Makalenin orjinali için Lessons learned from six different structural health monitoring systems on highway bridges – Abheetha Peiris, Charlie Sun, Issam Harik, 2020 (sagepub.com) adresini ziyaret edebilirsiniz.

Bu makaleyi seçmemizin nedeni, hem projesinde bulunduğumuz, hem de ülkemizde yabancılar tarafından kurulmuş yapısal sağlık izleme (SHM-Structural Health Monitoring – YSI Yapısal Sağlık İzleme) sistemlerine verdiğimiz servislerde gördüklerimizin bir yansıması olmasıdır. Yazıdaki bazı tespitlerin altını çizmek istedik. Umarız bu yolculuğa çıkmak isteyenlere, öncesinde ışık tutar.

 

 

Yapısal sağlık izleme sistemleri, karayolu köprülerinin performansını ve bütünlüğünü incelemek için çeşitli şekillerde kullanılmıştır. Bu makale, Kentucky’deki altı köprüdeki farklı davranışları izlemek için yerleştirilen yapısal sağlık izleme sistemlerinin kullanımını vurgulamaktadır. Yapısal sağlık izleme sistemleri şu şekildedir:

(1) Aşırı yüksek kamyon çarpma tespiti ve izleme, (I-64 karayolu, US 60 köprüsünde)
(2) Mavna (güvertesiz büyük tekne) çarpma tespiti ve izleme. (Ohio Nehri üzerinde kuzey yönü, US 41 karayolu)
(3) Öngerilmeli beton i-kiriş çatlak hareketinin karbon fiber takviyeli polimer güçlendirmeye bağlı olarak değerlendirilmesi, (Louisville’de I-65 yükseltilmiş otoban üzerindeki)
(4) Köprü alt yapısına etkiyen  termal yüklerin incelenmesi ,(Trammel Creek üzerindeki KY 100 köprüsü)
(5) Genleşme derzlerinin ısıl hareketi değerlendirmesi (Tennessee Nehri üzerinde doğu yönü, I-24 karayolu)
(6) Çelik zemin kirişinde çatlak büyümesinin izlenmesi (Ohio Nehri üzerinde, I-275 karayolu)

Kentucky bölgesinde seçilen köprülerde farklı yapısal sağlık izleme sistemlerinin konuşlandırılması, gelecekteki yapısal sağlık izleme projelerine uygulanabilecek planlama, uygulama ve bakım konusunda değerli bilgiler sağlamıştır. Projelerin birçoğu son derece başarılı olmuş, bazıları hala izlenmekte iken, bazıları, çok sayıda komplikasyon nedeniyle, yalnızca sınırlı bir başarı elde etmiştir.

En iyi yatırım getirisi, odaklanmış ve kapsamı sınırlı olan yapısal sağlık izleme sisteminden elde edilmiştir.

Başarılı yapısal sağlık izleme sistemleri, projelerin planlama, uygulama ve izleme aşamalarında tüm paydaşlar arasında sürekli iletişim kurmaktan geçmektedir.

Uygulamanın devreye alınmasını takiben, sensörleri ve ağ ekipmanlarını değiştirmek/iyileştirmek ve düzenli bakım maliyetleri dışında yeniden programlama ve yeniden kurulum maliyetleri için acil durum fonlarının/bütçelerinin mevcudiyeti yapısal sağlık izlemesinin başarılı olması için önemliydi.

Giriş

Köprülerin yapısal sağlık izlemesi (SHM -Structural Health Monitoring – YSI Yapısal Sağlık İzleme), son on yılda oldukça popüler hale gelen varlık yönetiminde önemli bir araçtır. İzleme, mühendislerin malzemelerde ve/veya geometrik şekilde gerçekleşmiş hasarları belirlemelerine yardımcı olur. Sensör, veri toplama ve ağ teknolojisindeki mevcut gelişmelerle birlikte SHM, daha güvenli ve daha güvenilir yapılar üretilmesini sağlayacak, köprü bileşenlerindeki kusurları ve hasarları hızla tespit edebilen araçlar sağlar. Son teknolojik gelişmeler, mevcut ve yeni inşa edilen köprülerin performansını değerlendirmek için daha komplike ve hassas sistemlerin kullanımını kolaylaştırmaktadır. SHM teknolojisindeki hızlı gelişimin, daha uygun maliyetli, koşul temelli (kestirimci/proaktif) bakım felsefesini teşvik etmesi ve şu anda kullanılan periyodik bakım felsefesinden uzaklaşması beklenmektedir.

Amerika Birleşik Devletleri’ndeki mevcut Ulusal Köprü Muayene Standartları, kamuya açık yollardaki tüm köprülerin 24 ayı geçmeyen düzenli aralıklarla incelenmesini gerektirmektedir. SHM’deki gelişmeler, rutin görsel denetimlerin maliyet etkin bir şekilde yerini alması için henüz yeterince gelişmemiş olsa da, SHM’lerin eski köprülerdeki hasar veya bozulmayı tespit etmek ve yeni köprülerin tasarımını ve inşasını kolaylaştırmak için verimli bir şekilde kullanılabileceği birçok yol vardır.

SHM köprüleri birkaç farklı şekilde kategorize edilebilir. İstenen nihai sonuca bağlı olarak, köprü izleme üç ana kategoriye ayrılır:
(i) kısa vadeli izleme,
(ii) uzun vadeli izleme
(iii) Ekstrem olay izleme

Kısa vadeli izleme genellikle hasarın derecesini değerlendirmek ve muhtemelen pratik bir güçlendirme önlemini almak için şüpheli hasar veya bozulma olan köprüler üzerinde gerçekleştirilir. Aynı izleme, seçilen onarım tekniğinin etkinliğini değerlendirmek için onarımların ardındanda gerçekleştirilebilir.

Uzun vadeli izleme ile ise yapının davranışı, yükleme modellerini ve bozulma oranlarını belirlemek için yapılır. Alınan veriler gelecekteki olası onarımlar ve bakımlar için; operasyonel güvenliği değerlendirmek; köprü tasarımlarını araştırmak ve iyileştirmek; depremler gibi ekstrem olayların ardından olası hasarların tespiti için kullanılır.

Diğer iki kategoriden farklı olarak, aşırı olay-ekstrem izleme, bilgilerin düzenli zaman aralıklarında toplanmasıyla sonuçlanabilir veya sonuçlanmayabilir. Bu tür izleme, özellikle kritik konumlardaki çarpışmalar veya patlamalar gibi olayları ve depremler veya kasırgalar gibi olayların neden olduğu şiddetli hareketleri belirlemek için tasarlanmıştır.

Farklı SHM projeleri üzerinde çok sayıda ve önemli ölçüde araştırma çalışması yürütülürken, araştırmacıların izleme sistemlerini uygularken karşılaştıkları zorluklardan ve sorunlardan çıkarılan dersleri özetleyen çok az çalışma yapılmıştır. SHM ile ilgili son teknoloji ürünü ve inceleme makalelerinin çoğu, yeni teknolojik gelişmeler hakkında değerli bilgiler sağlar.

Ko ve Ni, mevcut durumu, yenilikçi algılama ve veri toplama sistemlerini ve büyük ölçekli köprülerin SHM’sinde kullanılan gelişmiş hesaplama tekniklerini tartışıyor.

Li ve arkadaşları. SHM’nin büyük inşaat altyapısında kullanımını tartışır, farklı sensör türlerinden veri toplamanın senkronizasyonunu birincil zorluk olarak özetler.

Li ve Ou, kablolu köprülerin SHM’sindeki zorlukları ve gelecekteki eğilimleri tartışıyor; başlıca zorluklardan biri, tam hasarlı yapı modelinin tanımlanmasıdır.

Seo ve arkadaşları. tarafından hasar tespiti, yük taşıma kapasitesi değerlendirmesi ve kalan ömür tahmini için otoyol köprülerinin titreşime ve gerinime dayalı SHM incelemesiyle, bu izleme yöntemleri arasındaki boşlukları belirledi.

Chang ve arkadaşları. tarafından hazırlanan değerlendirme belgesinde, çevresel gürültünün etkisi, temel verilere bağımlılık ve altyapı sistemlerinin karmaşıklığı dahil olmak üzere yapılarda SHM uygulamasında bazı zorluklara değinilmiştir. Ayrıca, bu tür sensörlerin çevresel etkilere karşı dayanıklı ve aynı zamanda uygun maliyetli olma ihtiyacını da ayrıntılı olarak açıkladılar.

Spencer ve arkadaşları. ve Pakzad ve arkadaşları. tarafından yapılan araştırma, entegre donanım ve yazılım sistemlerine sahip yeni nesil kablosuz sensör ağlarının kullanımıyla birlikte SHM’deki gelişmeleri detaylandırmaktadır.

Aktan ve arkadaşları. tarafından yapılan araştırma, SHM’deki birçok sorunu yönetim açısından tanımlamaktadır. Yeterli kaynak ihtiyacı; entegre çok disiplinli ekipler; ve akademik, hükümet ve endüstrinin gerçek bir ortaklığı vurgulanmaktadır.

Ancak birçok araştırma makalesi, araştırmacıların karşılaştığı genel proje uygulaması ve bakım sorunları hakkında çok az bilgi verir. SHM’nin, özellikle köprü yapılarında saha konuşlandırması, projenin başlangıcında hiçbir zaman tespit edilemeyen çevresel, lojistik, teknolojik ve hatta finansal dezavantajlar nedeniyle sıklıkla pratik zorluklarla karşılaşır.

Karşılaşılan sorunlar hakkında bildirilen bu bilgi eksikliğinin bir nedeni, muhtemelen başarısız olan SHM projelerinin hemen duyurulamaması olabilir. Bir diğeri, SHM araştırmasıyla ilgili yayınların çoğu tek bir enstrümantasyon veya belirli bir izleme türü ile ilgilendiğinden, karşılaşılan herhangi bir sorunun genel proje başarılı olduğunda, göz ardı edilmesi olabilir.

Bu makale, Kentucky Ulaşım Kabinesi (KYTC) tarafından yönetilen güzergahlardaki köprüler için yazarlar tarafından yürütülen 6 adet SHM vaka çalışmasını sunmaktadır.
Projeler, kısa vadeli, uzun vadeli ve aşırı olay izleme sistemlerini içerir. Projelerin bazıları uzun vadeli ve aşırı olay izleme sistemlerini birleştiriyor. Tabloyu büyüterek detayları görebilirsiniz.

Altı proje, KYTC ve Federal Otoyol İdaresi tarafından finanse edilen 12 yıldan fazla bir çalışma süresini kapsıyor. Projelerin birçoğu son derece başarılı olmuş, bazıları hala izlenmekte iken, bazıları çok sayıda komplikasyon nedeniyle yalnızca sınırlı bir başarı elde etmiştir. Kentucky Üniversitesi merkezli Kentucky Ulaşım Merkezi (KTC), neredeyse tüm köprüler için elde edilen verilerin enstrümantasyonunu ve izlenmesini gerçekleştirdi. Altı köprüden beşi için, elde edilen veriler uzaktan KTC’nin veri sunucularına iletildi. Verilere, bir web sitesi aracılığıyla pay sahipleri tarafından gerçek zamanlı olarak erişilebildi. Köprülerin konumu ve izleme türü Şekil 1’de tanımlanmıştır. Bu makale, projeleri tartışmakta ve yazarların her bir SHM sisteminin planlanmasında, uygulanmasında ve bakımında karşılaştıkları zorlukları tanımlamaktadır. Altı çalışmadan öğrenilen derslere dayalı öneriler de değerlendirilmek üzere sunulmuştur ve bunlar gelecekteki SHM projelerine potansiyel olarak uygulanabilir.

Aşırı yüksek kamyonların köprülere çarpma tespiti
US60 üzerinden I-64 üzerindeki köprüler (2005–2011)

Uzun vadeli ve ekstrem olay izleme kombinasyonu içeren bu uygulama, Kentucky, Franklin County’de US 60 üzerinden I-64 üzerindeki köprüler üzerinde uygulanmaktadır. İzleme, kamyon çarpmalarına ilişkin bilgileri, meydana geldiklerinde seçilen eyalete ve diğer nakliye görevlilerine iletmek ve ayrıca belirtilen yükseklik sınırının üzerindeki kamyonları belirlemek için yapılmıştır.

Enstrümantasyon, belirtilen yükseklik sınırını aşan kamyonlardan kaynaklanan kirişlere olası darbeler için köprüyü sürekli olarak izler. Üç açıklıklı paralel doğuya ve batıya giden köprüler (Şekil 2), toplam uzunlukları 90 m olan kompozit çelik-betondur. 190 mm kalınlığındaki beton tabliyeleri, değişken ve sabit derinlik tipinde altı sürekli levha kirişle desteklenir.

Çarpmaların, köprünün altından doğuya gidiş rotasından geçen bazı kamyon türlerinden kaynaklandığından şüphelenilmiştir. US 60 üzerindeki I-64 köprülerinin davranışını ve tepkisini potansiyel etkiler için izleyen uzaktan algılama teknolojisi, çeşitli konumlara kuruldu. Veriler, gerçek zamanlı olarak analiz edilmek, karşılaştırılmak, görüntülenmek gibi işlemler için merkezi bir bilgisayara iletilir. US 60 üzerindeki paralel köprüler, çarpma yeri ile birlikte Şekil 2’de gösterilmektedir.

Şekil 3, bu projede kullanılan çeşitli cihazların köprüler üzerindeki konumlarını göstermektedir. Cihazlar arasında gerinim ölçerler (SG), sıcaklık göstergeleri, kızılötesi sensörler, ultrasonik yükseklik (UH) dedektörleri, ivmeölçerler ve video kameralar (VC’ler) bulunur. Gerinim ölçerler 11 konuma kurulmuştur. (SG-1 ila SG-11 olarak gösterilir).

5 gerinim ölçer batı yönünde I-64 köprüsünde ve geri kalanlar doğu yönünde yerleştirilmiştir. SG-1, SG-2, SG-3 ve SG-4 batı, SG-5, SG-6, SG-7, SG-8 doğu yönünde 6 plakalı kirişin iç kirişlerinin alt flaş yüzüne uygulanmıştır.

Her bir çift gerinim ölçer (SG-1 / SG-2, SG-3 / SG-4, SG-5 / SG-6 ve SG-7 / SG-8) birbirine bakan iki kirişe yerleştirilir. SG-1 ila SG-8, ortam koşulları altında gerinim etkilerini inceler ve her köprünün iki ucu arasındaki farkları karşılaştırır.

Potansiyel etkilerden kaynaklanan gerilme etkileri, SG-9’dan SG-11’e kadar incelenmiştir. SG-9 ve SG-10, sırasıyla batıya ve doğuya giden köprülerin orta açıklığı içinde trafiğe bakan ilk dış kirişin iç tarafındaki alt flanşın dikey yüzündedir. SG-11, doğu yönünde köprünün diğer dış kirişinin iç tarafındaki alt flanşın dikey yüzündedir..

Gerinim ölçerler çelik kirişlere yapıştırılmıştır. Kabloları, sensör üreticisi tarafından sağlanan standart kılıflı tellerdir. Kablolar, Veri toplama sistemine giden bir polivinil klorür (PVC) kanalından geçirildi.

Kızılötesi sensörler (IR-1 ve IR-2), doğuya giden I-64 köprüsündeki Kiriş 1’i etkileyebilecek kamyonları algılar. Her sensör , her köprünün orta açıklığı içinde karşıdan gelen trafiğe bakan ilk iki kiriş arasına dikilmiş bir çapraz çerçeve üzerine monte edilmiş bir verici ve alıcıdan oluşur.

Muhtemelen bir kamyon nedeniyle kızılötesi algılayıcı kesintiye uğradığında sensör, sırasıyla kamyon yüksekliğini ölçmek ve kamyonun görüntülerini yakalamak için bitişikteki UH detektörünü ve kamerayı aynı anda tetikler. Bir UH detektörü, belirli bir frekansta bir darbe dalgası göndererek çalışır. UV dalgası katı bir yüzeyle (örneğin, bir kamyonun kaputu) karşılaştığında, dalga yansıyacak ve kaynağa geri dönecektir. Bu projede, bir ekseni doğuya giden köprünün merkez hattı boyunca yönlendirilmiş tek bir üç eksenli ivmeölçer de kullanılmıştır.

Üç eksenli ivmeölçer, üç dik yönde ivmeyi ölçme özelliğine sahiptir. İvme ölçer ünitesi, darbeyi ölçmek için SG-11 ile birlikte kullanılmıştır. (bkz. Şekil 3). İvmeölçer tarafından hem ani yatay hem de dikey hareketin tespiti, araştırmacıların bir etkinin şiddetini belirlemesinin yanı sıra belirlemesine de olanak sağladı.

Ünite, doğuya giden I-64 köprüsünün Kiriş 1’in etkilenip etkilenmediğine bakılmaksızın ivme ve titreşimi sürekli olarak ölçülür durumdadır. Bu projede kullanılan iki Video Camera – VC-1 ve VC-2 – köprü sahasından canlı görüntüleri iletebilen gözetim cihazları olarak çalışıyor. IR-1 ve UH-1, Dedektör 1’i oluşturmak için birleştirilirken, Dedektör 2, IR-2, UH-2, VC-1 ve VC-2’den oluşur. İvmeölçerler, kızılötesi sensörler, ultrasonik yükseklik dedektörleri ve VC’ler yapıya mekanik olarak sabitlendi. Aletler ve kurulumları ile ilgili ek bilgiler Harik ve ark.11‘de bulunabilir.

Sürekli çalışır bir sitsemin birincil avantajı, köprüye aşırı yüksek araç çarpması hasarını proaktif olarak izleme ve aynı zamanda hasara neden olan araçları belirleme yeteneği sağlamasıydı. SHM, I-64’te US 60’ın üzerinde köprülere uygulanmadan önce, halk bildirmedikçe veya bir yol görevlisi tarafından farkedilmedikçe kamyon çarpmaları tespit edilemiyordu. Uygulanan kurulum, hasarın hızlı bir şekilde tanımlanıp onarılabileceği etkili bir alternatif sağlar.

Sistemin dezavantajları sürekli güç gereksinimi ve kablolu internet ihtiyacıydı. Çoğu köprü yerleşimden uzak yerlerde olduğundan, köprüleri enstrümante etmenin temel zorluklarından biri, bir güç kaynağına erişim sağlamaktır. 2005 yılında I-64 köprüleri enstrümante edildiğinde, mevcut sensörler ve VC’ler büyük miktarda kesintisiz doğru akım (DC UPS) gücü gerektiriyordu.

Köprünün yakınında güç kaynağı olmadığından, araştırma ekibi için gerekli DC gücünün özel ekipman kullanılarak elde edildiği alternatif bir akım prizi kurmak için yerel elektrik şirketi ile temasa geçildi. O sırada mobil veri iletişimi mevcut olmadığından, kablolu bir internet bağlantısı da kurulmuş ve bir kablo modem aracılığıyla sahadaki bilgisayara bağlanmıştır. Sistem başarılı bir şekilde kurulmuşken, veri toplama sisteminde arka arkaya gelen hasar nedeniyle hiçbir zaman çalışamadı.

Veri toplama sistemi, gerekli finansman sağlanarak bir kez vandalizm bir kez de yıldırım çarpması nedeniyle iki defa değiştirilmek zorunda kaldı. Veri toplama ekipmanının yenileme maliyeti ve sistemin devre dışı kaldığı zaman aralıklarının yarattığı dezavantajlar nedeniyle, projenin 2011’de hizmetten çıkarıldı.

Mavna çarpma tespiti
Ohio Nehri üzerinden NB US 41 üzerinde köprü (2006–2015)

Kentucky, 1600 km’den (1000 mil) fazla gezilebilir su yoluna sahiptir. Ohio Nehri bunların yaklaşık% 70’ini oluşturuyor. Mavnalar, Ohio Nehri üzerindeki malları taşımanın birincil yoludur. Su yolu trafiğinin miktarı arttıkça, zaman zaman mavna çarpmalarından kaynaklanan kazalar kaçınılmazdır.

Mavnalar düşük hızlarda (<3,09 m / sn veya 6,91 mil / sa) seyahat ederken, boyutları muazzam olabilir (genişliği 31 m (100 ft) ve uzunluğu 366 m (1200 ft)), bu da manevra yapmayı çoğu zaman zorlaştırır. Kentucky, Henderson County’deki Ohio Nehri üzerindeki NB US 41 köprüsü, bir kiriş köprüsüdür. Yaklaşım açıklıkları dahil olmak üzere köprünün toplam uzunluğu 1950 m’dir (5395 ft).

NB US 41 köprü ayaklarını bir mavna veya mavna filosundan gelen darbelere karşı uzaktan izlemek için yapısal sağlık izleme sistemi ile donatılmıştır. Uygulanan SHM’nin, oluşacak etkileri ölçmesi ve bunların ciddiyetiyle ilgili bilgileri KYTC’deki Ulaşım Operasyon Merkezi’ne, ABD Sahil Güvenlik’e ve diğer seçilen personele iletmesi bekleniyordu.

Darbeleri tespit etmek ve ölçmek için B, C ve D köprü ayaklarının üstüne üç eksenli ivmeölçerler monte edildi. Ek olarak, B ayağı üzerindeki genleşme yataklarına doğrusal değişken deplasmanlı transdüserler (LVDT’ler) monte edilmiştir.

SHM ayrıca, herhangi bir ortam koşulunda (örneğin gündüz, gece, yağmur ve sis) ayakları etkileyen gemilerin, mavnaların veya filonun görsel kanıtlarını kaydetmek için video ekipmanı ile donatılmıştır.

Toplanan veriler arasında ivme, yer değiştirme ve görsel (video ve sabit) kayıtlar bulunur. Olay öncesi (2 ila 5 s pretrigger) ve ardından meydana gelen (≈15 ila 30 s posttrigger) ivmeler ve yer değiştirmeler için bir grafiğinin yanı sıra maksimum saatlik ivme ve yer değiştirme verilerine proje web sitesinden erişilebilir. Video ve fotoğraf kayıtları, bir olaydan önce 10 dakika ve bir olaydan sonra 10 dakika süreyle saklanır.

Video dosyaları da dahil olmak üzere büyük miktarda verinin depolanması ihtiyacı nedeniyle, her ayakta ayrı veri toplama sistemleri kuruldu. Kurulan bu 3  sistem, üç ayaktan herhangi biri üzerindeki darbe oluşumunu bağımsız bir şekilde izledi. Her birinin bilgi aktarımı için kendi hücresel veri bağlantısı vardı. Ekipmanı çalıştırmak için gereken güç, çelik kafesler üzerine kurulan geniş bir dizi güneş paneli aracılığıyla elde edildi.

Şiddetli ve / veya kritik etkileri belirlemek için çeşitli ivme ve yer değiştirme limitleri veya eşikleri belirlendi. Köprünün eksenine göre boylamasına, enine ve dikey yönlerdeki eşik sınırları, köprüler üzerindeki çok mavnalı filo darbe kuvvetlerinin önceki bir çalışmasına dayanılarak seçilmiştir. 0,2 ​​g’nin üzerinde bir ivmeye neden olan bir darbe şiddetli olarak kabul edilmiştir, Bir çarpışmadan önce ve hemen sonra sistem veri kaydını etkinleştirmek için yalnızca 0,05 g’ı aşan bir ivmelenme gerekliydi.

Şiddetli etki, söz konusu ayaklarda olası hasara neden olabilecek etki sınırı veya eşiği olarak tanımlanır. Kritik etki, ayağa zarar veren çarpma sınırı veya eşiği olarak tanımlanır; bu etki, büyüklüğü ayrıca daha fazla inceleme için köprünün kapatılmasını gerektirecek kadar büyük bir etkidir. Kritik ve şiddetli etkiler, genleşme derzlerindeki yer değiştirme limitlerine ve / veya ivme ve / veya gerinim ölçümlerine dayalı olarak her yapı için tanımlanır.

KYTC’nin, bir mavnanın Ohio Nehri üzerindeki bir köprüye çarptığı her olayı araştırması gerekmektedir. Çoğu zaman bu, şeritlerin kapatılmasını ve bazen de köprü kapanmasını gerektirir. Etkiler belirlendikten sonra, sistem KYTC’deki Ulaşım Operasyon Merkezi, ABD Sahil Güvenlik ve diğer seçilmiş kişilerdeki ilgili personeli otomatik olarak bilgilendirir.

Etkilenen ayak ile ilgili etki tarihi ve saati ve etki türü (ciddi veya kritik) ile ilgili ayrıntılar gönderilir, bilgilendirilen personel, B ayağının üstündeki iki genişleme yuvasını,B, C ve D’nin doğu yüzlerini ve B, C ve D’nin çevresindeki alanları gerçek zamanlı olarak görüntülemek için web sitesini ziyaret edebilir.Video ve / veya fotoğraf kayıtları olaydan önce en az 10 dakika ve olaydan sonra 10 dakika süreyle saklanır. SHM sisteminin yardımıyla, yalnızca büyük etkilerin araştırılması gerekir. Sistem, kritik bir darbe algılandığında köprüyü otomatik olarak kapatabilme özelliği ile gelecekte de genişletilebilecek şekilde tasarlanmıştır.

SHM sistemi, bir ihale sürecini takiben özel bir şirket tarafından kurulmuş ve ardından üç yıllık bir bakım döneminin ardından KTC araştırma ekibine devredilmiştir. Devrin ardından, hücresel modem aracılığıyla uzaktan erişim yoluyla veri toplama sistemi ile iletişimin düzensiz olduğu görülmüştür. Bunun, hücresel veri servis sağlayıcısındaki bir değişikliğin ardından iletişim protokollerindeki farklılıklardan kaynaklandığı anlaşılmıştır.

Mevcut finansman limitleri nedeniyle, üç yıllık uygulama döneminden sonra sisteme iyileştirme yapılması mümkün olmadı. Ayrıca, 10 Nisan 2008 tarihinde meydana gelen bir mavna çarpmasının ardından sistemin mavna çarpışmalarını tespit etmedeki etkinliğinin sorgulanmasına yol açmıştır. 18 Nisan 2008’deki Güney Illinois Depremi, her üç yönde de 0,05 gramdan azdı.
Sonuç olarak, veri toplama ve depolama için tetikleme 0,05 g olduğundan, yalnızca maksimum saatlik ivme kaydedilebilmişti. Olaylardan biri eşik ivmesini herhangi bir yönde tetiklemiş olsaydı saatlik maksimum ivme yerine olay geçmişi kaydedilmiş olacaktı. Şekil 5’te görüldüğü gibi, maksimum saatlik ivmeler 0,05 g tetikleme hızından daha düşüktü.

CFRP (Karbon fiber takviyeli plastik) iyileştirme etkinliğinin izlenmesi
Louisville’de I-65 yüksek otoban üzerindeki köprü (2004–2009)

Louisville’deki I-65 köprüsünde bulunan sürekli yapısal sağlık sistemi, köprüde yapılan ekonomik güçlendirme sonrası , bu güçlendirmeyi izlemek üzere kısa süreli kullanılmıştır. Köprü, Kentucky, Louisville şehri boyunca kuzey-güney yönünde ilerleyen I-65’in yükseltilmiş bir bölümü üzerindedir. I-65’in hasarlı kısmı paralel bir köprüdür. Her köprü, kuzeye veya güneye doğru üç şeritli trafik taşır. Sürekli öndökümlü ön gerilmeli (PC) kiriş açıklıkları, 200 mm ila 270 mm (8 inç ila 10,5 inç) arasında değişen kalınlıkta bir betonarme köprü tabliyesini destekler. Otoyolun birçok yükseltilmiş açıklığının, bazı öndökümlü ön gerilmeli kirişlerinde çatlamalar görüldü. Toplam 95 PC I-kiriş ucunda çatlaklar görüldü. Çatlama, özellikle köprü yönünde öteleme hareketinin kısıtlandığı sabit uç konumların yakınında yaygındı. Proje, hasarlı ön gerilmeli kirişlerin CFRP kumaş kullanılarak onarılmasını, güçlendirilmesini ve kapasitesinin eski haline getirilmesini amaçladı.

Çatlakların canlılığını araştırmak için, iki kiriş (Kiriş 6 ve 7 olarak adlandırılan Kirişler), hareketlerini ölçmek için yatay ve dikey yönlerde LVDT’ler ile enstrümante edildi. Şekil 6, CFRP ile güçlendirilmeden önce ve sonra çatlakların üzerine monte edilen LVDT’leri göstermektedir.

Enstrümantasyon 16 Şubat 2004 tarihinde yapıldı ve günlük maksimum hareket ve sıcaklık 27 Haziran 2005’e kadar ölçüldü. Bu süre boyunca toplanan veriler güçlendirme önlemlerini tasarlamak için kullanıldı ve onarım tamamlandıktan sonra LVDT’ler, güçlendirme etkinliği ölçmek için tekrar takıldı.

İyileştirme işlemine başlanmadan önce SHM (YSI yapısal sağlık izleme sistemi), aktif olmasına rağmen çatlakların kabul edilebilir sınırlar içinde olduğunu belirtmişti. Bu, kirişlerin güçlendirilmesi için CFRP kumaşının kullanılmasına izin vererek, ayak başlığı desteğini uzatmanın veya yeni ayakların inşası gibi daha pahalı alternatiflerinden kaçınmayı sağlamıştı. Güçlendirmenin ardından yapılan izleme, güçlendirmeye atfedilebilen yatay harekette önemli bir azalma olduğunu doğruladı (Şekil 7), dikey yönde de güçlendirme dikey hareketin daha da artmasını engelledi.

Güçlendirme gerektiren öngerilmeli beton kiriş uçlarının sayısı ve pahalı alternatif onarım yöntemleri göz önüne alındığında, I-65 projesi, daha düşük maliyetli bir seçeneğin seçimini kolaylaştıran bilgiler sağlayan harika bir SHM örneği sunmaktadır.

Termal yüklerin köprü alt yapısına etkisi
KY 100 üzerinde Trammel Creek üzerindeki köprü (2011-günümüz)

Üst yapı elemanlarında sıcaklığa bağlı iç gerilme oluşumu, Amerikan Devlet Karayolu ve Ulaştırma Yetkilileri Birliği’ni (AASHTO) genel köprü tasarımı üzerindeki üst yapı sıcaklık yükü etkilerini belirlemek için yasal şartlar belirtmeye itmiştir. Ayrıca, integral köprüler gibi yapı türleri için, ara ayakların tasarımı termal yükler bakımından değerlendirilir veya AASHTO tarafından kontrol edilebilir.(ayak yüksekliğine bağlı olarak).

Yeni Trammel Creek Köprüsü, sıcaklıktan kaynaklanan toprak basınçlarının ölçümlerini AASHTO tasarım şartlarından ve köprü sonlu eleman analizinden (FEA) türetilen basınçlarla karşılaştırmak için sıcaklık ve gerinim(strain) izleme cihazlarıyla donatıldı. AASHTO hükümlerinde bulunan üç teknikten Köprüler üzerindeki sıcaklık-yük etkilerini belirlemek için Yeni Trammel Deresi Köprüsü’nün tasarımında AASHTO Prosedür B kullanılmıştır. Köprü, açıklık uzunlukları 24,4 m ila 36,6 m arasında değişen dört açıklıklı (iki şeritli) yekpare bir dayanak köprüsüdür.

Köprü, açıklık uzunlukları 24,4 m ila 36,6 m arasında değişen dört açıklıklı (iki şeritli) yekpare bir integral köprüdür. Köprü açıklıkları köprünün uzak uçlarında, betonarme kanat duvarları, duvar sapları ve çelik h-kazıklarından oluşan yekpare uç bükümlerle desteklenir. Üç eşit aralıklı (36,6 m veya 120 ft’de) betonarme köprü ayakları, her bir ayağın büyük bir perde duvar ve üç payanda sütunu içerdiği yekpare integral köprüsünün ara açıklıklarını destekler. Her bir ayak kolon açıklığı, aşağıda kalın betonarme yayılma temelleri üzerinde son bulur. Araştırmanın hedefine ulaşmak için, köprüye belirli temel konumlarında basınç sensörleri monte edilmiştir.(Şekil 8).


Şekil8

Ayak kapaklarının en dış yüzeylerine eğimölçerler takılmıştır. Öngerilmeli betondan sonra üst yapı kirişleri monte edilmiştir. Her bir ayağın üzerine betonarme diyaframlar dökülmüş, üst yapı raylarının güney yüzüne, yerleştirme yerlerinin doğrudan ayak 1 ve 3’ün üzerinde yer aldığı termokupllar yapıştırılmıştır. Sürekli veri toplama Mayıs 2011’de başlamış ve bugün de devam etmektedir.

AASHTO tasarım hükümlerinde sağlanan metodolojiler kullanılarak köprü ayak hareketini ve temel basınçlarını tahmin etmek için köprü üzerindeki sıcaklık yüklerinin sonlu eleman (FE) modellemesi ve analizi kullanılmıştır. Tahminler, köprü bölgesinde elde edilen fiziksel ölçümlerle karşılaştırılmıştır.

Bu, çalışma sahası için sıcaklığa bağlı yanıtla ilgili mevcut AASHTO hükümlerinin değerini değerlendirmek için bir temel oluşturdu. Ayak 1 için veri kayıtları (Şekil 9) ayak temellerinin, basınçları köprü alanı için izin verilen taşıma kapasitesinin (450 kPa veya 65 psi) yaklaşık yarısı ile sınırlandırmak üzere tasarlandığını göstermiştir. AASHTO hükümlerinde belirtilen aşırı sıcaklık değerleri ile FEA’dan türetilen basınçların ve saha verilerinin karşılaştırılması sonucunda, AASHTO tasarım hükümlerinin temel tasarım basınçlarına ilişkin muhafazakar tahminler ürettiğini gösterir.

Bu çalışma, yeni bir köprüye yapılacak enstrümantasyon olduğundan, tasarım mühendisleri, müteahhitler, KYTC bölge mühendisleri ve araştırma ekibi arasında sağlam iletişim sağlanması büyük önem taşıyordu.

Basınç hücrelerinin, ayakların radye temellerinin altındaki mıcır taş tabakası içine yerleştirilmesi gerekiyordu. Basınç hücreleri sıkıştırılmış mıcır taş tabakasının üzerine yerleştirildikten sonra, basınç hücrelerinin zarar görmesini önlemek için, onu kaplayan tabakanın düzleştirilmesi ve titreşimsiz ekipman kullanılarak sıkıştırılması gerekiyordu. Enstalasyon esnasında sensör okumasının sürekli izlenmesi de önemlidir, çünkü temeller atıldıktan sonra basınç hücrelerinin değiştirilmesi artık olanaksızdır.

Ayak 1 temeli altındaki Basınç Hücresi 7 ve ayak 3 temeli altındaki basınç Hücresi 5, beton temel üzerine yerleştirildikten sonra hasara uğrayıp bozulduğu anlaşılmıştır.. Bununla birlikte, kalan sensörler, SHM’nin AASHTO tasarım koşullarını başarılı bir şekilde değerlendirmesi için yeterli veri sağlamıştır.

Köprü genleşme derzlerinin termal hareketi
Eastbound I-24 üzerindeki Tennessee Nehri üzerindeki köprü (2000–2017)

Çelik köprüde sehim, köprü sıcaklığı ve sıcaklık gradyanına göre değişir. Köprü genleşme derzleri, gün (kısa süre) ve yıl (uzun süre) boyunca sıcaklık dalgalanmalarına göre periyodik olarak hareket eder. Bir genleşme derzinin uzunluğu, üst yapı üzerindeki ikincil gerilimleri önlemek ve ayrıca araç trafiğinin düzgün hareketini sağlamak için çok önemlidir.

SHM çalışması, çelik köprü üst yapılarının termal yükleme yanıtını daha da aydınlatmak ve tam ölçekli bir hizmet içi köprü için mevcut AASHTO sıcaklık yükleme şartlarınının sağlamlığını değerlendirmek için yapılmıştır.

Batı Kentucky’de I-24 üzerindeki paralel Tennessee Nehri Köprüleri çelik levha kirişli köprülerdir. Her köprü, merkezdeki kemerli ana açıklığın her iki yanında simetrik olarak yerleştirilmiş dokuz açıklıktan oluşur ve toplam uzunluğu 643 m’dir (2109 ft 10 inç). Her köprünün merkezinde, açıklık uzunluğu 163 m (534 ft 4 inç) olan tek açıklıklı çelik kirişli bir kemer bulunur. Doğu yönünde köprünün uzunluğu boyunca serbestçe konumlanan 5 nokta enstrümante edilmiştir (Şekil 10). Bu konumlardan ikisi (Konum 1 ve 5), iki yaklaşma açıklığının destek uçlarıydı.

Doğuya giden I-24 Köprüsü üzerindeki SHM kurulumu, sıcaklık ve yer değiştirme verisi toplamak için tasarlandı. Genişleme ve daralmanın yanı sıra enstrümanlar ile köprünün sonlarındaki eğim parametreleri ölçülmektedir. Köprü kirişlerinin sıcaklığı da izlenmiştir. Enstrümantasyon, yaklaşma ve ana açıklıklardaki kirişlerin boylamasına yer değiştirmelerini ölçmek için 9 adet LVDT içeriyordu.  11 sıcaklık sensörü, çelik kirişlerin ve beton tabliyesinin sıcaklığını kaydetmiştir.

8 adet eğim ölçer, ana açıklığın yanı sıra iki yaklaşma açıklığındaki çelik kirişlerin eğimini kaydetti. Enstrümantasyon konumları ve yerleşimi ve enstrümantasyon tipi Şekil 10’da verilmiştir. Yer değiştirme, eğim ve sıcaklık hakkında veri toplamak için her bir ayağa ve mesnet ayaklarına (uç ayaklara) veri kaydediciler yerleştirildi. Uzaktan izleme ve periyodik veri yedekleme için ek enstrümantasyon kuruldu. Her konumdaki veri kayıtları, bir hücresel veri bağlantılı telefon modemi kullanılarak KTC sunularına iletilmektediydi.

Figure 10. Instrumentation locations of Eastbound I-24 Bridge. LVDT: linear variable displacement transducer.

Bir yıl içindeki maksimum günlük sıcaklık farkı 9 Ekim 2010’da meydana geldi. Yaklaşma açıklığının kuzey kirişindeki beş sıcaklık sensöründen gelen 24 saatlik periyot verileri Şekil 11’de gösterilmektedir. Sıcaklık verileri, doğrudan güneş radyasyonu altında kalan çelik kirişteki günlük sıcaklık farkının 18 ° C (32 ° F) olduğunu göstermektedir.

Beton tabliyenin tabanı, maksimum sıcaklık farkı 9 ° C (16 ° F) olan daha küçük bir sıcaklık değişimine sahipti. Güney tarafı için sıcaklık değişimi, Şekil 11’de gösterilen 24 saatlik süre için benzer bir varyasyon göstermiştir. Köprü hizalaması ve coğrafi konumu nedeniyle, kuzeydeki sıcaklık gradyanları daha hafif görünürken, güneydeki sıcaklık gradyanı daha belirgindir . Uzun vadeli sıcaklık değişimlerini incelemek, Kentucky’nin bu bölümünde çelik kirişlerin sıcaklık farkının kışın yazın olduğundan daha fazla değiştiğini göstermektedir.

Figure 11. Temperature variation with time on the north girder on February 20, 2011.

Köprünün ayrıntılı bir FE modelinin saha verileri kullanılarak geliştirilmesi ve kalibre edilmesi bekleniyordu. Gerçek yapısal davranışı olabildiğince doğru temsil edebilmek, aşırı sıcaklıklar altında genleşme derzlerinin maksimum termal hareketlerinin tahmin edilmesini sağlayabilir. Bunlar daha sonra doğrulama için ilgili tasarım değerleriyle karşılaştırılabilir. Genleşme derzindeki hareketi tahmin etmek, eklemin her iki tarafındaki her iki kirişteki LVDT ve eğim ölçerin sürekli ve hatasız çalışmasını gerektirir. Genel köprü modeli kalibrasyonu için bu veriler izlenen tüm konumlarda gerekliydi.

Birçok sensörün periyodik arızası ve hücresel modem iletişim hataları nedeniyle, veriler uzun süreler boyunca sürekli olarak toplanamadı. Köprünün kırılma açısından kritik doğası nedeniyle araştırma ekibi, sensörleri takmak için çelik kirişlere delik açamadı veya kaynak yapamadı. Tüm eğim ölçerler, tercih edilmeyen bir yöntemle kirişlere yapıştırıldı. İletişim hataları, enstrümantasyon konumlarından ikisi ile veri kaydediciyi ve hücresel modemi barındıran baz istasyonu arasında kablosuz olarak iletişim kurmak için kullanılan veri toplama sistemi modüllerinin arızalanmasından kaynaklanıyordu.

Veri toplama sistemi, uzun süreli verileri yerinde depolamak için seçilmemişti. Köprünün araştırmacılardan 400 km (249 mil) uzakta bulunması, sensörleri düzeltmek için şerit kapatma gereksinimleri ve iletişim hataları, toplanan verilerdeki büyük boşluklar anlamına geldiğinden, sorunları hızla çözmek mümkün olmadı. Ek olarak, ana açıklığın her iki tarafındaki genleşme derzleri, izleme süresi boyunca araştırma ekibinin bilgisi olmadan değiştirildi. Araştırma ekibi ve KYTC bakım mühendisleri arasındaki yetersiz iletişim, büyük miktarda veri kaybına neden oldu. Sürekli olarak toplanan yer değiştirme ve eğim verilerinin yeterince hassas olmaması ve enstrümantasyonun yenilenmesi/iyileştirilmesi için finansman sağlanmaması nedeniyle, SHM çok başarılı olamadı.

Çatlak büyümesini izleme
Ohio Nehri üzerinde I-275 üzerindeki köprü (2012-günümüz)

Ohio Nehri üzerindeki I-275 Köprüsü’nün rutin KYTC incelemesinde, ana açıklıktaki birçok döşeme kirişinin gövdesinde benzer konumlarda çatlaklar görüldü. 1235 m (4051 ft) köprü, 229 m (750 ft) ana açıklığa sahip, sürekli çelik kemer şeklinde kafes kiriş bir yapıdır. Çatlaklar, döşeme kirişinin sonunda ve web’in üst kısmına yakındı. Çatlak büyümesini durdurma beklentisiyle çatlak uçlarında delikler açılmıştır.

Onarım çalışmalarından önce, çatlakların zamanla genişleyip genişlemediğinin değerlendirilmesi gerekli görüldü. Titreşimli tel tipi mikro çatlak ölçer, seçilen bir çatlağa yerleştirildi ve hareket gerçek zamanlı olarak ölçüldü (Şekil 12). Veri toplama sistemi, çatlak verilerini her 10 dakikada bir hücresel modem ile bir sunucuya iletmiştir. Çatlak büyüklüklerine göre eşik değerler oluşturuldu; Eşik değerler aşıldığında, paydaşlar hemen bir e-posta bildirimi aldı.

Figure 12. Crack gauge setup.

2012’de kurulan basit SHM, sürekli olarak faaliyette kaldı ve çatlak büyümesinin durdurulduğunu doğruladı. Giderek büyümeyen çatlaklarla, ek maliyetli onarımlar gereksiz görüldü.

Çatlak yer değiştirme ve sıcaklık verileri, KTC Uzaktan Köprü İzleme web sitesi aracılığıyla belirli bir süre için alınabilir. Şekil 13, 30 dakikalık deplasman veri aralığı ile 2017 verilerini göstermektedir. Maksimum ve minimum çatlak açıklıkları, sıcaklıklar ve ilgili tarihler de seçilen süre için web sitesinde tablo halinde verilmiştir.

Sonuçlar

Bu makale, Kentucky’de bulunan seçili 6 adet köprünün durumunu değerlendirmek için kullanılan SHM sistemlerinin performansını incelemiştir. Farklı SHM sistemlerinin kurulması, gelecekteki projelere uygulanabilecek SHM sistemlerinin planlanması, uygulanması ve bakımı hakkında değerli bilgiler sağlamıştır.

Altı projeden en iyi yatırım getirisinin, SHM enstrümantasyonunun odaklanmış ve sınırlı kapsamında tutulanından elde edildiği söylenebilir. Louisville’deki I-65 yüksek otobanının kısa süreli izlenmesi, araştırmacıların hasarlı açıklıklardaki hareket derecesini ölçmesine olanak tanıyan ve en iyi güçlendirme önleminin belirlenmesine yardımcı olan değerli veriler üretti.

Onarımın ardından yapılan izleme, güçlendirmenin etkinliğini değerlendirmek için faydalı oldu. I-275 köprüsündeki çatlakları izlemek için kullanılan ve çatlak eşik değerleri aşıldığında paydaşları uzaktan bilgilendiren sistem, kamu güvenliğinin korunmasına yardımcı oldu ve birkaç yıllık izleme sonrasında herhangi bir güçlendirme önlemi ihtiyacını ortadan kaldırdı. Her iki proje de köprü bakımı için çok uygun maliyetli çözümler sağlarken minimum sayıda sensör kullandı.

Bir SHM’nin planlama, uygulama ve izleme aşamalarında tüm paydaşlar arasındaki iletişim çok önemlidir. Trammel Creek SHM üzerindeki KY 100 Köprüsü, araştırmacılar, müteahhitler ve tasarım ve inşaat mühendisleri dahil olmak üzere birçok grup arasındaki mükemmel koordinasyon sayesinde başarılı oldu. Bunun tersi bir durum ise, araştırma ekibi ile köprü bakım mühendisleri arasındaki zayıf iletişim nedeniyle, Tennessee Nehri köprüsü SHM projesi üzerindeki I-24 köprüsündeki genleşme derzlerinin değiştirilmesi sırasında veri kaybına neden oldu.

İhtiyat fonu (olması muhtemel zararları karşılamak için ayrılmış fon), başarılı bir uzun vadeli SHM için gereklidir ve mevcudiyeti finansman kuruluşuna ve fon / hibe türüne bağlı olabilir. Köprü izleme verilerini toplamak için kullanılan araçların çoğunun periyodik olarak değiştirilmesi gerekebilir. US 60 köprüsü üzerinden I-64 üzerinde gerçekleştirilen köprü izleme durumunda olduğu gibi, şimşek veya diğer yıkıcı doğa olaylarına maruz kalırsa, tüm bir veri toplama sisteminin değiştirilmesi gerekebilir. Her durumda büyük ekipman yenileme alımları mümkün olmasa da, KYTC tüm uzun vadeli köprü izleme projelerini sürdürmek için kullanılan yıllık bir finansman kaynağı oluşturmuştur.

Aşırı olay (extreme) SHM, güvenliği artırır ve uygun şekilde uygulandığında uygun maliyetli bakım seçenekleri sunar. US 60 üzerinden I-64 Köprüsü ve Ohio Nehri üzerindeki NB US 41 köprüsünde SHM’nin başarılı bir şekilde uygulanması, periyodik köprü denetimlerine kadar fark edilmeyen çarpmalardan kaynaklanan hasarları önleyecekti. Ohio Nehri üzerindeki I-275 köprüsü için belirlenen çatlak eşiği sınırları, KYTC personeline periyodik teftişlerin yerini alan etkili bir araç sağladı. Hasarı gerçek zamanlı olarak belirlemek ve ölçmek, yıkıcı arızalardan kaçınma olasılığını önemli ölçüde artırır.

Kentucky’deki köprüler üzerinde yürütülen SHM, köprülerin ömrünü uzatmak ve anında müdahale ve karar verme için araçlar sağlamak için ekonomik ve etkili bir yöntem olduğunu kanıtladı. Hizmet ömrünün uzatılması, doğrudan olaylara anında yanıt verebilmekten ve yenileme gerektiren herhangi bir hasarı tespit etmekten kaynaklanmaktadır.