters such as earthquakes, buildings may be forced out of their design philosophies, and as a result, defects appear in the weakest places. In order to protect the environment and human health, these defects should be detected as soon as possible, and necessary measures should be taken to increase building and environmental safety. With the developing technology, it has been possible to monitor the buildings instantly and to notice possible changes in a short time. The new work area, in which changes in behavior are constantly monitored for the building to serve safely, is called Structural Health Monitoring. Structural Health Monitoring studies are aimed to examine the behavior of buildings. Since any change occurring in the structure will affect the building's behavior, the building's behaviors can be obtained with the data collected from certain parts of the building. Thus, when any damage occurs in the structure, it is inevitable that the damage will be detected with the changes in the data obtained. Today, the behavior of engineering structures is widely studied on vibration-based. Both recording, sorting, and analyzing the obtained data is an engineering process in itself. It is necessary to work with an optimum number of data to carry out Structural Health Monitoring work quickly. Trying to detect damage using too much data will not be economical and will require unnecessary labor force usage. Therefore, the most important need for Structural Health Monitoring study is to establish a statistical model representing the relationship between damage and building behavior in the most accurate way. As a result, when starting the building health study, the most appropriate sensor placements should be planned for the structure to be monitored, and it should be ensured that the sensors are used effectively. In this thesis, determination of structural damage by changes in the parameters of the transfer functions of the structure, which is one of the Vibration-Based Damage Detection methods. In order to determine both the location and the intensity of structural damage in building-type structures, two analytical studies were conducted. The first analytical study was carried out on the finite element model of a five-story building-type structure with laboratory dimensions. In this model, floors were represented by plastic sheets and columns with reinforcements. Both the unit step function and the earthquake record were affected from one direction to the model, and the story displacements of the model were obtained. The transfer functions representing the first three modes in the direction of motion of each floor were obtained using these excitations and displacements. As a result of the first study, a relationship could be created between transfer function changes and the story damage. It was found that story damages can be detected using transfer function changes in both single and multi-story damage cases. In addition, it was determined that the numerator change of the transfer function obtained from the damaged floor and the numerator change of the transfer function obtained from a lower floor are in opposite directions. This relationship made it possible to identify the damaged floor for all damage levels. Another issue examined in the first study is determining the level of damage on the story with transfer function parameter changes. Two different relationships were accepted between the changes in the numerator values of the transfer functions and the level of story damage. The first relation acceptance is that the numerator change of the transfer function is linear when the damage level is up to 60%. Second, the numerator change of the transfer function is linear when the damage level is up to 80%. In the case of single story damage, it was revealed that the parameter changes belonging to the first mode of the transfer function obtained from the first floor are the most effective parameters in determining the damage of all stories. In the case of multiple story damage, it was observed that the parameter changes of the first mode of the transfer function obtained from the first floor were insufficient in detecting the damaged stories. It was necessary to examine the changes of transfer functions obtained from other floors according to the location of the damaged story. In the second study, the analytical model of a ten-story building with a reinforced concrete core in the center and a reinforced concrete frame system around it was used. This study aimed to determine the damages that may occur in high rise buildings during the earthquake by transfer function changes. It turned out that the transfer functions obtained from the lower floors are more sensitive in detecting damage, as in the first study. It was also seen that the damage level and the percentage change of the numerators of the transfer functions are directly proportional. On the other hand, parameter changes of the transfer functions obtained from the middle floors were found to be low-level and even insensitive to all damage situations. In case there is no difference in the signs of the changes in the transfer function parameter changes, the rates of change in the transfer functions of successive floors are examined. It was found that the ratio between the change in the transfer function numerator of the damaged floor and the change in the transfer function numerator of the lower floor can be used to determine the damaged floor. As a result, it was found that damage assessment can be made for both single story damage and multi story damage scenarios in the building-type structures with transfer function parameter changes. The method proposed here can be shown as an important development in Structural Health Monitoring studies, as it can detect both the severity of the damage and the damaged story using a minimum number of sensors.
Benzer Tezler
- Hedef kimyasala duyarlı floresan malzemelerin sentezi ve kimyasal sensörlerde kullanımı
Synthesis of fluorescent materials sensitive to target chemicals and usage in chemical sensors
FEHMİ KARAGÖZ
- İletim hatlarının oluştuduğu elektrik ve magnetik alanların insan sağlığı üzerindeki etkileri
Effects of electric and magnetic fields produced by transmission lines on health
AYŞE TÜTER
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. NESRİN TARKAN
- Kazıkların davranışlarının sonlu elemanlar metodu ile belirlenmesi
Başlık çevirisi yok
ZEKİ HANAVDELOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. M. ATİLLA ANSAL
- Yapay zekâ ve sinyal işleme yöntemleri ile rulmanlarda taşlama yanığı hatasının tespiti
Detection of grinding burn defect in bearings with artificial intelligence and signal processing methods
NURDOĞAN CEYLAN
Doktora
İngilizce
2023
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSakarya Uygulamalı Bilimler ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEZGİN KAÇAR
- How cryptographic implementations affect mobile agent systems
Şifreleme gerçekleştirmelerinin gezgin aracı internet sistemlerini nasıl etkilediği
İSMAİL ULUKUŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2003
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolBoğaziçi ÜniversitesiSistem ve Kontrol Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİN ANARIM