Bir İskele Yapısının Operasyonel Modal Analizi (OMA) ve Yapısal İzlemesi
Sistem, yapı üzerine yerleştirilmiş ve ölçüm zincirini oluşturmak üzere birbirine bağlanmış, dahili MEMS ivmeölçerlere (IOLITEd 3xMEMS-ACC Dewesoft IOLITEd DAQ cihazları) sahip bir dizi entegre sinyal koşullandırıcı kullanıp dinamik tepkisini tespit ederek yapısal koşullarını zaman içinde kontrol etmeyi sağlar.
Kuzeybatı İtalya'nın Liguria bölgesindeki Savona Vado limanı Akdeniz'in en kuzeyinde Cenova'nın batısında yer almaktadır. Bu büyük endüstriyel ve ticari limanda kömür ve petrol yükleme ve boşaltma için iskeleler ve feribot hizmetleri sağlayan bir terminal bulunmaktadır.
Burada, yapısal sağlık izleme sistemleri, önemli deniz dalgalarının etkisine maruz kaldığında yapının davranışını doğrulamak için Vado Ligure'deki 800 metre uzunluğundaki bir iskeleye kurulmuştur.
Modal Analiz ve OMA
Modal analiz, yapıların doğal dinamik davranışını anlamak ve optimize etmek için hayati önem taşır. Yapılarda, neredeyse tüm titreşim sorunları, rezonans davranışıyla ilişkili yapısal zayıflıklarla, operasyonel kuvvetler tarafından uyarılan doğal frekanslarla ilgilidir.
Birçok inşaat mühendisliği ve mekanik yapı için, fiziksel boyutları, şekilleri veya konumları nedeniyle çekiç veya sarsıcı kullanarak uyarma uygulamak zordur. Ayrıca, inşaat mühendisliği yapılarında dalgalar, rüzgar veya trafik gibi çevresel kuvvetler etkilidir. Bu doğal giriş kuvvetleri kolayca kontrol edilemez veya doğru şekilde ölçülemez. Bununla birlikte bazı durumlarda, yapının modal özelliklerini belirlemek için gerçek çalışma ve sınır koşulları altında yapının doğal uyarımı tercih edilir.
Operasyonel Modal Analiz (OMA), gerçek çalışma koşulları altında (yapay uyarım olmadan) doğru modal tanımlama için yalnızca test yapılarının tepkilerinin ölçülmesine dayanır ve genellikle yapının yapay uyarımını kontrol etmenin zor veya imkansız olduğu durumlarda kullanılır.
OMA; Operasyonel Modal Analiz olarak bilinmektedir ve üzerinde doğal veya bilinen eğilimler oluşturulmadan analiz edilecek yapının tek bir yanıtı olduğu için “Yalnızca Çıktı” olarak da adlandırılmaktadır. Uygun modal çıkarım algoritmaları ile işlenen bu veriler, uygun modal parametre tanımlamasına da izin verir.
Bir yapının tüm dinamik davranışı, her biri karakteristik bir doğal frekansa, sönüme ve mod şekline sahip bir dizi bireysel titreşim modu olarak görülebilir.
Yapıyı modellemek için frekans alanındaki sistemlerin bu dinamik özelliklerini, modal parametreler kullanılarak, belirli rezonanslardaki sorunlar analiz edilebilir ve daha sonra çözülebilir.
Bir modal tanımlama, bir yapının modal parametre özelliklerini belirler. Bu parametreler, ilgili sönümleme ve modal formlarla birlikte yapının belirli frekanslarıdır. Modal parametrelerin bilinmesi, dış uyarımın bir fonksiyonu olarak yapının tepkisinin tahmin edilmesini sağlar.
Aslında yapının titreşim modları, belirli bir frekansta gerildiğinde yapıyı oluşturan elemanların göreceli hareketleri hakkında bilgi sağlar. Yapı, birden fazla frekansı uyaran bir etkiye maruz kalırsa, yapının titreşim şekli, uyarıcı titreşim modlarının kombinasyonundan kaynaklanacaktır.
Dolayısıyla bu parametreler, hesaplama modellerinin doğrulanması, kalibrasyonu veya teşhis amacıyla kullanılabilecek yapının bir tür dinamik “kimlik kartını” oluşturur ve uzun vadeli yapısal izlemede bir temel çizgi sağlar.
Ölçümler
Dinamik parametrelerin tespiti, T0 (T-sıfır) zamanının kesin bir anına atıfta bulunarak yapısal koşulların sürekliliğini doğrulamayı mümkün kılar. Genel olarak, yeni yapılar için bu T0 zamanı test sırasında alınabilirken, mevcut yapılar için yapısal güvenlik koşullarının bir değerlendirmesinin yapıldığı ve ilk ölçümlerin zaman anı olarak alınabilir.
Bu özel durumda, veriler sistem tarafından 28 Aralık 2018’de direklerden birinde onarım çalışmalarının tamamlandığı iki ayrı günde kaydedilmiştir. Bu sayede rehabilitasyon müdahalelerinin etkileri değerlendirilebilmiş ve onarım müdahalesinden sonra yapının dinamik özelliklerine ilişkin güncel bir resim elde edilebilmiştir. Bu resim daha sonra zaman içinde koruma durumunun kontrolü için bir referans olarak kullanılmıştır.
Ölçümler için seçilen dinamik büyüklük, iskele başındaki platformun yüzeyinde düzenlenmiş bazı noktalarda ivme açısından yapının verdiği tepkidir. Özellikle, iskele platformunun plan şeklinin dört köşesinde yer alan ve A – D harfleriyle adlandırılan noktalar enstrümante edilmiştir.
Her ölçüm noktası bir ölçüm cihazı ile konumlandırılmıştır.
(IOLITEdi 3xMEMS-ACC)
XY eksenleri yatay düzlem ve dikey Z ekseni yönlerine göre yönlendirilmiş üç eksenli bir ivmeölçer kullanılmıştır. Özellikle, platformun plan düzenine atıfta bulunarak, X ekseni iskelenin gelişim eksenine ortogonaldir ve Y ekseni ikincisine paraleldir.
Yapının dinamik karakterizasyonu için, 6 Aralık 2018 ve 4 Ocak 2019 tarihlerinde, platformun B1 direğinin rehabilitasyonundan önce ve sonra olmak üzere iki ayrı günde ivmeölçer ölçümleri yapılmıştır. Her gün için sensörlerden 60 dakikalık bir süre boyunca sinyal alınmış ve bu aralıktaki ivmeölçer tepkisine göre yapının modal karakteristikleri belirlenmiştir.
Ölçümler 100 örnek/s’ye eşit bir örnekleme frekansı ile gerçekleştirilmiştir. Uygun bir anti-aliasing analog filtre kullanılmış ve bunun sonucunda yaklaşık 40 Hz’e kadar bir bant genişliği elde edilmiştir. Bu, incelenen yapı için beklenen frekanslarla ilgili yeterli bir frekans bandına sahip olunmasını sağlamıştır.
“Dewesoft titreşim sinyallerini zaman alanında kaydederken, DewesoftX yazılımı kaydedilen sinyali Fourier dönüşümü kullanarak frekans alanına dönüştürür.”
“Şekil 2. Kurulu enstrümantasyonun fotoğrafları.”
Şekil 3. İskelenin tel kafes geometrik modeli
Basit bir geometrik model, uzayda düzenlenmiş düğümlere karşılık gelen ve çizgilerle birbirine bağlanan ölçüm noktalarına göre tek çizgili bir diyagram, şeklin algılanmasını daha doğrudan hale getirir.
Modal formların görselleştirilmesini iyileştirmek için, basitleştirilmiş tek telli diyagrama (tel çerçeve),destek direklerinin taban bölümlerini simüle eden ölçülen fiziksel A – D noktaları ile ek noktalar eklenmiştir.
Bu özet, 6 Aralık 2018 ve 4 Ocak 2019 tarihlerinde gerçekleştirilen ölçümlerin sonuçlarının frekans, sönümleme ve ilgili modal formun yaygın yönü açısından elde edilen analizlerin hızlı bir şekilde karşılaştırılmasını sağlamaktadır.
| Form | f [Hz] 6/12/2018 |
f [Hz] 4/01/2019 |
z [%] 6/12/2018 |
z [%] 4/01/2019 |
| Translasyonel X | 1,171 | 1,224 | 1,15 | 1,10 |
| Burulma | 1,303 | 1,385 | 1,22 | 2,27 |
| Roto translasyonel Y | 1,453 | 1,514 | 1,69 | 1,85 |
| Translasyonel Y | 1,717 | 1,845 | 2,24 | 1,78 |
Tablo 1. Referans ölçüm sonuçları. Referans ölçüm sonuçlarının özeti.
B1 direğinde gerçekleştirilen onarım operasyonunun ardından 4 Ocak’ta ivmeölçer tepkisinin ölçülmesinden itibaren belirlenen frekanslar, %4 ila 7 arasında bir artışla 6 Aralık’ta belirlenenlerden daha yüksektir. İki detaylandırma arasında modal formların değişmediği görülmektedir. Bu nedenle, yapının bu çalışmasının modal parametreleri, direklerin restorasyonunu takiben rijitlikte bir artış olduğunu göstermektedir.
Şekil 4. Öteleme modal formu X
Şekil 5. Burulma formu
Şekil 6. Roto öteleme modal formu Y
Şekil 7. Öteleme modal formu Y
Sonuç
Bu yöntem, yapının belirli frekanslarının düzenli aralıklarla hesaplanmasını ve dolayısıyla yapının sürekli olarak izlenmesini ve referans olarak alınan ilk zamanda elde edilen verilerle karşılaştırılmasını sağlar.
Çok düşük maliyetleri ve kısa gerçekleştirme süreleri nedeniyle, Operasyonel Modal Analiz (OMA) metodolojisi inşaat mühendisliği sektöründe bir yapının dinamiklerini karakterize etmek için giderek daha fazla kullanılmaktadır.