Köprü hasarlarının dinamik test verileri ile saptanması

Abstract

Dinamik data kullanılarak yapılarda hasar tespiti ve hasar tespit yöntemleri konusundaki araştırmaların artışının birden çok nedeni bulunmaktadır. Bu nedenler, büyük ölümlere yol açabilecek yapı göçmeleri, ekonomik bakış, ve yakın zamanda teknolojik açıdan görülen hızlı gelişmeler şeklinde sınıflandırılabilir. Medya ve ilgili meslek kuruluşlar, halkın ilgisini yapı testlerine, yapıların uzun süreli izlenmesine ve bu yapıların güvenirliliğinin belirlenmesine çekmektedir. Sonuç olarak halkın ilgisi, politikacıların bu konular üzerinde yoğunlaşmalarına, dolayısıyla sanayi ve ilgili kuruluşların bu konular üzerinde çalışmalarına ve gerekli kaynakları yaratmalarına zorlamaktadır. Diğer taraftan, yapıların yaşlanması, yaşlanan yapıların yıkılıp yenilerinin yapılması yerine sadece yapı üzerinde gereken bölgelerin onarılması ve güçlendirilmesi yoluna gidilmesi, ekonomik açıdan zorlayıcı bir faktör olup bu araştırmaların gelişmesinde ve derinleşmesinde uyarıcı bir etkidir. Öte yandan teknolojik gelişme, ölçüm ve data toplama sistemlerinin ucuzlamasına, daha detaylı ve hassas ölçümlere olanak sağlamasına, test maiyetlerinin belirgin şekilde düşmesine neden olmuş ve bilgisayar ortamında çok büyük verilerle dahi hafıza sorunu olmaksızın işlem yapılmasına olanak sağlamıştır. Bu gelişmeler yeni ölçüm tekniklerinin ve hesap yöntemlerinin gelişmesine yardımcı olmuş ve olmaya devam etmektedir. Hasar tespit yöntemlerine değinilmeden önce hasar' ın mühendislik dilinde ne anlama geldiğine bir bakmak gerekir. Hasar, yapının şu anki ve/veya gelecekteki davranış performansım etkileyecek yapı üzerinde oluşmuş değişikliklerdir. Hasar, insan ve yapı güvenliği için, göçme oluşturmadan tespit edilmelidir. Hasarlar yapıda istemli veya istem dışı oluşmuş olabilir. İstemli hasarlara örnek vermek gerekirse; savaş sırasında, uçakların uçuş karakteristiklerini değiştirerek düşürmek için uçaksavarlar ile uçaklar üzerinde hasarlar oluşturulur. İstem dışı hasarlara betonarme yapılarda, rutubet nedeniyle beton içerisindeki donatıların korozyona uğrayıp enkesit kaybetmesi dolayısıyla taşıma gücünde azalmaya neden olması örnek olarak verilebilir. Hasarın anlam kazanabilmesi için sistemin ilk ve son durumlarının birbirleri ile kıyaslanması gerekir ki, bu durumda ilk durum olarak tanımlanan hal, genellikle hasarsız durumdur. Yapı üzerindeki hasarın tespit edilebilmesi için birçok test ve hasar belirleme yöntemleri geliştirilmiştir. Bu testlere örnek vermek gerekirse; Yapı davranışı testi. Güvenirlik testi. Maksimum yük taşıma kapasitesini belirleme testi. Gerilme dağılımı testi. Diagnostik testler Hasar belirleme yöntemlerine aşağıdaki örnekler verilebilir :. Frekans değişimi İleri-tersinir değişim. Mod şekli yöntemi. Rij itlik hata matrisi yöntemi. Rij itlik matrisi. Matris güncelleme metodları. Lineer olmayan metotlar. Sinir ağları yöntemi. Bulanık mantık Yukarıda bahsedilen test ve hasar tespit yöntemleri günümüzde yapılarda uygulanmaktadır. Ancak her birinin bir diğerine göre üstün ve/veya üstün olmayan yönleri, uygulama kolaylıkları ya da zorlukları vardır. Bazılarının maliyeti diğerlerine göre yüksek, ya da bazılarının sonuç vermesi için oldukça yoğun işlem hacmi gerektiğinden problemin çözümü uzun zaman dilimine bağlı olabilir.. Bazıları ise oldukça karmaşıktır ve uzman olmayan biri tarafından uygulanamıyabilinir ve hatta çözülemiyebilinir. Yöntemin data toplama süresi uzun, işlem süresi ise kısa olabilir. Bazı yöntemlerde ise tam tersine data toplama süresi kısa, datayı işleme ve sonuç elde etme süresi uzun olabilir. Bu çalışmada verilen algoritma malzeme açısından lineer davranış gösteren yapılar için geliştirilmiştir. Yöntem, sonlu elemanlar yöntemiyle modellenmiş sistem ile, dinamik test datası kullanılarak model ve ölçülen sistem arasında yapısal farkların var olup olmadığının araştırılmasına dayanır. Böylece bu farkların değerlendirilmesiyle yapıda hasarın oluşup oluşmadığı, eğer oluşmuşsa yeri kolaylıkla belirlenebilir. En genel halde hareket denklemi; [M] {«(/)} + [C] {«(/)} + [K] {ii(0} = {/(O} ( 1 ) şeklinde yazılmaktadır. Dış kuvvetin olmaması halinde (serbest titreşim) denklem (1) aşağıdaki şeklini almaktadır. [Af] {«(/)}+ [C]{ıl(0} + M{«(0} = {0} (2) X111 Bu denklemlerde; [M] = kütle matrisi ; [C] = sönüm matrisi; [K] = rijiüik matrisi; f = dış kuvvet vektörü, ü(t),û(t),u(t) sırasıyla ivme, hız ve yerdeğiştirme vektörleridir. Sönüm matrisinin elemanlarının değerlerinde oluşabilen değişimin, sistem elemanlarında sözkonusu olabilecek hasar nedeniyle rij itlik matrisi elemanlarında oluşabilene göre oldukça az olacağı düşünülerek, denklem (2) denklem (3) şeklini almaktadır: [M]{ü(t)}+[K]{u(t)}={0} (3) Sistemi bir bütün olarak almak ve dolayısıyla büyük matrislerle uğraşmak yerine, sadece ivme ölçümü yapılan ilgili serbestlik derecelerine karşı gelecek indirgenmiş bir sistem üzerinde hesap yapmak hem kolaylık hem de işlemlere hız kazandıracaktır.İndirgenmiş kütle ve rij itlik matrisleri denklemde yerlerine konulursa: K]R(t)}+fc]{t/,(t)}={0} (4) elde edilir.

The increase in research activity regarding vibration based damage detection is the result of coupling between many factors. These factors can be generally categorized as spectacular failures in loss of life, economic concerns, and recent technical advancements. Also media and engineering related associations coverage focus the public's attention on the need for testing, monitoring and evaluation of structures to ensure the safety of these structures and mechanical systems used by the public. The public's concerns, as a result, focus the attention of politicians on this issue, and hence industry and regulattory agencies are influenced to provide the funding resources necessary for the development and advancement of this technology. The current state of aging infrastructure and the economics associated with its repair have also been motivating factors for the development of methods that can be used to detect the onset of damage or deterioration at the earliest possible state. Finally, technological advancements increase in cost-effective computing memory and speed, advances in sensors, and adaptation and advancements of the finite element method represent technical developments that have contributed to recent improvements in vibration based damage detection. Also adaptation and advancements in experimental techniques such as modal testing and development of linear and non-linear system identification methods are both reason and results of the above mentioned improvements. Before beginning to examine the vibration based damage identification methods, it is better to discuss what damage is from engineering point of view. Damage is defined as changes introduced into system, either intentional or unintentional, that adversely affect the current or future performance of the system. These systems can be either natural or man-made. As examples, an anti-aircraft missile is typically fired to intentionally introduce damage that will immediately alter the flight characteristics of the target aircraft. Moister, corrosion and deterioration can be given as an example of an unintentional damage that causes loss of the load carrying capacity of a structure. However, depending on the levels of exposure these systems may not show the adverse effect of this damaging event many years. Implicit in this definition of damage is that the concept of damage is not meaningful without a comparison between two different states of the system, on of which is assumed to represent the initial, and often undamaged state. There are lots of testing and damage identification methods: For structural tests;. Behavior tests. Proof tests. Ultimate load tests. Stress history tests. Diagnostic tests For damage detection methods;. Frequency Changes ¦ The forward problem ¦ The inverse problem. Mode shape changes. Mod shape and frequency changes. Stiffness error matrix method. Changes in measured stiffness matrix. Matrix update methods. Non-linear methods. Neural network based methods. Fuzzy logic can be given as examples. Above mentioned testing and vibration based damage identification methods that are applied to structures have some advantages and disadvantages against each other. While some of them are very easy to apply to structure, some are not. Some of them are very expensive, some are not. Some of them are very complicated while some are not. Some of them need intensive and extra knowledge of testing and identification. The algorithm, developed in this study, relies on linear-elastic materials. The method bases on the change of characteristic structural parameters between the models one of which is calculated by using computer model (FEM) and the other is obtained by using dynamic test data. By examining these changes, damage and its location can be inspected. The basic matrix notation of equation of motion is given as; [M]{ü(t)}+ [C]{«(0}+ [K]{u(t)}= {f(t)} (1) If the external force is zero Eq. 2 is obtained; [M]{ü(t)}+ [C]{û(t)}+ [K]{u(t)}= {0} (2) In this equation; [M] = mass matrix ; [C] = damping matrix; [K] = stiffness matrix; {f} = external force vector, {«(0}> {û(t)}, {u(t)} are acceleration, velocity and displacement vektors respectively as a function of time. In most structural application it is assumed that the damping and its change due to damage are small enough that its effect is negligible: [M]{u(t)}+[K]{u(t)}={0} (3) Rather than taking the whole system into account, it is apparent that taking the system which is condensed on to the joints where from the accelerarion data recorded, simplifies the solution; [^]&(t)}+[*J{tf,(t)}={0} (4) {üx} is the recorded acceleration vector,^} is the displacement vector that is calculated by integrating the acceleration data twice, [M^] is the condensed mass matrix and [Kin] is the condensed stiffness matrix. Except corrosion, damage causes no change on structural members' mass values. In most cases, if the corrosion is not so heavy, the change of mass values owing to corrosion, is negligible. If the equation 4 is examined in this point of view, the parameters except mass and acceleration are unknown or vary due to damage and its location. But as displacement is the function of acceleration, it is clear that condensed stiffness matrix [Kin] should be calculated by using dynamic data then it is possible to find out damage and its location by comparing it to the condensed stiffness matrix calculated by using computer model (FEM). kfc(t))+fc|f/J=(0) (5) The superscript and subscripts in the equation (5) means that; m : measured in : condensed h : calculated by integration of acceleration c : will be calculated by minimizing the error ruction.