Haliç metro köprüsü sağlık izleme sistemi ve üç boyutlu doğrusal sonlu eleman modeli geliştirilmesi
Health monitoring system of golden horn metro bridge and development of three dimensional linear finite element model
Yazar: ÖMER GALİP PINAR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BARIŞ ERKUŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Nesne modelleme = Object modelling ; Performans modelleme = Performance modelling ; Veri modelleme = Data modelling ; Üç boyutlu modelleme = Three dimensional modelling

Özet:
Günümüz inşaat mühendisliğinde tasarım olarak öngörülen metodlardan biride performansa bağlı olarak yapılan yaklaşımdır. Performansa bağlı olarak yapılan yaklaşım tarzı sadece yapı ortaya çıktıktan sonra değil bu yapının bütününü kapsayan bir hizmet süresi içinde göstermiş olduğu ya da göstereceği performansında tahmin edilebilmesi gerekmektedir. Zira günümüzde bu konuyla ilgili olarak yaşanan gelişmelerden ötürü yapısal sağlık takibi dinamik yapı davranışını araştırabilmek için en gerçekçi yöntemlerden biri olarak karşımıza çıkar. Bu sistemin kullanılması, yüksek derecede önemli olan yapılarda yeni bakış açılarına sebep olur. Özellikle şiddetli depremler yaşanmasının ardından, yaşanabilecek ağır yıkımlara karşı, bir dizi önlem almada ve bu depremlerden sonra meydana gelen hasarların analiz çalışmalarında büyük bir ışık tutar. Yapılarda değişen dış koşullar ve ani oluşabilecek yüklemeler gibi hareketlerin kaynağının bulanabilmesi ile beraber, sağlık izleme sistemi beraberce uygulanabildiği zaman elde edilen sonuçlarında daha gerçekçi olduğu görülmektedir.

Yapısal sağlık izleme de nelerden yararlanılır?  Bu sorunun cevabı olarak da aslında yapılmış olan yapısal sağlık izleme çalışmalarının genel olarak nasıl işlediğine dair bir fikir elde edilebilir. Bu sürecin ilk aşaması olarak yapının davranış tahminini için ivme ve yerdeğiştirme ölçümlerinden faydalanılmaktadır. Bu ölçümlerin yapılmasını sağlayan cihazlarla, mevcut yapının modal özellikleri elde edilebilmektedir.Yapının modal özellikleri elde edilditen sonra ise elde bulunan yapının teorik modeli ile gerçek fiziksel model arasında karşılaştırabilmek adına temel bir referans noktası sunar. Bu temel referans noktası sayesinde teorik model ile fiziksel model birbirlerine belli bir yaklaşım olarak karşılaştırılabilir. Yapısal sağlık izlemenin temelinde olan, incelenen yapının bir hasara sahip olup olmadığının anlaşılmasından sonra, bu hasarın lokasyonu üzerine yoğunlaşılabilir. Eğer bu hasarın lokasyonu bulunabilirse herhangi bir kayba mahal vermeden bu hasar onarılabilir ve bir sonraki aşama olan hasar var ise bu hasarın seviyesi belirlenebilir. İnşaat mühendisliğinin temelini oluşturan, ana temalardan biri olan 'uzun ömürlü ve güvenilir yapılar oluşturmak' için bu çalışma bizleri nihai amacımıza götürür ki o da; mevcut yapının kalan ömrünün tespit edilmesi ve bu ömrü boyunca daha güvenilir bir kullanım sağlayabilir.

Yapılan bu çalışmada ise Haliç Metro Köprüsünün (HMK) sistem tanılaması ve performans seviyesinin belirlenme çalışmaları yapılmıştır. Çalışma yapılan bu köprü inşaatı 2009 yılında başlamış olup 2014 yılında hizmete açılmıştır. Eğik askılı çelik bir köprü olarak imal edilmiş olan bu köprü; eğik askılı çelik köprü, Beyoğlu ve Unkapanı yaklaşım köprüsü, açılır/kapanır köprü ve tek açıklıklı köprü olmak üzere 5 ayrı bölümden teşekküldür. Bu bölümlerden sadece Beyoğlu ve Unkapanı yaklaşım köprüleri betonarme olarak diğer bölümler ise çelik olarak inşa edilmiştir. Ayrıca bu köprü Hacıosman-Yenikapı metro hattı içinde kullanılmaktadır. Tasarımı Wiecon firması tarafından yapılan bu köprünün üzerindeki kalıcı sağlık izleme sistemi Vienna Consulting Engineers firması tarafından kurulmuştur. HMK sağlık izleme sisteminde 61 adet sıcaklık, rüzgar, yerdeğiştirme, eğim, ivme ölçümü için kullanılan sensörler ve GPS'ler bulunmakta, veriler ise sürekli olarak kaydedilmektedir. Kaydedilen bu veriler köprü sorumlu kuruluşu olan Metro İstanbul A.Ş. işletim merkezinde toplanmaktadır. Köprü üzerinde sağlık izleme sistemini kuran VCE firması tarafından harici olarak, köprünün ilk yapım aşamasında ilk ölçümler geçici sensörlerle gerçekleştirilmiştir. Yapılan bu ölçümler ile ilk sistem tanılama çalışmlarında yapı ve kablo salınım ölçümleri yapılmış, mod şekilleri, içsel sönümleme gibi temel mekanik özellikler elde edilmiştir. Elde edilen bu özelliklerin köprü tasarımı yapılırken kullanılan değerlere yakın olduğu saptanmıştır. Lakin güncel halde sistem tanılama sisteminin yapılması için geliştirilmiş olan bir yazılım köprü işletmesi olan Metro İstanbul A.Ş. elinde bulunmamaktadır.Tam olarak da bu noktada,yapılan bu çalışmanın amacı HMK özelinde geliştirilecek olan bir yazılım ile köprünün mevcut sistemini değerlendirmek ve yapının kullanımı boyunca karşılaştığı yüklemeler neticesinde yapı sağlığını değerlendirebilecek olan bir çalışmaya çatı oluşturmakdır.

Yapılan bu çalışmada ise yapı üzerinde bulunan ivme ölçerler vasıtası ile yapılarda kullanılan sistem tanılama çalışmalarının deneysel ve nümerik olarak karşılaştırılması, saha çalışmları ile eş zamanlı olarak ölçülen yapısal ivmelerin yapıda bulunan sensör ölçümleri ile karşılaştırılması, sistem tanılama çalışmalarının HMK üzerinde uygulanarak karşılaştırılması ve son olarak da iki farklı paket program vasıtası ile (MATLAB, SAP2000) modelleme çalışmasıyla HMK performans seviyesinin, mod şekillerinin ve frekanslarının belirlenmesi amaçlanmıştır.

Yapılan çalışmalar sistem tanılama algoritmaları eşliğinde başlatılmış olup, bu algoritmalar MATLAB yazılımı kullanılarak programlanmıştır. Bu çalışmada frekans alanında çizilmiş güç spektrumundan pik seçimi metodu kullanılmıştır. Bu yöntemin seçilme sebebi ise uygulama kolaylığı ve seçilecek mod frekanslarının bulunmasında yeterli olmasıdır. Bu işlemler sırasında, sonlu eleman programı yazılarak bu köprüye özel olan doğrusal analiz programı kullanılarak sistem tanılama yöntemlerine bir katkı sağlaması amaçlanmıştır. Ayrıca yine MATLAB programı kullanılarak 3 boyutlu yapısal analiz programı geliştirilmiş, doğruluğuda yine SAP2000 programında geliştirilen 3 boyutlu modelle karşılaştırılmalı olarak yapılmıştır. Buna ek olarak da ITU Çelik Laboratuvarında hazırlanmış olan deney düzeneğinde farklı sensör sayılarının sistem tanılamaya etkisi karşılaştırılmıştır. Bu kurulan deney düzeneğinde iki farklı ivme ölçerden alınan titreşim verileri karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada ise ivme ölçümlerinden deplasman sinyaline geçişte filtreleme ve referans doğrulama etkisi araştırılmıştır. Bütün bunlara ek olarak yapılan sonlu elemanlar modeli mevcut inceleme raporları, proje çizimleri, köprü tasarım firmasından elde edilen diğer raporlar ışığında kurulmuş olup bu aşamada bütün raporlardan yararlanılmıştır. Yapısal analizler ise SAP2000 programı kullanılarak gerçekleştirilmişitir. Yapıya uygulanan deprem etkileri altında doğrusal davranışa geçmesi öngörülen bölgeler tasarım raporlarına istinaden sünek davranış kabulu yapılan yapı bölgeleri olarak seçilmiş, doğrusal olmayan davranış ise SAP2000 programı kullanılarak rijit-plastik olarak modellenmiştir. Yine SAP2000 modelinde ayakların deniz tabanı ile temas ettiği bölgeler lineer olmayan yaylar ile modellenmiş ve bu bağlamda yapısal modelin modal analizleri sonucunda tasarım raporlarında da belirtildiği üzere modal analiz yapıldığı zaman var olan modelin güncellenmesi süreci takip edilmiştir.

Sonuç olarak, yapılan bu çalışmada MATLAB ve SAP2000 programları yardımları ile köprüden elde edilen sensör verileri üzerinden modellenen yapının, modal analizlerinin örtüştüğü saptanmış ve mevcut yapının, deprem sonrası oluşabilecek hasarlar için, karar ve aksiyon alma süreçlerine dahil edilmesi, ancak bu çalışmanın geliştirilmesi ile oluşabileceği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
One of the methods envisaged as a design in today's civil engineering is the approach made based on performance. The approach style based on performance  must be predicted not only after the building has emerged, but also in the performance it has or will show within a period of service that covers the entire structure. Due to the developments about this subject on this day, structural health monitoring is one of the most realistic methods to investigate the dynamic structure behavior. The use of this system causes new perspectives in higly important structures. Especially after severe earthquakes, it sheds a great light against the severe destructions that may occur, in taking a series of measures and analyzing the damages that occur after these aerthquakes. It can be seen that the source of the movements such as changing external conditions and sudden loading in the buildings can be found, the results ore more realistic when the health monitoring system can be applied together.

What are the benfits of the structural health monitoring? As an answer to this question, with this idea can be obtained about how the structural health monitoring studies that have been done generally. As the first stage of this process, acceleration and displacement measurements are used for the behavior estimation of the building. Modal features of the structres can be obtained with devices that enable these measurements. After the modal properties of the building are obtained, it provides a basic reference point in order to compare the theoretical model of the building with the actual physical model. After understanding whether the structure under investigation has any damage, which is the basis of structural health monitoring, we can focus on the location of this damage. If the location of this damage can be found, it can not be any causing and loss and if the next step is damage, the level of this damage can be determined. One of the main themes that form the basis of civil engineering, building long-lasting and reliable structures, leads us to our ultimate goal, which is to determine the remaining life of the existing structure and provide a more reliable use throughout its lifetime.

In this study,system identification and determination of the level of performance of the Golden Horn Bridge(GHB) are performed. The construction of this bridge tarted in 2009 and was put into service in 2014. This bridge, which is manufactured as a bent hanging steel bridge, is composed of 5 different sections, the bent hanging steel bridge, Beyoğlu and Unkapanı approach bridge,open/ close bridge and single span bridge. Of these sections, only Beyoglu and Unkapanı approach bridges are constructed with reinforced concrete and the other sections are made with steel. Also, this bridge is used within the Hacıosman-Yenikapi metro line. The permanent health monitoring system on this bridge, designed by Wiecon, was established by Vienna Consulting Engineers. In the health monitoring system of the Golden Horn Bridge(GHB), these are 61 sensors, GPS and used for measurement of temparature ,wind,displacement,slope,acceleration,and data are recorded continuously.These recorded data,Metro Istanbul A.Ş. meets in the operating center. VCE has installed the health monitoring system on the bridge and the first measurements were made with temporary sensors during the first construction of the bridge. With these measurements, structure and cable oscillation measuremetns were made in the initial system diagnostic studies and basic mechanical properties such as mode shapes and internal damping were obtained. Howerever, Metro Istanbul A.S., a software bridge business developed to make the system diagnostic system up to date not available. Precisely at this point, the aim of this study is to evaluate the existing system of the bridge with a software to be developed for the Halic Metro Bridge and to create a framework for a study that can evaluate the building health as a result of the loads encountered during the use of the building.

In this study, experimental and numerical comparison of the system diagnostics used in the buildings by means of the accelerometers on the building, comparing the structural accelerations measured simultaneously with the field studies and sensor measurements in the building, comparing the system diagnostics by applying on the GHB and finally with two different modeling, it is aimed to determine the performance level, mode shapes and frequencies by modeling with different package program (MATLAB, SAP2000) of the GHB.
The studies have been started with the system diagnostic algorithms and then these algorithms have been programmed using MATLAB software. In this study, the method of peak selection from the power spectrum drawn in the frequency domain is used. The reason for choosing this method is that it is sufficient in terms of ease of application and finding the frequencies to be chosen. During these processes, it is aimed to contribute to the system diagnostic methods by writing a finite element program and using the linear analysis program especially to this bridge. In addition to, 3D structural analysis program was developed using the MATLAB program, and it was performed in comparison with the 3D model developed in the SAP2000 program. Moreover, the effect of differents sensor numbers on system diagnostic was compared in the experimental setup prepared at ITU Steel Laboratory.  Vibration data from two different accelerometers were compared to this experiment mechanism. During this study, the effect of filtering and reference verification on the transition from accelerometer measurements to displacement signal was investigated.  In addition to all these, the finite element model has been established in the light of existing examination report, project drawings and other reports obtained from the bridge design company and all reports have been utilized at this stage. Structural analyzes were carried out using the SAP2000 program. Under the effects of the earthquake applied to the building, the regions that are foreseen to go into linear behavior have been selected as building zones with ductile behavior acceptance based on the design report and the nonlinear behavior has been modeled as rigid-plastic using the SAP2000 program. Again with the SAP2000 model, the regions where the feet are in contact with the seabed were modeled with non-linear springs and in this context, it was observed that the structural model switched to nonlinear behavior as indicated in the design reports as a result of modal analysis. In the SAP2000 model, the regions where the feet touch the sea floor were modeled with non-linear springs and in this context, as a result of the modal analysis ofthe structural model, as mentioned in the design reports, the update of existing model was emphasized.

As a result of this study, it was determined that the structure modeled over the sensor data obtained from the bridge with the help of MATLAB and SAP2000 programs overlapped the modal analysis and included the existing structure  in the decision and action taking  processes for damages that may occur after the eartquake, but it can be formed by the development of this end of study.