ENDÜSTRİYEL BİR TESİSTE ÇELİK BACA DAVRANIŞININ DENEYSEL VE TEORİK YÖNTEMLERLE BELİRLENMESİ ÖZET: G. GÜRSOY 1, H.R. YERLİ 2, S. KAÇIN 3 1 Dr., Erdemir Mühendislik, İSDEMİR A.Ş. İskenderun / HATAY 2 Profesör, İnşaat Müh. Bölümü, Çukurova Üniversitesi, Adana 2 Yrd. Doç., İnşaat Müh. Bölümü, İskenderun Teknik Üniversitesi, İskenderun / HATAY Email: eng.gursoy@gmail.com Endüstriyel tesislerin ihtiyacı olan bacalar için ülkemizde henüz bir standart bulunmamaktadır. Yine bu yapıların modellenmesi için paket programlar kullanılmakta ancak gerçek davranışı hakkında saha çalışmalarına gerek duyulmaktadır. Yapıların dinamik davranışları hakkında fikir veren yapı izleme sistemleri mevcut titreşim testi (ambient vibration) ve zorlanmış titreşim testi olmak üzere ikiye ayrılmıştır. Baca üzerinde doğal titreşimler ve rüzgar kuvveti bulunmaktadır. Baca üzerine yerleştirilen ivmeölçerle, bacanın dinamik tepkisi bilgisayar ortamında kaydedilmiştir. Titreşim ölçümleri sonucunda elde edilen kayıtların analizleri ile bacanın dinamik karakteristik özellikleri tespit edilmiştir. Baca yapı analiz programı (SAP 2000) ile de çözülmüş, deneyden elde edilen sonuçlar ile yapı analiz programından elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada Hatay ili İskenderun ilçesinde yer alan, Türkiye nin en eski demir çelik fabrikalarından biri olan İSKENDERUN DEMİR VE ÇELİK A.Ş.(İSDEMİR) nin 3. Yüksek Fırın Soba Bacası incelenmiştir. ANAHTAR KELİMELER: Baca, Yapısal Analiz, Mevcut Titreşim. DETERMINATION OF STEEL CHIMNEY BEHAVIOUR BY EXPERIMENTAL AND THEORETICAL METHODS IN AN INDUSTRIAL PLANT ABSTRACT: There is no national standard for the chimneys in industrial plants. Field studies are needed about the actual behavior of the package programs being used to model these structures. Structural monitoring systems that give an idea of the dynamic behavior of structures are divided into two parts: ambient vibration and forced vibration test. There are vibrations and wind force on the chimney. The accelerometer placed on the ground on the chimney, the dynamic response of the chimney was recorded on the computer. The analysis of the recordings obtained as a result of the vibration measurements determined the dynamic characteristics. It was solved by the chimney structure analysis program (SAP 2000). The program results were compared with the results obtained from the structural analysis program. İSKENDERUN DEMİR VE ÇELİK A.Ş. (ISDEMİR) 's 3rd Blast Furnace Stove was examined. KEYWORDS: Chimney, ndexing purpose, 3-6 words (comma seperated) 1. GİRİŞ Bacalar gibi kule tipi yapıların dinamik davranışları uzun yıllardır mühendislerin ilgi alanına girmektedir. Daha önceleri tuğla ile inşa edilen bacaların daha sonrasında betonarme ve sonra da çelik olarak üretildiğini görmekteyiz. 19. yy sonundan 1950 lere kadar bacaların hemen hepsinin tuğla olduğunu görmekteyiz (Pallares vd. 2006). Hem yüksek oluşları hemde endüstriyel tesis üretimi için önemleri nedeni ile bu tarz yapıların
4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı dinamik davranışları sürekli gündemde olmuştur. Bu nedenle yapılan çalışmalar da eskiye dayanmaktadır. Baca gibi yüksek yapılarda önemli yıkıcı etki olan rüzgar yükü etkisi altında bacaların dinamik davranışlarının incelendiği çalışmalar giderek artmaktadır (Sanada vd. 1992). Yapıların mevcut dinamik analizlerinde Yapı İzleme Sistemleri kullanılmaktadır. Bu sistemler ikiye ayrılır: Birinde yapı üzerine yerleştirilen cihazlar vasıtası ile hareket esnasında okuma alınır, diğerinde ise mevcut titreşimler sensörler ile kayıt altına alınır. Mevcut titreşim ölçümü için de iki yol mevcuttur: Birincisinde ölçüm yapılacak yapıya titreşim üretici cihaz ve sensörler yerleştirilir (zorlanmış titreşim); ikincisinde ise sensörlerden mevcut titreşim (ambient vibration) kayıtları alınır. Mevcut titreşim analizi sıklıkla doğal frekansların titreşimleri ile yapıların mod şekillerinin bulunmasını sağlar. Yine bu analizler parametre tahminlerini ve yapıların model özelliklerini geliştirmede kullanılmaktadır. Bu çalışma kapsamında İskenderun Demir Çelik (İSDEMİR A.Ş.) fabrika sahasında bulunan 3. Yüksek Fırın (3.YF) ele alınmıştır. Yaklaşık 65 metre yüksekliğindeki bacanın dinamik özelliklerinin mevcut titreşim kayıtları ile ortaya konulmasına çalışılmaktadır. 2006 yılında inşa edilen baca, kazıklı temele sahiptir. Proses gereği yüksek sıcaklık ihtiva eden yüksek fırın gazı, refrakter kaplı bir kanaldan geçerek baca içerisinden emisyon kontrolü ile geçmektedir. Şekil 1. Baca genel görünüşü 2. MATERYAL VE METOT Çalışmanın yapılacağı bacada mevcut titreşimlerin ölçümü için sensörler yerleştirilmiş, titreşim kayıtlarının analizi gerçekleştirilmiş ve paket program ile yapı modeli oluşturularak sonuçlar karşılaştırılmıştır. 2.1. Materyal 2.1.1. Hızölçerler Hızölçerler üç bölümden oluşmaktadır, hız sensörü, dönüştürücü ve kayıt kutusu. Cihazların bağlantısı için; hız sensörü bünyesinde bulunan su terazisi ile dengeye getirildikten sonra kablo ile kayıt ünitesine bağlanır. Dönüştürücü ile ana kayıt ünitesine bağlanır. Böylece sensörler yapı üzerindeki mevcut titreşimleri algılayıp kaydetmeye hazır hale gelir.
4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı Şekil 2. Hız sensörü ve bağlantıları 2.1.2. Mekanik Rüzgar Sensörü Mekanik rüzgar sensörü olarak Young Model 03002/03102 kullanılmıştır. Anemometre rüzgar hızını ölçmek için üç hafif yarım küre kullanmaktadır. Tekerlek dönme rüzgar hızına orantılı bir AC frekansı üretmektedir. Veriler Campbell Scientific CR 200 Datalogger ile işlenmektedir. Şekil 3. Mekanik rüzgar sensörü ve datalogger 2.1.3. Total Station Elektronik ölçüm çalışmaları için Leica Viva TS11 marka Total Station kullanılmıştır. Lazer hassasiyeti 2 mm olan aletin lazer ölçüm mesafesi ise 1000 m dir. Şekil 4. Leica Viva TS11 marka Total Station
4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı 2.2. Metot 2.2.1. Lazer İle Ölçüm Yapılması Bacanın rüzgarlı havada yaptığı salınımı ölçmek amacı ile iki cepheden lazer okuma yapılmıştır. Ölçümün yapılacağı cephede bacanın üst tarafını görecek mesafede TS11 aleti kurularak ölçüme başlanmış ve TS11 aletinin kurulum ayarları yapıldıktan sonra cihazın dürbünü bacanın üst orta noktasına tatbik edilmiştir. Cihazın lazerli seri okuma modu açılarak ölçüme başlanmıştır. Cihazın ölçüm ekranındaki en yakın ve en uzak yatay mesafeleri bulunarak ölçüm tamamlanmış ve bu ölçüm diğer cephede de aynı şekilde uygulanmıştır. 2.2.2. Deneyin Yapılışı Sensör yerleşimi için çalışma konusunda gerekli belgeleri olan kişilere bağlantılar konusunda bacanın bulunduğu alanda detaylı bilgiler verilmiştir. Burada sensörlerin (MR) doğrultu ve yönlerini aynı olmasının çalışmanın sağlığı açısından önemi büyüktür. Bilgilendirmenin ardından baca tabanında örnek bir uygulama yapılmış ve ardından sensörler emniyetli bir şekilde yerleştirilmiştir. Şekil 5. Sensör yerleşimi Şekil 6. Sensörlerin monte edilmesi
3. BULGULAR 3.1. Deney Sonuçları 3.1.1. Data Analizi Deney verilerinin işlenmesi VIEW2002 paket programı ile yapılmıştır. Alınan kayıtların analiz edilmeden önce veri işleme denilen bir data temizleme işleminden geçirilmesi gerekir. Bu işlem analizi kolaylaştırdığı gibi hata oranlarını da azaltır. Bu kayıtlar için veri işlemesi aşağıdaki adımları kapsar (Şafak, 2007): 1. Datadaki ortalama değerlerin ve lineer hataların ayıklanması (base-line correction). 2. Kayıtlarda gürültünün fazla olduğu çok düşük ve çok yüksek frekanslı kısımların filtre edilmesi. 3. Yapıda mevcut en yüksek frekans değerleri göz önüne alınarak gerekirse kayıtlardaki örnekleme aralığının yükseltilmesi (decimation) 4. Eğer sensörlerden alınan kayıtlar senkronize değilse analitik yöntemler kullanılarak kayıtların senkronize edilmesi. 3.1.2. Modal Frekansların Bulunması Yapının modal frekanslarının bulunması en basit yolu işlenmiş datanın Fourier transformunu almaktır. Fourier transformu esas olarak datanın sonlu sayıda sinüs eğrisinin genliklerini değiştirerek ve birbirine göre kaydırarak toplanmasına eşdeğer hale getirilmiş işlemidir. Fourier tarnsformunda genliğin maksimum olduğu frekanslar yapının modal frekansını gösterir (Şafak, 2007). Deney sonucu elde edilen kayıtlar VIEW2002 paket programı ile analiz edilerek bacanın hakim frekans değerleri grafik ve tablo halinde sunulmuştur. Şekil 7. Baca Hakim Frekansı
3.2. Model Sonuçları Tablo 1. Deney sonucu elde edilen hakim frekans değerleri 1.Main (Hz) 2.Main (Hz) 3.Main (Hz) MR1 0,61 0,659 0,659 MR2 0,61 0,659 0,659 MR3 0,61 0,659 0,659 MR4 0,61 0,659 0,659 Deneysel verilerin karşılaştırılabilmesi açısından bacanın, sonlu elemanlar yöntemini temel alan yapısal analiz programı SAP200 Nonlineer ile modellemesi yapılmıştır. Modelleme çalışmalarında elde edilen değerler karşılaştırılmıştır. Modelde, temel, perde, refrakter ve sac elemanlar ayrı olarak tanımlanmıştır. İki ayrı yüzeyin beraber hareket etmesini sağlamak amacı ile link elemanlar kullanılmıştır. Şekil 8. Baca Detayı ve Mod Şekilleri
3.3. Lazer İle Ölçüm Sonuçları Tablo 2. Model sonucu periyot ve frekans değerleri Periyot Frekans Sn Hz 1.5606 0.6408 1.5606 0.6408 Metot kısmında da bahsedildiği gibi ölçüm çalışması sonucu bacanın en fazla yapmış olduğu salınım tespit edilmiştir. Şekil 8 de görüldüğü üzere bu değer 191/2=95,5 mm olarak ölçülmüştür. Şekil salınım hareketinin tamamını göstermektedir. 4. SONUÇ Şekil 9. Mevcut Durumda Baca Salınımı Bu çalışma sonucunda sensörlerden elde edilen veriler ile yapı modeli karşılaştırılmıştır. Hem deney v hem de yapı modeli sonucunda oluşan frekans ve periyot değerleri tablolarda belirtilmiştir. Mevcut koşullarda sıcaklık, baca girişinin salınım üzerine olumsuz etkisi, büyük mekanik ekipmanların baca üzerindeki etkisinin tahminindeki zorluklar gibi nedenlerle deney sonuçları ile bilgisayar modeli mod değerleri arasında farklılıklar gözlemlenmiş ancak sonuçların yakın çıktığı değerlendirilmiştir. Deney / model verileri oranı: 1,028 olarak bulunmuştur. Ölçülen rüzgar değerine göre yapılan modelde 65 m boyundaki bacanın en üst kotunda öngörülen deplasman (baca ekseninden kaçıklık); 26,4 mm olarak bulunmuştur. Burada TS 498 de yer alan kule tipi yapılar için belirlenen kat sayı kullanılmıştır. İSDEMİR ölçüm ekiplerince yapılan iki ayrı noktadaki ölçüm sonucu, rüzgar hızının 32,6 m/sn olduğu andaki en yüksek deplasman değeri 95,5 mm olarak belirlenmiştir. Deplasman değerleri arası fark; salınımın sadece rüzgara bağlı gerçekleşmediğini göstermektedir. Baca gövde elemanlarının flanşlı sistemler ile eklenmesi, platform ve merdivenlerin, ayrıca rüzgar saptırıcının mevcut katkılarının bilinmemesi de bu farkın nedeni olarak açıklanabilir. Bilindiği gibi yönetmeliklere girmiş bir rüzgar haritası yoktur. Bununla birlikte ilgili standarta yer alan katsayılar deneysel sonuçlar olup özellikle endüstriyel ve kule tipi yapılarda, bu alandaki deneyler kısıtlı olması nedeni ile yetersiz kalabilir. Bu tip yapıların dinamik davranışları üzerine yapılan araştırmalar ile yönetmeliklerin geliştirilebileceği düşünülmektedir.
KAYNAKLAR PALLARES F. J., AGÜERO A. and MARTİN M., (2006) Seismic behaviour of industrial masonry chimneys International Journal of Solids and Structures Volume 43: 2076-2090 PALLARES J. F., IVORRA S., PALLERAS L. and ADAM M. J., (2011) State of the art of industrial masonry chimneys: A review from construction to strengthening Construction and Building Materials 25: 4351-4361 SANADA S., SUZUKİ M. and MATSUMOTO H. (1992) Full scale measurements of wind force acting on a 200 m concrete chimney and chimney s response Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamic41-44:2165-2176 CRAWFORD, R. and WARD H.S., (1964). Determination of the natural periods of buildings. Bull. Seis. Soc. Amer., 54,1743-1756. TRIFUNAC, M.D., (1972). Comparison between ambient and forced vibration experiments. Earthquake Engineering and Structural Dynamics. Vol. 1, Issue 2, pages 133 150. KAWECKIA J. and ZURANSKI J.A., (2007). Cross-wind vibrations of steel chimneys a new case history. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vol. 95, no. 9 11, pp. 1166 1175. YERLİCİ V. (2007). Yapı Dinamiğine Giriş. Boğaziçi Üniversitesi Yayınevi. SEISMOSOFT, (2013). SeismoStruct - A Computer Program for Static and Dynamic Nonlinear Analysis of Framed Structures (online). Available from URL: http://www.seismosoft.com SAP 2000 V15 Paket Programı, (2013). Computers And Structures Inc. TS 498, (1997).Yapı Elemanlarının Boyutlandırılmasında Alınacak Yüklerin Hesap Değerleri CHOPRA, A. K., (1995). Dynamics of Structures: Theory and Applications to Earthquake Engineering.