Teknik Bilgiler

MEMS Tipi İvme Sensörleri İle Yapı Sağlığı İzleme

MEMS Tipi İvme Sensörleri İle Yapı Sağlığı İzleme

Yapı Sağlığı İzleme (Structural Health Monitoring), zaman içinde yapıların durumunu ve koruma gereksinimlerini değerlendirmek için geçerli bir öngörü aracı olarak giderek yaygınlaşmaktadır. Bunun nedeni, ilk olarak Cenova’daki Polcevera viyadüğünün feci çöküşü ve İtalyan ulusal karayolu ve demiryolu mirasının genel olarak yüksek düzeyde eskimesi nedeniyle tetiklenen son trajik olaydır.

Yüksek performanslı MEMS tipi ivmeölçer çipinin piyasaya sürülmesiyle, Dewesoft IOLITEd tek kanallı veri kaydedici (3xMEMS-ACC DAQ) cihazını geliştirdi.

ESSEBI şimdi bu aracı inşaat mühendisliği ve mimarlık alanlarındaki çeşitli uygulamalarda yaygın olarak kullanıyor. İlk sonuçlar, şu anda piyasadaki herkes arasında en uygun çözüm olduğunu göstermiştir

İtalya’daki ana karayolu ve demiryolu yönetim organları – ASPI, ANAS, RFI, vb. – nihai amacı, bu tür hizmetlerle yetkinliklerinin tüm ulusal bölgeyi kapsamak amacıyla, altyapı teşhisi ve yapısal sağlık gözlemleri ile ilgili çok sayıda ihale yayınlamaktadır.

Sektördeki iş fırsatları giderek daha hareketli hale geliyor ve bu nedenle birçok operatör mevcut tüm araçlarla harekete geçiyor. Herhangi bir deneyime sahip çok azı, çoğu doğaçlama yaptı ve çoğu zaman en çeşitli iş faaliyetlerinden geri dönüştürüldü, belki de üretim krizinde yer aldı. Bu sahnede, bir düzineden fazla şirket, çok sık olarak, özellikle kontrol ve ölçüm alanında çok önemli olmayan önceki deneyimlerden yola çıkarak kendilerini modüler edinim sistemlerinin üretimine attılar.

Özgün ve daha iyi performansın ayırt edici ve gösterge unsuru olarak kabul edilen bu yeni ortaya çıkan elektroniğin baskın özelliği, neredeyse her zaman sinyalin kablosuz olarak iletilmesidir. Statik ölçümler için iyiyse, kesinlikle ihmal edilebilir miktarda veriyi içeriyorsa, dinamikler için hiç de uygun değildir.

Engelleyici olmayan örnekleme oranlarında bile, tüketim şebeke güç kaynağını kaçınılmaz hale getirecek kadar yüksektir ve bu noktada, sinyali taşımak için aynı güç kablosu kullanılabilir ve bunun sonucunda iletimde, senkronizasyonda ve her şeyden önce daha fazla güvenlikle kullanılabilir.

ESSEBI Srl, neredeyse otuz yıldır izleme sektöründe faaliyet gösteriyor. Güvenilirliği seçtiler ve Dewesoft’a döndüler. Dewesoft, o sırada mevcut olan belirli pazar ihtiyaçlarını karşılayacak bir ürüne sahip değildi. Ancak, piyasada halihazırda kapsamlı bir şekilde test edilmiş olan benzer çözümlerden başlayarak hedeflenen bir geliştirmeyi derhal başlattı.

1992 yılından bu yana ESSEBI temel olarak yapısal mühendislik hizmetleri sektöründe faaliyet göstermektedir. Şirketin özel yetkinliği, hem inşaat yapıları hem de mimari işler üzerinde statik veya dinamik gözlemleme sistemlerinin uygulanması, aynı zamanda betonarme ve öngerilmeli beton, çelik, duvarcılık ve ahşaptaki eserler üzerinde genel tahribatsız test ve teşhis faaliyetlerinin gerçekleştirilmesidir.

İlk Üstgeçit Yapı Sağlığı İzleme Projeleri

2017 yılının sonunda ESSEBI, Emilia Romagna’daki dört otoyol üst geçidinde dinamik gözlemleme sistemlerinin inşasında yer aldı. Buna karşılık LA SIA tasarım şirketi, ücretli otoyol inşaatı ve yönetimi için önde gelen Avrupa imtiyazı olan SITE (Autostrade per l’Italia ASPI tarafından atanan bir telefon ve elektrik sistemi şirketi) tarafından atandı.

Bunlardan ilki, A1 karayolu üzerinde Val d’Enza’da bulunan üst geçit köprüsüdür. Bu bir pilot tesis olarak kabul edildi ve çok acil bir şekilde inşa edilmesi gerekiyordu. ESSEBI, piyasadakilerin gözlemlenme amacına uygun ekipmanlarla övünenlere yönelmek zorunda kaldı. Özellikle, kesinlikle rekabetçi fiyatlarla, sağlanan sıkı bütçeye uyma yeteneğine sahip.

En hızlı ve görünüşe göre en etkili çözüm, Roma merkezli şirketle iletişim kurmaktı. Otomobiller için bir uydu hırsızlık önleme sisteminin üretimi ve pazarlanmasına adanmış kurumsal şubenin dış kaynak kullanımı olarak doğdu.

Ancak, enstrümantasyonun tamamen güvenilmezliği ve yönetim yazılımının mutlak eksikliği nedeniyle deneyim tamamen başarısız oldu. Bu her zaman bitmek üzere olan bir projeydi, ama asla gerçekten teslim edilmedi.

Tek olumlu yönü, tüm aygıtların hatalarının, neyse ki, hemen ortaya çıkmasıydı. Bu, ESSEBI’ye ilk sistemin kurulumunun sonundan itibaren derhal rotasını değiştirme ve diğer kıyılara dönme imkanı verdi.

Çok az başarı ile tekrarlanan müdahale girişimleriyle karşı karşıya kalan tek şey başka bir tedarikçiye yönelmekti. Kazanan seçim Dewesoft’a başvurmaktı. Dewesoft henüz tam bir çözüme sahip değildi. Ancak tartışılmaz kurumsal güvenilirlikleri, ciddiyetleri ve nispeten kısa bir süre içinde özel bir gelişme kurma imkanı, onlara seçilmelerinde avantaj sağladı.

3xMEMS-ACC Kavramı

Roma’daki ESSEBI genel merkezinden birkaç adım ötede düzenlenen bir çalışma yemeği, durumu İtalya’daki Dewesoft temsilcisi ile görüşmek için bir fırsattı. Birkaç gün içinde, meydan okuma büyük bir heyecanla kabul edildi ve ciddi bir prototip geliştirmeye dönüştü.

Böylece, bir accelerometric toplama modülü geliştirmeyi amaçlayan macera başlar. Bir dahili MEMS dönüştürücü (MEMS – Mikro-elektromekanik sistem) olarak adlandırılan Dewesoft genel amaçlı tek kanallı veri toplama cihazını geliştirerek IOLITEd-3xMEMS ortaya çıkardı.

Birkaç ay sonra, ünlü MEMS-çip üreticisinin çipine sahip bir prototip hazırlandı. Ne yazık ki, ESSEBI’nin taleplerini sinyal-gürültü oranı açısından karşılamak yeterli olmadı. ESSEBI tarafından güçlü bir şekilde desteklenen bir yarı iletken üreten alternatif şirketten bir MEMS çipi ile yeni deneyler başlatıldı.

Bu sefer sonuçlar mükemmeldi ve iki ay içinde, 25 µg / √Hz’i aşmayan bir spektral gürültü yoğunluğu ile belirlenen gereksinimleri karşılayan ilk çalışan test prototiplerini elde ettik.

MonoDAQ-E-gMeter ivmeyi ölçsede, ivmenin iki kez integralini alarak ve uygun filtrelemeyi uygulayarak yer değiştirmeyi hassas bir şekilde ölçmek için de kullanılabilir. DewesoftX yazılımı sayesinde yapılacak işlem basittir. Aşağıda gösterilen deneyde, gMeter’ın doğrusal yer değiştirmesi doğrudan bir lazer mesafe (deplasman) sensörü ile ölçülür ve ayrıca ölçülen ivmeden hesaplanır. Sonuçlar, 1,5 Hz’lik düşük bir frekansta bile büyük doğruluk gösterir.

Gereksinimler ESSEBI tarafından belirtildi ve modülün bina ve altyapıların iyi bir çözüme tabi olduğu çevresel gürültüyü tanımlamış olması gerektiği varsayımına dayanıyordu.

Ürün, MonoDAQ-E-gMeter olarak adlandırıldı, “E” EtherCAT arayüzünü ve “g” ölçtüğü ivmeyi ifade ediyor. Bugün cihaz, Dewesoft IOLITEd veri toplama sistemleri ailesi (IOLITEdi-3xMEMS-ACC) altında satılmaktadır. Şirket, bunun dünya çapındaki yapısal gözlemleme pazarındaki iş fırsatlarını yakalamak için en iyi strateji olduğuna karar verdi.

Muhteşem macera nihayet DAQ sistemlerinin Val d’Enza’daki üç üst geçide kurulmasıyla başlıyor. Sistemler, aslında hiçbir zaman düzgün çalışmayan eski sistemlerin tamamen yerini aldı.

O zamandan beri, sivil yapılar, altyapı sistemleri ve mimari işler alanındaki en farklı türden eserleri takip etti ve bunlara dahil oldu.

Rho Milano Fuarında Yapısal Gözlemleme Sistemleri

Servis Merkezine ve Pavilion’ daki 13. Milano Fuarına kurulan gözlemleme sistemleri, şiddetli atmosferik olaylar (kar, rüzgar, vb.) meydana geldiğinde tahrik (trigger) kayıtlarını başlatma amacına sahiptir. Bu durumda, yüksek sıcaklıkta uygun şekilde kalibre edilen transduserler, her yönden servo eğimölçerler olarak hareket ederek, bir derecenin yüzde biri düzeyinde hassasiyetle statik dönen kayıtlar yapmak gibi ek bir amaca sahiptir.

İncelenen Servis Merkezi yapısı, modüler mesafeli çelik kolonlardan oluşan bir sisteme dayanan bir çelik ağ yapısına cıvatalanmış 54.000 metrekarelik dalga şeklinde bir kaplama camdan oluşmaktadır. 30 m genişliğinde ve bir buçuk kilometre uzunluğundaki “yelken”, fuarın doğu ve batı kapılarını birleştirerek fuar merkezinin orta eksenini kesiyor. En yüksek nokta 35 m yüksekliğe ulaşmaktadır.

Tüm yapıyı destekleyen bir çelik çerçeve kirişlerinin ivmelerini ölçmeyi seçtik. Üç adet üç eksenli IOLITEd-3xMEMS-ACC MEMS cihazı ile ölçümleri gerçekleştirdik. Bu seçim, tüm yapının, düzlemde hareket etmesine izin veren bir tabana dayandığı gerçeğiyle bağlantılıdır.

Pavilion 13 ile ilgili olarak, 3xMEMS-ACC modülleri, gerinim ölçer sensörlerine bağlantı için çoğunlukla IOLITEd STG tipi olmak üzere IOLITEd DAQ ailesinden farklı modül türleriyle daha büyük bir sisteme entegre edilmiştir.

Eğilimleri izlemek için çatının kirişlerini oluşturan kafes kiriş elemanlarına bir dizi transduser monte edilmiştir. Ölçümler sırasında kullanılan ana dinamik uyarma kaynağı, çevre tarafından, özellikle rüzgar etkisiyle üretilenlerdi.

Konumuzda sözü geçen çatı, çelik kafes sisteminden oluşmaktadır. Uzunlamasına kiriş 224 m uzunluğundadır ve yükü 6 destek direğine dağıtır. Ana kiriş, ana kiriş üzerindeki uç ve merkezi desteklerle eşit haysiyete sahip 8 enine kiriş ile bütünleşiktir.
Çatı kafes sistemlerinde, ekli çizimde gösterildiği gibi hem ana hem de ikincil kirişler boyunca düzenlenen üç referans setinin 3 ekseni boyunca 9 ivme ölçüm noktası vardır.

İvme ve eğimleri ölçmek için IOLITEd-3xMEMS-ACC MEMS ivmeölçerler kullanıldı. Dewesoft X veri toplama yazılımı aşağıdakiler için kullanılır:

• veri toplamayı yönetmek,
• tüm sensörler için parametrelerin ayarlanması,
• alınan sinyallerin zaman geçmişinin görüntülenmesi,
• anlık FFT ve
• veri kaydetme.

OMA anketleri ile ilgili olarak, ölçümler için seçilen dinamik miktar, yapının tanımlanan noktalardaki ivmeler cinsinden frekans cevabından oluşur.

Vado Ligure Açık Deniz İskelesi

Vado Ligure’deki bir iskeleye ve Savona’daki bir açık deniz platformuna kurulan sistemler, önemli bir dalga etkisine maruz kaldığında her iki yapının davranışını doğrulama amacına sahiptir.

Roma’daki bazı binalara ek olarak, tahrik edilen depolamayla herhangi bir yapının sismik olaylarını tanımlamak amacıyla, Apennine sırtı boyunca kendi mülkünün bazı binalarına sistemler kuruldu.

Pasif Sismik Kontrol

Poste Italiane’nin devasa gayrimenkul varlıkları göz önüne alındığında, bu deney hedefe ulaşırsa, sismik olarak ilgili alanlarda bulunan sayısız eserin pasif sismik kontrolünde çok ilginç senaryolar ortaya çıkaracaktır.

Bir konut veya anıtsal bina ile ilgili olarak, tipik bir modüler dinamik gözlemleme sistemi, çeşitli katlara uygun şekilde dağıtılmış ve Ethernet (PoE) üzerinden güç verilen bir dizi 3x MEMS-ACC DAQ modülünden oluşur.

Düzgün ve yükseklikte olan binalarda, küçük kurulumlarda 3x MEMS-ACC DAQ gereklidir.Bu, kayma tipi zeminlerin hipotezidir ve yalnızca ilk modal formları analiz etmek istediğiniz zaman kullanılır. Daha yüksekteki modal formlara olan ilgi arttıkça, tüm diğer katlar etkilenene kadar artan bir katılım söz konusudur.

Daha karmaşık binalar karşısında, modüllerin sayısı, giderek daha doğru olan analiz elde etme arzusunun bir fonksiyonu olarak kaçınılmaz olarak artma eğilimindedir. Elde edilen veriler daha sonra, bir router ile birlikte özel bir panele yerleştirilen endüstriyel PC’nin kitle desteğindeki uygun seçici algoritmalara göre saklanır. Router, uzak terminalde bir internet bağlantısı sağlamak için kullanılır. Önceden ayarlanmış eşikler aşıldığında, mesaj gönderme sistemi de genellikle etkindir.

Bina Durumunun Önleyici Kontrolü

İtalya bölgesi mimari hazinelerle doludur. Aynı zamanda, genellikle ciddi hasara neden olan, az ya da çok önemli olan sismik olaylar tarafından hırpalanır. Dolayısıyla, gerçek koruma koşulları ne olursa olsun, en büyük değere sahip olduğu düşünülen eserlerin kalıcı ve önleyici bir şekilde kontrol edilmesi, gelecekteki gelişmeler açısından ciddi bir fırsat oluşturabilir.
Şu anda Roma’daki Palazzo Pamphilj ve Portico di Ottavia, enstrümantal gözlem altında. İzleme sistemleri modüler dinamik çoklu 3xMEMS-ACC cihazlarla kontrol edilmektedir.

İzleme sistemi iki şey için önemlidir:

  • Önemli bir sarsıntıya maruz kaldığında ilgilenilen bina kısmının fiili davranışını değerlendirme imkanı ile sismik olayların depolanmasına izin verilmesi.
  • Sadece çevresel heyecanla periyodik modal analizi mümkün kılmak.

IOLITEdi-3xMEMS-ACC modülleri, çok düşük spektral gürültü karakteristiği ile, çalışma koşullarında (OMA) gerçekleştirilmek istenen modal analiz için uygundur. Ana amaca ek olarak, yukarıda belirtilen tüm yapı serisi, söz konusu yapının dinamik kimlik kartının tam olarak tanımlanmasını sağlayarak, dinamik karakterizasyonlara ulaşılmasına izin vermiştir.

Köprüler Üzerinde OMA Modal Analizi

Yukarıdakiler göz önüne alındığında, E-gMetreler (3xMEMS-ACC) sadece kalıcı izleme kurulumlarında değil, aynı zamanda OMA aracılığıyla farklı yapı türlerinin dinamik karakterizasyonu için doğaçlama çözümlerde de kullanılmıştır.

İşte iki şehir köprüsüne bir örnek:

  • İtalya’da inşa edilen ilk betonarme yapılar arasında 100 metreden fazla açıklığa sahip Roma’daki ünlü Ponte del Risorgimento,
  • ve Parma’daki Navetta olarak adlandırılan metal yaya geçidi.

Ponte della Navetta ile ilgili olarak, titreşim sönümleme açısından etkinliğini değerlendirmek için, müdahaleden önce ve sonra ayarlanmış kütle sistemleriyle bir analiz yapıldı.

Ponte del Risorgimento örneğinde, OMA, ESSEBI tarafından 2014 yılında yapılan ölçümle karşılaştırıldı. Doğal frekanslar açısından o sırada elde edilen sonuçlarla örtüşme, çok kanallı sistemler ve yüksek hassasiyetli sismik IEPE piezoelektrik ivmeölçerler harikaydı. Daha da şaşırtıcı olan, daha yumuşak ve daha tanımlanmış modal şekiller elde etmek için E-gMeters (köprünün her iki yanında beş tane) kullanılmasıydı.

Diğer sanat eserleri üzerinde diğer OMA yapıldı. Novara ve Palmanova’da (UD) yakın zamanda inşa edilen iki üst geçidin testini hatırlamak istiyoruz.

Yakındaki İnşaat ve Yıkımların İzlenmesi

Giderek daha popüler hale gelen bir uygulama, binalarda titreşim kontrolüdür. Bu, yapay olarak neden olunan yüksek yoğunluklu titreşimlerin olduğu bir alanın bitişiğindedir. Şu anda ESSEBI, aslında yavaş yavaş yıkılan eski bir kliniğin civarındaki dört binayı kontrol ediyor.

Dört binadaki dört otonom sistemin tümü, PC’lere bağlı E-gMeter modüllerinden oluşur. Bir yönlendirici ve uzaktan kumanda kullanılarak, mevcut standartlardan ( DIN 4150, ISO 4688, vb.) türetilen eşik değerleri aşıldığında mesajlar gönderilir.

Sonuç

Doğumundan yaklaşık iki yıl sonra, IOLITEdi-3xMEMS-ACC, her türden dinamik izleme için optimal ve çok yönlü bir çözüm olarak kendini kanıtlıyor. Yapısal sağlık gözlemleme ile ilgili uygulamalar için oldukça uygundur.

Önerilen rakip çözümler her zaman aynıdır. Genellikle, LAN veya kablosuz ağlar aracılığıyla bağlanan ivmeölçer sensörleri veya hız ölçerden oluşan hassas bir öğeye sahip birçok modül içerirler. Böyle bir çözüm, güvenlikle ilgili sorunlar nedeniyle birçok AB yönergesi tarafından yasaklanmıştır. Elde edilen verilerin çok büyük olduğu, pil tüketiminin yüksek olduğu ve eşzamanlı veri toplamanın garanti edilmesi gerektiğinde oldukça riskli olduğu dinamik uygulamalar için yanlıştır.

Önerilen bu modüller, çoğunlukla bir PC’den veya veri depolama ve uzaktan çalıştırma olasılığı olan bazı minimal proses kontrolörlerinden oluşur. En iyi ihtimalle bu çözümler, herhangi bir endüstriyel yaklaşım veya test olmaksızın bazı bodrum katlarında kurulur ve monte edilir.

Farklı karmaşıklık seviyelerinde birden fazla kullanım olasılığı olan geçerli bir yazılım platformunun varlığı, Dewesoft veri toplama enstrümantasyonuna ekstra bir vuruş sağlar. Her zaman, az çok amatörce yapısal izleme sektörüne girmeye çalışan kaçınılmaz bir rekabet zayıflığını temsil eder.