Hasarlı kirişlerde hasar tespiti için hüzme oluşturma algoritmalarının kullanılması
Damage identification in damaged beams using beamforming algorithms
- Tez No: 949284
- Danışmanlar: DOÇ. DR. UĞURCAN EROĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 91
Özet
Yapısal sistemlerin zaman içerisinde maruz kaldığı tekrarlı yükler, çevresel etkiler ya da üretim aşamasındaki kusurlar nedeniyle hasar oluşumu kaçınılmaz hale gelmektedir. Bu hasarların, sistem hizmet veremez hâle gelmeden önce tespit edilmesi ve izlenmesi gerekliliği ise yapısal sağlık izleme uygulamalarının gelişmesini sağlamıştır. Yapısal sağlık izleme ve hasar tespit yöntemleri birçok mühendislik yapısının zamana bağlı davranışını incelemeye yarayan inceleme yöntemlerindendir. Bu yöntemlerde optimum düzeyde zaman kullanımı ve kaynak harcaması ile en doğru tespitin yapılarak yapının durumu için en uygun karara varılması büyük önem arz etmektedir. Bu nedenle seçilen yöntemin incelenecek olan sistemle uyumu bu çalışmaların en kritik kısımlarındandır. Yapısal sistemin çeşitli etkiler altındaki davranışını veya yapıda bulunan bir hasarın konumunu ve şiddetini belirlemek için çeşitli dinamik parametreler kullanılmaktadır. Bu parametrelere, doğal frekanslar ve modal eğrilikler örnek olarak gösterilebilir. Literatürde bu parametrelerin kullanılarak çeşitli mühendislik disiplinlerindeki yapıların durumunun incelendiği pek çok çalışma mevcuttur. Hasar konumunun ve büyüklüğünün belirlenmesinde, ölçümlerin doğruluğu kadar yapısal sistemin ve yapısal sistemdeki hasarın matematiksel modellenmesi sonucu elde edilecek verilerin eşleştirilmesini sağlayacak yöntemin seçimi de kritik öneme sahiptir. Çevresel koşulların etkisi nedeniyle ölçümler istenilen seviyede olmayabilir. Bu nedenle ölçüm koşullarından daha az etkilenecek parametrelerin seçimi önemli bir araştırma konusu olmuştur. Doğal frekansların ölçülmesinin pratik oluşu, inceleme çalışmalarında fazlasıyla tercih edilmesini sağlamıştır. Ancak, çevresel koşullardan etkilenmeleri hasar kaynaklı değişimlerin tespit edilmesini zorlaştırmaktadır. Modal eğrilikler, çevresel koşullardan daha az etkilenmeleri nedeniyle alternatif olarak öne çıkmaktadır. Ancak modal eğriliklerdeki değişimlerin yalnızca hasarın bulunduğu bölgeyle sınırlı kalması, yapının tamamının izlenmesini gerekli kılmaktadır. Bu durumun uygulama zorlukları ortaya çıkarması nedeniyle hasar konumuna dair bir varsayım yapılması gerektirmektedir. Sonuçta, sınırlı sayıdaki algılayıcı ile elde edilen modal eğrilik verilerinin doğru bir şekilde işlenmesi hasar analizinde önemli bir faktör haline gelmektedir. Bu nedenle, çeşitli etkiler altında yapılan ölçümlerden anlamlı parametrelerin elde edilmesi için veri işleme sürecinde farklı algoritmaların kullanıldığı görülmektedir. Optimizasyon ve hüzme oluşturma algoritmaları bu bağlamda öne çıkan yaklaşımlardandır. Bu çalışmada tercih edilen yöntem olan hüzme oluşturma algoritmaları, vericideki kanal bilgisinin kullanılarak, iletilen sinyallerin uygun şekilde ağırlıklandırılıp kanal koşullarına daha uyumlu hale getirilmesini sağlamaktadır. Bu yöntem, radar ve sonar sistemlerinde, tıbbi görüntüleme sistemlerinde kullanıldığı gibi yapısal mekanikte de kendine uygulama alanı bulmuştur. Bu çalışmada, önerilen kapalı çözüm ve hasarı tanımlayan fonksiyon yardımıyla kiriş tipi yapısal elemanların modal eğrilik değişimlerinin analiz edilerek hasar tespiti yapılması amaçlanmıştır. Klasik kiriş teorisine dayanan bir matematiksel yöntem kullanılarak hasarsız duruma ait doğal frekanslar elde edilmiştir. İncelenen kiriş için hasarın tanımı eğilme rijitliğindeki düşüş olarak yapılmış ve bu düşüş sürekli bir dağılım fonksiyonu kullanılarak tanımlanmıştır. Tanımlanan bu fonksiyon, hasar konumu ve hasar genişliği parametrelerine bağlı bir ifadedir. Hasarsız sistem civarında pertürbasyon açılımı yapılarak hasarlı duruma ait doğal frekans ifadesi ve yer değiştirme fonksiyonunun ikinci türevi olan modal eğrilik değişimleri elde edilmiştir. Elde edilen modal eğrilik verilerine göre, hasarın bulunduğu konum da modal eğriliklerde bir pik oluştuğu görülmektedir. Ancak hasar bölgesi dışında kalan kısımlarda da ekstremum noktaların görülmesi, ölçümlerin bu noktalar civarında yapılması durumunda hasarın konumuna dair yanlış çıkarımlar yapılmasına neden olabileceği vurgulanmıştır. Yapılan bu hesaplamalar neticesinde oluşan belirsizliklerin, hüzme oluşturma algoritmalarından olan“Bartlett”ve“MVDR”algoritmalarının kullanılmasıyla giderilmesi amaçlanmıştır. Ayrıca, bu algoritmaların hasar tespitinde kullanılan klasik veri iyileştirme metotlarına göre sağladığı avantajların ortaya konulması hedeflenmektedir.
Özet (Çeviri)
Structural systems inevitably suffer damage over time due to cyclic loads, environmental effects, or defects during the manufacturing process. The necessity of detecting and monitoring this damage before the system becomes unservicable has led to the development of structural health monitoring applications. Structural health monitoring and damage detection methods are investigative techniques used to analyze the time-dependent behavior of many engineering structures. It is crucial to make accurate assessments using optimal time and resource allocation, in order to derive the most appropriate decisions regarding structural integrity. Therefore, the compatibility of the selected method with the system to be investigated is one of the most critical parts of these studies. Various dynamic parameters are used to determine the behavior of a structural system under various influences or the location and severity of damage in a structure. Among these parameters, natural frequencies and modal curvatures are commonly employed. The literature contains numerous studies in which these parameters have been used to assess the condition of structures across various engineering disciplines. In determining the location and magnitude of damage, not only the accuracy of measurements but also the selection of an appropriate method that aligns with the mathematical modeling of both the structure and the damage is of critical importance. Due to environmental factors, the quality of the measurements may be compromised. Thus, selecting parameters that are less susceptible to environmental influences has become a significant area of research. Natural frequencies are often favored for their ease of measurement; however, their sensitivity to environmental effects can hinder the detection of damage-induced variations. On the other hand, modal curvatures offer an alternative due to their relative insensitivity to such external factors. Nevertheless, since the variations in modal curvature are typically localized to the damaged region, it becomes necessary to monitor the entire structure. This introduces practical challenges and often requires an assumption regarding the damage location. Consequently, the accurate processing of modal curvature data acquired from a limited number of sensors becomes a crucial factor in damage analysis. To extract meaningful parameters from measurements under varying conditions, different signal processing algorithms are employed. Among these, optimization and beamforming algorithms stand out as promising approaches. The beamforming algorithm utilizes transmitter channel information to appropriately weight transmitted signals, thereby adapting them to channel conditions. This technique has found applications not only in radar and sonar systems and medical imaging, but also within the field of structural mechanics. In this study, the aim is to detect damage by analyzing modal curvature variations in beam-type structural elements using a proposed closed-form solution and a function that defines damage. A system of equations is established by expressing the equation of motion based on classical beam theory, including strain-displacement and moment-curvature relations, along with equilibrium conditions. This system is solved using matrix exponential methods, from which nonzero components of the principal matrix are obtained. Applying boundary conditions to this solution yields the natural frequencies of the undamaged system. Normalization through dimensionless quantities then leads to the initial condition vector describing the motion of the beam. Damage in the examined beam is modeled as a reduction in bending stiffness, defined by a continuous distribution function dependent on damage location and width parameters. This function is designed to decay to zero away from the damage center. A perturbation expansion is conducted around the undamaged system, resulting in a differential equation representing the damaged state that also includes the undamaged solution. The first terms in the perturbation series are used in the analysis. The characteristic equation for the damaged system forms a nonhomogeneous system, which is solved using Fredholm solvability conditions. Applying boundary conditions yields a closed-form expression for the first-order effect of damage on the nth natural frequency. Changes in natural frequencies under different damage severities and extents are then investigated. Once expressions for frequency variations and initial conditions are derived, changes in modal curvature—defined as the second derivative of the displacement function—are formulated. The resulting modal curvature variations are examined under various damage scenarios. It is observed that damage induces a peak in the modal curvature profile at the damage location. However, the appearance of additional extremum points outside the damage zone suggests that measurements near these regions may lead to inaccurate inferences about the damage location. To mitigate such ambiguities, beamforming algorithms—specifically“Bartlett”and“MVDR”are employed. The Bartlett beamformer, also known in the literature as a linear beamforming approach, is the simplest method in terms of computational cost. The Bartlett operator is defined as the projection of the normalized model-based replica vector onto the normalized sensor data vector. It operates similarly to classical optimization routines, wherein the objective function is defined as the norm of the difference between measured and computed data and is minimized accordingly.The MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) beamformer, on the other hand, is a more advanced adaptive method compared to Bartlett. Its main objective is to apply spatial filtering that minimizes the contribution from all directions except the signal's direction of arrival, while preserving the undistorted signal component. MVDR involves matrix inversion, which makes it computationally more intensive than the Bartlett approach. Furthermore, it utilizes the inverse of the cross-spectral density matrix, necessitating regularization through diagonal loading to ensure numerical stability without significantly affecting the results. In the continuation of the study, the performance of Bartlett and MVDR beamformers is compared across various damage scenarios. The ability of each algorithm to localize damage using different numbers of sensors at various structural locations is examined. Additionally, a separate scenario is introduced in which varying levels of noise are added to the normalized sensor data. This makes it possible to assess how each algorithm reacts to measurement uncertainties, such as those caused by environmental effects or user errors. Through this analysis, the robustness of beamforming techniques against noisy data is evaluated. In conclusion, this study investigates the effectiveness of using modal curvature variations in structural damage detection, comparing beamforming-based data enhancement techniques to conventional methods. The comparative performance of Bartlett and MVDR beamformers is analyzed, with particular focus on their capability for damage localization and their resilience to uncertainty.
Benzer Tezler
- Structural damage detection with transfer function parameter changes
Transfer fonksiyonu parametre değişimleri ile yapısal hasar tespiti
GÜRALP AYDEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERCAN YÜKSEL
- Betonarme yapılarda akustik emisyon yöntemiyle yapay zeka tabanlı hasar tespiti
Artificial intelligence-based damage detection in reinforced concrete structures by acoustic emission method
OMAIR INDERYAS
Doktora
Türkçe
2024
İnşaat MühendisliğiEge Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİNEL ALVER
- Betonarme kirişlerde hasar durumunun titreşim testleri kullanılarak belirlenmesi
Identification of damage status in rc beams by vibration tests
MEHMET ATAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
İnşaat MühendisliğiEge Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİNEL ALVER
- Çok katmanlı algılayıcı ve merkezcil taban fonksiyonlu Yapay Sinir Ağları yöntemleriyle hasarlı kirişlerin incelenmesi
Analysi̇s of cracked beams with multi layer perceptron and radial basis function Artificial Neural Networks methods
AYDIN BAYSAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
İnşaat MühendisliğiErciyes Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KAMİL AYDIN
- Çarpma etkisine maruz öngerilmeli kirişlerin davranışının deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of the behavior of prestressed beams subjected to impact
ABDULHALİM AKKAYA
Doktora
Türkçe
2023
İnşaat MühendisliğiSakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN KIRTEL