Kuvvet-yer değiştirme histerezis döngüleri aracılığıyla yapılan elastoplastik davranış çalışmaları, yapıların depremler gibi döngüsel yüklere maruz kaldığında nasıl davrandığını anlamak için çok önemlidir. Roma’daki Sapienza Üniversitesi, IEPE ve MEMS ivmeölçerlerinin performansını karşılaştırarak ölçekli bir modelin plastik davranışını incelemiştir. Amaç, bir lazer yer değiştirme sensörününkilerle en tutarlı sinyalleri sağlayan ivmeölçer türünü belirlemekti.
İtalya’nın Roma kentindeki Sapienza Üniversitesi Yapı ve Geoteknik Mühendisliği Bölümü, titreşim tezgâhı üzerine yerleştirilen ölçekli bir yapıya uygulanan döngüsel yükleri analiz ederek plastik davranışı inceledi.
Kuvvet-yer değiştirme histerezis döngüleri aracılığıyla yapılan bu analiz, yapının enerji yayma kapasitesini incelememize ve plastik davranışını ayrıntılı olarak değerlendirmemize olanak tanır.
Malzeme stres testi ve yapı ölçekli modeli için makinelerin bulunduğu laboratuvar.
Laboratuvar
Roma Sapienza Üniversitesi Yapı ve Geoteknik Mühendisliği Bölümü’nün Malzeme ve Yapı Laboratuvarı altmışlı yılların başında kurulmuştur. Günümüzde, ev sahipliği yaptığı faaliyetler üç farklı alana odaklanmaktadır;
- Öğretim alanı,
- Malzemeler ve modeller üzerinde bilimsel alanda yapılan deneyler,
- İnşaat ve endüstriyel yapılarla ilgili malzeme ve prototiplerin mekanik özelliklerinin analizini ve ilgili resmi sertifikasyonunu sağlayarak kamu veya özel kuruluşlara hizmet vermektedir.
Laboratuvar, inşaat malzemeleri üzerinde testlerin yürütülmesi için resmi bir araştırma ve test laboratuvarıdır ve aşağıdakileri gerçekleştirir:
- Çelikler, beton, harçlar, tuğlalar, profiller ve metal ağlar üzerinde testler.
- Tam ölçekte bile olsa yapısal elemanlar ve modeller üzerinde testler.
- Ölçüm cihazlarının okuma ölçeklerinin kalibrasyonu ve doğrulanması.
Laboratuvarda bulunan temel test makineleri şunlardır:
- Presler, maksimum kapasite 1500kN ve 5000kN.
- Çekiş makineleri, maksimum 500kN ve 1000kN yük.
- Statik ve dinamik testler için elektronik kontrollü MTS üniversal makine, maksimum yük 500kN (statik yük), piston stroku ± 100 mm, maksimum frekans birkaç on Hz’ye kadar.
- Elektronik kontrollü çift etkili Schenck kriko (çekiş ve sıkıştırma), maksimum yük 250kN, piston stroku 400 mm, maksimum frekans yüz Hz mertebesinde.
- Bir çift 20t jakı ve bir 100t jakı olan bir Pulsatör. Ayrıca, maksimum 10 Hz frekansta döngüsel testler için.
- Elektrodinamik sarsıcı, güç kaynağı/amplifikatör ile komple, tepe sinüzoidal kuvvet 100 N, maksimum ivme 588 m/s2, maksimum yer değiştirme 10 mm.
- MOOG L081-324-11 sarsma masası.
Titreşim tezgahı üzerindeki model.
Titreşim sarsıcı veya sarsma tezgahı, mühendislikte yapıları depremler ve diğer stresler tarafından üretilenlere benzer kontrollü dinamik yüklere maruz bırakmak için kullanılır. Bu makine laboratuvar deneyleri için temeldir. Mühendislerin zaman içinde simüle edilmiş sismik veya dinamik yükleme koşulları altında yapısal davranışı değerlendirmelerine olanak tanır.
Bir titreşim tezgahının ana bileşenleri şunlardır:
- Titreşim platformu: Sarsıcı, kontrollü titreşimlere maruz kalan düz, sağlam bir yüzeye sahiptir. İhtiyaca göre boyutları değişebilir ve farklı ölçeklerdeki yapıların konumlandırılmasına olanak sağlar.
- Titreşim sistemi: Sarsıcı, örneğin elektrikli veya hidrolik motorlar gibi titreşim üreten bir tahrik sistemi ile donatılmıştır. Bu sistem, test edilen yapıya kontrollü bir şekilde dinamik yükler uygular.
- Kontrol sistemi: Entegre bir kontrol sistemi, tablaya uygulanan titreşimlerin frekansını, genliğini ve enerjisini düzenler. Test sırasında istenen yük koşullarını yeniden üretmek için hassas kontrol gereklidir.
- Ölçüm enstrümantasyonu: Sarsıcı, test edilen yapının dinamik tepkisini ölçmek için ivmeölçerler, gerinim ölçerler ve kuvvet dönüştürücüler gibi sensörler ve enstrümantasyon ile donatılmıştır.
Laboratuvar tarafından kullanılan Moog L081-324-11 sarsma tezgâhı aşağıdaki özelliklere sahiptir:
- Titreşim tezgahının boyutları 1,5 x 1,5 m’dir
- Maksimum strok ± 200 mm
- Maksimum 2 ton yük kapasitesi
- Zemini 0,60 m x 0,60 m ve katlar arası yüksekliği 0,60 m olan 4 katlı çerçeve
- Toplam yüksekliği 2,40 m’dir.
Bu çerçeve, elastomerik bir izolatör ve dört bilyeli yük aktarma elemanları aracılığıyla masaya bağlanan 0,68 m x 0,76 m boyutlarında çelik bir plakaya bağlanmıştır.
Sarsıcı Test Uygulamaları
- Sismik Davranış Analizi: Titreşim tezgâhı, sismik yükleri simüle ederek mühendislerin binaların ve diğer yapıların sismik kuvvetlere tepkisini incelemesine olanak tanır.
- Yapısal Model Doğrulama Testi: Yapılar, deneysel veriler ve model tahminleri arasında doğru bir eşleşme sağlamak amacıyla sayısal modelleri ve simülasyonları doğrulamak ve kalibre etmek için titreşime tabi tutulabilir.
- Yapısal Direncin Değerlendirilmesi: Yapıların sismik direncini değerlendirmek, olası zayıf noktaları belirlemek ve geri dönüşü olmayan hasara uğramadan enerjiyi absorbe etme yeteneğini değerlendirmek için testler.
- Anti-sismik Cihazların Etkinliğinin Test Edilmesi: Titreşim tezgahı, sismik kuvvetlerin yapılara iletimini azaltmak için tasarlanmış sismik izolatörler ve damperler gibi anti-sismik cihazların etkinliğini test eder.
- Plastik Davranış Çalışması: Depremler tarafından üretilenlere benzer döngüsel yüklerin varlığında yapıların plastik davranışını incelemek için testler.
- Malzemelerin Karakterizasyonu: Titreşim tezgahı, titreşimlere ve döngüsel gerilmelere verdikleri tepkileri değerlendirerek malzemeleri karakterize edebilir.
- Yapısal Tasarım ve Optimizasyon: Titreşim tezgahı testlerinden elde edilen sonuçlar, yapıların tasarlanması ve optimize edilmesi, güvenliklerinin ve sismik dayanıklılıklarının artırılması için önemli veriler sağlar.
Genel olarak, bir titreşim tezgahı kullanmak mühendislerin çeşitli kontrollü testler yapmasına olanak tanır. Gerçekçi dinamik koşulları kopyalayabilir ve sismik tasarım ve inşaat güvenliği için kritik veriler sağlayabilirler.
Dinamik yük testleri ile elde edilen kuvvet-deplasman histerezis döngüleri.
Plastik Davranış: Tek Frekanslı Döngüsel Yükler
Depreme maruz kalan yapıların plastik davranışlarını nasıl incelersiniz? Titreşim sarsıcı ile yapıların elastik-plastik davranışlarını belirlemek için döngüsel yük testleri yapmak mümkündür.
Entegrasyon yaparak, ivmeölçerler aracılığıyla yer değiştirme değerlerini ve kuvvet-yer değiştirme oranlarını elde edebilirsiniz. Kuvvet-deplasman histerezis döngülerinin analizi, yapının plastik mekanizmalarının anlaşılmasına yol açan analizin çekirdeğidir.
Histerezis eğrilerinin şekli ve genişliği, yapının dinamik olaylar sırasında enerjiyi dağıtma kabiliyetini yansıtır. Bu bilgi, yapının depreme dayanıklılığını artırabilecek viskoz veya sarkaç sönümleyiciler gibi enerji dağıtma sistemlerinin tasarlanması için kritik öneme sahiptir.
Akma ve çökme noktası gibi histerezis eğrilerinin önemli noktalarının analizi, yapısal performansın ayrıntılı bir şekilde anlaşılmasını sağlar. Bu veriler, döngüsel yükleme durumlarının tahmini analizinin doğruluğunu artıran plastik davranış modellerinin geliştirilmesinin temelini oluşturur.
Kuvvet-yer değiştirme histerezis döngüleri ile hareketli yapı arasındaki korelasyon
Titreşim tezgahı yapı mühendisliğinde çok önemli bir rol oynar. Geniş spektrumlu bilgilerin tahmin edilmesi için çok yönlü bir araçtır. Deprem gibi dinamik durumlarda yapıların tepki kapasitesini geliştirmek mümkündür. Bu döngüler sayesinde mühendisler, yapının döngüsel yükler altında nasıl tepki verdiğini gözlemleyebilir ve yapının sınırlamaları ve yetenekleri hakkında ayrıntılı bir analiz sağlayabilir.
Ölçüm Kurulumu
Önerilen modeller yalıtımlı bir tabana sahip dört katlı bir çerçeveyi temsil etmektedir. Yolunu limit anahtarları (tamponlar) aracılığıyla sınırlandırdık. Testlerimiz, modelin titreşimli bir tezgah aracılığıyla zamanla değişen dinamik kuvvetlere maruz bırakılmasını içeriyordu. Tamponların kullanımı, tabanın platformla çarpışması nedeniyle ölçümlerde meydana gelebilecek değişiklikleri önlemek için esastı.
Ölçekli modelin her bir katına iki tip ivmeölçer yerleştirdik:
- PCB 393A03: IEPE tipi ivmeölçer (Entegre Elektronik Piezo-Elektrik)
- Dewesoft IOLITEi-3xMEMS-ACC-8g: MEMS tipi ivmeölçer (Mikro Elektro Mekanik Sistemler).
Yüksek ölçüm hassasiyeti sağlamak için tabanın yer değiştirmesini bir optoNCDT 1420-500 lazer dönüştürücü aracılığıyla ölçtük.
Veri toplama işlemi şu şekilde yapılmıştır:
- İki adet Dewesoft KRYPTON-4xACC cihazı: IEPE sensörlerine adanmış sağlam ve dağıtılabilir EtherCAT veri toplama sistemleri.
- Bir Dewesoft KRYPTON-3xSTG cihazı: Gerinim ölçerlere, potansiyometrelere, yer değiştirme sensörlerine ve daha fazlasına adanmış sağlam ve dağıtılabilir EtherCAT veri toplama sistemleri.
- Üç adet Dewesoft DSI-0,16ACC adaptörü
- Beş adet IOLITEi-3xMEMS-ACC-8g cihazı: Entegre DAQ cihazı ve 3 eksenli MEMS ivmeölçer.
- Beş PCB 393A03 IEPE sensörü: 1V/g hassasiyetli ivmeölçerler.
- DewesoftX: Veri toplama (DAQ) için yazılım.
Yapının dinamik yükleri absorbe etme kabiliyeti hakkında ayrıntılı bilgi edinmek için yapıyı tek frekanslı dalgalarla mekanik olarak zorladık. Bu testin doğası, yapının etki alanındaki dönüştürücülerin yanıtının kalitesini analiz etme perspektifinden de avantajlar sağlamaktadır.
Sisteminin üstten görünümünün şeması
Sisteminin yanal görünümünden şematik.
Analiz hedefleri
Bu çalışmanın iyi tanımlanmış iki hedefi vardı:
- Birincisi, lazer yer değiştirme sensöründen elde edilenle uyumlu bir sinyal sağlamak için en uygun ivmeölçer enstrümantasyonunu belirlemeyi amaçlamıştır. Bu sinyalin doğruluğu, tek frekanslı mekanik dalgalar (harmonikler) üreten transdüserlerin zamansal tepkisinin bir fonksiyonu olarak değerlendirilmiştir.
- Bunun yerine nihai amaç, modelin kendisini karakterize eden yapısal unsurlar değiştikçe yapısal modelin elastik-plastik davranışının incelenmesiyle ilgilidir.
İki tip ivmeölçer, PCB 393A03 ve Dewesoft IOLITEi-3xMEMS-ACC-8g.
Jeotekniğin, jeofonların (velosimetreler) dinamik analiz dünyasına girmesine öncülük etmesinden bu yana birkaç on yıl geçti. Artık, hız ölçer rezonansının dayattığı sinyal faz kayması sorunlarının üstesinden geldik. Daha az hassas olan ancak daha yüksek rezonans frekansları sayesinde faz yanıtında son derece daha güvenilir olan ivmeölçerler kullanılmaya başlandı.
Bu proje, sadece sensörün rezonans yapısına bağlı olarak değil, aynı zamanda sinyale filtreler uygulayarak sinyalin faz yanıtını analiz etmenin önemini anlamamızı sağladı.
Bir alım sistemi tarafından üretilen bir sinyalin doğruluğu modül ve faz ile ilgilidir. Modül, algılanan dalga yoğunluğunun ne kadarını yeniden yapılandırdığını gösterir. Faz ise sensörün olaya verdiği zamansal tepkinin alter egosudur. Uygulanan her iki sensör de çok yüksek modül ve faz doğruluğuna sahip bir sinyal üretir. Ancak, iki teknolojiden biri tarafından üretilen veri işleme hattında ihmal edilemeyecek bir faktör ortaya çıkar.
Piezoelektrik teknolojisi tarafından üretilen elektrik sinyali kendi içinde çok zayıflatılmıştır. Yaşanan mekanik sıkıştırma kuvvetleri değiştikçe kristalin yüzey elektrik yüklerinin hareketi ile temsil edilir. Bu sinyali kullanmak için, kristalin mekanik sıkıştırmaları tarafından uygulanan yer değiştirmeye maruz kalan yüklerin sayısını artırarak onu yükseltmeliyiz.
Kristali fazla yük ile ‘uyuşturmak’ ve daha geniş bir sinyal elde etmek için sinyal hattına güç kaynağını ekledik. Öte yandan, bu yük uyarımı ile tam olarak bir ofset voltajı elde ettik. Bu ofset voltajını ortadan kaldırmak için genellikle 0,5Hz’de bir HP (Yüksek Geçiş) filtresi uygulamanız gerekir.
Söz konusu frekans bandı 1Hz’den az ise bu filtrenin ihmal edilebilir sonuçları vardır. Ancak, analiz edilen yapılar DC’ye kadar tüm spektrum boyunca sürekli olarak incelenecekse, bu tamamen farklı bir konudur.
0,5 Hz’de 6. dereceden bir HP filtre frekans yanıtının Bode grafiği.
Sinyal değişimi, filtrenin derecesi değiştikçe modül ve faz için farklı eğilimler izler. Teori, filtrenin her derecesi için -20dB/Decade’lik bir modül zayıflaması getirirken, faz her ilave filtre derecesi için -90°’lik bir değişime uğrar. Bu son ayrıntı göz ardı edilemez, çünkü altı mertebe boyunca 540°’lik bir faz kayması elde edersiniz.
Artık IEPE sensörü tarafından üretilen ve daha sonra HP filtresi tarafından temizlenen sinyalin nasıl ihmal edilemez etkilere maruz kaldığını anlamak mümkündür. Öte yandan, MEMS teknolojisi sinyal işleme için bir filtre gerektirmez ve bu sorunlar yaşanmaz.
Sensör Özellikleri
IEPE ve MEMS sensörlerinin özelliklerinin karşılaştırılması.
Faz Kayması – Mems’in Kilit Rolü
IEPE sensörü tarafından üretilen sinyalin zayıflama ve faz kaymasının etkisi aşağıdaki grafiklerde görülebilir. HP filtresinin Bode diyagramı sayesinde, dikkate alınan frekans değiştikçe zayıflama ve faz etkisinin nasıl değiştiğini gördük
Yapısal modeli tek frekanslı mekanik dalgalarla zorlayarak testler gerçekleştirdik. Bu yöntem bize IEPE sensörünün HP filtresinin zayıflama ve faz kayması etkilerinin ayrıntılı bir görünümünü verdi: 0,25 Hz’de güçlülerdi ve daha sonra 1 Hz civarında ihmal edilebilir hale geldiler.
Üç tip sensör tarafından üretilen sinyal zayıflaması ve faz kayması gösterilmektedir. Gösterilen sinyaller aşağıdaki gibidir:
Mor- IEPE ivmeölçer
Turuncu- MEMS ivmeölçer
Magenta- Lazer yer değiştirme sensörü
Titreşimli masanın 0,25 Hz’de uyguladığı zorlama ile 67,68°’lik faz kayması.
Titreşimli masanın 0,5 Hz’de uyguladığı zorlama ile 39,78°’lik faz kayması.
Titreşimli masa tarafından 1 Hz’de uygulanan zorlama ile 20,88°’lik faz kayması.
Titreşimli masanın 1,25 Hz’de uyguladığı zorlama ile 16,2°’lik faz kayması.
Dinamik yük testi sırasında yazılım görünümü.
Sonuçlar- Düşük Frekanslarda Davranış
Bir elastik-plastik testinde, yapıdaki deformasyonları iki ana faza ayırabilirsiniz: elastik ve plastik faz. Elastik fazda, deformasyon Hooke yasasını izleyerek yük uygulamasına göre tersine çevrilebilir ve doğrusaldır. Bununla birlikte, malzemenin akma noktasını aştığında, plastik faza geçiş meydana gelir ve deformasyonlar kalıcı ve geri döndürülemez hale gelir.
Bu koşullar altında kuvvet-yer değiştirme döngüleri sırasında, genellikle eğim ve şekilde bir değişiklik gözlemlersiniz. Malzeme veya yapı histeriktik davranış sergiler, yani uygulanan stres ile ortaya çıkan deformasyon arasındaki ilişki benzersiz değildir. Bu, yapı tepkisinin yalnızca uygulanan gerilimin mevcut değerine değil, aynı zamanda yükleme ve deformasyon geçmişine de bağlı olduğu anlamına gelir.
Bu olgu, yapıların tasarım ve analizinde önemli etkilere sahip olabilir. Zaman içinde tekrarlanan yüklere dayanma, kalıcı hasara veya yapısal arızaya maruz kalmama yeteneklerini etkiler. Malzemelerin ve yapıların histeriktik davranışını anlamak ve karakterize etmek, mühendislik uygulamalarının güvenliğini ve güvenilirliğini sağlamak için kritik öneme sahiptir.
Bu test histerezis döngüsünde bir değişiklik olduğunu göstermiştir. Bu değişiklik yapıdan değil, iki sensör tipinin farklı sinyal işlemesinden kaynaklanmıştır. IEPE sensörünün sinyali, veri işleme zincirindeki yüksek geçişli filtre nedeniyle zayıflamış ve faz dışı kalmıştır. Öte yandan, MEMS sensörü lazer yer değiştirme sensörü ile aynı fazda bir sinyal üretmiş, modül ve fazda herhangi bir değişiklik göstermemiştir.
MEMS ve IEPE sensörleri ile ölçekli yapısal model.
Sonuç
Yapıların elastoplastik davranışını test etmek amacıyla titreşim alımı için MEMS ve IEPE ivmeölçerlerini değerlendirirken, IEPE ivmeölçerinin yüksek geçiş filtresinin etkisini göz önünde bulundurmalısınız. Bu, düşük frekanslarda bilgi kaybına yol açabilecek bir unsurdur.
Bu uygulamada MEMS sensörleri yüksek hassasiyet ve olağanüstü çözünürlük sunar. Çok düşük frekanslarda ivmedeki küçük değişikliklerin bile tespit edilmesini sağlarlar. IEPE ivmeölçerler eşit derecede hassas olmalarına rağmen, yüksek geçiş filtresinin etkileri nedeniyle frekans spektrumunun sürekli bileşeni civarında daha düşük hassasiyet sunabilir.
IEPE ivmeölçerler, yüksek geçişli filtre etkisi nedeniyle histerezis döngüsünü değiştirebilir. Yapıların elastoplastik davranışının karakterize edilmesinde maksimum hassasiyet gerektiren testler için ideal olmayabilirler- düşük frekanslardaki değişimlerin doğru bir şekilde yakalanmasının çok önemli olduğu testler.
Sonuç olarak, her iki sensör türünün de avantajları ve sınırlamaları vardır. Ancak, düşük frekanslarda doğruluk testleriniz için kritik önem taşıdığında EPE ivmeölçerin yüksek geçiş filtresinin etkisine dikkat etmeniz gerekir.
IEPE ivmeölçerin yüksek geçişli filtresinin etkisini azaltmak için MEMS ivmeölçerler kullanabilir veya dengeleme stratejileri benimseyebilirsiniz. Bu tür faktörlerin dikkatlice değerlendirilmesi, testin özel gereksinimlerine göre ivmeölçerlerin seçilmesi için çok önemlidir.
