Tez Arşivi

Hakkımızda

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özete göre tezleri arayabilirsiniz.


İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı

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

Teze Git (tez.yok.gov.tr)

Bu tezin tam metni bu sitede bulunmamaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi tarama bölümünde 465396 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

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.

Summary:

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.