Asma Köprülerde Dinamik Ölçümler

Şili Bayındırlık Bakanlığı, mühendislik yapılarının tasarımlarını denetlemek, test etmek ve doğrulamak için özel şirketlerle anlaştı. Güney Otoyolu, Carretera Austral, güney Şili’nin Aysén bölgesinde yer almaktadır.

HochBau , otoyoldaki iki asma köprüde yapılan yük testleri sırasında dinamik ölçümler yapmakla görevlendirildi. Çevresel koşullar, yapısal tasarımlar ve zaman parametrelerinden dolayı koşullar zorluydu ancak IOLITE 3xMEMS-ACC pratik ve uygun maliyetli bir çözüm sundu. Ölçüm için, tek bir ethernet kablosu üzerinden veri ve güç taşıyan bu düşük gürültülü üç eksenli MEMS ivmeölçer serisi kullanıldı.

Finis Terrae – Dünyanın Sonuna Giden Yol

Güney Otoyolu olarak da bilinen Carretera Austral, güney Şili’nin Aysén bölgesinin ulaşım altyapısında önemli bir yere sahiptir. Muhteşem manzaraları ve özellikle sert iklimi ile tanınan, uluslararası ve yerel maceraperestler için önemli bir turistik merkezdir.

Otoyol, Puerto Montt’tan güneye, Villa O’Higgins’e kadar yaklaşık 1.240 kilometre boyunca Patagonya kırsalından geçer. Bu bölgeler düşük nüfusludur ama yine de, Carretera olmasaydı, burada yaşayanların ülkenin kuzeyiyle kara bağlantısı olmazdı.

Ayrıca, hareketli engebeli coğrafyası ve büyük nehirleri – Şili’nin kuzey “nehirlerinin” aksine, aslında tüm yıl boyunca su getiren – Carretera’yı nehirler üzerinde büyük asma köprülere ve daha büyük fiyortlarda feribotlara sahip olmaya zorlamaktadır.

Carretera Austral’ın altyapısının çoğu 1990’larda inşa edilmiş veya genişletilmiştir. Bu nedenle kapsamlı bir inceleme ve analiz yapılması gerekiyordu. Aysén bölgesindeki ana asma köprülerin mevcut durumunu değerlendirmek için Bayındırlık Bakanlığı (MOP), kamu ihaleleri yoluyla özel şirketleri, tasarımlarını incelemek, test etmek ve doğrulamak için işe aldı.

Bu plan kapsamında MOP, La Junta kasabası yakınlarındaki Palena ve Rosselot köprülerinin değerlendirilmesi için büyük yol inşaat şirketi R&Q’yu görevlendirdi. R&Q da yapısal tasarım değerlendirmesi için COWI’yi, inceleme için MRH’yi ve yük testleri sırasında dinamik ölçümler için HochBau’yu görevlendirdi.

Palena ve Rosselot, sırasıyla 150 m ve 130 m serbest uzun açıklıklara sahip asma köprülerdir ve kabloları destekleyen iki metalik kuleye sahiptir. Betonarme köprü makasları ana kablolardan sarkan dikey çubuklarla desteklenmektedir. Köprü makaslarına 2,1 m yüksekliğindeki iki yanal metalik kafes kiriş ile takviye sağlanmıştır.

İnceleme çalışmaları, takviye makaslarının bağlantılarının yakınında birkaç kırık ve başka hatalar tespit edildi. Ayrıca, çoğu asma köprünün aksine, tabliyelerde açıklık boyunca düzensiz ve kenarları aşınmış birkaç genleşme derzi tespit edildi.

Palena Köprüsü

Rosselot Köprüsü

Köprüler üzerinde gerçekleştirilen yük testlerinin bir parçası olarak HochBau, köprülerin dinamik tepkilerini ölçmek üzere görevlendirildi. Yük testleri 23 tonluk üç akslı bir yük kamyonu ile gerçekleştirilmiştir.

Rosselot Köprüsü Üzerinde Üç Akslı Bir Yük Kamyonu

Tanımlanan üç yük testi:

1. Statik Yük Testi: Kamyon, köprü uzunluğunun ¼, ½ ve ¾ ‘üne park edilir ve köprünün yer değiştirmesi ölçülür.
2. Dinamik Yük Testi: Kamyon köprüden her iki yönde 5km/saat, 15km/saat ve 25km/saat hızla geçerken dinamik ölçümler yapılır. Bu testler sırasında dinamik tepkiler kaydedilir.
3. Ortam Titreşim Ölçümleri: Köprülerin tepkileri ortam uyarımı (rüzgar, nehir, düşük trafik vb.) altında kaydedilir. Sonuçlar doğal frekansları ve mod şekillerini (OMA) belirlemek için kullanılır.

Dinamik Yük Testleri ve Ortam Titreşim Ölçümleri sırasındaki ölçümler HochBau tarafından gerçekleştirilmiştir. Köprü uzunluğunun ¼, ½ ve ¾ ‘ünün her iki tarafında olmak üzere altı noktada ivme ölçümü yapılması konusunda işveren ile anlaşmaya varılmıştır. Bu ölçüm için, en azından düşey ve enine yönler tüm noktalarda, boyuna olan yön ise en az 2 noktada ölçülmeliydi, bu da halihazırda en az 14 kanal gerektiriyordu.

Bu çalışmanın başarıya ulaşması için başta aşağıdaki engeller olmak üzere birçok engelin aşılması gerekiyordu.

1. Coğrafi Konum: La Junta, Şili’nin başkenti Santiago’ya 1415 km uzaklıktadır. Tüm ölçüm sistemlerinin, aletlerin ve tüm malzemelerin oraya arabayla götürülmesi gerekiyordu. Titiz bir planlama gerekiyordu; geride bir şey kalırsa, Aysén’de onu almamız mümkün olmazdı.
2. Kısıtlı Ön Hazırlık Süresi: Donanımın teslimatı zaman almaktadır. Pandeminin ve çip kıtlığının ortasında teslimat daha da fazla zaman almaktadır. Bildirimden projenin saha çalışmalarının yürütülmesine kadar geçen süre sadece iki ay olduğu için zaman kısıtlıydı.
3. Esnek Yapı: Teknik açıdan, hangi sensör teknolojisinin kullanılacağına karar verilmesi gerekiyordu; Piezoelektrik mi, MEMs’ler mi yoksa Kuvvet sensörleri mi? Köprülerin en düşük doğal frekanslarının bilinmesine rağmen sezgilerimiz bunların 1 Hz’in çok altında olması gerektiğini söylüyordu.
4. Köprü Uzunluğu: Köprülerin banketi olmadığı için yapı üzerinde bir kişinin ölçümleri kaydedip izleyebileceği bir yer bulunmuyor. Köprülerin uzunluğu uzun kablolar anlamına geliyordu. Analog kablolar kullanılacak olsaydı, en kısa kablo 40 m’nin üzerinde olabileceğinden DAQ’ların sensörlere yaklaştırılması gerekecekti.
5. Kurulum Süresi: Ölçüm sisteminin yük testlerinin yapılacağı gün kısa bir süre içinde kurulması ve ölçüme hazır hale getirilmesi gerekiyordu. Ekipmanın veya kabloların çalınma ihtimali olduğundan (en azından Latin Amerika’da) sistemin önceden kurulması bir seçenek değildi.
6. Hava Şartları: Şili büyük ölçüde kurak bir ülke olarak bilinir; hatta gezegendeki en kurak çöle ev sahipliği yapar. Buna rağmen, Aysén bölgesi dünyanın en yağışlı bölgelerinden bazılarıyla yarışır. Bölgede tüm yıl boyunca yağmur yağmasına rağmen, testler Güney Amerika’nın kış mevsiminin en yoğun olduğu Temmuz ayında gerçekleştirildi. Gökyüzünden düşen kovalar dolusu su ve neredeyse dondurucu sıcaklıklar mevcuttu.

Yukarıda bahsedilen tüm hususlar göz önünde bulundurularak, hem pratik hem de teknik bazı kararların alınması gerekmiştir. Ölçülecek düşük frekanslar nedeniyle ivmeölçerlerin bir DC bileşenine (yani 0 Hz) sahip olması gerekiyordu ve bu nedenle piezoelektrik sensörler göz ardı edildi.

MEMS ve Force Balance sensörleri arasında, ikincisi çok daha yüksek bir dinamik aralık sunar ve çok yüksek veya tabandan izole edilmiş bir bina ölçülüyor olsaydı ilk tercihimiz olurdu. Bununla birlikte, dinamik testler için her ikisi de uygundur. Ancak sinyal-gürültü oranı, ortam titreşim ölçümleri için yeterli olacak mıydı?

Bu kampanya için, MEMs’lerin 90 dB dinamik aralığı için bile harici ortam uyarımının yeterince büyük olacağını biliyorduk. Ama bir de kablolama meselesi var. Analog sensörler kullanılacaksa, DAQ’ların sensörlere yakın olması gerekiyordu; 45 m ile 105 m arasında değişen uzunlukta 14 kabloya sahip olmak, maliyet ve kabloların ölçülen sinyallere katacağı ek gürültü nedeniyle bir seçenek değildi.

Farklı İvmeölçer Teknolojilerinin Tipik Dinamik Aralıklarının Gösterimi

Neyse ki, pratik ve uygun maliyetli bir ölçüm çözümü elimizin altındaydı. IOLITE 3xMEMS-ACC, düşük gürültülü üç eksenli bir MEMS ivmeölçer ile bir ADC modülünü (yani yerel DAQ) nispeten küçük tek bir ekipman parçasında birleştirir. Ölçülen büyüklükler sensörde sayısallaştırıldığından, sonuçlar EtherCAT protokolü aracılığıyla ethernet kabloları (CAT5e veya CAT6) üzerinden dijital olarak sorgulanır.

EtherCAT protokolü, tüm sensörler arasında doğal zaman senkronizasyonu avantajına sahiptir ve ayrıca sensörleri seri olarak veya bir Beckhoff EtherCAT anahtarı ile aktarmaya izin verir. Ek olarak, sensörler Ethernet üzerinden Güç (PoE) özelliğini destekler, bu da her bir sensöre uzun kablolar üzerinden güç götürmek zorunda kalmadan, sorgulanan verileri taşıyan aynı kablo üzerinden sensöre güç verilmesini sağlar.

Ancak tüm bunların ötesinde, bu sensörleri kullanmanın hiç de akıllıca olmadığını gösteren bir diğer unsur da IP67 alüminyum muhafaza içinde satın alınabilmeleridir! Su geçirmez olması için ağ kablosunun RJ45 konektörünü kıvırmadan önce su geçirmez kablo rakorlarından geçirilmesi ve ardından alüminyum gövde kapağının kapatılması gerekir.

Şimdi, tüm bunlar için henüz çok heyecanlanmayın. Teslimat/tedarik zinciri sorununu hatırlıyor musunuz? Dewesoft’un üretim ve teslimat süresi, bu kadar kısa bir sürede, yalnızca üç su geçirmez MEM’in teslim edilmesine izin verdi. Neyse ki yerel tedarikçimiz Varitec bize üç adet MEMS sensör kiraladı.

Artık sadece iki sorunumuz kalmıştı:

• Kiralanan üç MEMS sensörünün nasıl su geçirmez hale getirileceği
• Üç su geçirmez MEM’in ethernet kablolarının yerinde açılmasının ve kıvrılmasının nasıl önleneceği

İkincisi de sahada uzun zaman alabilirdi! Eski usulü uygulamak zorunda kaldık, kiralanan MEMS sensörlerini plastik folyoya sardık ve 30 cm’lik ethernet kablolarını su geçirmez MEM’lere önceden taktık.

Daha uzun kablolarla bağlantı daha sonra RJ45 kuplörleri aracılığıyla yapıldı. Beton tabliyenin pürüzlülüğü nedeniyle MEMS’ler köprü tabliyesine cıvatalanmış kalın çelik plakalara sabitlendi.

Kullanılan MEMS İvmeölçerler (Solda iç mekan versiyonu, sağda su geçirmez versiyonu)

Tüm bunlardan sonra, sadece sistem düzeni eksikti. Varitec’in Teknik Destek Alanı ile birlikte, 250 m CAT6 hattı üzerinden bir zincir mimarisi seçildi, çünkü bu şekilde sadece bir PoE ve EtherCAT anahtarı gerekmeyecekti.

Aşağıdaki Şekil 7, örnek olarak Palena Köprüsü kullanılarak sensörlerin nereye yerleştirildiğini ve kabloların nasıl döşendiğini göstermektedir. Kablo, genleşme derzleri aracılığıyla üçüncü MEMs’ten dördüncü MEMs’e geçmiştir. Ölçüm yazılımının kuru ve güvenli bir yerde bir dizüstü bilgisayarda bulunması gerekiyordu, bu nedenle köprülerin girişlerine (kontrol istasyonu) yakın bir yere bir araba (SUV) park edildi ve buradan da benzinli bir mobil jeneratör kullanılarak sisteme güç sağlandı.

Palena Köprüsü Sensör Düzeni

Ancak yine de son bir sorun vardı. Ölçüm mühendisi araçtan köprünün güvertesini göremeyecek ve kamyonun geçişini görmeden, sadece telsiz iletişimine dayanarak körlemesine çalışacaktı. Bu nedenle köprülerin girişlerine bir USB web kamerası yerleştirildi ve DewesoftX ortamına entegre edildi. Köprülere olan 15 m’lik mesafe Ethernet üzerinden USB extender ile aşılmıştır.

Daha önce de belirtildiği gibi, hareketli kamyonun farklı hızlardaki ölçümleri ve ortam titreşim ölçümleri yapılmıştır.

Dinamik yük testleri sırasında yapılan ölçümler, köprülerin tepkisinin RMS değerlerinin hız ile doğrusal olarak arttığını ve dikey yönde en büyük olduğunu göstermiştir (25 km/sa’de yaklaşık 0,01 g). Bununla birlikte, kamyon geçerken, hızdan bağımsız olarak, dikey yönde 0,15 g’ye ve yanal yönde 0,06 g’ye ulaşan 14’e kadar tepe faktörü ile her zaman birkaç darbe olduğu da gözlemlenmiştir.

Senkronize web kamerası görüntülerinin gözlemlenmesiyle, darbelerin düzensiz ve yıpranmış genleşme derzlerinden kaynaklandığı veya en azından bu derzler tarafından güçlendirildiği sonucuna varılmıştır.

Dinamik Yük Testlerinin İzlenmesi (Solda) ve Ölçümler Sırasında Kullanılan Gösterge Panosu (Sağda)

Ortam titreşim kayıtları ile köprülerin doğal frekansları ve mod şekilleri belirlenmiştir. Örnek olarak Palena köprüsü kullanılmıştır, bkz. şekil 9-11. İlk yatay mod, yapısal sonlu eleman modeli tarafından tahmin edilenden çok daha düşüktü, ancak görsel inceleme sırasında tespit edilen yapısal eksiklikler hesaba katıldığında bu beklenen bir durumdu.

Ayrıca, ilk üç dikey mod net bir şekilde tanımlanmıştır. Bu sonuçlar, yapı mühendislerinin daha ileri analizler ve olası güçlendirme seçeneklerinin değerlendirilmesi amacıyla sonlu eleman modellerini kalibre etmeleri için değerli bir girdi olmuştur.

Palena Köprüsü’nün Yatay(solda) ve Burulma(sağda) Modları

Palena Köprüsü’nün 1. (solda) ve 2. (sağda) Dikey Modları

Palena Köprüsü’nün 3. Dikey Modu

Toparlayacak olursak, ölçüm koşulları konuma bağlı olarak büyük farklılıklar gösterebilir. Uzak yerlerdeki şiddetli yağmur da işin içine girdiğinde, sistem mimarisi ve lojistikle ilgili tüm ayrıntılar daha da büyük bir özen gerektiriyor.

Kamyonla yapılan yük testlerinin dinamik ölçümleri, asma köprülerin mevcut durumunu değerlendiren yapı mühendislerine değerli girdiler sağladı. Elde edilen veriler sayesinde, olası güçlendirme önerileri ve bunların daha uzun ömürlü olması, teorik bir modelden ziyade kalibre edilmiş bir sonlu eleman modeli ile değerlendirilecektir.

Bu saha kampanyası, köprülerin ve diğer kritik altyapıların izlenmesinin önemini vurgulamaktadır. Azalan teknoloji maliyeti ve uzak yerlerde bile artan bağlanabilirlikle (5G mobil ağlar ve Starlink), bugünün ve yarının köprüleri için sürekli ve kalıcı Yapısal Sağlık İzleme Sistemleri (SHM) tasarlamayı hedefliyoruz.

Not: Gerinim ölçer ve sıcaklık RTD’lerini içeren genişletilmiş bir sistem yakın zamanda Patagonya’da daha aşağıda bulunan diğer iki asma köprüde ölçümler için kullanıldı.