Otoyol Köprüsünün Dinamik Yapısal İzlenmesi

Köprüler günlük hayatımızın önemli unsurlarındandır. İnsanları birbirine bağlar ve hayati önem taşıyan mal ve hizmet akışını sağlarlar. Herhangi bir hasar ya da en kötü senaryoda bir çökme trajik sonuçlar doğurabilir. Mühendisler bu tür senaryolardan kaçınmak için yeni yapısal sağlık izleme sistemleri geliştirmektedir.

Slovenyalı Cestel şirketi, köprünün yapısal tepkisini ve trafik yükünü ilişkilendirerek köprü durumunu dinamik olarak belirlemek için bir proje yürütmektedir. İzleme sistemi Dewesoft sensörlerini içermektedir.

Köprüler dünya çapında yaşlanıyor ve hala güvenli olup olmadıkları merak ediliyor. Bu nedenle kalıcı yapısal sağlık izlemeye ihtiyacımız var. Yapısal sağlık izleme sistemleri genellikle çeşitli sensör ve cihaz setlerine dayanır:

• Veri toplama cihazları.
• Sensörler (ivmeölçerler, sıcaklık sensörleri, gerinim ölçerler, rüzgar sensörleri, vb.)
• Toplanan verilerin hesaplanması ve sunulması için yazılım.

Son yıllarda yaşanan bazı trajik köprü çökmelerinin ardından, bu konu dünya çapında yüksek bir öncelik haline gelmektedir. Avrupa Birliği Orta Avrupa için gerçek zamanlı veri toplama ve dijital ikizler kullanarak köprü izleme projesi olan BIM4CE projesini başlattı.

Köprülerin güvenliğini ve uzun ömürlülüğünü sağlamak için düzenli bakım çok önemlidir. İhmal edilen bakım, köprü bütünlüğünü tehlikeye atabilecek ve çökme riskini artırabilecek yapısal kusurlara ve diğer sorunlara yol açabilir. Sorunların kritik ve potansiyel olarak yıkıcı hale gelmeden önce ele alınması için düzenli denetim veya izleme gereklidir.

Köprülerin çökmesine genellikle bir dizi sorun neden olur. Bunlar yetersiz bakım veya eskime, inşaat veya tasarım kusurları, üretim hataları veya beklenmedik yapısal veya tasarımla ilgili sorunlarla ilgili olabilir. Diğer durumlarda çökmeler kazalar, yangınlar veya sel ya da deprem gibi doğal olaylar nedeniyle meydana gelir.

Köprü çökmeleri tehlikelidir ve yaralanmalara, can kaybına, mal ve altyapı hasarına yol açabilir. Güvenliklerini sağlamak ve çökmelerin meydana gelmesini önlemek için köprüler uygun şekilde tasarlanmalı, inşa edilmeli ve bakımları yapılmalıdır.

Yakın zamanda meydana gelen kayda değer köprü çökmeleri arasında şunlar yer almaktadır:

• Morbi, Hindistan (2022) – Ekim ayında Machchhu nehri üzerindeki asırlık bir asma köprü olan bir yaya köprüsü çöktü ve 135 kişi öldü, çok sayıda kişi de yaralandı.
• Øyer, Norveç (2022) – Ağustos ayında Gudbrandsdalslågen nehri üzerindeki 254 numaralı ilçe yolunu taşıyan Tretten köprüsü sadece on yıl ve iki ay çalıştıktan sonra çöktü.
• Weymouth, Birleşik Krallık (2020) – Haziran ayında 90 yıllık bir yaya köprüsü çökerek birkaç kişinin aşağıdaki suya düşmesine neden oldu. Neyse ki kimse ciddi şekilde yaralanmadı.
• Mirepoix-sur-Tarn, Fransa (2019) – Kasım ayında, Tarn Nehri üzerinde yayalar ve bisikletler için kullanılan bir asma köprü çöktü ve iki kişi hayatını kaybetti. Çökme sırasında ağırlık sınırını aşan bir kamyon karşıya geçmekteydi.
• Nanfangao, Tayvan (2019) – Ekim ayında Nanfangao Köprüsü çökerek altı kişinin ölümüne ve çok sayıda kişinin yaralanmasına neden oldu. Çökme, yerel balıkçılık endüstrisinde önemli bir aksamaya neden oldu.
• Mumbai, Hindistan (2019) – Temmuz ayında şiddetli yağışlar sırasında Gokhale Köprüsü’nün bir kısmı çökmüş, iki kişi hayatını kaybetmiş ve çok sayıda kişi de yaralanmıştır. Çökme trafikte önemli aksamalara neden oldu.
• Venedik, İtalya (2018) – Ekim ayında tarihi Ponte Morandi’nin bir kısmı çöktü, ancak neyse ki kimse yaralanmadı.
• Cenova, İtalya (2018) – Morandi Köprüsü Ağustos ayında çökmüş ve 43 kişi hayatını kaybetmiştir. Çökme trafikte ve ulaşımda önemli aksamalara neden oldu.
• Miami, ABD (2018) – Mart ayında Miami’deki Florida Uluslararası Üniversitesi’nde inşaat halindeki bir yaya köprüsünün çökmesi sonucu altı kişi hayatını kaybetti, çok sayıda kişi de yaralandı.

Bu olaylar, köprü çökmelerinin potansiyel tehlikelerini ve bunların güvenliğini sağlamak için düzenli denetim, bakım ve altyapı yatırımlarına duyulan ihtiyacı ortaya koymaktadır.

Tomačevo Köprüsü, Sava Nehri üzerinde uzanan iki şeritli bir köprüdür. Ljubljana ile kuzey banliyöleri arasında en çok kullanılan otoyollardan biri olan 104 numaralı yolun bir parçasıdır. Köprü iki ayrı yapıdan oluşmaktadır. Her yönde iki şerit bulunmaktadır. Her gün binlerce yolcu ve sanayi bölgelerinden başkente kargo ve mal taşıyan ağır vasıtalar tarafından geçilmektedir.

Betonarme köprü 1982 yılında inşa edilmiştir. Yedi açıklığı vardır ve 204 m uzunluğundadır. Her bir yapı 11 metre genişliğindedir ve araç trafiği için iki şerit, bir kaldırım ve bir bisiklet şeridi taşır. Köprü yapısal olarak şunlardan oluşmaktadır:

• Sekiz sıra beton iskele,
• Beton bir güverte,
• İki beton kiriş,
• Kaldırım,
• Korkuluk

Köprünün yapı sağlığını izleme, köprülerin güvenliğini ve uzun ömürlülüğünü sağlamaya yardımcı olabilecek çeşitli faydalar sağlar. İşte başlıca faydalardan bazıları:

• Yapısal sorunların erken tespiti: Yapısal sorunları ciddi hale gelmeden önce tespit etmek, mühendislerin sorun daha da kötüleşmeden düzeltici önlemler almasını sağlar.
• Geliştirilmiş bakım planlaması: Veriler, mühendislerin bakım faaliyetlerini önceliklendirmesine ve kaynakların etkin kullanımını sağlamasına yardımcı olabilir.
• Geliştirilmiş güvenlik: İzleme, potansiyel güvenlik tehlikelerinin kritik hale gelmeden önce tespit edilmesine yardımcı olabilir.
• Maliyet tasarrufu: Mühendisler sorunları erken yakalayarak, onarım daha maliyetli hale gelmeden önce ele alabilir ve pahalı onarımları veya değiştirmeleri azaltabilir.
• Geliştirilmiş veri toplama ve analizi: Bir köprünün performansı ve davranışına ilişkin veriler, gelecekteki projeler için tasarım ve yapım tekniklerinin iyileştirilmesine yardımcı olur.

Genel olarak köprünün yapı sağlığını izleme, köprülerin güvenliğini ve uzun ömürlülüğünü sağlamak için önemli bir araçtır. Gelecekteki altyapı projelerinin tasarım ve inşasını iyileştirmeye yardımcı olabilecek değerli bilgiler sağlar.

Yapısal Köprü-WIM Teşhis çözümü, WIM sensörlerini ve düşük gürültülü 3 eksenli MEMS ivmeölçerlerini bir araya getiren yeni bir konsepttir.

Bu yeni köprü yapı sağlığı izleme konseptinin enstrümantasyon çekirdeği, Dewesoft 3 eksenli ivmeölçerlerle birlikte Cestel SiWIM köprü Hareket Halinde Tartım (WIM) sistemidir. Buradaki fikir, yapısal tepki ile tespit edilen trafik yükü arasındaki korelasyona dayanarak köprü durumunu dinamik olarak tanımlamaktır. Araç yüklerinin yanı sıra, diğer bazı parametreler de izlenir:

• sıcaklıklar,
• gerinimler,
• rüzgar hızı,
• dikey yer değiştirmeler.

Yapısal dinamikleri ve ağırlık izleme sistemini köprünün iki yönünden birine, Ljubljana’ya doğru giden şeritlerin altına kuruldu.

SiWIM tamamen taşınabilir bir Hareket Halinde Tartım sistemidir (Weigh-in-Motion system-WIM). WIM teknolojisi, serbest akışlı trafikte araçların hareket halindeyken tartılmasını sağlar. Araç ağırlıkları ve trafik düzenleri hakkında veri toplamak için müdahaleci olmayan ve verimli bir yöntem sunar. Bir dizi ulaşım ve altyapı yönetimi uygulamasını desteklemek için kullanılır.

Bu teknoloji, köprünün alt tarafına sensörlerin yerleştirilmesini içerir. Bunlar, geçen araçların dinamik lastik yüklerini ölçebilir ve ölçümler araç ağırlıklarının hesaplanmasını sağlar.

Köprü-WIM sistemleri (Bridge-WIM’ler) ticari araç uygulaması, trafik verisi toplama ve kaldırım ve köprü yönetimi dahil olmak üzere çeşitli amaçlar için geçerlidir. Ticari araç uygulamalarında B-WIM sistemleri, karayollarına ve köprülere zarar verebilecek ve diğer sürücüler için güvenlik riski oluşturabilecek aşırı kilolu veya aşırı yüklü araçları tespit edebilir. Sistem, bir kamera ile birlikte, plaka algılama ve tanıma dahil olmak üzere ağır araçların genel fotoğraflarını sağlar.

WIM sistemlerinden toplanan trafik verileri, ulaşım planlaması ve yönetimini destekleyen araç trafiği modelleri hakkında değerli bilgiler sağlayabilir. Son olarak, WIM verileri altyapının yapısal durumunun değerlendirilmesine ve bakım veya onarım gerektiren alanların belirlenmesine olanak tanır.

SiWIM, hareketli araç yükü altında yapının davranışını tanımlayan kayıtlar sağlamak için genellikle köprünün ana uzunlamasına kısımlarındaki gerilmeleri ölçer. Ölçümler, köprünün yol tabliyelerinin alt kısmına yerleştirilen SiWIM ST-504 gerinim ölçer sensörleri tarafından sağlanmaktadır. Sistemin hiçbir parçası yol yüzeyinde görünmez.

IOLITEiw-3xMEMS-ACC, entegre DAQ ve EtherCAT arayüzüne sahip 3 eksenli, düşük gürültülü (25 μg√Hz spektral gürültü yoğunluğu) bir ivmeölçerdir. Cihaz IP67 koruması ile tamamen su geçirmezdir. Cihaz X, Y ve Z’deki yapısal ivmeleri, statik eğimleri ve yer değiştirmeleri ölçebilir.

Cestel, bir lazer ve bir hedef tarafından oluşturulan optik bir referans seviyesine dayalı olarak bir köprünün dikey sapmasını gerçek zamanlı olarak (10 Hz örnekleme hızı) ölçmek için bir Sapma Multimetresi (Deflection Multi Meter-DMM) kullanır. Lazer sabit (hareket etmeyen) bir yüzeye monte edilirken, hedef sapmanın ölçüleceği yerdedir. Cihaz 160 mm’lik bir ölçüm aralığına, 0,5 mm’lik bir çözünürlüğe sahiptir ve 350 metreye kadar bir mesafeyi ölçer.

Deflection Multi Meter (DMM), köprüler gibi büyük yük taşıyan yapıların durumunu izlemek için yeni bir seviye ölçüm cihazıdır.

Ölçüm cihazı, bizim durumumuzda Leica Rugby 830 olan düz bir lazere dayanmaktadır. DMM üniteleri ile birlikte, bir yapının sapmasını birkaç noktadan ölçer. Gerçek zamanlı ölçüm, diğer ölçüm yöntemlerine kıyasla onu benzersiz kılar. DMM cihazı, bir test yükü sırasında bir köprünün sapmasını ölçmek veya yapının uzun süreli izlenmesi için uygundur.

Sensörler seri olarak bağlanır ve sistem çalışma voltajını da sağlayan bir RS-485 kablosu aracılığıyla bir bilgisayar tarafından okunur. MODBUS protokolü, DMM ünitelerinin diğer ölçüm sistemlerine bağlanmasını sağlayan veri aktarımını kolaylaştırır. Sonuçlar, MODBUS protokolü ile çalışabilen herhangi bir ölçüm programı ile görüntülenebilir.

Birçok uygulamada, DMM üniteleri yapıya kelepçelerle veya mıknatıslarla tutturulabilir, bu da sistemi çok esnek ve kurulumu hızlı hale getirir.

Ortam ve asfalt sıcaklıklarını izlemek için PT100 sıcaklık sensörleri asfaltın içine ve köprünün altına yerleştirilmiştir.

Birkaç yazılım ürününün birleşiminden oluşan bir çözüm:

• SiWIM trafik verilerini toplayan bir sistemdir. Trafik yüklerini yük etkilerine ve aks yüklerini momentlere ve kesme kuvvetlerine dönüştürmek için çok önemli olan gerçek etki hattı ve yük dağılımları aracılığıyla bir köprünün davranışını tanımlar.
• DewesoftX, sinyal işleme, veri kaydı, analiz ve görselleştirme için test ve ölçüm toplama yazılımıdır.
• Dewesoft Historian, uzun vadeli ve kalıcı izleme için bir veritabanı yazılım hizmetidir. InfluxDB zaman serisi veritabanında depolama sağlar.
• Dewesoft Artemis OMA, inşaat mühendisliği yapılarının, çalışan makinelerin ve kontrollü bir şekilde uyarılması zor olan herhangi bir yapının yapısal dinamiklerini analiz etmek için kullanılan bir yazılım paketidir. Mod şekilleri, doğal frekanslar ve sönümleme oranları gibi bir dizi modal parametre, yalnızca çıktı yanıt verilerini elde eden işletim yapıları için belirlenebilir.

PT100 sıcaklık sensörleri IOLITEi-1xSTG’ye bağlanır. IOLITEi-1xSTG çok amaçlı EtherCAT tabanlı bir sinyal koşullandırma sistemidir. Gerilim ve akımın yanı sıra tam, yarım ve çeyrek köprü çıkış sensörlerinden sinyal alabilir ve ayarlanabilir gerilim ve akım uyarımına sahiptir.

IOLITEi-1xSTG amplifikatörleri, SiWIM ST-504 tam köprü strain gage sensörlerine bağlanmak için de kullanılır.

Sistem, ivmeleri ölçmek için düşük gürültü yoğunluklu kapasitif üç eksenli MEMS sensörleri kullanır. IOLITEiw-3xMEMS-ACC EtherCAT cihazı bu sensörleri bünyesinde barındırır.

IOLITE cihazının içindeki bir mikroişlemci örnekleri iletir. Örnekler Windows üzerinde çalışan DewesoftX yazılımına veya herhangi bir platformda EtherCAT master çalıştıran herhangi bir kontrolöre – bu durumda SiWIM sistemine gönderilir.

DMM sensörü bir MODBUS sinyali verir. Bir Dewesoft-Modbus-Client eklentisi aracılığıyla doğrudan DewesoftX yazılımına bağlanır.

DewesoftX ve SiWIM sistemleri tarafından işlenen veriler Dewesoft Historian veritabanına gider. Daha sonra izlenen verileri görüntüleyen üst düzey gösterge tabloları için bir izleme istemcisi (Graphana) kullanılır:

• sıcaklıklar,
• trafik yükleri,
• ivmeler,
• dikey yer değiştirmeler.

Bu yazılım web tabanlı ve çapraz platformdur – herhangi bir sistemden erişilebilir. DewesoftX’ten gelen ham hızlanma verileri, gerçek zamanlı OMA ve hasar tespiti için FTP üzerinden Dewesoft Artemis’e gönderilir.

Sistem, güç kaynağı için iki adet 300 Ah Li-Fe batarya ve dört adet 150 W güneş paneli içermektedir.

Köprüler gibi büyük yapılarda sensörlerin seçimi, konumları ve kurulumu çeşitli zorlukları beraberinde getirir:

• Konum ve sensör tipleri köprünün tasarımına ve mevcut durumuna göre seçilir.
• Sensörlerin yerleştirilmesi zordur. Kurulum genellikle köprü tabliyesinin altına yapılır veya bazı durumlarda tabliyeye/ayaklara veya diğer elemanlara gömülür.
• Kablo yönlendirmesi, yükseklikler ve uzun mesafeler nedeniyle karmaşıktır.
• Çevre koşulları çok serttir.

Bu projede ESSEBI, transdüserlerin seçimi ve ölçüm noktalarının yapılandırılması konusunda tavsiyelerde bulunmuştur.

ESSEBI, iki ölçüm türü için korelasyon algoritmaları geliştirmektedir. Şirket, farklı dönemlerde köprünün üç çift kör modal analizini gerçekleştirdi. Bu analizler, bakımın değerlendirilmesi için zaman içinde izlenmesi önemli olan sıcaklık ile düşük frekanslı bir değişkenliği vurgulamaktadır.

Sonuç olarak, aşağıdaki sensörler kurulmuştur:

• SiWIM ST-504 sensörleri.
• DMM
• 14x IOLITEiw-3xMEMS-ACC ivmeölçerler.
• 5x IOLITEi-1xSTG cihazları: ST-.504 için üç ünite ve sıcaklık sensörleri için iki ünite.

IOLITE cihazları standart bir Ethernet ağ kablosu ile daisy chain şeklinde bağlanır. EtherCAT protokolü, cihazların uzak mesafelere kolayca dağıtılmasını sağlar. Cihazlar, sinyal, güç ve senkronizasyon için aralarında sadece bir kablo ile 50 metre düğümden düğüme yayılabilir.

Cihazlar arasındaki EtherCAT iletişimi, zincirdeki farklı cihazlardan alınan numuneler arasında 1 us senkronizasyon sağlar. Cihazlar arasındaki mesafe senkronizasyonun hassasiyetini etkilemez.

Sensörlerin montajı ve kabloların köklenmesi deneyimli personeller tarafından gerçekleştirildi. En uzak yerlere ulaşmak için bir kaldırmaplatformu kullanıldı.

CESTEL, köprünün yapısal tepkisini ve trafik yükünü ilişkilendirerek köprü durumunu dinamik olarak tanımlamak için yenilikçi bir araştırma projesi başlattı. Köprüye SiWIM, ivmeölçerler, gerinim ölçerler ve sıcaklıklar dahil olmak üzere çeşitli sensörler yerleştirildi.

Sensörler, daisy chain sayesinde köprü boyunca kolayca yerleştirilebilmiştir. Sistem verileri Dewesoft Historian’da depolar ve Dewesoft Grafana web GUI’sinde kullanılabilir hale getirir. Yorumlama amacıyla çevrimiçi OMA gerçekleştirir.