Uzun açıklıklı bir köprünün performans tahmini için yapısal tanılanması üzerine bir araştırma

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.