Tez No |
İndirme |
Tez Künye |
Durumu |
465396
|
|
An investigation on structural identification (ST-ID) of a long-span bridge for performance prediction / Uzun açıklıklı bir köprünün performans tahmini için yapısal tanılanması üzerine bir araştırma
Yazar:SELÇUK BAŞ
Danışman: PROF. DR. ALPER İLKİ ; DOÇ. DR. NURDAN APAYDIN
Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Konu:İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin:Köprüler = Bridges ; İnşaat mühendisliği = Civil engineering
|
Onaylandı
Doktora
İngilizce
2017
298 s.
|
|
Tüm inşaat mühendisliği alt yapıları içinde kablo destekli uzun açıklıklı köprüler, bir
ülkenin veya bölgenin ulaşım ağı için hayati öneme sahip yapılardır. Bu tür köprü
yapıları ulaşım sisteminin önemli bir parçası olmasının yanı sıra aynı zamanda
bulundukları şehirlere/bölgelere önemli düzeyde kültürel ve ekonomik katkı da
sağlamaktadır. Diğer inşaat mühendisliği yapıları ile karşılaştırıldığında ise, uzun
açıklıklı köprüler bütünsel olarak maliyetli yapılardır. Yapım maliyetinin yanı sıra, bu
köprülerin bakım, yönetim ve yapısal güvenlik maliyetleride oldukça yüksektir. Aynı
zamanda, hali hazırda hizmet veren birçok uzun açıklıklı köprülerin beklenmedik
çeşitli yükleme durumlarında ve çevre şartlarına karşı güvenliği yeterli olmayabilir.
Bu yüzden, uzun açıklıklı köprülerin yapım öncesi ve sonrası için detaylı ve geniş
ölçekli teknik araştırmaların yürütülmesine ihtiyaç vardır. Yapısal Tanılama (St-Id)
yaklaşımı, Yapısal Sağlık İzleme (SHM) sistemi yardımıyla uzun açıklıklı köprülerin
çok daha iyi yapısal değerlendirilmesi için etkin bir çözüm sunmaktadır. Bu yaklaşım
uzun açıklıklı köprülerin yönetiminden sorumlu kurumlara/yetkililere altı aşamadan
oluşan bütünleştirilmiş bir konsept sağlamaktadır: (i) görselleştirme/somutlaştırma,
(ii) ön modelleme, (iii) deney çalışması, (iv) veri analizi, (v) kalibrasyon/doğrulama
analizi ve (vi) kullanma/yararlanma. Bunlardan ilk beş aşama istenilen amaç
doğrultusunda yararlanılacak sonuçlar için hazırlık aşamasıdır. Son aşama ise istenilen
amaç doğrultusunda yapılan analizlerin veya çalışmaların sonuçlarını almaya
yöneliktir. St-Id yaklaşımının bütünüyle uygulanmasının, yaklaşımın kendi özelliği
sebebiyle mümkün olmaması ihtimaline karşın yaklaşımın bu kısıtlı versiyonu bile
uzun açıklıklı köprüler için karar vermeye dayalı önemli sonuçlar vermektedir.
Tez çalışmasının temel amacı, St-Id yaklaşımından yararlanarak Türkiye'de bulunan
uzun açıklıklı köprülerin yapısal davranışı üzerine detaylı ve geniş ölçekli bir araştırma
yapmaktır. Bu amaç doğrultusunda tez çalışmasında, Türkiye'de hali hazırda hizmet
veren önemli inşaat mühendisliği yapılarından biri olan Boğaziçi Asma Köprüsü
dikkate alınmıştır. Aynı zamanda tezde, Boğaziçi Köprüsü üzerine yapılan
araştırmalardan elde edilen sonuçlara dayanarak Türkiye'deki mevcut veya yeni
yapılacak diğer uzun açıklıklı köprülerin güvenliği ve gerçekçi yapısal durum
değerlendirmesi için bütünleştirilmiş bir çözüm getirmek amacıyla bir çerçeve
sunulması da amaçlanmaktadır. Tez çalışmasının ilk bölümünde, St-Id yaklaşımının
ilk iki aşaması olan (i) görselleştirme/somutlaştırma (ii) ön modelleme çalışmaları
yapılmıştır. Bu amaç doğrultusunda, orijinal proje çizimleri, güçlendirme projeleri ve
hesap raporları ile köprünün işletmesinden sorumlu yetkili kurum olan Karayolları
Genel Müdürlüğü'nün tecrübeleri olabildiğince doğru bir şekilde belirlenmiş ve
sunulmuştur. Bu teknik dokümanları ve tecrübeleri göz önünde bulundurarak,
köprünün ön sonlu elemanlar modelini oluşturmak için detaylı bir çalışma
yürütülmüştür. Bu ön çalışmalardan elde edilen sonuçlara dayanılarak, köprüye ait
daha detaylı analizler yapmak amacıyla köprünün ileri düzeyde sonlu elemanlar
modeli olan geliştirilmiş üç boyutlu çubuk model ve üç boyutlu tam ölçekli kabuk model hazırlanmıştır. Tezin bu aşamasında, benzer çalışmalar köprünün düşey halatlı
halinin sonlu elemanlar modelinin oluşturulması için de yapılmıştır. Bu nedenle, bazı
yapısal güçlendirme çalışmalarını da içeren düşey halat değişim projesinin detayları
incelenmiş ve sunulmuştur. Böylece iki halat düzenini dikkate alarak köprünün
geliştirilmiş üç boyutlu çubuk ve üç boyutlu tam ölçekli kabuk sonlu elemanlar
modelleri modal analizin gerçekleştirilmesi amacıyla hazır hale getirilmiştir.
Oluşturulan modellerden elde edilen modal analiz sonuçları karşılaştırılarak
modellerin doğrulaması ve düşey halat durumunun yapı üzerine etkileri titreşim
frekanslarına göre belirlenmiştir. Tez çalışmasının ikinci kısmında, St-Id yaklaşımının
ikinci aşaması olan (iii) deney çalışması (iv) veri analizi çalışmalarını gerçekleştirmek
amacıyla St-Id yaklaşımının gerekliliklerine uygun olacak şekilde köprünün SHM
sistemi detaylı bir şekilde incelenmiştir. SHM sisteminin genel tasarım kriterleri,
amaçları ve izleme parametreleri köprünün kendi karakteristik özellikleri dikkate
alınarak belirlenmiştir. Bu çalışmalar sonunda, köprünün izleme özellikleri Hong
Kong ve Japonya'daki önemli ve iyi bilinen uzun açıklı köprülerininki ile oldukça
yakın bir uyum içinde olduğu belirlenmiştir. Elde edilen bu sonuçları ve Karayolları
Genel Müdürlüğü'nün izleme sistemindeki tecrübelerini göz önünde bulundurarak,
köprüde izlenmesi gerekli kritik noktalar ve yapısal elemanlar belirlenmiş ve köprü
için ön performans kriterleri önerilmiştir. SHM veri analizi için kritik rüzgâr durumu
dikkate alınmıştır. Veri analizinde ilk önce kritik rüzgâr etkisi doğru bir şekilde
tanımlanmıştır. SHM veri analizinden elde edilen ön sonuçlara göre kritik rüzgâr
datasını işlemek amacıyla Matlab programını kullanarak köprünün özelliklerine uygun
yeni bir veri analizi kodunun geliştirilmesine olan ihtiyaç vurgulanmıştır. Geliştirilen
kodu kullanarak frekans alanındaki sonuçlar çok daha gerçekçi elde edilmiş ve
köprünün tabliye ve kule modlarını içeren ilk dokuz titreşim modu belirlenmiştir.
Ayrıca, kritik rüzgâr olayının köprüye olan etkisi SHM sistemi verileri ile elde edilen
köprünün dinamik özelliklerine göre belirlenmiştir. Tez çalışmasının son kısmı ise
oluşturulan köprü sonlu eleman modellerinin SHM sistemi vasıtasıyla kaydedilen
kritik rüzgâr verilerinden elde edilen deneysel frekans sonuçları ile (iv)
kalibrasyon/doğrulama çalışmalarını ve köprünün çok mesnetli deprem hareketi
altında deprem performans tahmini için yararlanma ve karar verme çalışmalarını
içermektedir.
Boğaziçi Köprüsü'nün St-Id yaklaşımından elde edilen sonuçlar, oluşturulan üç
boyutlu çubuk ve tam ölçekli kabuk sonlu eleman modellerinin köprünün ileri düzeyli
yapısal analiz ve araştırmalarında güvenli bir şekilde kullanılabilir olduğunu
göstermiştir. Özellikle köprünün doğrulanmış üç boyutlu tam ölçekli kabuk sonlu
eleman modelinin, ileri düzeyli analiz ve çalışmalarda güvenli bir şekilde
kullanılabileceği belirlenmiştir. "Esnası" ve "Sonrası" zaman aralıklarından elde
edilen karşılaştırmalı deneysel sonuçlara dayanarak Boğaziçi Köprüsü'nün kritik
rüzgâr yüklemesi altında elastik performans gösterdiği belirlenmiştir. Köprünün
dinamik davranışının güç spektral yoğunluklarının gözlemsel olarak incelenmesi aynı
zamanda kritik rüzgâr yükü etkisi altında köprünün etkin yanal modunun sönümleme
kapasitesinde bir artış olduğunu göstermiştir. Sönümleme kapasitesindeki bu artış,
genleşme derzlerinde harekete geçen sürtünmeye ve yanal hareketi kısıtlanmış pandül
mesnetlerin mesnetlenme şartlarındaki değişime dayandırılmıştır. İstanbul'da olması
muhtemel senaryo depremleri etkisi altında yapılan çok mesnetli ve tek mesnetli
deprem analizlerinden elde edilen sonuçlardan, köprünün hasar görmediği tahmin
edilmiş ve köprü için onarım ve güçlendirme müdahalelerine ihtiyaç olmadığı
belirlenmiştir. Analizlerden elde edilen sonuçlar köprünün muhtemel kritik yapısal
elemanlarının kule, tabliye ve genleşme derzlerinin olduğunu göstermiştir. Çok mesnetli deprem etkisi altında eğik ve düşey halat durumuna göre de köprünün yapısal
performansı belirlenmeye çalışılmış ve düşey askı halat durumu için aynı deprem
yüklemesi altında eksenel çekme kuvveti değerinde oldukça büyük azalmalar elde
edilmiştir. Buna karşın aynı azalma ana halat ve kenar açıklık kablolarında
görülmemiştir. Bu sonuçlar köprünün geometrisinin düşey ve orijinal halatlı
durumlarda bozulmamasının gerekliliğine dayandırılmıştır. Ayrıca, karşılaştırmalı
sonuçlardan köprünün deprem analizlerinde tek mesnetli deprem analizinden ziyade
çok mesnetli deprem analizinin dikkate alınmasının gerekliliği sonucu çıkmıştır.
Basitleştirilmiş bir yaklaşımdan yararlanarak köprünün çok mesnetli deprem etkisi
altındaki yapısal davranışı tabliye ve kulelerin titreşim modları ile açıklanmıştır. Tez
çalışmasından elde edilen sonuçlara dayanarak köprü ile alakalı bazı önerilere de yer
verilmiştir. İstanbul'da deprem riskinin yüksek olması sebebiyle deprem uyarı
sisteminin uzun açıklıklı köprülerin yapısal sağlık izleme sistemleri ve diğer önemli
inşaat mühendisliği yapılarının izleme sistemleri ile ortak bütünleştirilmiş bir iletişim
içinde olmasının gerekliliği belirtilmiştir. Ayrıca Boğaziçi Köprüsü'nün operasyonel
performans kriterlerinin belirlenmesi için tez çalışması kapsamında yapılan ön
çalışmaya ek olarak operasyonel ve kritik yük durumlarında köprüde koruyucu
önlemler almak amacıyla genişletilmiş SHM tabanlı operasyonel performans
kriterlerinin geliştirilmesinin zorunluluğu vurgulanmıştır.
|
|
Of all the civil infrastructures, long-span cable-supported bridges are the lifeline
structures for the transportation network in a country/state. These bridges are not only
a substantial component in transportation system, but also offer a respectable
contribution to economic and cultural growth of their regions. Compared to other
infrastructures, long-span bridges are not budget-friendly transportation items. Along
with the construction cost, the cost of maintenance, management, and safety of longspan
bridges is also relatively high. Many long-span bridges in service may also be
vulnerable to various unpredicted load events and environmental conditions.
Comprehensive investigations on long-span bridges therefore needs to be conducted
before and after construction. Structural Identification (St-Id) presents an effective
solution to better structural assessment of long-span bridges utilizing Structural Health
Monitoring (SHM) data. This approach provides the bridge authorities/owners with an
integrated concept consisting of six-step framework: (i) visualization and
conceptualization (ii) priori modeling (iii) experimentation (iv) data analysis (v)
calibration/verification analysis (vi) utilization. Even though containing limitations,
uncertainties and challenges in each step, St-Id process yields to significant decision
making-based outcomes for long-span bridges.
The main aim of the dissertation is to make a comprehensive investigation on structural
response of the long-span bridges in Turkey adopting the integrated approach of St-Id.
For this objective, the Boshporus Suspension Bridge is considered as a real-life civil
infrastructure in this dissertation. Based on the conclusions of the investigation on the
Bosphorus Bridge, it is also aimed to present a framework for integrated solution to
safety and proper structural condition assessment of other existing or new long-span
bridges in Turkey. In the first part of the dissertation, the first two steps of St-Id, which
are visualization / conceptualization and priori modeling, are presented. For this aim,
original project drawings, retrofit projects and experiences from the bridge's official
authority KGM (General Directorate of Turkish State Highways) are identified and
compiled properly. Taking these documents and experiences into consideration, an
elaborate study is conducted to establish priori finite element model (FEM) of the
bridge. Based on the conclusions obtained from the analyses results of the priori model, more
advanced FE models of improved spine-beam and 3-D full-scale shell are developed
for further investigations on the bridge. In this section of the dissertation, similar
efforts are also made for FE modeling of the bridge with vertical hangers. For this
purpose, the hanger replacement project considerations that also include certain
retrofitting works are precisely specified. New locations of vertical hangers at the deck
and main cables are first determined. Besides, physical and technical properties of new
rocker bearings, wind tongues, viscous dampers and tower base-section retrofitting are
presented in detail. Considering these specifications, improved spine-beam and 3-D full-scale shell FE model of the Bosphorus Bridge with inclined and vertical hangers
are prepared to perform the modal analysis. Making a comparison between the results
of the FE models, updates for the models and vertical hanger effects are determined in
terms of natural vibration frequency. In the second part of this dissertation, the SHM
system of the Bosphorus Bridge is presented in detail in accordance with the
requirements of St-Id approach in order to conduct the second steps of St-Id:
experimentation and data analysis. General design considerations, monitoring
objectives and parameters of the SHM system are clarified depending on the bridge's
own characteristics. The monitoring specifications of the bridge are also determined
to be in close agreement with those of the well-known long-span bridges in Hong Kong
and Japan. Considering these specifications and recommendations of the KGM,
critical points and components to be monitored are specified and preliminary
performance criteria is proposed for the Bosphorus Bridge. For data analysis, the
extreme wind event is considered. Before the data analysis, this event is accurately
identified and presented. Depending on the preliminary results, the need to develop a
new Matlab code for averaging extreme wind data is stated. The frequency-domain
results are then obtained to be clear and the first nine dominant (deck and tower modes)
modes of the bridge are identified. Moreover, influence of the extreme wind event on
the bridge is determined on the basis of its dynamic properties through SHM data. The
last part of the dissertation includes updating of the developed FE models with the
experimental frequencies obtained from the extreme wind event through the SHM
system and the utilization for seismic performance prediction of the bridge under the
multi-point scenario earthquake motion.
The conclusions obtained from St-Id process of the Bosphorus Bridge indicate that the
developed FE models can be utilized for advanced analysis and investigations of the
bridge. Particularly, the updated 3-D full-scale shell model of the bridge can be
considered for various further objectives. The Bosphorus Bridge is determined to show
elastic performance under the extreme wind load based on the comparative
experimental results obtained from "During" and "After" data analysis. Visual
inspection of the Power Spectral Densities (PSDs) of the dynamic response also
demonstrates an increase in the damping capacity of the lateral mode under the
extreme wind load. This increase can be attributed to activated friction at the expansion
joints and the change in the boundary conditions of the rocker bearings that restrained
lateral movement. From the multi-point and uniform-point earthquake analyses under
the scenario earthquakes for Istanbul, the bridge with both inclined and vertical
hangers is not likely to be damaged and no repair and strengthening intervention can
be required for the bridge. Under the DD-1 spectrum compatible earthquakes, damage
is estimated for the tower base-section and approach viaduct box-section of the bridge
with both inclined and vertical hangers. For retrofit strategy, sectional capacity is
recommended to be increased with additional longitudinal stiffener of doubly
symmetric W100x499 I-beam. The comparative results also yield to necessity of the
consideration of the multi-point earthquake analysis rather than the uniform-point
earthquake analysis. Using simplified approach, structural response of the bridge to
the multi-point earthquakes is identified with the deck and tower vibration modes.
Some recommendations are also made depending on the outcomes of the detailed
analyses. With the increase in the number of long-span bridges in Turkey, especially
in Istanbul, there is need for a command center where the all SHM systems are
integrated for rapid decision-making. Due to high seismicity of Istanbul, the
connection of the earthquake warning system with the SHM systems of the bridges and other important infrastructures should also be integrated. Along with the preliminary attempt to determine the operational performance criteria of the Bosphorus Bridge in this dissertation, developing extended SHM-based operational performance criteria is also necessary to take preventive measures for operational and extreme load events. |