Dynamic testing and identification of Muratlı railway bridge

Abstract

Yapılanıl çeşitli dış yükler altındaki dinamik davranışını saptamak amacıyla hassas ölçüm aletlerinin kullanımı günümüzde giderek yaygınlaşmaktadır. Hassas aletler yardımıyla gerçekyapıdan eme edilen kayıtlara dayanarak, gözönüne alınan yapının analitik modelinin doğruluğu saptanabilmekte ve basit modellerin geliştirilmesine olanak sağlanabilmektedir. Bilindiği üzere herhangi bir yapı sistemlerinin tanımlanması, ölçülen ve analitik olarak hesaplanan değerlerin karşılaştırılması sonucunda, sistemi en iyi şekilde temsil eden yapısal parametrelerin saptanması esasına dayanmaktadır. Literatürde daha önce yer alan ve sistem tanımlaması ile ilgili yapılan çalışmaların çoğunda, analitik sistemden elde edilen sonuçlar esas olarak dikkate alınmaktadır. Sunulan bu çalışmada kullanılan sistem tanımlanması yönteminde ise, yapı parametrelerinin serbestçe seçimi mümkün olabilmektedir. Bu çalışmada gözönüne alman Muratlı Demiryolu Köprüsü'nde birçok statikve dinamik testler yürütülmüştür. İstanbul -Edirne hatunda ve İstanbul' dan 179 km uzaklıkta yer alan Muratlı Köprüsü, 100 metre açıklık, parabolik üst başlıklı basit mesnetli bir kafes kiriş sistemden oluşmaktadır. 52 senelik olan bu köprüde yol alt başlıkta teşkil edilmiştir (Şekil 1). Şekil 1. Muratlı köprüsünün bilgisayar modeli. Sözkonusu köprüde, test lokomotifinin sebep olduğu titreşimler altında ölçülen ivme kayıtlarından ve frekansdan yola çıkılarak rijitlik tanımlamasına gidilmektedir. Bu çalışmada, Muratlı Demiryolu Köprüsü üzerinde gerçekleştirilen testlerde kullanılan test aletleri, bilgi toplama sistemi, test adımlan ve dinamik testten elde edilen kayıtların ön işleme tabi totulma yöntemi açıklanmaktadır. Arazideki köprü testleri yapılmadan evvel, köprünün analitik modeli saptanmış ve bilgisayarda statikve dinamik analizleri gerçekleştirilrniştir. Böylece vnı köprünün serbest titreşim frekansları ve gerilme dağılışları elde edilmiş ve buna dayanılarak statik ve dinamik testlerde kullanılacak olan aletler için uygun yerler tesbit edilmiştir. Yürütülen dinamik köprü deneylerinde ivme ölçerler kullanılmış ve bunların ayakları çelik levhalara monte edilip ayarlanarak kaydedilen ölçümlerin sağlıklı olması sağlanmıştır. Statik testlerde kullanılan gerilme ölçerler ise, daha önceden belirlenen elemanlara M6' lık bulonlarla tesbit edilmiştir. Gerilme ve ivme ölçerlerden elde edilen kayıtlar, özel konnektörlerle bağlanmış 50 metrelik kablolar yardımıyla veri toplama merkezine iletilmektedir. Veri toplama sistemi iki adet Analog - Digital çeviriciden oluşmaktadır. Her bir çeviricide ise 16 kanal bulunmaktadır. ve 2 Elde edilen analog bilgiler dijitale çevrildikten sonra kuvveüendirilmekte adet 16MHz* lik taşmabüır bilgisayarlara kaydedilmektedir. Tüm testler boyunca aks yükleri tanımlı DE24000 diesel lokomotifi kullanılmıştır. Statik testlerde, darbe etkisini de görebilmek amacıyla lokomotifin 5 km/h' lik bir hızla köprüden geçmasine izin verilirken, dinamik testlerde bu hız 75 km/h olarak gerçekleştirilmiştir. Yürütülen dinamik testlerde, sözkonusu test lokomotifinin köprüden geçişi esnasında kütlesi zamana bağlı olarak değiştiğinden, sistemin tanımlanabümesi için lokomotifin köprüyü tamamen terkettiği andan itibaren kaydedilen ve serbest titreşime karşı gelen kayıtlar dikkate alınmıştır. Yapılan bu çalışmada, elde edilen test kayıtlarına dayanılarak frekans tanımlanmakta ve uygun kütle matrisi de gözönünde tutularak, kütle ve rijitlik değerleri 10 noktaya indirgenmiş modelin, rijitük matrisinin tanımlanmasına gidilmektedir. Test edilen köprüden ölçülen giriş ve çıkış kayıtlan, bu çalışmada kullanılan sistem tanımlanması yönteminde yeterli olmaktadır. Rijıtliğin tanımlanmasında kullanılan bu metot, Quasi metodu olarak da tanınmaktadır. Kütlenin seçimi, rijitliğin seçinıinin yanında çok daha kolay olduğundan sistem tanımlanmasında kütle bilinen olarak devreye sokulmaktadır. Öte yandan, kütleninkesin olarak saptanmasının çok zor olduğunu unutmamak gerekmektedir. Bu değerin saptanmasında, deneyim ve labaratuvar testlerine başvurulması gerekmektedir. Ölçülen ivme kavıtlanmn direkt olarak işlenmesinin zor olması ve de iyi sonuç vermemesi nedeniyle^elde edilen kayıt bilgileri bir ön işleme tabi tutularak uygun hale getirilmektedir. Örneğin, kullanılan çeşitli filtre yöntemleri yardımıyla kaydedilen kayıtlardan gürültü, anormal pikler vb. temizlenebilmektedır. Elde edilen kayıtlar ön işlemden geçirildikten sonra, her kanala ait kayıtlar içinden sadece, katarın köprüyü terk ettiği andan itibaren ölçülen ve köprünün serbest titteşimine karşıgelen son bölümü dikkate alınmıştır. Gözönüne alman bu titreşimlere Fourier Transformu uygulanmakta ve çeşitli modlara ait frekans pikleri elde edilmektedir. Genelde, bir köprü için birinci düşey, yatay ve burulma modlannın saptanması arzu edilmektedir. Yürütülen bilgisayar çözümünde elde edilen madlann çoğunun, yanal ve yerel e|ilme modlanna ait olduğu görülmüştür. Öte yandan, birinci ve ikinci düşey eğilme ve burulma modlannın tümü de elde edilmektedir. Bu mod şekillerine ait hesap, ölçüm ve sistem tanımlanmasından elde edilen frekanslar Tablo 1' de görülmektedir. ıx Tablo 1. Hesaplanan, ölçülen ve tanımlanan frekanslar. Sistemin rijitliğini tanımlama metodu, test lokomotifinin köprüvü terk ettikten sonra da kaydedilmeye devam edilen kayıtlara dayanılarak, Şekil 1' de verilen ve serbestlik derecesi 10 noktaya indirgenmiş rijitlik matrisine uygulanmaktadır. Sadece düşey serbestlik dereceleri gözönüne alınarak 10 noktaya mdirgenmiş rijitlik matrisi, test edilen köprünün yerel ve global karakteristiklerini tanımlayabilmek için bir temel teşkil etmektedir (Tablo 2 ). Böylelikle test edilen köprününbirinci eğilme moduna ait ölçülenfrekansına bağlı olarak ve temel rijitlik matrisi de kullanılarak köprü tanımlanmaktadır. Köprünün birinci eğilme moduna ait tanımlanmış rijitlik matrisi Tablo 3' de görülmektedir. Tablo 2. Temel rijitlik matrisi Tablo 3. Birinci eğilme moduna göre tanımlanmış rijiîük matrisi. Tablo 4' de tanımlanmış rijitlik değerleri ile temel rijitlik matrisi arasındaki rölatif farka ait yüzdeler verilmektedir. Rijitlik matrisini belirli bir şekilde etkileyen ana diyagonal elemanlarının rölatif farklar ortalamasının %0.05 mertebesinde olması, kullanılan bu sistem tanımlama yönteminin iyi bir şekilde uygulandığını göstermektedir. Tablo 4. Hesaplanan ve tanımlanmış rijitlik matrisleri arasındaki rölatif hata yüzdesi (Birinci eğilme moda) Benzer işlemler birinci burulma modu için de uygulanmıştır. Bu mod için yürütülen sistem tanımlaması sonucunda elde edilen rijitlik değerleri ile bu rijitlik değerlerinin temel rijitlik değerleri arasındaki rölatif fark yüzdesi Tablo 5 ve 6' da verilmektedir. Tablo S.Birinci burulma moduna göre tanımlanmış rijitlik matrisi. XI Tablo 6. Hesaplanan ve tanımlanmış rijitlik matrisleri arasındaki rölatif hata yüzdesi (Birinci burulma modu) 4 -56 -101-2196-9213 -4 -1428 992 -643 -56 -5 -2 -101 -2 -2 -2196 -46 -2 -9213 692 -102 -40 1822-1177 1481 -689 4 808 -56-1198 -808 -789 -35 -1428 1137 -73-1020 -360 -97 -46 692 1822 -56-1137 -793-731 -2 -102-1177-1193 -73-1050-355 -4 -25 1481 -808-1020 -59-425 -25 4 -689 -789 -360 -450 -72 -35 -97-1883 - -4 -2 992-793-1050 -59 -450-1883 -47 -643-731 -355 -425 -72 - 786 -2 -47 786 -2 -2 -99 -2 -4 -20 -99 -20 4 Birinci eğilme ve burulma moduna dayanılarak gerçekleştirilen sistem tanımlanmasından da anlaşılacağı gibi, sadece düşey serbestlik derecelerinin gözönüne alınarak gerçekleştirilen sistem tanımlanmasında, eğilme modunun her zaman gerekmediği açıkça görülmektedir. Bu çalışmada, yürütülen sistem tanımlanması yönteminin güvenilir olduğu çeşitli örnekler yardımıyla gösterilmekte ve yerel ve global sistem tanımlanmasının da yapılabileceği sonucuna varılmaktadır. Öte yandan, uygulanan bu yöntemin yine de bazı sınırlarının olduğunu gözardı etmemek gerekmektedir. Gerek gerçek yapının nonlineer davranışının sistem tanımlanmasına etkisini, gerekse de kritik bölgelerin rijitliğine etkisini tanımlayabilmek için, daha geniş incelemelere gerek duyulmaktadır. Bu nedenle yukarda bahsedilen sınırlamaların yalandan araştırılması sürmektedir. Yürütülen bu çalışmada kullanılan sistem tanımlanması metodunun şimdiki haliyle, sayısal hesap ve proje resimleri elde bulunmayan köprülerin yapı parametrelerinin tanımlanması açısından oldukça kullanışlı ve uygun bir yöntem olduğu gösterilmektedir.

This study describes the used instrumentation, the digital data acquisition system, the test vehicle, the test procedure employed and procedures for processing data captured in the dynamic test which is carried out for Muratli railway bridge. Structural stiffness and frequencies of this steelriveted through trass railway bridge were identified by using the acceleration measurements captured during the dynamic test under the locomotive induce excitation. Identification method that is presented in this study allows users to choose structural parameters to be identified. One aim in dynamic tests is to determine natural frequency and structural parameters toward evaluating the reliability of analytical models and to develop more efficient and simple models. In this study the proposedidentifkationmethod is applied to frequency and stiffness parameters to investigate the validity of analytical method depending on the various vibration modes. The final part of this study illustrates that how the measured verticalbending modes frequency and stiffness parameters exactly match with those the others obtained by the analytical method.