Hasarsız Deneysel Yöntemlerle Borçka Çelik Kemer Köprüsünün Restorasyon Öncesi Durum Tespiti

Transkript

1 Hasarsız Deneysel Yöntemlerle Borçka Çelik Kemer Köprüsünün Restorasyon Öncesi Durum Tespiti Prof. Dr. Alemdar BAYRAKTAR Doç. Dr. Ahmet Can ALTUNIŞIK Karadeniz Teknik Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, 61080, Trabzon. Tel: E-Posta: Yrd. Doç. Dr. Temel TÜRKER Karadeniz Teknik Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, 61080, Trabzon. Tel: E-Posta: Öz Bu çalışmada, Artvin in Borçka ilçesinde Çoruh Nehri üzerinde bulunan 114m uzunluklu üstten çelik kemerli Borçka Köprüsünün restorasyon öncesi durum tespitinin hasarsız dinamik deneysel yöntemlerden olan Çevresel Titreşim Yöntemi kullanılarak yapılması amaçlanmıştır. Öncelikle köprünün taşıyıcı sistem elemanlarının mevcut durumu, nehir yatağı ve çevresi gözlemsel olarak incelenmiştir. Proje bilgileri yetersiz olduğundan köprünün rölövesi çıkartılmıştır. Daha sonra hassas ivmeölçerler ile trafik, rüzgar, insan hareketi vb çevresel etkiler altında köprünün tepkileri farklı ölçüm setupları için ölçülmüştür. Titreşim verilerin değerlendirilmesinde frekans ortamında EFDD ve zaman ortamında SSI Yöntemleri kullanılmıştır. Köprünün mevcut durumunun doğal frekansları ve mod şekilleri, gerçekleştirilen hasarsız dinamik ölçüm test verileri analiz edilerek belirlenmiş ve yorumlanmıştır. Rölöve verilerine göre oluşturulan sonlu eleman modeli modal analiz sonuçları, deneysel ölçüm sonuçlarıyla karşılaştırılmış ve sonuçlar arasındaki farklılıklar irdelenmiştir. Anahtar Sözcükler: Çevresel Titreşim Testi, Yapı Sağlığı İzleme, Dinamik Karakteristikler, Çelik Kemer Köprüler, Hasarsız Deneysel Yöntemler, Durum Tespiti Giriş Geçmişten günümüze farklı önemli ulaşım güzergahları üzerinde farklı taşıyıcı sisteme sahip birçok köprü yapılmıştır. Köprü yapımında doğal taşlardan, çelik malzemeden ve betonarme elemanlardan yararlanılmıştır. Çoğu tarihi köprü günümüzde aktif olarak kullanılmamakta ve tarihi miras olarak muhafaza edilmektedir. Özellikle de yapıldığı döneme göre oldukça ileri mühendislik hesaplarının yapıldığı bu tarihi köprülerin, gelecek nesillere güvenle aktarılabilmesi için gerekli yapısal sağlık izlemesinin ve bakım-onarımlarının yapılması önem arz etmektedir. Literatür incelendiğinde yapı sağlığı izleme sistemlerinin ilk olarak çoğunlukla yığma taş ve kısa açıklıklı tarihi köprülere uygulandığı görülmektedir. Fakat gelişen altyapı sayesinde Operasyonal Modal Analiz Yöntemi kullanılarak yığma köprüler, asma köprüler, çelik köprüler, kablolu köprüler, yaya üst geçitleri ve karayolu köprüleri gibi önemli mühendislik 81

2 yapılarının dinamik karakteristikleri olarak adlandırılan doğal frekans, mod şekli ve sönüm oranlarının belirlenmesi konusunda birçok çalışma mevcuttur (Bayraktar vd. 2010, 2011, 2015; Banerji ve Chikermane, 2012; Türker ve Bayraktar, 2014; Türker, 2014). Bu çalışma kapsamında ise, Artvin İli Borçka ilçesinde bulunan ve kemer taşıyıcı sisteme sahip olan tarihi Borçka Çelik Kemer Köprüsü incelenmiştir. Bu köprünün dinamik davranışı Operasyonal Modal Analiz Yöntemiyle incelenmiş ve köprünü ilk beş doğal frekansı ve mod şekli belirlenmiştir. Deneysel dinamik karekteristikler, sonlu eleman çözümleri ile karşılaştırılmıştır. Çevresel Titreşim Testi Yöntemi Çevresel Titreşim Testi Yöntemi, Operasyonel Modal Analiz Yöntemi olarak ta adlandırılabilmektedir. Operasyonal Modal Analiz Yönteminde yapının çevresel bir etki ile titreştirildiği kabul edilmekte ve yapının bu titreşime göstermiş olduğu tepki ölçülmektedir. Tepkilerin ölçülüp değerlendirilmesinde yaygın olarak başlıca iki yöntem kullanılmaktadır. Bu yöntemler frekans ortamında Geliştirilmiş Frekans Tanım Alanında Ayrıştırma (EFDD) ve zaman ortamında Stokastik Altalan Belirleme (SSI) yöntemleridir. EFDD ve SSI Yöntemlerinde dikkate alınan bağıntı ve formülasyonlar literatürde (Brincker vd. 2000, Ren vd., 2004) detaylı olarak yer almaktadır. Borçka Çelik Kemer Köprüsü Bu çalışmaya konu olan köprü, Artvin İli Borçka ilçesinde bulunan ve kemer taşıyıcı sisteme sahip olan Borçka Çelik Kemer Köprüsü dür. Köprü, Borçka ilçe merkezinde olup, Çoruh Nehri üzerinde bulunmaktadır yılında temeli atılan ve 1936 yılında inşa edilen çelik kemer köprünün, özellikleri itibariyle, ülkemizde benzer bir örneği bulunmamaktadır. Köprü, Alman mühendislerce projelendirilerek uygulanmıştır. Birleşim noktalarında kaynak kullanılmadan perçinle tasarlanan köprü dünya kültür miras adayları arasında yer almaktadır. Borçka Çelik Kemer Köprüsü nün toplam uzunluğu ve genişliği yaklaşık olarak sırasıyla 114m ve 5.30m dir. Köprünün ana taşıyıcı sistemi kemer olup, kemer tepe noktasının tabliyeden yüksekliği 16.30m dir. Köprü tabiyesi kenarlarda iki ana kiriş olmak üzere, orta bölgelerde enine ve boyuna doğrultuda uzanan beş ayrı kiriş kademesinden oluşmaktadır. Taşıyıcı kemer ve tabliye, kenar kısımlarda rijit ayaklara oturmakta olup, ayaklar üzerinde farklı mesnetlenme şekilleri tasarlanmıştır. Köprünün kenar ayakları taş yığma duvar, taşıyıcı sistem elemanları çelik malzeme özelliğine sahip olup, bağlantı noktaları perçinli birleşimlerden oluşmaktadır. Borçka Çelik Kemer Köprüsü nün genel görünüş, tabliye kademeleri ve mesnetlenme şekillerine ait bazı görüntüler Şekil 1 de verilmektedir. Şekil 1. Borçka Çelik Kemer Köprüsü ne ait bazı görünüşler 82

3 Borçka Köprüsü nün ana taşıyıcı sistemi kemer formda olup, kemer ile tabliye arasındaki yük aktarımı farklı kesit özelliklerine sahip on altı adet dikme yardımıyla sağlanmaktadır. Ana taşıyıcı kemer çelik malzeme özelliğine sahip I profillerden oluşmakta olup, dikmeler I ve 2L profillerden oluşturulmuştur. Kemerden gelen yüklerin tabliyeye ve oradan da kenar ayaklara aktarımını kolaylaştırmak ve köprünün taşıma kapasitesini arttırmak amacıyla, tabliye orta noktası ortalama 80cm civarında kemerlenerek tasarlanmıştır. Köprü tabiyesi kenarlarda iki ana kiriş olmak üzere, orta bölgelerde enine ve boyuna doğrultuda uzanan beş ayrı kiriş kademesinden oluşmaktadır. Taşıyıcı kemer ve tabliye, kenar kısımlarda rijit ayaklara oturmakta olup, ayaklar üzerinde farklı mesnetlenme şekilleri (sabit ve hareketli mesnetler) tasarlanmıştır. Köprünün kenar ayakları yığma taş, taşıyıcı sistem elemanları çelik malzeme özelliğine sahip olup, bağlantı noktaları perçinli birleşimlerden oluşmaktadır. Ayrıca, hem kemerler arasındaki yük paylaşımını sağlamak hem de rüzgâr gibi yatay yüklere karşı stabilitenin korunması amacıyla kemerler üst noktalarından 2L profiller ile bağlanmıştır. Şekil 2 de köprünün mevcut durumuna ait röleve çalışmaları sonucunda hazırlanan plan ve cephe görünüşleri verilmektedir. Şekil 2. Borçka Çelik Kemer Köprüsü ne ait röleve görünüşleri Kemer Köprünün ana taşıyıcı sistemini oluşturan kemer, çelik malzeme özelliğine sahip olup, I400 boyutundaki profillerden oluşmaktadır. Kemer tepe noktasının tabliyeden yüksekliği yaklaşık 16.30m olup, kemer kirişleri kenar kısımlarda tabliye ana kirişlerinin üzerine oturmaktadır (Şekil 3). Orta bölgede yer alan çapraz stabilite elemanlarının her biri eşit kollu olup, kollarının genişliği 6.5cm dir. Profiller arasında ise enine ve boyuna yönde sırasıyla 1cm ve 3cm boşluklar bırakılmıştır. Kenar kısımlarda yer alan çapraz stabilite elemanlarının her biri ise farklı kollu olup, 2L boyutlarındadır Şekil 3. Köprü kemerine ait bazı görünüşleri 83

4 Tabliye Köprü tabliyesi, kenar ana boyuna kirişler, tabliye altı boyuna ve enine kirişler, tabliye altı çapraz stabilite elemanları ile kaplamadan oluşmaktadır. Ana taşıyıcı sistemini oluşturan kenar ana boyuna kirişler çelik malzeme özelliğine sahip olup, kenar kısımlarda birer tane olmak üzere toplam iki adet 2.35m yüksekliğinde I profillerden oluşmaktadır (Şekil 4). Şekil 4. Köprü tabliyesi ve kenar ana kirişlere ait bazı görünüşler Tabliye kenar ana kirişleri, kiriş alt başlık noktalarından köprü enine doğrultusunda her bir dikme seviyesinin ve buna ilaveten dikmeler arası orta nokta seviyelerinin altına yerleştirilen I profiller aracılığı ile birleştirilmiştir (Şekil 5). Tabliye sistemini oluşturan elemanlarda yer yer paslanmalara rastlanmıştır. Şekil 5. Tabliye boyuna ve enine kirişlerine ait bazı görünüşler Dikmeler Köprünün taşıyıcı sistem elemanlarından biri olup, kemer ve tabliye arasındaki bağlantıyı sağlayan dikmeler, her bir kemer üzerinde toplam on altı adettir. Kenarlarda bulunan başlangıç ve bitiş dikmeleri I profillerden oluşmaktadır. I profiller 43.5cm yüksekliğinde olup, profillerin alt ve üst başlık genişlikleri 15cm dir. Kenar dikmelerin yanında bulunan sıralı iki adet dikme de I profillerden oluşmaktadır (Şekil 6). Dikmelerin kemer bağlantı noktalarına yakın kısımlarında yer yer paslanmalar gözlenmiştir. Şekil 6. Dikmelere ait bazı görünüşler 84

5 Perçinler Köprünün çelik malzeme özelliğine sahip taşıyıcı sistem elemanlarının (kemer, dikme, tabliye, rüzgar bağlantıları vb.) bağlantı noktaları her iki tarafı yuvarlak başlıklı perçinli birleşimlerden oluşmaktadır (Şekil 7). Perçinlerde gevşeme ve boşluk tespit edilmemiştir. Ayrıca, birleşimlerde yırtılma gözlenmemiştir. Şekil 7. Perçinli birleşimlere ait bazı görünüşler Mesnetler Yerinde yapılan incelemeler sonucunda, köprünün ana yol girişinde bulunan ayağı üzerindeki mesnedin sabit mesnet, karşı yakada bulunan ayak üzerindeki mesnetin ise hareketli mesnet olarak çelik malzemeden tasarlandığı ve inşa edildiği görülmektedir. Mesnetlerde, malzeme birikimi, ağaçlanma, su alma ve paslanma gibi mesnet ve taşıyıcı sistem davranışını önemli derecede olumsuz etkileyen problemlerin oluştuğu gözlemlenmiştir. Çelik mesnetlere ait bazı görünüşler Şekil 8 de verilmektedir. Şekil 8. Kenar çelik mesnetlere ait bazı görünüşler Borçka Çelik Kemer Köprüsünün Çevresel Titreşim Testi Borçka Çelik Kemer Köprüsü nün dinamik davranışını deneysel olarak belirlemek amacıyla köprü üzerinde çevresel titreşim testleri gerçekleştirilmiş ve dinamik karakteristikler olarak adlandırılan doğal frekansları ve mod şekilleri oranları belirlenmiştir. Aktif bir trafik güzergâhı üzerinde bulunmayan köprü üzerindeki ölçümlerde, yaya hareketi ve rüzgâr etkilerinden oluşan titreşimler için, sismik özellikteki sinyalleri ölçme özelliğine sahip hassas ivmeölçerler kullanılmıştır. İvmeölçerler, köprünün hem düşey hem de yatay yöndeki hareketlerini ölçebilmek amacıyla Şekil 9 da gösterilen biçimde köprüye yerleştirilmiştir. Köprü tabliyesinde kenar kirişler üzerine ivmeölçerler yatay ve düşey doğrultularda bağlanmıştır. Köprü tabliyesine yerleştirilen ivmeölçerden gelen sinyaller 17 kanallı veri toplama ünitesinde toplanmıştır (Şekil 10). 85

6 Şekil 9. İvmeölçer yerleşimi ve bağlantısına ait görüntüler Şekil 10. Veri toplama ünitesine ait görüntüler Ölçümlerde 12 adet ivmeölçer kullanılmış olup, 1 saat süre ile Hz aralığında titreşim verileri toplanmıştır. Titreşim verilerin değerlendirilmesinde frekans ortamında EFDD ve zaman ortamında SSI Yöntemleri dikkate alınmıştır. OMA (2006) ve PULSE (2006) yazılımları kullanılarak köprünün spektrumları elde edilmiştir (Şekil 11-12). Doğal titreşim frekansları Tablo 1 de, mod şekilleri ise Şekil 13 te verilmektedir. Şekil 11. EFDD Yöntemiyle elde edilen spektrum Şekil 12. SSI Yöntemiyle elde edilen spektrum 86

7 Tablo 1. Deneysel ölçümlerden elde edilen ilk beş doğal titreşim frekansı Mod No Doğal Titreşim Frekansı (Hz) EFDD SSI Birinci Mod İkinci Mod Üçüncü Mod Dördüncü Mod Beşinci Mod Şekil 13. Borçka Çelik Kemer Köprüsü nün deneysel ölçümlerinden elde edilen ilk beş mod şekli 87

8 Borçka Çelik Kemer Köprüsünün Analitik Modellenmesi Borçka Çelik Kemer Köprüsü nün mevcut durumu için SAP2000 (2008) programında analitik model oluşturulmuş, oluşturulan model üzerinden modal analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu modelin (Şekil 14) oluşturulmasında, rölöve işlemleri sonucunda elde edilen çizimlerdeki boyutlar ile yerinde yapılan incelemeler dikkate alınmıştır. Tablo 2 de köprünün analitik modelinin oluşturulmasında kullanılan malzemeler için dikkate alınan mekanik özellikler verilmektedir. Tablo 2. Borçka Köprüsü nün analitik modelinde dikkate alınan malzeme özellikleri Taşıyıcı Sistem Elemanları Elastisite Poisson Oranı Birim Hacim Modülü (N/m 2 (-) Ağırlığı (kg/m 3 ) ) Kemer, Dikme, Tabliye, Enine ve Boyuna Kirişler, Çaprazlar 2.1E Borçka Köprüsünü temsil etmek amacıyla oluşturulan analitik modelin modal analizi gerçekleştirilmiş ve köprünün doğal frekansları ile mod şekilleri belirlenmiştir. Şekil 15 te teorik analizlerden elde edilen mod şekilleri verilmektedir. Şekil 14. Borçka Köprüsü nü temsil eden analitik model 1. Mod Hz (Enine hareket) 2. Mod-1.590Hz (Düşey hareket) 3. Mod-1.860Hz (Burulma hareketi) 4. Mod 1.900Hz (Düşey hareket) 5. Mod-2.320Hz (Burulma hareketi) Şekil 15. Borçka Köprüsü nün teorik modal analizinden elde edilen mod şekilleri 88

9 Sonuçlar ve Öneriler Bu çalışmada, Artvin ili Borçka ilçesi Çoruh Nehri üzerinde bulunan 114m uzunluklu üstten çelik kemerli Borçka Köprüsünün restorasyon öncesi dinamik özellikleri Çevresel Titreşim Yöntemiyle deneysel olarak, Sonlu Elemanlar Yöntemiyle analitik olarak belirlenmiştir. Çalışmadan elde edilen sonuçlar aşağıda maddeler halinde sunulmuştur: Köprünün deneysel olarak ölçülen ilk beş frekansı Hz aralığında belirlenmiştir. Köprünün deneysel olarak ölçülen ilk beş mod şekli sırasıyla yanal mod, düşey mod, yanal mod, düşey mod ve burulma modu olarak elde edilmiştir. Köprünün oluşturulan analitik modeli üzerinde gerçekleştirilen modal analizden, ilk beş frekansı Hz aralığında hesaplanmıştır. Köprünün analitik olarak belirlenen ilk beş mod şekli sırasıyla yanal mod, düşey mod, burulma modu, düşey mod ve burulma modu olarak belirlenmiştir. Deneysel ve analitik frekanslar arasında farklar gözlenmiştir. Bu farkların köprünün taşıyıcı sistem elemanlarından bazılarında eğilmeler, malzeme bozulmaları, kesit kayıpları ve mesnet bozulmalarından kaynaklandığı düşünülmektedir. Restorasyon için yapılacak yapısal analizler öncesi, köprü analitik modelinin kalibre edilmesi uygun olur. Kalibrasyon işleminde köprünün saha incelemesinde karşılaşılan durumlar dikkate alınarak, kesitlerde, bağlantı noktalarında, malzeme özelliklerinde ve mesnet sınır şartlarında değişiklikler yapılması önerilir. Borçka Çelik Kemer Köprüsü dinamik ölçümlerinden elde edilen sonuçlar, köprünün daha sonraki dönemlerde yapılacak hasar tespit işlemlerinde referans veri olarak kullanılabilecektir. Kaynaklar Banerji, P., Chikermane, S., (2012). Condition assessment of a heritage arch bridge using a novel model updation technique, J. of Civil St. Health Monitoring, 2 (1), Bayraktar, A., Altunışık, A.C., Birinci, F., Sevim, B., Türker, T., (2010). Finite Element Analysis and Vibration Testing of a Two-Span Masonry Arch Bridge, Journal of Performance of Constructed Facilities, 24, 1. Bayraktar, A., Altunışık, A.C., Sevim, B., Birinci, F., (2011). Vibration Based Operational Modal Analysis of the Mikron Historic Arch Bridge After Restoration, Civil Engineering and Environmental Systems, 28, 3. Bayraktar, A., Türker, T., Altunışık, A.C., (2015). Experimental frequencies and damping ratios for historical masonry arch bridges, Construction and Building Materials, 75, Brincker, R., Zhang, L., Andersen P., (2000). Modal Identification from Ambient Responses using Frequency Domain Decomposition, Proceedings 18th International Modal Analysis, , San Antonio, Texas, USA. Cancelliere, I., Imbimbo, M., Sacco, E., (2010). Experimental tests and numerical modeling of reinforced masonry arches, Engineering Structures, 32 (3), OMA, (2006). Operational Modal Analysis, Release 4.0, Structural Vibration Solution A/S, Denmark. 89

10 PULSE, (2006). Analyzers and Solutions, Release Bruel and Kjaer, Sound and Vibration Measurement A/S, Denmark Ren, W.-X., Zhao, T., Harik, I. E. (2004). Experimental and Analytical Modal Analysis of Steel Arch Bridge, Journal of Structural Engineering, ASCE, 130, 7, SAP2000, (2008). Integrated Finite Element Analysis and Design of Structures, Computers and Structures, Inc., Berkeley, California, USA. Türker, T., (2014). Structural evaluation of Aspendos (Belks) Masonry Bridge, Structural Engineering and Mechanics, 50, 4, Türker, T., Bayraktar, A., (2014). Structural safety assessment of bowstring type RC arch bridges using ambient vibration testing and finite element model calibration, Measurement, 58,