MÜHENDİSLİK YAPILARININ DAVRANIŞLARININ JEODEZİK ÖLÇMELERLE İZLENMESİ MONITORING OF ENGINEERING BUILDINGS BEHAVIOUR WITH GEODESIC MEASUREMENTS

Transkript

1 MÜHENDİSLİK YAPILARININ DAVRANIŞLARININ JEODEZİK ÖLÇMELERLE İZLENMESİ G.OKU 1, E. GÜLAL 1 1 Yıldız Teknik Üniversitesi Harita Mühendisliği Bölümü guloku@yildiz.edu.tr, egulal@yildiz.edu.tr Özet Gelişen teknolojiyle beraber, popülasyonun artmasına bağlı olarak artan yapılaşma ve bu alana ayrılan büyük ekonomi; hasar tespit stratejilerinin ortaya çıkmasına ve hızla çeşitlenmesine neden olmaktadır. Hasarın tanımından yola çıkılarak oluşturulan bu stratejilerden en etkilisi Yapı Sağlığı İzlenmesi (YSİ) teknikleridir. YSİ nin ana bileşenleri ve kullanılan farklı tekniklerin avantaj ve dezavantajları incelenerek, günümüz yapılaşma ve teknolojisine uygun standartlarda bir YSİ politikası oluşturulabilir. Hasar tespit stratejileri konusunda en endişeli paydaş grubu olan İnşaat sektörünün hızla büyüyen pazardaki ihtiyaçlarını karşılayabilmek için oluşturulacak etkili bir YSİ politikası, tüm bu yapılaşmanın emniyetli bir şekilde sürdürülebilmesi açısından oldukça önemlidir. YSİ gözlemlerinin amacı, meydana gelebilecek olası kazaların önceden belirlenerek zamanında gerekli önlemlerin alınmasını sağlamaktır. Bu amaçla gerçekleştirilen bu çalışmada Mühendislik yapılarının davranışlarının küresel konumlama sistemi (GPS) kullanılarak izlenmesindeki sonuçlar incelenmiştir. Buna yönelik olarak sarsma tablası üzerinde deneyler yapılmıştır. Sarsma tablası farklı frekans ve genliklerde hareket ettirilerek bu hareketlerin GPS ölçme sistemi ile belirlenmesi amaçlanmıştır. Elde edilen veriler zaman serileri analizi ve hızlı Fourier dönüşümü teknikleri ile değerlendirilmiş, frekans ve genlik değerleri hesaplanmıştır. Anahtar Kelimeler: Yapı sağlığı, GPS, sarsma tablası MONITORING OF ENGINEERING BUILDINGS BEHAVIOUR WITH GEODESIC MEASUREMENTS Abstract With the improving technology, increasing population due to increased construction and these areas largest economy cause to offer damage determination strategies. The most effective of these strategies is Structural Health Monitoring (SHM). Examining the advantages and disadvantages of the different SHM techniques, according to today's construction and technology standard a SHM policy can be created. To provide the needs of the rapidly growing markets of the construction sector, an effective SHM policy must be created. This is very important to maintain all this structuring safely. The purpose of structural monitoring is determining in advance of possible accidents and taking necessary precaution. In this study, determining the behavior of construction using Global Positioning System (GPS) is investigated. For that shaking table tests were performed. Shaking table was moved at different frequency and amplitude aiming to determine these movement with a GPS measuring system. The obtained data were evaluated by analysis of time series and fast Fourier transformation techniques and the frequency and amplitude values are calculated. Key Words: Structural monitoring, GPS, shaking table

2 2 1. Giriş Gelişen teknoloji yapılaşmanın giderek artmasına neden olmuş ve bu yapıların yüksek maliyetleri de düzenli bir hasar tespit sistemine olan ihtiyacı ortaya çıkarmıştır. Im vd., (2013) makalesinde de aktarıldığı gibi son yıllarda sivil yapılar ve binalar ekonomik ve estetik kaygılarla daha yüksek ve daha ince inşa edilmektedir. Çünkü bu yüksek yapılar ilgi odağı olarak turistleri çekmektedir ve şehrin kent simgesi haline gelmektedir. Yüksek yapılar rüzgâr yüklemesi gibi hareketli yüklemelerden fazlasıyla etkilenmektedir ve bu yapıların yapısal performansını etkileyen dinamik tepkilerine etki eden birçok faktör vardır. Bu yüksek yapılarında önemi azımsanamaz çünkü bu yapıların olduğu bölgeler popülasyonun yoğun olduğu bölgelerdir. Bu nedenle bu yapıların sürekli bir şekilde gözlemleri yapılmalı, tasarım ömürlerine ulaşıp ulaşmadıkları kontrol edilmeli ve kalan ömürleri tespit edilmelidir ( Im vd., 2013). Yapılardaki bu değişimlerin gözlenmesi ve hasar tespitinin yapılması sistemli bir Yapı Sağlığı İzlenmesi ile mümkün olmaktadır. Bu gözlemler sonucunda tasarım ömürlerine ulaşan ya da yüksek hasarlı olduğu tespit edilen yapılarda gerekli güçlendirmenin yapılması afet sonrası kayıpların azaltılması açısından oldukça önemlidir. YSİ uygulamalarında onlarca farklı metot ve donanımın kullanıldığını görülmektedir. Fakat günümüzde uzun köprüler, kuleler, yüksek binalar gibi yapılar için yapısal titreşimleri belirleyebilmek amacıyla dinamik deformasyonların gözlenmesinde yoğunluklu olarak Küresel Konumlama Sistemlerinin (GPS) kullanıldığı görülmektedir. GPS uydulardan yayınlanan radyo sinyalleri yardımıyla her türlü hava koşullarında, gece ve gündüz, süratli, doğru ve ekonomik olarak, noktalar arası görüş gereği olmaksızın üç boyutta konum belirleme sistemidir. Navigasyon ihtiyacına yönelik olarak tasarlanan sistem, konumlamanın yanı sıra çok duyarlı zaman ve hız belirleme olanağı sunar (Wells vd., 1987). Gelişen GPS Yöntemi yardımıyla YSİ çalışmaları da yeni bir boyut kazanmış ve eşzamanlı olarak edinilen datalar yardımıyla güncel bir gözleme dayalı hale gelmiştir. Bu çalışmamızda Yapı Sağlığı İzlenmesi kapsamında Gerçek Zamanlı Kinematik Konum Belirleme Ölçme Yöntemi (RTK) ve RTK ölçüm yöntemlerinden de Sanal Referans İstasyonları Yöntemi (VRS) kullanılacak, sarsma tablasıyla gerçekleştirilen GPS ölçümlerinin sonuçları zaman serileri ve Hızlı Fourier Dönüşüm Analizleri kullanılarak irdelenecektir. 2. Yöntem Afet yönetim sistemi kapsamında gerekli tedbirleri almak amacıyla Yapı Sağlığı İzlenmesi (YSİ) bu çalışmanın ana teması olarak seçilmiş olup bu bağlamda açık alan testleri gerçekleştirilmiştir. Yapı Sağlığı İzlenmesinde alternatif yaklaşımlardan biri olan Küresel Konum Belirleme (GPS) tekniği kullanılarak sarsma tablasıyla gerçekleştirilen uygulamaların sonuçlarının irdelenmesiyle, bu yöntemin yapı sağlığı izleme çalışmalarında etkin olarak kullanılıp, kullanılamayacağı araştırılmaktadır. Sarsma tablası, titreşim hareketlerini yapay olarak üreterek deprem hareketlerini taklit eden platforma denir. Yani deprem hareketinin simülasyonu bu tabla sayesinde gerçekleştirilir. Test edilecek bina modeli sarsma

3 3 tablası üzerine yerleştirilir ve yer hareketine maruz bırakılarak dinamik davranışı gözlemlenir. Bu çalışmada sarsma tablası üzerine monte edilen RTK GPS verileri değerlendirilmiştir (şekil. 1). Sarsma tablası belirli genlik ve frekanslarda hareket ettirilerek GPS den alınan ölçüm sonuçları, sarsma tablasının konum sensörü (LVDT) verileriyle karşılaştırılarak sonuçlar irdelenmiştir. Şekil 1. Sarsma Tablası Uygulamada değerlendirilen veriler RTK GPS ölçme yöntemlerinden olan VRS ölçme yöntemi kullanılarak alınan anlık konum bilgileridir. VRS yönteminde temel prensip, gezici alıcının çok yakınında bir sanal istasyon oluşturmaktır ve gezici alıcının konumu oluşturulan bu sanal istasyon yardımı ile belirlenmektedir. Bu yöntemde hareketli alıcının konumu yaklaşık olarak bilinmelidir ve bu kod ölçüleri ile elde edilir. Sanal Referans İstasyonunun hareketli alınıcının yakınında oluşturularak bağımlı hatalar elimine edilmiş olur( Arslan vd., 2002). Yıldız Teknik Üniversitesi Davutpaşa Kampüsü İnşaat Fakültesi alanında, 19 Aralık 2014 tarihi gerçekleştirilen uygulamada Spectra Precision SP80 GNSS Alıcısı sarsma tablası üzerine monte edilerek deneyler gerçekleştirilmiştir. Küresel Konum Belirleme tekniklerinden olan RTK konum belirleme yöntemlerinden VRS kullanılarak ilk 4 ve son 4 dakikası hareketsiz 2 dakikası hareketli olmak üzere toplamda 10 dakika boyunca GPS ile veri toplanmıştır. 20 Hz örnekleme hızında veri toplanmış, sarsma tablası frekansı LVDT sonuçlarına göre 5.00 Hz, genliği 16 mm olarak bulunmuştur. GPS ile elde edilen veriler, zaman serileri analizi ve hızlı Fourier dönüşü kullanılarak incelenmiştir. Zaman serileri analizi, ardışık olarak belli aralıklarla gözlenen sistemin zaman serisindeki; trend, periyodik ve düzensiz hareketleri ayrıştırarak, sistemin özelliklerini ortaya koymakta, sistemi tanımlamakta ve özellikle parametrik olmayan durumlarda sıkça uygulanmaktadır. Dinamik yapının sunduğu bilgi, serilerin temsil

4 4 ettiği sistemi kontrol etmek ve geleceğe ilişkin doğru tahminlerin yapılmasını sağlaması açısından önemli olmaktadır. Zaman serisi analizlerinde ilk olarak serinin zamana bağlı grafiğinin oluşturulması ve daha sonra seride var olan trend, periyodik ve stokastik bileşenlerin analizi yapılarak seriden giderilmesi sağlanmaktadır (Erdoğan,2006). Ardışık olarak yapılan gözlemlerde doğal etkiler veya insan etkisiyle homojenliğin bozulması gibi herhangi bir faktöre bağlı olarak artan veya eksilen yönde gözlemlenen değişimler trend olarak adlandırılmaktadır (Erdoğan,2006; Tülücü 1996). Trend bileşeninin seriden ayrıştırılması için En Küçük Kareler Yöntemi ile zamana bağlı uydurulan bir doğru (YT=a+b.t) denklemi elde edilmektedir. Elde edilen denklemin katsayıları regresyon analizi ile hesaplanmaktadır (Erdoğan,2006). Hesaplanan bu trendlerin seriden ayrıştırılmasıyla trend giderilmiş seriler ve grafikleri oluşturulmuştur (şekil. 2). Daha sonra serinin frekans ve genliğini belirleyebilmek amacıyla spektral analizi yapılmıştır. Şekil 2: Trend Giderilmiş Zaman Serileri Grafiği Spektral analiz yöntemi zaman serisinin frekans bölgesindeki analizini ortaya koymaktadır. Başka deyişle zaman bölgesinde zamanın farklı noktalarındaki gözlemler arasında ortaya çıkan ilişkiler frekans bölgesinde periyodik hareketlerin belirlenmesi üzerinde durulmaktadır. Her iki bölgede da yapılan analizler birbirini tamamlayıcı özelliğe sahiptirler ve aynı bilgi farklı yollarda zaman serisinin niteliği hakkında farklı fikirler vermektedirler. Bu nedenle zaman bölgesinden frekans bölgesine dönüşüm Hızlı Fourier Dönüşümü ile yapılmaktadır (Erdoğan, 2006).

5 5 Zaman serisine uygulanan Hızlı Fourier Dönüşümü sonrasında harekete ilişkin frekans ve genlik değerleri 5Hz ve 14,6 mm olarak bulunmuştur. Bu değerlere ilişkin grafikler elde edilmiştir (şekil. 3). Bu genlik değeri LVDT den alınan değerlerle karşılaştırıldığında 1,5 mm farkla gerçek değere ulaşıldığı görülür. Bu hata payı RTK GPS yönteminin ölçme doğruluğu sınırlarında kaldığı için uygulamanın sonucunda istenilen doğruluğa ulaşıldığı görülür. Şekil 3: FFT Dönüşümü Sonucu Frekans ve Genlik Değerleri Grafiği 3. Sonuç ve Öneriler Yapılan bu uygulama verilerinin değerlendirilmesiyle; yapıların izlenmesinde RTK GPS VRS ölçme yönteminin etkili bir şekilde kullanılabilirliği kanıtlanmıştır. RTK GPS ölçüm yönteminin yapı sağlığı izlenmesi çalışmalarında etkin olarak kullanılabilirliği, eşzamanlı veri alımı ve değerlendirilmesi sonucu anlık konum bilgisi sağlaması ile yapı gözlemlerinde etkin olarak kullanılabilirliği tespit edilmiştir. Gerçekleştirilen uygulama sonucuna RTK GPS VRS ölçme yönteminin diğer yapı sağlığı izlemesi ölçme yöntemlerine alternatif yüksek doğruluklu bir yöntem olduğu, anlık konum belirleme yöntemi sayesinde ise eşzamanlı değerlendirme ve durum tespitine imkân verdiği ve bu bağlamda yapı sağlığı izlenmesi çalışmalarında etkili şekilde kullanılabileceği gösterilmiştir. Ayrıca yüksek yapıların izlenmesinde ivmeölçer ile yapılan ölçümlerle RTK GPS ölçme yönteminin birleştirilmesiyle oluşacak bir hibrit ölçme sistemi oluşturularak daha etkili sonuçlar alınabileceği öngörülmektedir.

6 6 Kaynaklar Arslan, N., Aydın, N., Üstün, A. ve Demirel, H., (2002). Sanal Referans İstasyonu Sistemi (VRS), Selçuk Üniversitesi Jeodezi ve Fotogrametri Mühendisliği Öğretiminde 30. Yıl Sempozyumu, Konya Erdoğan H. (2006). Mühendislik Yapılarındaki Dinamik Davranışların Jeodezik Ölçmelerle Belirlenmesi, Doktora Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. Im,S.B, Hurlebaus, S. M.ASCE; & Kang,Y.J. M.ASCE (2013) Summary Review of GPS Technology for Structural Health Monitoring. J. Struct. Eng : (doi: /(ASCE)ST X ) Tülücü, K., (1996), Uygulamalı Hidroloji, Ç.Ü. Ziraat Fakültesi, Genel Yayın No.138, Adana Wells, D.E., Beck, N., Delikaraoğlu, D., Kleusberg, A.,Krakiwsky, E. E., Lachapelle, G., Langey, R.B., Nakiboğlu, M., Schwarz, K.P., Tranquilla, J.M., Vanicek, P., (1987). Guide To GPS Positioning, Second Edition, Canadian GPS Associates, New Brunswick, Canada.