RMC Mühendislik, otoyol viyadükleri, tüneller ve köprüler gibi büyük yapıların dinamik karakterizasyonu ve uzun dönemli yapısal sağlık izlemesi için kapsamlı çözümler sunmaktadır. Bu kapsamda; doğal frekanslar, mod şekilleri ve sönümleme oranları gibi dinamik parametrelerin belirlenmesine olanak tanınmaktadır. RMC Mühendislik’in yaklaşımı, titreşim sensörleri, strain gage’ler ve yüksek hassasiyetli veri toplama (DAQ) sistemlerinden oluşan entegre izleme sistemleri ile gerçek çalışma koşullarında sürekli veri toplama ve analizini bir araya getirir.
Avrupa’nın en büyük bow-string köprülerinden biri olan Arnavutluk’un Kukës kentindeki Drinit Köprüsü, güçlü yanal rüzgârlar altında stabilitesinin korunabilmesi için gelişmiş bir izleme sistemi gerektiriyordu.
Mühendisler; Dewesoft MEMS üç eksenli ivmeölçerler, optik gerinim sensörleri ve çevresel dönüştürücülerden oluşan bir ağ kullanarak sürekli çalışan bir yapısal sağlık izleme sistemi kurdu. İvme verilerinden yer değiştirme hesaplamak için gelişmiş algoritmalar uygulanarak köprünün güvenli dinamik davranışı doğrulandı ve yüksek maliyetli ayarlı kütle sönümleyicilerine ihtiyaç duyulmasının önüne geçildi.
Giriş
2024 yılının ortalarında, Arnavutluk’un Kukës kentinde Balkanlar’ın en büyük asma köprüsünün inşası tamamlandı. Toplam uzunluğu 300 metre olan köprü; her iki tarafında 47 askı elemanıyla desteklenen çatallı bir kemer yapısından oluşmaktadır. Köprü tabliyesi ise, üzerinde betonarme döşeme bulunan iki boylamasına kirişten meydana gelmektedir. Çekme kuvveti altında çalışan tabliye, kemerin boyuna itme kuvvetini dengelemektedir.
Şekil 1. Arnavutluk’un Kukës kentindeki Drinit Köprüsü’nün konumu.
Köprünün inşaat firması SALILLARI LTD, 1994 yılında Arnavutluk’un Berat kentinde kurulmuştur. Şirket; İslam Kalkınma Bankası ve Arnavutluk Hükümeti tarafından finanse edilen birçok ulaşım altyapı projesinde yer almaktadır. Bunlar arasında Durrës–Rrogozhinë otoyolu, Qukës–Qafë Plloçë yolu ve Tiran–Elbasan tüneli (Krrabë Tüneli) gibi projeler bulunmaktadır.
Aynı zamanda, üç eksenli ivmeölçerler, optik fiber sensörler, sıcaklık ve rüzgâr ölçüm transdüserlerinden oluşan etkileyici bir izleme sistemi kurulmuştur. Sistem şu anda tamamen çalışır durumdadır ve kinematik ile deformasyon parametrelerini ölçerek, doğal titreşim frekansının korunup korunmadığını değerlendirmek için periyodik modal analizler yapılmasına imkân sağlamaktadır.
Rüzgâr tüneli çalışmaları, köprünün orta seviyedeki yanal etkiler altında aşırı düşey yer değiştirmelere karşı güçlü bir hassasiyet gösterdiğini ortaya koyduğundan—ki bu tür rüzgâr koşulları sahada oldukça sık görülmektedir—bu konuya özel önem verilmiştir. Bu kapsamda, ölçülen ivme verilerinden çift sayısal integrasyon yoluyla dinamik yer değiştirmeleri elde eden ve kontrol altında tutan özel algoritmalar geliştirilmiştir.
Bu işlem prensipte basit görünse de, kullanılan ölçüm ekipmanındaki kaçınılmaz gürültü ve çok düşük frekanslı titreşimler nedeniyle ciddi bir hesaplama yükü doğurmuştur. Laboratuvar testleri, geliştirilen yöntemin doğruluğunu ve güvenilirliğini doğrulamış; sonuç olarak pahalı ayarlı kütle sönümleme sistemlerine ihtiyaç duyulmasını ortadan kaldırmıştır.
Zorluk
SALILLARI adına ESSEBI Srl, yapısal izleme sisteminin tedarik ve kurulumunu gerçekleştirmiştir.
ESSEBI, sivil altyapı ve binaların yapısal teşhisi, dinamik testleri ve yapısal sağlık izleme (SHM) alanlarında uzmanlaşmış bir İtalyan mühendislik şirketidir. 1992 yılında kurulmuş ve merkezi Roma’da bulunan şirket, yapıların güvenliği, davranışı ve uzun vadeli performansını değerlendirmek için ölçüm temelli mühendislik hizmetleri sunmaktadır.
Kurulan yapısal izleme sistemi, büyük ölçüde dinamik ölçümlere dayalı olup, inşaat firması tarafından iletilen özel gereksinimlere uygun olmak zorundaydı. Sistemin amaçları şunlardı:
- Köprü açılmadan önce yapılan testler sırasında ilk dinamik karakterizasyonun gerçekleştirilmesi ve yapının doğal frekansları ile sönüm oranlarının belirlenmesi hedeflenmiştir. Bu çalışma, köprü için değişmez bir “dinamik kimlik kartı” oluşturmayı amaçlar. Bu kimlik, ağırlık dağılımında ya da daha kötü senaryoda yapısal düzenlemede değişikliklere yol açabilecek durumlar ortaya çıkana kadar sabit kalacaktır. Bu ölçümler, sönümlemenin kullanıcı konforunu sağlamak için yeterli olup olmadığını değerlendirmeye ve gerekirse ek sönümleme sistemleri (TMD’ler) gerekip gerekmediğini belirlemeye temel veri sağlayacaktır. TMD kurulması durumunda, aynı izleme sistemi ek sönümleme sisteminin etkinliğini de ölçebilecektir.
- Yapının gerilme-şekil değiştirme davranışı ise belirli noktalara yerleştirilen optik fiber sensörlerle izlenebilmektedir.
- Köprünün ilk dinamik karakterizasyonunun ardından sistem; güçlü rüzgâr, deprem veya ani darbe gibi özel dinamik yüklemelere karşı oluşan tepkileri kaydetmektedir.
- Normal koşullarda ise sistem, sürekli veri toplama ve tetiklemeli kayıt yaparak köprünün uzun vadeli sağlık durumunu izlemeye devam etmektedir.
Şekil 2. Arnavutluk’un kuzeydoğusundaki Kukës kenti yakınlarında bulunan Drini Köprüsü’nün kuş bakışı görünümü. Bu köprü, A1 otoyolunun bir parçası olarak Kara Drin Nehri ve Fierza Baraj Gölü’nü aşan, içinden geçilen kemer tipinde bir otoyol köprüsüdür ve Arnavutluk ile Kosova’yı birbirine bağlamaktadır.
Köprü Yapısı
Köprü üç açıklıktan oluşmaktadır: 270 m uzunluğundaki ana orta açıklık ve her iki uçta 20 m’lik iki yan açıklık (toplam uzunluk 310 m). Kemerin tepe noktasında maksimum 55 m yüksekliğe ulaşmaktadır. Bu boyutlarıyla Avrupa’nın en büyük asma-kemer köprülerinden biri kabul edilmektedir.
Köprünün uç kısımlarında yapı iki kola ayrılarak bazıları doğrudan su içinde inşa edilmiş beton ayaklar üzerine oturmaktadır. Tabliye 23 metre genişliğindedir ve her yönde ikişer şeritten oluşan iki ayrı taşıt yoluna bölünmüştür. Yapı, hava koşullarına dayanıklı çelikten (Corten çelik) imal edilmiştir.
Köprü, kıyıda geçici kulelerin desteğiyle önceden monte edilmiş ve ardından özel olarak sahada inşa edilen büyük bir beton ponton yardımıyla yerine yerleştirilmiştir.
Yapının toplam ağırlığı yaklaşık 5000 ton olarak tahmin edilmektedir. Orta bölümde kemer, 2,9 m x 5 m ölçülerinde rijitlendirilmiş kutu kesit şeklindedir. Bu kesit, iki uçta 2,9 m x 2,9 m ölçülerinde iki kare kutuya ayrılarak her uçtaki dört mesnet noktasına bağlanmaktadır (her uçta iki adet). Mesnetlere yakın bölgelerdeki açıklıklardan, iç kısma erişim sağlanabilmekte ve yapı tamamen denetlenebilir durumdadır; ayrıca iç kısımda özel erişim merdivenleri bulunmaktadır.
Askı halatları, değişken çaplı Full Locked Coil (FLC) çelik halatlardan oluşmaktadır. Bu çap, açıklık ortasında 52 mm iken mesnetlere yakın bölgelerde 68 mm’ye kadar çıkmaktadır.
Bowstring tabliye, iki ana çift T kirişten oluşmaktadır. Bu kirişler, 29 cm kalınlığında başlık plakalarıyla birleştirilmiş gövde levhasından imal edilmiştir ve birbirinden 4,5 m uzaklıktadır. Üstteki betonarme kompozit döşeme, Nelson çivileri (stud connector) aracılığıyla iki kirişin üst başlıklarına bağlanarak birlikte çalışmaktadır.
Şekil 3. Köprünün ön ve plan görünüşleri.
İnşaat aşamaları ve izleme sistemi yerleşimi
İnşaat aşamaları, uygulama projesiyle paralel olarak geliştirilmiştir. Bunun temel nedeni, ön montaj için çok az uygun alanın bulunduğu bir coğrafyada çalışılmasıdır. İnşaat süreci, teknik olmayan çeşitli sorunlar nedeniyle zaman zaman zorlansa da, bu konuların detayına burada girilmesi uygun değildir.
Süreç boyunca iki büyük İtalyan çelik yapı firması görev almıştır: MAEG Costruzioni SpA kara üzerinde montajı gerçekleştirmiş, Cimolai SpA ise köprünün yerine yerleştirilmesini (itme/launching işlemi) üstlenmiştir.
İzleme Sistemi Yerleşimi
Köprü üzerine aşağıdaki sensörler yerleştirilmiştir:
- 23 adet üç eksenli MEMS ivmeölçer
(bunlardan 6 tanesi—tabliyede 4 ve kemerde 2—harici sıcaklık sensörü ile donatılmıştır) - Boyuna tabliye kirişlerinin orta kesitlerine yerleştirilmiş 4 adet optik fiber şerit
- 1 adet ultrasonik anemometre (rüzgâr hız ve yön sensörü)
Şekil 3 ve 4’te, bu sensörlerin plan üzerindeki konumları ve merkezi kontrol ünitesine (dijital kablolama) ile yerel kontrol panellerine (analog kablolama) olan bağlantı düzeni gösterilmektedir.
Şekil 4. Köprünün ön ve plan görünüşleri – sol taraf.
Gösterimin daha anlaşılır olması için plan görünüş iki parçaya ayrılmıştır: ilki orta noktadan başlayarak Drin yönünde batı ayağına (West shoulder) doğru uzanan sol kısım; ikincisi ise yine orta noktadan başlayarak Kukës yönünde doğu ayağına (East shoulder) doğru uzanan sağ kısımdır.
Tabliyenin intrados (alt yüzeyinde) yer alan tüm ivmeölçerler (10 adet), yukarıdaki şekillerde verilen global koordinat sistemiyle uyumlu yerel, ortogonal Kartezyen bir referans sistemi kullanmaktadır. Kemerin içinde yer alan sensörler (13 adet) ise yerel x eksenini global Z ekseniyle çakışacak şekilde tanımlamakta, ancak işaret yönü ters olmaktadır. Sağ el kuralı uygulanarak diğer eksenler belirlenmiştir: yerel y ekseni global Y ekseniyle çakışır ancak ters işaretlidir, z ekseni ise global X ekseniyle tam olarak hizalanır.
Üç adet LAN omurga hattı, zırhlı CAT 6 Ethernet kablolarından oluşmaktadır (özellikle kemirgen kaynaklı hasarlara karşı koruma amacıyla). Kemer içindeki Ethernet kabloları serbest şekilde döşenmiş ve kablo kelepçeleriyle duvarlara sabitlenmiştir. Tabliye kısmında ise bu kablolar, döküm öncesinde yerleştirilen oluklu borular aracılığıyla döşenmiş uzunlamasına kanallar içine yerleştirilmiştir. Bu bölgelerde bağlantı kutuları uygun aralıklarla konumlandırılmıştır.
Şekil 6. Tabliyenin intrados (alt yüzeyinde) yer alan ivmeölçer.
Şekil 7. Tabliyenin intrados (alt yüzeyinde) yer alan optik fiber şerit.
Zırhlı CAT 6 Ethernet kabloları, özellikle kemirgen faaliyetlerine karşı koruma amacıyla, üç adet LAN hattını oluşturmaktadır. Kemer içindeki Ethernet kabloları serbest şekilde döşenmiş ve kablo bağlarıyla duvarlara sabitlenmiştir. Tabliye bölümünde ise söz konusu kablolar, döküm öncesinde yerleştirilen oluklu borular kullanılarak köprü döşemesi boyunca uzanan boyuna kanallara yerleştirilmiştir. Bu kısımlarda bağlantı kutuları uygun aralıklarla konumlandırılmıştır.
Dört adet optik şerit (OS_1…OS_4) tabliyenin orta kısmında, intrados bölgesine—her iki tarafta ikişer adet olacak şekilde—tam olarak üst ve alt başlıkların iç bölgelerine karşılık gelecek biçimde yerleştirilmiştir. Bu yerleşim, gerinim üçgen dağılımının ölçülmesini sağlamaktadır. Ana firmanın açık talimatı doğrultusunda IP66 korumalı olan optik şeritler ayrıca muhafaza içine alınmamıştır. Yalnızca, rüzgâr etkisiyle aşırı hareketi ve dolayısıyla ölçümlerde salınım kaynaklı gürültüyü azaltmak için boyuna eksen üzerinde halka şeklinde bir kılavuz eleman eklenmiştir.
Ölçüm Zinciri
Şekil 7’de izleme sisteminin fonksiyonel diyagramı, kullanılan transdüserlerin sayısını ve türlerini göstermektedir. Sistem mimarisi yıldız (star) topolojisindedir ve bir bilgisayardan (PC) başlayan üç adet “daisy chain” hattı, kendi içinde zincirleme bağlantı yapısı (daisy-chain) şeklinde organize edilmiştir.
Şekil 8. İzleme sisteminin fonksiyonel şeması
Özel bir kabin içinde yer alan ve DewesoftX yönetim yazılımının kurulu olduğu endüstriyel PC’den, altı portlu bir EtherCAT switch üzerinden üç adet Ethernet hattı çıkmaktadır (bir giriş PC’den ve üç çıkış üç farklı transdüser zincirine). Bu hatlar yalnızca sinyal iletmekle kalmayıp aynı zamanda güç beslemesi de sağlamaktadır.
IEEE 802.3af ve IEEE 802.3at standartlarına uygun PoE (Power over Ethernet) cihazları, harici elektrik şebekesine bağlanarak güç sağlamaktadır. Bu cihazlar her bir hattın başlangıcına yerleştirilmiştir. Böylece veri iletim kabloları çift amaçlı kullanılmakta; hem ölçüm sinyallerini taşımakta hem de seri şekilde bağlanmış ölçüm elemanlarını beslemektedir. Hat başına 7 ila 9 modül bulunması ve modüller arası mesafe dikkate alındığında, her modül için tek bir PoE portu kullanılması mümkün olmuştur. Tüm bu ekipmanlar, PC’nin bulunduğu kontrol paneli içine entegre edilmiştir.
Bu yapıda “transdüser” yerine “ivmeölçer modülleri” ifadesi daha doğrudur; çünkü zinciri oluşturan cihazlar yalnızca sensör değil, aynı zamanda çok daha kapsamlı elektronik birimlerdir. Dewesoft IOLITEi3xMEMS modülleri, ölçülen büyüklüğü algılayan hassas sensörün yanı sıra sinyal şartlandırma, yükseltme, analog-dijital dönüşüm ve özellikle tüm sistemin senkronizasyonunu sağlayan elektronik bileşenleri de bünyesinde barındırmaktadır.
1.hat üzerinde, birinci ve üçüncü ivmeölçer modülü arasına, giriş-çıkış mimarisi korunarak 16 kanallı bir veri toplama sistemi (DEWESoft IOLITE 16x) entegre edilmiştir. Bu sistem, 4 optik şerit ile iki kanallı (hız ve yön) ultrasonik anemometreden gelen toplam 6 analog sensörü referans almaktadır.
Test Sonuçları
Kurulan 23 ivmeölçer, yalnızca maksimum ivme genliklerinin sürekli izlenmesini sağlamakla kalmayıp, aynı zamanda yapının dinamik parametrelerinin kararlılığını değerlendirmek ve genel sağlık durumunu kontrol etmek amacıyla periyodik operasyonel modal analizlere (OMA) [1] de imkân tanımaktadır.
Siemens TestLab yazılımı [2] içerisinde bulunan, frekans domeninde çalışan PolyMAX algoritması kullanılarak, 0.5–2.5 Hz aralığında 25’ten fazla net ve birbirinden ayrışmış mod şekli tespit edilmiştir. Aşağıda, köprünün ilk eğilme modu gösterilmektedir. Bu modda, yapının mimari konfigürasyonuna bağlı olarak tabliye üzerinde eğrilik yönünde bir terslenme (curvature inversion) gözlemlenmektedir.
Şekil 9. 0,5 Hz frekansındaki birinci mod şekli.
Tabliyenin orta kısmında yer alan dört optik şerit, mevsimsel ısıl deformasyonların yanı sıra araç trafiği ve rüzgâr koşullarından kaynaklanan deformasyonların sürekli olarak ölçülmesini sağlamaktadır.
İntrados bölgesine yerleştirilen iki optik şerit, nötr eksenden daha uzak konumlandıkları için [3] çok daha belirgin bir eğri formu göstermekte ve sık araç geçişlerinden kaynaklanan gerinimleri daha güçlü şekilde algılamaktadır. Diğer iki şerit ise trafiğin etkisini oldukça sınırlı düzeyde hisseder; bu nedenle deformasyon eğilimini ağırlıklı olarak sıcaklığa bağlı değişimler belirler ve bu etki, sıcaklık trendiyle birlikte (ikincil eksen üzerinde) gözlemlenir.
Ayrıca, yanal rüzgâr etkisiyle oluşan yer değiştirmeleri belirlemek [4] ve bunları, daha önce Prato yakınlarındaki Floransa’da bulunan CRIACIV rüzgâr tünelinde elde edilen ve oldukça “alarm verici” sonuçlarla karşılaştırmak amacıyla sayısal integrasyon algoritmaları uygulanmıştır. 20 m/s’yi aşan yanal rüzgâr hızlarında ölçülen maksimum düşey yer değiştirmeler her zaman 2 cm’yi aşmayan değerler içinde kalmıştır.
Şekil 10. Optik şeritlerin grafikleri.
Sonuçlar
Günümüzde Kukës’teki Drinit Köprüsü, 23 ölçüm noktasında ivme verilerini, tabliyenin orta kısmındaki 4 noktada deformasyonları ve rüzgârın hız ile yön bilgilerini sürekli olarak toplayıp kaydeden kesintisiz çalışan bir izleme sistemine sahiptir.
Gerçekleştirilen çeşitli operasyonel modal analizler, mod parametrelerinin hem yapısal tasarımcı tarafından sağlanan sonlu elemanlar modeli (FEM) sonuçlarıyla tam uyumlu olduğunu hem de zaman içinde değişmez kaldığını ortaya koymuştur. Optik şeritler ise tabliye deformasyonunda oldukça tutarlı bir değişkenlik göstermiş; bu değişimler, tabliyenin gündüz-gece döngüsü ve mevsimsel ısıl genleşmeleriyle uyumlu olmuştur.
Özellikle, tabliyenin düşey yer değiştirmelerinin sürekli olarak izlenmesi ve bunların her zaman santimetre seviyesinde kaldığının doğrulanması, ayrıca aeroelastik kritik durumların önlenmesi sayesinde; rüzgâr tüneli deneylerinin neredeyse kaçınılmaz olarak gerekli olduğunu öne sürdüğü son derece maliyetli ayarlı kütle sönümleme (TMD) sistemlerinin kullanılmasına gerek kalmamıştır.