Mühendislik yapılarının farklı sensörler ile izlenmesi
Monitoring the engineering structures with different sensors
Yazar: GÜLDANE OKU TOPAL
Danışman: PROF. DR. BURAK AKPINAR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Harita Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geomatik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry

Özet:
Yapısal izleme çalışmaları, mühendislik yapılarının doğal davranışlarının tespiti ve bundan sapmalarda meydana gelebilecek olası kazaların önlenmesinde hayati önem taşımaktadır. Küresel Konumlandırma Sistemlerinin (GNSS) deplasmanları yüksek doğrulukla belirleyebilmesi, yapısal gözlemlerde GNSS'in ivmeölçer gibi sensörlerle birlikte kullanılmasına imkân tanımıştır. Ancak izleme çalışmalarında, yüksek maliyetli jeodezik alıcıların ve Force-Balance (FBA) ivmeölçerlerin tercih edilmesi çok az sayıda mühendislik yapısının izlenebilmesine olanak sağlamaktadır.  Bu tez kapsamında, düşük maliyetli GNSS sistemlerinin ve MEMS ivmeölçerlerin yapısal dinamikleri belirleyebilmekteki performansı test edilerek yapısal gözlemlerde maliyetlerin düşürülmesi amaçlanmaktadır. Bu amaçla düşük maliyetli GNSS ölçme sistemleri ile MEMS ivmeölçer sensörler, farklı dinamik davranışlara sahip bir yaya köprüsünün ve yüksek bir yapının izlenmesinde yüksek hassasiyetli donanımlarla eş zamanlı olarak kullanılmıştır. Davutpaşa yaya köprüsünün 3B sonlu elemanlar modeli oluşturulmuş ve köprüye ait ilk 5 modun doğal frekansları belirlenmiştir.  GNSS ve ivme sensörlerinden elde edilen ölçülerin zaman ve frekans alanındaki analiziyle de köprünün doğal frekansları ortaya çıkarılmıştır. MEMS ivmeölçer köprünün doğal frekanslarını FBA ivmeölçerle %100 uyumlu olarak tespit edebilmiştir. Ancak tüm jeodezik donanımlarda doğal frekanslar gürültüyle örtülü kaldığından birkaç aşamalı Yule-Walk filtre tasarımı uygulanmıştır. Bunun sonucunda FBA ivmeölçerden elde edilen yedi baskın frekans jeodezik GNSS alıcısı ile maksimum %3, A10 için %2 ve UBX için maksimum %4'lük bir farkla elde edilmiştir. 30katlı bir yüksek binada gerçekleştirilen ölçüm çalışmalarında, MEMS ivmeölçerin FBA ivmeölçerle tüm modlarda %100 uyumlu olduğu gözlemlenmiştir. Filtreleme sonrasında Jeodezik GNSS'in ve A10 anteninin maksimum %8'lik bir farkla, UBX anteninin ise maksimum %13'lük bir farkla FBA ile uyumlu olduğu belirlenmiştir. Tüm sensörler 15 farklı harmonik hareket ve 5 farklı deprem hareketinin simüle edildiği sarsma tablası testleriyle de analiz edilmiştir. Sonuç olarak anten seçimi, değerlendirme yöntemi ve ölçüm süresi dikkate alınarak düşük maliyetli donanımların yüksek maliyetli alternatiflerinin sağladığı doğruluğa ulaşabileceği ve yapısal gözlemlerde tercih edilmesinin daha ekonomik olacağı belirlenmiştir.

Abstract:
Structural monitoring studies are vital in detecting the natural behavior of engineering structures and preventing possible accidents that may occur in deviations from these. The ability of GNSS hardware to determine displacements with high accuracy has enabled GNSS to be used together with popular sensors such as accelerometers in structural observations. However, in monitoring studies, the preference for high-cost geodetic receivers and Force-Balance (FBA) accelerometers causes only some priority engineering structures to be monitored. This thesis aims to make structural observations low-budget by testing the performance of low-cost GNSS systems and MEMS accelerometers in capturing structural dynamics. For this purpose, low-cost GNSS and accelerometer sensors were tested simultaneously with high-precision equipment to monitor structures with different dynamic behaviors (pedestrian bridges and high-rise buildings). A 3D finite element model of the Davutpaşa Pedestrian Bridge was created, and the natural frequencies of the first five modes of the bridge were determined. The natural frequencies of the bridge were revealed by analyzing the measurements obtained from GNSS and acceleration sensors in the time and frequency domain. Mems accelerometer detected the structural dynamics of the bridge in 100% agreement with the FBA accelerometer. However, since natural frequencies remain obscured by noise in all geodetic equipment, a several-stage Yule-Walk filter design has been applied. As a result, the seven dominant frequencies obtained from the FBA accelerometer were obtained with a maximum of 3% difference with the geodetic GNSS receiver, 2% for A10, and 4% for UBX. In measurement studies carried out in a high-rise building, it was observed that the MEMS accelerometer was 100% compatible with the FBA accelerometer in all modes. After filtering, it was determined that the Geodetic GNSS and the A10 antenna were compatible with FBA with a maximum difference of 8%, and the UBX antenna was compatible with FBA with a maximum difference of 13%. All sensors were also analyzed with shake table tests in which 15 different harmonic motions and five different earthquake motions were simulated. As a result, considering the antenna selection, evaluation method, and measurement time, it has been determined that low-cost equipment can achieve the accuracy provided by high-cost alternatives and that it will be more economical to prefer it in structural observations.