ÇEVRESEL GÜRÜLTÜNÜN DEĞERLENDİRİLMESİ MATLAB PROGRAMI Süleyman TUNÇ 1, Berna TUNÇ 2, Deniz ÇAKA 3 ve R. Çağın YALÇINTEPE 4 1 Elektronik ve Hab. Yük Müh.,Sentez Yer ve Yapı Müh. Tic. Ltd. Şti., İstanbul 2 Yrd. Doç. Dr., Jeofizik Müh. Bölümü, Kocaeli Üniversitesi, Kocaeli 3 Araş. Gör., Jeofizik Müh. Bölümü, Kocaeli Üniversitesi, Kocaeli 4 Jeofizik Mühendisi, Sentez Yer ve Yapı Müh. Tic. Ltd. Şti., İstanbul ÖZET: Email: stunc@syy.com.tr Bu çalışma, Çevre ve Orman Bakanlığının, Çevresel Gürültünün Değerlendirilmesi ve Yönetimi Yönetmeliği (2002/49/EC), (19.04.2016 Tarih ve 26144 sayılı Resmi Gazetede ki değişiklikler işlenmiştir.), beşinci bölüm Çevresel Titreşim Esas ve Kriterleri içerisinde yer alan Yerleşim alanlarında çevresel kaynaklar için titreşim kriterleri madde 29 da açıklanan kriterlerin sağlanıp sağlanmadığını değerlendirmek üzere yapılmıştır. Bu kriterler üç ana başlıkta toplanmıştır. Bunlar; maden ve taş ocakları ile benzeri faaliyette bulunulan alanlardaki patlamaların etkisi, inşaatlarda kazık çakma ve benzeri titreşim yaratacak operasyonlar ile ağır inşaat makinelerinin neden olacağı titreşimlerin etkisi (sürekli ve kesikli titreşim) ve konut ve ofis olarak kullanılan binalarda, makine ve teçhizatın (elektrik motoru, pompa, fan ve benzeri.) neden olacağı titreşimlerin etkisidir. Bu çalışmada hazırlanan program hem hız ölçer (Güralp marka yada SARA marka) hem de ivme ölçer cihazlarından (Güralp marka yada SARA marka) gelen verileri gerçek zamanlı değerlendirmek ve yönetmelikte istenen kriterlere göre çizim yaparak çıktı vermek üzere hazırlanmıştır. ANAHTAR KELİMELER: Güralp, Sara, ivmeölçer, kuvvetli hareket, hız ölçer, zayıf hareket, çevresel gürültü.
ABSTRACT: A MATLAB CODE FOR EVALUATING ENVIRONMENTAL NOISE This study has been done for evaluating whether the criteria is met in statutory by Environment and Forest Ministry on evaluation of environmental noise and management (2002/49/ EC), (committed changes in Official Gazette Date 04.19.2016 and law no 26144) explained in article 29 seism criteria for environmental sources in settlement area in fifth section Basis environmental seism criteria. These criteria are summarized in three main headings. These are; affect of the blasts in mines and quarries and have similar activity areas, seism caused by pile driving and similar operations and heavy-duty machines (continuous and discrete seism) and seism caused by machinery (electric engine, pump, fan, etc.) in residences and offices. The software in this study designed for drawing and printing online data which acquisition both velocity meter (Güralp and/or SARA trademark) and accelerometer (Guralp and/or SARA trademark) given the criteria in statutory. KEYWORDS: Güralp, Sara, Accelerometer, Strong Motion, Velocity meter, Weak motion, enviromental noise
1. GİRİŞ Her ülkenin kendine özgü bir çevresel gürültü değerlendirme yönetmeliği ve bu yönertmeliğe göre çalışan Çevresel Gürültü Değerlendirme programı (CGD) mevcuttur. Ülkemizde, Çevre ve Orman Bakanlığının, Çevresel Gürültünün Değerlendirilmesi ve Yönetimi Yönetmeliği (2002/49/EC), (19.04.2016 Tarih ve 26144 sayılı Resmi Gazetede ki değişiklikler işlenmiştir.), beşinci bölüm Çevresel Titreşim Esas ve Kriterleri içerisinde yer alan Yerleşim alanlarında çevresel kaynaklar için titreşim kriterleri madde 29 da açıklanan kriterlerin sağlanıp sağlanmadığını değerlendirmek üzere yazılmış milli bir yazılımımızın olmamasından dolayı genellikle Avrupa standartları üzerinden çalışan programlar kullanılmıştır. Bu çalışma, bu ihtyacı karşılamak amacıyla, sismolojik sensörler kullanılarak ülke kriterlerini değerlendirmek amacı ile yazılmıştır. Bu kriterler üç ana başlıkta toplanmıştır. Bunlar; maden ve taş ocakları ile benzeri faaliyette bulunulan alanlardaki patlamaların etkisi, inşaatlarda kazık çakma ve benzeri titreşim yaratacak operasyonlar ile ağır inşaat makinelerinin neden olacağı titreşimlerin etkisi (sürekli ve kesikli titreşim) ve konut ve ofis olarak kullanılan binalarda, makine ve teçhizatın (elektrik motoru, pompa, fan ve benzeri.) neden olacağı titreşimlerin etkisidir. Bu çalışmada hazırlanan program hem hız ölçer (Güralp marka ve/veya SARA marka) hem de ivme ölçer cihazlarından (Güralp marka ve/veya SARA marka) gelen verileri gerçek zamanlı değerlendirmek ve yönetmelikte istenen kriterlere göre çizim yaparak çıktı vermek üzere hazırlanmıştır. 2. TİTREŞİM 2.1. Titreşim Nedir? Küçük ve hızlı salınımlara verilen genel isimdir. Bir cismin sürekli olarak aynı yönde gidiş geliş hareketi. Genellikle esnek bir ortam maddeciklerinin denge noktalarının bozulmasıyla oluşur. Denge durumunu bozucu kuvvet ortadan kalktığında cisim yeniden eski biçimini alacak biçimde salınım hareketi yavaşlamaya başlar. Titreşimin frekansı temelde, titreşimi oluşturan cismin ağırlığına ve esnekliğine bağlıdır. Bu bağımlılık ilişkisi cismin esnekliğiyle doğru, cismin ağırlığıyla ise ters orantılıdır. Yani belli bir ağırlıkta cisim ne kadar esnekse titreşim frekansı o kadar büyük ve ağırlık ne kadar çoksa titreşim frekansı da o kadar düşük olur. Titreşimin frekansı büyüdükçe gözle algılanması da güçleşir. Eğer yapılan salınım hareketi T saniyede kendini tekrar ediyorsa böyle hareketlere peryodik hareket denir. En basit peryodik hareket harmonik hareket adını alır. Şekil 1. Basit harmonik hareket. Çevresel titreşim: Maden ve taş ocakları, ulaşım araçları, sanayi ve inşaat makineleri ve benzeri işlemlerden doğan ve yapılarda kullanım alanı dışında başka maksatlarla kullanılan hacimlerdeki faaliyetler sırasında oluşan genellikle katı, sıvı ve gaz ortamlarda yayılan ve insan vücudunca hissedilen mekanik salınım hareketleridir.
Titreşim şu şekilde sınıflandırılabilir; Sönümsüz ve sönümlü titreşimler: Eğer sistemde sürtünme veya benzeri dirençler sebebi ile enerji kaybı ve sönümüne sebep olacak bir etki yok ise titreşim problemi sönümsüz (undamped) olarak adlandırılır. Eğer sistemde sönüm mevcut ise sistem sönümlü (damped) olarak adlandırılır. Titreşim problemlerini incelerken sönüm ihmal edilerek çözüm basitleştirilebilir, fakat sönüm etkileri özellikle rezonans durumu için oldukça önemlidir. Serbest ve zorlanmış titreşimler: Eğer sistem ilk şartlar neticesinde titreşiyor ise (t>0 için sisteme etki eden dış zorlama yok) sistem titreşimlerine serbest titreşim adı verilir. Eğer sistem dış zorlama etkisi ile titreşiyor ise oluşan titreşimlere zorlanmış titreşim adı verilir. Lineer ve lineer olmayan (nonlinear) titreşimler: Eğer titreşim yapan sistemin tüm bileşenleri doğrusal (lineer) davranışa sahip ise oluşan titreşimlere lineer titreşim adı verilir. Eğer sistem elemanlarından herhangi biri doğrusal olmayan davranışa sahip ise oluşan titreşimlere lineer olmayan (nonlinear) titreşim adı verilir. Bu tip sistemlerin hareketini ifade eden diferansiyel denklemler lineer olmayan formdadır. Birçok titreşim sistemi, büyük titreşim genlikleri için lineer olmayan davranışa sahiptir. 2.2. Titreşim Nedenleri, Kaynakları ve Etkileri Sistemlerdeki titreşimler; dış kuvvetler ve sistemin bu dış kuvvetlere cevap verme özelliğinden kaynaklanır. Dış Kuvvetler; Sistemin bağlı olduğu temelden gelen kuvvet Dönen sistemlerde dengelenmemiş kütleler, Motorlarda gidip-gelen kütleler, Darbe, deprem, vb. nedenlerle oluşan herhangi bir kuvvet olabilir Titreşim kaynakları; her türlü endüstriyel makine, karayolu ve raylı ulaşım araçları, binalarda kullanılan makine ve teçhizat, vb. hareketli sistemler titreşim kaynakları olarak görülmektedir. Titreşimin etkileri; gürültü, yüksek gerilmeler, Aşınma malzeme yorulması gibi istenmeyen sonuçlara neden olurlar. Titreşime maruz kalan insanlarda; fiziksel ve psikolojik rahatsızlıklar (yorgunluk, dikkat azalması, ortopedik rahatsızlıklar, sakatlıklar, iş kazaları, vb.),yaşam kalitesinde olumsuz etkiler, çalışma performansının azalmasına neden olur. Yapılarda, köprülerde vb oluşturduğu hasarların başlama sınırlarındaki, titreşim ivmesi, hızı, genliği, frekansları ve etkilenme süresi gibi parametrelerle ortaya konulmuş kriterler Titreşimden Etkilenme Sınırını ifade eder. Frekans Aralığı İnsan yapısı kaynaklar nedeni ile oluşan titreşim : 1.0-150 Hz Deprem gibi doğal kaynaklar nedeniyle oluşan titreşim : 0.1 30. Hz Rüzgar uyarması nedeniyle oluşan titreşim : 0.1 2 Hz
Tablo 1. Çeşitli kaynaklar için tipik yapısal yanıt aralığı Titreşim kaynakları Frekans Aralığı Hz Genlik Aralığı um Noktacık Hız Aralığı mm/s Noktacık ivme Aralığı mm/s^2 Zaman karekteristiği Ölçüm miktarı Trafik 1-80 1-200 0.2-50 0.02-1 Sürekli/Geçici PVTH Patlatma " 100-2500 0.2-500 0.02-50 Geçici PVTH Kazık Çakma 1-100 10-50 0.2-50 0.02-2 Geçici PVTH Dış mekan makinalar 1-300 10-1000 0.2-50 0.02-1 Sürekli/Geçici PVTH/ATH Ses 10-250 1-1100 0.2-30 0.02-1 Sürekli PVTH/ATH Aşırı hava basıncı 1-40 Geçici PVTH İç mekan makinalar 1-1000 1-100 0.2-30 0.02-1 Sürekli/Geçici PVTH/ATH İnsan kaynaklı a) Darbe b) Doğrudan 0.1-100 0.1-12 100-500 100-5000 0.2-20 0.2-5 0.02-5 0.02-0.2 Geçici PVTH Depremler 0.1-30 10-10^5 0.2-400 0.02-20 Geçici PVTH Rüzgar 0.1-10 10-10^5 Geçici ATH PVTH : Particle velocity time history ATH : Acceleration time history 2.3. Temel Kavramlar 2.3.1. Serbest titreşim Bir sistemin üzerinde hiç bir kuvvet yokken, sadece başlangıçta uygulanan bir kuvvet veya hareket nedeniyle yaptığı titreşimlerdir. Şekil 2. Serbest titreşim
2.3.2. Periyodik titreşim Kendisini belirli bir zaman sonra tekrar eden titreşim şeklidir. Periyot; hareketin kendisini tekrar ettiği zaman aralığıdır, (T). Salınım; periyodik titreşimin bir periyotluk bölümüdür. Frekans; birim zamandaki salınım sayısıdır. Frekans ve periyot arasında ters bir ilişki vardır. Salınım/saniye şeklinde ifade edilen frekans birimi Hertz (Hz) olarak adlandırılır. Harmonik titreşim; Bir sinüs dalgası şeklinde değişen titreşim hareketidir. Titreşim genliği üç farklı biçimde ifade edilir. Peak to Peak (P-P) (iki tepe arasındaki uzaklık): Kütlenin titreşim esnasında ulaştığı iki uç nokta arasındaki uzaklıktır ve değeri 2*Apeak'dır. Tepeden tepeye mesafe titreşimin genliğinin alacağı en büyük ve en küçük değerleri gösterdiğinden özellikle titreşim yerdeğiştirmesinin önemli olduğu veya en büyük gerilmelerin dikkate alınması gerektiği yada mekanik boşlukların önem taşıdığı yerlerde kullanışlıdır. Tepe değeri özellikle kısa zaman aralığında olan şok titreşimleri göstermesi açısından önemlidir. Zero to Peak (0-P): Denge konumu ile tepe noktası arasındaki uzaklıktır ve değeri Apeak'dır. RMS (Root mean square-kareler toplamının karekökü): Titreşimin efektif değeridir. Elinizi titreşim yapan makina üzerine koyduğunuzda hissettiğiniz titreşim seviyesidir. Basit harmonik harekette 0-P değerinin 0.707 katıdır, değeri 0.707*Apeak dir. Ortalama değer zaman içindeki değişimi de gözönüne almakla beraber uygulamadan fiziki bir değere doğrudan doğruya bağlaştırılmadığından fazlaca bir önem taşımaz. RMS değeri ise titreşim ölçümlerinde en uygun değeridir. Bunun sebebi titreşimin zamana bağlı olarak değişmesini de dikkate almakla beraber, titreşimin içerdiği enerji miktarı, yani titreşimin tahrip gücüyle doğrudan bağlandırılabilir. 2.4. Çevresel Titreşim Esas ve Kriterleri Şekil 3. Harmonik hareket ve tanımlamalar Yerleşim alanlarında çevresel kaynaklar için titreşim kriterleri Madde 29 Çeşitli titreşim kaynaklarının neden olacağı çevresel titreşimin kontrol altına alınmasına ilişkin esaslar aşağıda belirtilmiştir: a) Maden ve taş ocakları ile benzeri faaliyette bulunulan alanlardaki patlamaların çevredeki yapılara zarar vermemesi için, en yakındaki yapının dışında, zeminde ölçülecek titreşim düzeyi Tablo 2 de verilen değerleri geçemez. Ölçümler üç yönde yapılır ve bunlardan en yüksek olanı alınır. Titreşimler 1/3 oktav bantlarında tepe değeri olarak ölçülür.
Tablo 2. Maden ve taş ocakları ile benzeri alanlarda patlama nedeniyle oluşacak titreşimlerin en yakın yapının dışında yaratacağı zemin titreşimlerinin izin verilen en yüksek değerleri (Tablo 9) Titreşim Frekansı (Hz) İzin Verilen En Yüksek Titreşim Hızı (Tepe Değeri-mm/s) 1 5 4-10 19 30-100 50 1 Hz- 4 Hz arasında 5 mm/s den 19 mm/s ye; 10 Hz- 30 Hz arasında 19 mm/s den 50 mm/s ye, logaritmik çizilen grafikte doğrusal olarak yükselmektedir) Şekil 4. Maden ve taş ocakları b) İnşaatlarda kazık çakma ve benzeri titreşim yaratacak operasyonlar ile ağır inşaat makinelerinin neden olacağı titreşimlerin çevrelerindeki yapılara zarar vermemesi için, en yakındaki yapının dışında, zeminde ölçülecek titreşim düzeyi Tablo 3 de verilen değerleri geçmez. Ölçümler, üç yönde yapılır ve bunların en yüksek olanı alınır. Titreşimler 1/3 oktav bantlarında tepe değeri olarak ölçülür.
Tablo 3. İnşaatlarda kazık çakma ve benzeri titreşim yaratan operasyonların ve inşaat makinelerinin en yakın yapının dışında yaratacağı zemin titreşimlerinin izin verilen en yüksek değerleri (1 Hz- 80 Hz arasındaki frekans bantlarında), (Tablo 10) İzin Verilen En Yüksek Titreşim Hızı (Tepe Değeri-mm/s) Sürekli Titreşim Kesikli Titreşim Yerleşim Bölgelerinde 5 10 Sanayi ve Ticari Bölgelerde 15 30 Şekil 5. Yerleşim yerlerinde inşaatlarda kazık çakma, sürekli.
Şekil 6. Yerleşim yerlerinde inşaatlarda kazık çakma, kesikli. Şekil 7. Sanayi bölgelerinde inşaatlarda kazık çakma, sürekli.
Şekil 8. Sanayi bölgelerinde inşaatlarda kazık çakma, kesikli. c) Konut ve ofis olarak kullanılan binalarda, makine ve teçhizatın (elektrik motoru, pompa, fan ve benzeri.) neden olacağı titreşimler Tablo 4 de verilen sınır değerlerini geçemez. Bu değerlerin üzerinde titreşim yaratan makine ve teçhizat için, başta titreşim yalıtımı olmak üzere gerekli teknik önlemler alınarak, binada ölçülen titreşimlerin sınır değerlerin altına indirilir. Titreşim ölçümü titreşimin en fazla olduğu odada ve noktada üç yönde yapılır ve en yüksek değer esas alınır. (Binaların yakınından geçen demir yolu ve kara yolu ulaşım araçları ile, yerleşim bölgesi yakınındaki sanayi tesislerinin binalarda yaratacağı titreşimler için de bu sınır değerleri kullanılır.) Titreşimler 1/3 oktav bantlarında rms değeri olarak ölçülür. Tablo 4. Binalarda, bina içindeki makine ve teçhizatın yaratacağı titreşimlerin sınır değerleri, (Tablo 11). Titreşim Frekansı (Hz) İzin Verilen En Yüksek Titreşim Hızı (rms değer-mm/s) Konutlarda 1* 1.5 8-100 0.3 Ofislerde 1** 8-100 3.5 0.6 1Hz-8 Hz arasında, 1.5 mm/s den 0.3 mm/s ye logaritmik çizilen grafikte doğrusal olarak azalmaktadır. 1Hz-8 Hz arasında 3.5 mm/s den 0.6 mm/ s ye logaritmik çizilen grafikte doğrusal olarak azalmaktadır.
Şekil 9. Konutta, bina içlerinde makine ve teçhizat Şekil 10. Ofisde, bina içlerinde makine ve techizat
3. TİTREŞİM ÖLÇÜMÜ Yönetmeliğe göre titreşim ölçüm parametresi mm/s cinsinden titreşim hızı tepe değeridir. Titreşim ölçüm cihazları; Hız ölçerler ve İvme ölçerler olarak sınıflandırılabilir. Bu çalışmada Guralp ve SARA marka hız ve ivme ölçerler kullanılmıştır. Şekil 11. Guralp marka 6TD hız ölçer Şekil 12. Guralp marka 5TDE ivme ölçer
Şekil 13. SARA marka SR04S3 hız ölçer Şekil 14. SARA marka Acebox ivme ölçer
4. CGD PROGRAMI Program Matlab alt yapısı kullanılarak yazılmıştır. Programın akış şeması aşağıda açıklanmıştır. Şekil 15 Algoritma
5. ÖRNEK 05.12.2016 tarihinde İzmir-Hatay Üçkuyular Vergi Dairesi nde yapılan ölçüm sonuçlarına ait rapordur. Ölçümler sırasında sahada bir adet ivmeölçer (Accelerometer) kullanılmıştır. Sensör (5GQ0), 5 farklı katta, 5 noktaya konularak 100 sps de veri alınmıştır. Her noktada iş makinası OFF konumda ve ON konumda olmak üzere 20 şer dakikadan iki ayrı kayıt alınmıştır. Verilerin alımı sırasında; yer değiştirilen sensörün senkronizasyonunun bozulmaması için gücü kesilmemiş olduğundan yer değiştirme sırasında sensörün aşırı hareketi de kayıt edilmiştir. Bu kayıtlar değerlendirmeye alınmamıştır. Şekil 16 İş makinaları ve Sensör konumu
Verilere ait PGA Değerleri Şekil 17. Kaydedilen veri PGA 8. Kat Makina OFF 8. Kat Makina ON E N Z E N Z 0.61 mg 0.75 mg 1.06mg 0.75 mg 0.77 mg 1.89 mg 6. Kat Makina OFF 6. Kat Makina ON E N Z E N Z 3.03 mg 1.51 mg 10.26 mg 0.52 mg 0.47 mg 2.86 mg 4. Kat Makina OFF 4. Kat Makina ON E N Z E N Z 0.96 mg 0.82 mg 1.79mg 0.91 mg 0.66 mg 1.30 mg 2. Kat Makina OFF 2. Kat Makina ON E N Z E N Z 0.84 mg 2.01 mg 11.02mg 0.99 mg 1.57 mg 16.94 mg Nokta zemin Makina OFF Nokta zemin Makina ON E N Z E N Z 1.93 mg 0.86 mg 1.95mg 1.37 mg 2.41 mg 5.17 mg
Şekil 18. Veri alımı
Şekil 19. Scream programından veri seçilerek CGD programı çağrılıyor. Şekil 20. CGD Ana menü
Şekil 21. İvmeden hıza dönüştürülmüş veri ve rapor seçim ekranı Şekil 22. Sonuç
KAYNAKLAR Titreşim ile ilgili temel bilgiler, Fizik Mühendisleri Odası notları. Mekanik titreşimler ders notları, Yrd. Doç. Dr. Zeki KIRAL, DEU, Müh.Fak. Makine Müh. Bölümü Çevresel Gürültünün Değerlendirilmesi ve Yönetimi Yönetmeliği (2002/49/EC) (19/04/2006 Tarih ve 26144 sayılı Resmi Gazete de ki değişiklikler işlenmiştir.)