İTÜ Triga Mark II araştırma reaktörü binasının sismik yöntemler ile izlenmesi

Enstrümantasyon teknolojileri ve sinyal işlemedeki yeni gelişmelerle birlikte, binalarda elastik dalga yayılımı üzerindeki çalışmaların inşaat ve jeofizik mühendisliği açısından popüler bir konu haline geldiği görülmektedir. Bir binaya hasar tespiti sisteminin uygulanması, Yapısal Sağlık İzleme (YSİ) olarak adlandırılır. Depremin etkisiyle yapılarda oluşabilecek hasar, yapının bütünlüğünü ve içerisindeki araçların işlevselliklerini etkileyebileceğinden, önem arz eden binalarda YSİ yapılması binanın durumu ve emniyeti için gereklidir. Bu sebeple, binalar YSİ için uygun sensörlerle donatılarak, tesis yöneticilerine acil durumlarda hızlı karar verme olanağı sağlanmaktadır. Burada bahsedilen hasar, yapının mevcut veya gelecekteki performansı üzerindeki değişiklikler olarak tanımlanabilir. Bu tanıma göre hasar; yapının ilk durumuyla son durumu arasındaki karşılaştırma sonucu elde edilen yapısal olumsuzluklar anlamına gelir. Dolayısıyla, yapısal veya mekanik sistemlerde hasar belirlemek için bu sistemlerin yapısal özelliklerindeki değişiklikler izlenmelidir. MEMS (Mikro elektro mekanik sistem) ivmeölçerleri YSİ`nin yanısıra birçok endüstriyel alanda kullanılmaktadır. MEMS'ler küçük, hafif ve kullanımı nispeten daha pratik olduğundan, sismoloji dahil olmak üzere birçok araştırmada ve çalışmalarda tercih edilemektedir. YSİ için seçilen MEMS sensörünün, bant genişliği, hassasiyet ve gürültü özelliklerinin YSİ için uygun olup olmadığına dikkat etmek önem arz etmektedir. YSİ için seçilecek MEMS sensörünün son derece düşük gürültülü, $\pm$4 g arasında hassasiyete ve geniş dinamik aralığa sahip olması tercih edilmektedir. Bu tezin amacı İstanbul Teknik Üniversitesi Maslak yerleşkesinde bulunan üç katlı simetrik olmayan betonarme TRIGA MARK II Eğitim ve Araştırma Reaktörü binasının, öteleme ve burulma mod frekanslarını, sönüm katsayılarını ve zemin-bina etkileşimini incelemektir. İnceleme sonucu elde edilen değerlerin ilerideki çalışmalarda, binada zaman içinde veya deprem sonrası sürekli izleme yapılarak, değerlerde oluşacak değişimin tespitiyle, zayıflık oluşup olmadığını tespit etmek için kullanılması hedeflenmiştir. Bu sebeple, Yapısal Sağlık İzleme amacıyla binaya on iki adet üç-eksenli SAYKAL S-TEK HPVS V1 MEMS ivmeölçer yerleştirilmiştir. Cihazların ilk kurulumdan itibaren sürekli olarak ivme kaydı alınmaya çalışılmış ancak gerek binada yapılan çalışmalar ve gerek sensörlerin bağlı olduğu sistemde yapılan çalışmalar ve güncellemeler nedeniyle veri sürekliliğinde aksamalar olmuştur. İvme ölçerlerin x bileşeni Kuzey-Güney doğrultusuna, y bileşeni de Doğu-Batı doğrultusuna paralel olacak şekilde hizalanmıştır. Zemin yapı etkileşiminin belirlenmesi amacıyla, on iki sensörden bir tanesi dış alan sensörü olacak şekilde binanın kuzeyinden üç metre uzaklıkta bir buçuk metre derinliğinde bir kuyunun içine serbest alan ivme ölçüm kayıtlarının alınması için yerleştirilmiştir. Binaya, yapısal analiz sonlu elemanlar modellemesi, Prof. Dr. Alper İlki danışmanlığında doktora tezini yapmakta olan Yük. Müh. Pınar İnci Koçak tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu hesaplamalar sonucunda binanın ilk 9 temel mod frekansları sonlu elemanlar modelinin dinamik analizi ile yaklaşık olarak elde edilmiştir. Önceden yapılmış olan bu çalışmanın sonuçları göz önünde bulundurularak tez sonuçlarının sağlamasında kullanılmıştır. İvme verileri 250 Hz örnekleme ile 10 dakikalık parçalar halinde sürekli olarak kaydedilmiştir. Sensör ve çevresel kaynaklı bir takım olumsuzluklar (elektrik kesintisi, sensör kayıtçı haberleşme problemleri vb.) sebebi ile bazı sensörlerin, bazı zaman aralıklarında eksik veya hiç kayıt almadığı gözlemlenmiştir. Bu süre içerisinde birçok farklı deprem kaydı elde edilmesine rağmen bunların içerisinden veri-işlem için gerekli tüm sensörlerin eksiksiz bir şekilde kayıt alabildiği 15 Ekim 2016 Karadeniz depremi (Mw=4.8) verisi seçilmiştir. Ayrıca, her zaman deprem verisi elde etmek mümkün olmadığından binanın modal analizinin yapılmasında gürültü ivme kayıtlarından da yararlanılabilinmektedir. Bu sebeple modal analizi için deprem verisi dışında iki aylık ortam gürültü ivme kayıtları da kullanılmıştır. Veri işleme aşamasına geçmeden önce, MEMS ivme ölçerin yapısal özelliklerinden kaynaklanan çeşitli gürültü kaynakları, sinyal hataları gibi olumsuz etkilerin giderilmesi amacıyla, pencereleme, ortalama ve trend giderme ön veri-işlemleri (pre-processing) yapılmıştır. Veri iyileştirme işlemleri sonrası, gürültü ivme kayıtları otuz saniyelik pencereler haline getirilerek (toplamda 76040 pencere), yığma işlemi uygulanmıştır. Binanın temel frekanslarının belirlenmesi, Fourier genlik spektrumunun incelenmesi ve ardından çapraz spektrum, eşevrelilik hesaplanması ile yapılmıştır. İvme kayıtlarının Fourier genlik spektrumunda yüksek genlik değerlerine sahip frekanslar binanın temel modal frekanslarını gösterir. Bu belirlenen modal frekanslarına denk gelen burulma modlarının belirlenmesi için birbirine paralel iki sensör verisinin farkları alınmıştır. Ayrıca bu iki sensör arasındaki spektral yoğunluk, eşevrelilik ve faz farkı değerleri incelenerek frekanslara denk gelen mod şekilleri üzerinde yorum yapılmıştır. Bu çalışmada öteleme modları yaklaşık olarak sırasıyla, 5.57 Hz, 6.4 Hz, 7.0 Hz, 9.6 Hz ve 12.42 Hz olarak, burulma modları da yaklaşık 8.7 Hz ve 11.47 Hz olarak belirlenmiştir. Yarı yükseklikteki yarı genişlik yöntemi ile Doğu-Batı, Kuzey-Güney doğrultularında her kattaki, sistemin maksimum tepki frekanslarındaki sönümleme oranları hesaplanmıştır. Hesaplamalar sonucunda, binanın Kuzey-Güney doğrultusunda, binanın asimetrikliği de göz önünde bulundurularak, daha kararlı olduğu sonucuna varılmıştır. Zemin-Yapı-Etkileşim (SSI) mevcudiyetini belirlemek için çatı ve zemin sensör kayıtlarının ters evrişimi hesaplanmış ve hesaplanan ters evrişimle zeminde konumlandırılmış sensörün kayıtları karşılaştırılmıştır. Çatı zemin transfer fonksiyonu ve zemin Fourier genlik spektrumu karşılaştırıldığında benzer hakim frekanslar gözlemlenmiştir. Bu nedenle Zemin-Yapı-Etkileşimi'nin olmadığı şeklinde yorum yapılmıştır. Ayrıca, binanın temelinin kararlılığının belirlenmesi için zemin ve serbest alan sensörlerinin ters evrişimi hesaplanmış, zemin sensörünün Fourier genlik spektrumu ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonuçlarında yüksek benzerlikler gözlenmiş olduğundan, binanın zemininin kararlı olduğu şeklinde yorum yapılmıştır. Tez çalışması boyunca MEMS sensörlerinin üreticisi SAYKAL Elektronik ve Yazılım Müh. San. Tic. Ltd. Şti. firması ile sensör kaynaklı yaşanan problemlerin çözümü ve sensör iyileştirilmesi için iletişim kurulmuştur. Veri toplama ve işleme sırasında yaşanılan sensör kaynaklı problemler üreticiye rapor edilerek yazılımsal alanda problemlerin giderilmesi için iyileştirilmelerde bulunulması sağlanmıştır. Devam etmekte olan çalışmalarımız sensör bazlı yaşanan problemlerin giderildiği geliştirilmiş yeni sensörler kullanılarak yapılmaktadır. Bu yeni sensörler ile şimdiki sonuçlar karşılaştırılmaya ve geliştirilmeye devam ederken, bu tezin sonuçları devam eden araştırmamıza konu ve referans olacaktır.