Estimation of in-situ concrete strength using drilling resistance method and machine learning
Sertleşmiş betonun basınç dayanımının delme direnci yöntemi ve yapay öğrenme yöntemleri ile tahmini
- Tez No: 676640
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. OĞUZ GÜNEŞ
- 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: 171
Özet
Mevcut yapıların yapısal performansının değerlendirilmesi sismik riskin yüksek olduğu bölgelerde öncelikli hale gelmektedir. Yapısal performansın değerlendirilmesi için yapının durum tespit çalışması önemli bir aşamadır. Durum tespit çalışması sırasında yapı ile ilgili farklı bilgiler toplanmaktadır. Betonun yerinde basınç dayanımının tespit edilmesi ve taşıyıcı elemanların proje ile tutarlığının belirlenmesi durum tespit çalışmasında incelenmektedir. Betonun farklı mekanik özellikleri çeşitli deneysel yöntemlerle belirlenebilmektedir. Bununla birlikte, betonun diğer özellikleri ile yüksek korelasyonu olması nedeniyle basınç dayanımı betonun en çok araştırılan özelliğidir. Dolayısıyla, yapıdaki betonun basınç dayanımı sadece yapının deprem performansı ile ilgili değil, aynı zamanda betonun kalitesinin de önemli bir göstergesidir. Bu nedenle, mevcut bir yapıdaki betonun yerinde basınç dayanımının belirlenmesi önemli bir alandır. Yerinde dayanım değerlendirmesi için en yaygın olarak kullanılan yöntem, yapıdan karot numunelerinin alınmasıdır. Yapıdan alınan karot numuneleri bir laboratuvara getirilerek paralel ve düz yüzeyler sağlayacak şekilde başlıklama işlemi yapılır. Başlıklama işlemi için kullanılan malzemenin dayanım kazanması beklendikten sonra numuneler üzerinde basınç dayanımı deneyleri gerçekleştirilir. Bu prosedür çok masraflı ve zaman alıcıdır. Bu nedenle maliyetli bir yöntemdir ve geniş yapı stoklarının incelenmesi konusunda verimli bir yöntem değildir. Bu nedenle, geniş yapı stoklarının hızlı ve güvenilir incelenebilmesi için farklı yöntemlerin kullanılması bir gerekliliktir. Tahribatsız muayene yöntemleri ya da hasarsız inceleme (Non-destructive testing, NDT) yöntemleri durum tespit çalışmaları için geleneksel yönteme hem yardımcı hem de alternatif bir yöntem olarak öne çıkmaktadır. NDT yöntemleri birçok mühendislik alanında malzeme özelliklerin belirlenmesi için kullanılmaktadır. Betonun birçok farklı özelliğinin ve kusurunun tespitinde de NDT yöntemleri çok uzun zamandır kullanılmaktadır. Betonun farklı özellikleri NDT yöntemleri ile ölçülür, ardından betonun basınç dayanımı ile bu ölçümler arasındaki bağıntılar kurulur. NDT yöntemlerinin çeşitli çalışmalarda betonun yerinde dayanımının tahmini için kullanılabilirliği kanıtlanmıştır. Bununla birlikte, bu çalışmalarda basınç dayanımı ile herhangi bir NDT yönteminin ölçümleri arasındaki bağıntının her binaya ve kullanılan malzemeye özgü olduğu gözlemlenmiştir. Bu nedenle, literatürde yerinde basınç dayanımı tahmini için evrensel bir bağıntının direkt kullanılması önerilmemektedir. Bunun yerine, incelenen binaya özgü bağıntının binaya ait karot sonuçları kurulması ya da mevcut bir bağıntının incelenen binaya ait karot sonuçlarının kullanılmasıyla kalibre edilmesi önerilmektedir. Her iki durumda da NDT yöntemlerinin hasarlı tespit yöntemleri ile birlikte kullanılması yapıdan alınması gereken karot sayısının azalmasına katkı sağlayabilir. Ayrıca, işçilik, zaman, maliyet ve en önemli yapının bütünlüğü göz önünde bulundurularak yapıdan en az sayıda karot numunesi alınmalıdır. Çeşitli NDT yöntemlerinin kullanılması ile yapıdan daha az karot numunesi alınması hem daha ekonomik hem de yapıya daha az zarar veren bir yöntem olarak öne çıkmaktadır. Bu nedenle, NDT yöntemlerinin yapılarda durum tespit çalışmasında kullanılması önem kazanmaktadır. Schmidt çekici ve ultrases hızı (UPV) tayini en yaygın kullanılan NDT yöntemleridir. Schmidt çekici, temel olarak betonun yüzey sertliğini geri tepme ilkesine göre ölçer. Endüstriyel kullanım için farklı tiplerde Schmidt çekiçleri mevcuttur. UPV yönteminde, ultrases dalgasının betonda bilinen bir mesafe içerisindeki iletim hızı ölçülmektedir. Daha sonra, bu NDT ölçümleri ile basınç dayanımı arasında bağıntı kurulur. Delme esasıyla çalışan farklı NDT yöntemleri doğal taş ve ahşap gibi farklı malzemelerin karakterizasyonu için kullanılmıştır. Çimento harçlarının basınç dayanımı tahmini ve betondaki yangın hasarının değerlendirilmesi konularında da delme direncini ölçen yöntemler literatürde bulunmaktadır. Ek olarak, beton küp numuneleri üzerinde dayanım tahmini için yapılmış yakın zamanlı çalışmalar da bulunmaktadır. Ancak, beton basınç dayanımı tahmini konusunda delme direnci yöntemi henüz yerleşik bir yöntem değildir. Bu çalışmada, beton dayanım değerlendirmesi için delme direnci yönteminin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Delme sırasında matkap ucuna etkiyen eksenel yük, matkap ucunun çapı ve test edilecek beton numunelerinin maksimum agrega büyüklükleri delme direnci yönteminin sonuçlarını etkileyen en önemli faktörler olarak görülmüştür. Bu nedenle, bu etkileri araştırmak için kapsamlı bir deneysel çalışma programı gerçekleştirilmiştir. Bu proje için geniş bir basınç dayanımı aralığında ve üç farkı maksimum agrega büyüklüğüne sahip 24 farklı beton karışımı tasarlanmıştır. Ayrıca her karışımdan 50 cm x 50 cm x 22 cm boyutlarında beton bloklar hazırlanmıştır. Bu beton bloklar üzerinde farklı eksenel yükler ve farklı matkap ucu çapları ile delme direnci yöntemi uygulanmıştır. Delme direnci yöntemine ek olarak, aynı beton bloklara sıklıkla kullanılan iki NDT yöntemi daha uygulanmıştır. NDT ölçümlerinin ardından 24 beton bloğun her birinden 3 adet 10 cm x 20 cm boyutlarında karotlar alınmıştır. Alınan karot numunelerini basınç dayanımı deneyine hazır hale getirmek için bu numunelere başlık yapılmıştır. Daha sonra karot numunelerinin tek eksenli basınç altında kırılmasıyla beton blokların dayanım değerleri elde edilmiştir. Daha sonra, NDT ölçümleri ile basınç dayanımı arasındaki bağıntılar regresyon analizi ile belirlenmiştir. NDT ölçümlerinin tekli kullanımlarının yanı sıra bu yöntemlerin kombine kullanımındaki bağıntılar da belirlenmiştir. Kombine kullanımına ek olarak, giderek yaygınlaşan yapay öğrenme regresyon modelleri de kullanılmıştır. Yapay öğrenme modellerinin geleneksel regresyon modellerine göre farklı avantajlara sahiptir. Değişkenler arasında daha esnek ve kompleks bağıntılar kurabilmesi yapay öğrenme modellerinin başarısını arttırmaktadır. Ayrıca, sayısal değişkenlerin yanı sıra kategorik değişkenlerin de tahmin modellerinde kullanılabilmesi yapay öğrenme modellerinin önemli bir avantajıdır. Altı farklı delme direnci parametresiyle üç farklı maksimum agrega büyüklüğüne sahip geniş bir dayanım aralığındaki betonlar üzerinde gerçekleştirilen deneyler sayesinde delme direnci yöntemini etkileyen etkenler incelenmiştir. İncelenen her etki diğer değişkenlerin sabit tutulduğu deney sonuçları yardımıyla karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Örneğin, matkap ucu çapının delme direnci değerlerine etkisi her bir farklı çap değeri için tüm eksenel yük ve maksimum agrega kombinasyonlarında ayrı ayrı incelenmiştir. Ek olarak, tüm etkenler maksimum agrega çapı ayrımının olmadığı tüm veri seti ile de incelenmiştir. Delme işlemi düşey olarak gerçekleştirilmiş ve delme sırasında matkaba uygulanan eksenel yük matkaba sabitlenen ağırlıklar sayesinde sabit tutulmuştur. Delme sırasında matkaba uygulanan kuvvetin artmasının delme sırasında matkabın maruz kaldığı geri itme etkilerini azalttığı gözlemlenmiştir. Ayrıca, özellikle 10 mm çaplı matkap ucuyla gerçekleştirilen deneylerde eksenel yükün artmasıyla delme direncinin azaldığı açık olarak gözlemlenmiştir. Ancak, 12 mm çaplı matkap ucuyla gerçekleştirilen deneylerde benzer bir etki olmasına rağmen bu uçla yapılan ölçümlerdeki sapmalar nedeniyle eksenel yükün etkisi her sonuç setinde aynı gözlemlenmemiştir. Bu sonuçlar beklenildiği gibi artan eksenel yükün delme işlemini kolaylaştırdığını göstermektedir. Matkap ucu çapının artması ile delinen alan genişlemektedir. Deneyler sırasında matkap en yüksek gücünde kullanıldığı için delinen alanın artmasıyla birim derinlik için delme süresinin artması gerekmektedir. 10 mm ve 12 mm çaplarındaki matkap uçlarıyla gerçekleştirilen delme direnci sonuçları karşılaştırıldığında geniş çaplı matkap ucunun delme direncini arttırdığı gözlemlenmiştir. Bu bulgu tüm eksenel yük ve maksimum agrega çapı kombinasyonlarında bulunmaktadır. Maksimum agrega çapının daha büyük olduğu betonlarda aynı basınç dayanımı değeri için daha yüksek delme direnci değerleri gözlemlenmiştir. Bütün eksenel yük ve matkap ucu çaplarında benzer ilişki bulunmaktadır. Ek olarak, NDT ölçümleri ile basınç dayanımı arasındaki ilişkiyi en iyi temsil eden regresyon modeli belirlilik katsayısı (R2) ve hataların karesinin ortalamasının karekökü (RMSE) gibi metrikler kullanılarak incelenmiştir. Delme direnci ile basınç dayanımı arasında kurulan bağıntılara ait R2 ve RMSE değerlerinin ortalaması incelendiğinde, üstel modelin göreceli olarak daha iyi olduğu gözlemlenmiştir. Bu çalışmada sunulan sonuçlar, betonun yerinde basınç dayanımının tahmini için delme esaslı bir NDT yönteminin geliştirilmesine katkıda bulunmaktadır. Buna ek olarak, çalışma, kombine kullanım dahil olmak üzere Schmidt çekici ve UPV yöntemlerine ilişkin mevcut literatüre de katkıda bulunmaktadır. Son olarak, bu çalışmanın giderek yaygınlaşan yapay öğrenme modellerinin betonun basınç dayanımı tahmini için kullanılması üzerine olan çalışmalara da katkısı olacaktır. Bu tez çalışması, Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu tarafından 214M054 numaralı proje kapsamında ve İstanbul Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri (BAP) tarafından MYL-2019-42522 numaralı proje kapsamında desteklenmiştir.
Özet (Çeviri)
Structural condition assessment and performance evaluation of existing building stocks is becoming crucial due to increased hazard risks in seismic regions. Various mechanical properties of concrete can be determined through different laboratory and in-situ tests. Compressive strength of concrete is the most commonly tested property due to its strong correlation with many other properties of concrete. Thus, in-situ compressive strength is a significant indicator of concrete quality and a potential indicator of seismic safety. Therefore , determination of in-situ compressive strength of concrete in existing structures is a critical engineering problem. Most commonly used method for in-situ strength assessment is testing of core samples taken from the structure. Compression test is performed to these core samples in a laboratory. This procedure requires time and man-hour of skilled technicians. Thus, it is a costly method and it is inefficient to perform for large building stocks. Therefore, there is a need to develop more practical and rapid methods for this purpose. Nondestructive testing (NDT) methods stands out both as an alternative strategy and as a supplementary strategy. Different properties of concrete can be measured using NDT methods, typically when correlated with more reliable tests. Use of NDT methods for in-situ strength evaluation of concrete in conjunction with core samples may reduce the number of core samples required for reliable assessment. It is of interest to take minimum number of cores from the building considering labor, time, cost, and the damage inflicted in the process. Most commonly used NDT methods for in-situ strength assessment of concrete are Schmidt hammer and ultrasonic pulse velocity (UPV). Drilling based NDT methods have been used for mechanical characterization of various building materials such as natural stone and wood. There are also applications of drilling based methods for prediction of compressive strength of mortars and assessment of thermal damage in concrete. Additionally, recent studies have attempted to use drilling based methods for strength assessment of concrete. However, the effectiveness of drilling resistance method for prediction of in-situ concrete strength is not yet established. In this study, use of drilling resistance method for concrete strength assessment is investigated. The axial load on the tip of drill during drilling, the diameter of the drill bit and the maximum aggregate size of concrete to be tested were studied as the most important factors that influence the test results. Therefore, a comprehensive experimental program was conducted to investigate these influences. For this project, 24 different concrete mixtures with a wide range of compressive strength values and three maximum aggregate sizes were designed. Furthermore, concrete blocks (50 x 50 x 22 cm) were produced from each mixture. The drilling resistance tests was performed on these concrete blocks under different axial loads and different drill bit diameters. In addition to drilling resistance method, two commonly used NDT methods were applied to the same specimens. Following the NDT measurements, 3 cores were drilled from each one of 24 concrete blocks and the compressive strength of concrete blocks was determined through compression tests on these core samples. Afterwards, the relationship between NDT and core test results were established through regression analysis. Additionally, predictions models with machine learning methods were developed to increase reliability of compressive strength estimation using NDT methods. The results presented in this study contributed to the development of a drilling based NDT method for estimation of in-situ compressive strength of concrete. In addition, the study contributed to the existing knowledge of rebound hammer and UPV methods including their combined use. Lastly, the findings of this research make a contribution to a growing field of research - the use of machine learning methods for concrete strength assessment. Drilling resistance measurements reveal that higher resistance to drilling was observed in concrete with larger aggregate size. The relationship between drilling resistance and compressive strength shows that drilling resistance is decreased with increasing axial load. These results show that increased axial load makes drilling easier as expected. Drilling resistance increased with increasing diameter of drill bits. Mean of correlation coefficient and RMSE for these prediction models revealed that power law models better describe the relationship. Schmidt hammer and UPV measurement results increased with increasing aggregate sizes for approximately same compressive strength. The project was supported by Scientific and Technical Research Council of Turkey (TUBİTAK) under Project No. 214M054 and the Scientific Research Projects (BAP) of Istanbul Technical University under Project No. MYL-2019-42522.
Benzer Tezler
- Zemin çivileri tasarım prensipleri ve davranışın sonlu elemanlar yöntemiyle analizi
Başlık çevirisi yok
ALPER ARSLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGeoteknik Bilim Dalı
DOÇ. DR. M. TUĞRUL ÖZKAN
- Compressive strength estimation of low to normal strength concrete using combined NDT
Düşük ve normal dayanımlı betonlarda tahribatsız muayene yöntemlerinin kombine kullanımı ile basınç dayınımı tahmini
ŞERVAN BARAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ OĞUZ GÜNEŞ
- Bileşik yıkıntısız beton deneyleri ile beton mukavemetinin belirlenmesi ve betonarme bir yapıda uygulanması
Başlık çevirisi yok
İSA YÜKSEL
- Dilimsel dengeli konsol yöntemi ile inşa edilen köprü üstyapısının yapım aşamalarına göre analizi
Construction stage analysis of segmental balanced cantilever bridge superstructure
SHAMIL NURI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ABDULLAH NECMETTİN GÜNDÜZ
- Kayseri civarındaki turba zeminlerin jeomekanik karakteristiklerinin ve dinamik davranışlarının arazi, laboratuvar ve sayısal modelleme teknikleriyle araştırılması
Investigation of the geomechanical characteristics and the dynamic behaviors of peaty soils in the vicinity of Kayseri̇ using field, laboratory and numerical modelling techniques
NAZLI TUNAR ÖZCAN
Doktora
Türkçe
2015
Jeoloji MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiJeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. REŞAT ULUSAY
DOÇ. DR. NİHAT SİNAN IŞIK