Bina tipi taşıyıcı sistemlerde bir yapı sağlığı izleme yöntemi önerisi: Basitleştirilmiş sayısal model ve hasar tespit algoritması

Abstract

Bu tez çalışmasında, çok katlı yapıların deprem sonrası yapısal davranışlarının değerlendirilmesi ve olası hasar bölgelerinin belirlenmesi ve derecelendirilmesi amacıyla titreşim tabanlı bir Yapı Sağlığı İzleme yöntemi geliştirilmiştir. Türkiye gibi deprem riski yüksek bölgelerde, yapı güvenliğinin hızlı ve güvenilir biçimde değerlendirilebilmesi büyük önem taşımaktadır. Bu kapsamda çalışma, sayısal modeller kullanılarak olası tüm hasar durumlarına ait senaryoların oluşturulması ve deprem sonrasında ölçülen dinamik tepkilerle bu senaryolardan hangisinin gerçekleştiğinin belirlenmesi esasına dayanmaktadır. Yöntem, geliştirilen Basitleştirilmiş Sonlu Elemanlar Modeli (BSEM) ve Hasar Duyarlılık Matrisi (HDM) yaklaşımlarını bir araya getirerek süreci önemli ölçüde hızlandıran bir akış şeması önermektedir. Tezin ilk bölümünde, literatürde yer alan klasik YSİ teknikleri değerlendirilmiş; zaman, frekans ve mod tabanlı sistem tanımlama yaklaşımları incelenmiş ve özellikle geleneksel ve yenilikçi yöntemlerin avantajları ve kısıtları değerlendirilmiştir. Bu kapsamda, İstanbul'da yer alan 53 katlı bir yüksek yapı örnek olarak ele alınmış ve geleneksel YSİ yaklaşımları bu yapı üzerinde uygulanarak sistem tanımlama ve model kalibrasyonu gerçekleştirilmiştir. Böylece yüksek binalarda modal tanımlama ve model kalibrasyonu süreci gerçek bir yapı üzerinde detaylıca ortaya konmuştur. Çalışmanın ikinci kısmında, klasik FEM modellerinin karmaşıklığı ve yüksek hesaplama maliyetleri dikkate alınarak Basitleştirilmiş Sonlu Elemanlar Modeli (BSEM) olarak adlandırılan yeni bir modelleme yaklaşımı geliştirilmiştir. Bu model, yapının genel dinamik davranışını koruyarak eleman sayısını azaltmakta ve analiz süresini önemli ölçüde düşürmektedir. BSEM kapsamında iki farklı kalibrasyon tekniği önerilmiştir: bunlardan ilki yalnızca birinci moda dayalı tek modlu kalibrasyon, diğeri ise birden fazla moda ait verilerin eşzamanlı olarak kullanıldığı çok modlu kalibrasyon yöntemidir. Bu iki yaklaşım 7 katlı gerçek bir bina üzerinde sayısal olarak test edilmiştir. Analizler sonucunda, basitleştirilmiş modelin karmaşık sonlu eleman modellerine yakın doğrulukta sonuçlar verdiği, bununla birliktr işlem süresini önemli ölçüde kısalttığı belirlenmiştir. Tezin üçüncü kısmında, yapısal hasarın yerini ve büyüklüğünü belirlemek amacıyla geliştirilen Hasar Duyarlılık Matrisi (HDM) kavramı ayrıntılı olarak ele alınmıştır. HDM, Bina tipi sistemlerde kat bazında rijitlik kaybı konumunun modal periyotlar üzerindeki etkisini ifade eden bir duyarlılık göstergesidir. Yöntemin oluşturulmasında öncelikle yapının hasarsız durumu için kalibre edilmiş sayısal bir model hazırlanır, ardından her bir kat için ayrı ayrı olacak şekilde farklı hasar seviyelerinde rijitlik kayıpları tanımlanarak olası tek kattaki tüm hasar durumları modellenir. Her hasar seviyesi için yapılan modal analizler sonucunda, modal periyotlarda meydana gelen değişimler belirlenir ve bu değişim oranları matris biçiminde düzenlenerek HDM oluşturulur. Böylece her hücre, belirli bir kattaki belirli bir hasar düzeyinin modal parametreler üzerindeki etkisini temsil etmektedir. Deprem sonrası yapıya ait ölçülen titreşim verileri kullanılarak elde edilen yeni modal periyotlar, HDM'den üretilen sayısal senaryolar ile karşılaştırılır ve en uygun eşleşme üzerinden hasarın yeri ile büyüklüğü belirlenir. Bu yöntem karmaşık optimizasyon süreçlerine veya yüksek hesaplama maliyetine sahip doğrusal olmayan analizlere gerek kalmadan, kısa sürede güvenilir hasar tespiti yapılmasına olanak sağlar. Nümerik, deneysel ve gerçek yapı üzerinde yapılan çalışmalar, önerilen yöntemin hem doğruluk hem de hız bakımından etkili performans gösterdiğini ortaya koymuştur. Ayrıca mod şekillerinin normalize edilmiş halleri kullanırlarak HDM'lerin analitik olarak tahmin edilmesine olanak tanıyan ilişkinin ilk adımları paylaşılmıştır. Sonuç olarak, bu tezde geliştirilen yöntem bina tipi yapılarda deprem sonrası yapısal hasarların belirlenmesi için yenilikçi bir yaklaşım sunmaktadır. Basitleştirilmiş Sonlu Elemanlar Modeli (BSEM), Hasar Duyarlılık Matrisi (HDM) ve senaryo tabanlı analiz yapısı sayesinde süreç hem hızlandırılmış hem de güvenilir hale getirilmiştir. Önerilen yöntem, gerçek binalara uygulanabilir, ölçeklenebilir ve sensör tabanlı izleme sistemleriyle entegre niteliktedir.