STRUCTURAL DAMAGE DETECTION WITH TRANSFER FUNCTION PARAMETER CHANGES

Arş. Gör. GÜRALP AYDEMİR

Tez Türü: Yüksek Lisans

Tezin Yürütüldüğü Kurum: İstanbul Teknik Üniversitesi, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Yapı Mühendisliği, Türkiye

Tez Danışmanı: Ercan Yüksel

Tezin Onay Tarihi: 2021

Tezin Dili: İngilizce

Özet:

TRANSFER FONKSİYONU PARAMETRE DEĞİŞİMLERİ İLE YAPISAL HASAR TESPİTİ

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.