Operational Modal Analysis Application on a Single Storey Reinforced Concrete Building

Abstract

Determination of the mechanical properties of materials by non-destructive methods is quite common practice. The studies conducted in the field of determining the dynamic behavior parameters of the structures are also included in non-destructive methods. Operational modal analysis, a non-destructive method, is presented as main element of this study. A single storey reinforced concrete structure with the lack of static and architectural projects was studied. First of all, the structure was relieved, reinforcement details of load bearing elements were determined by reinforcement detection device, and the properties of the concrete material were determined in-situ by ultrasonic testing and Schmidt hammer applications. Secondly, finite element model was created by using SAP2000 software and theoretical modal analysis was performed. In the third stage, operational modal analysis was performed. Considering the results of theoretical modal analysis; accelerometer sensor instrumentation was made and ambient vibration recordings were taken. The collected data was processed by using Artemis Modal Pro software and in-situ mode shapes and frequencies were obtained. The theoretical and experimental mode shapes were defined to be similar; whereas the related frequency values were obtained to be different. As a result of the calibration studies on the finite element model, it was concluded that it was not possible to calculate the experimentally obtained modal behavior parameters if the fill walls were omitted in the finite element model.

Keywords

• Operational modal analysis,theoretical modal analysis,non-destructive testing,ultrasound testing,structural model calibration

Tek Katlı Betonarme Bir Yapı Üzerinde Operasyonel Modal Analiz Uygulaması

Öz

Tahribatsız yöntemlerle malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi oldukça yaygın uygulaması olan çalışmalardır. Yapı dinamik davranış parametrelerinin yerinde belirlenmesi amacıyla yapılan çalışmalar da tahribatsız yöntem uygulamaları içerisinde yer almaktadır. Bu yöntemlerden birisi olan operasyonel modal analiz uygulaması bu çalışmanın ana unsuru olarak sunulmaktadır. Çalışma kapsamında, statik ve mimari projesi olmayan tek katlı ve her iki plan doğrultusunda iki açıklıklı bir betonarme yapı ele alınmıştır. Öncelikle yapının rölevesi çıkarılmış, donatı tespit cihazı ile ana taşıyıcı elemanların donatı detayları belirlenmiş, ultrasonik test ve Schmidt çekici uygulamaları ile beton malzeme özellikleri yerinde tayin edilmiştir. İkinci aşamada yapının SAP2000 yazılımı kullanılarak yapısal analizde kullanılacak sonlu elemanlar modeli oluşturulmuş ve teorik modal analizi yapılmıştır. Üçüncü aşamada operasyonel modal analiz çalışması gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda teorik modal analiz sonuçları dikkate alınarak; yapı üzerinde ivmeölçer sensör yerleşimi yapılmış ve ortam titreşimi kayıtları alınmıştır. Toplanan veri Artemis Modal Pro yazılımı kullanılarak işlenmiş ve yapının yerindeki mod şekilleri ve frekansları elde edilmiştir. Teorik ve deneysel mod şekillerinin uyuştuğu ancak; ilgili frekans değerlerinin farklı olduğu belirlenmiştir. Sonlu elemanlar modeli üzerinde yapılan kalibrasyon çalışmaları neticesinde dolgu duvarların modelde ihmal edilmesi halinde deneysel olarak elde edilen modal davranış parametrelerinin hesaplanmasının mümkün olmadığı sonucuna ulaşılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Operasyonel modal analiz,teorik modal analiz,tahribatsız mıayene,ultrasonik test,yapısal model kalibrasyonu

References

1. [1] URL-1: https://insapedia.com/schmidt-cekici-beton-test-cekici-deneyi/ (Erişim tarihi: 07.01.2020)
2. [2] Kazemi, M., Madandoust, R., de Brito, J., (2019). Compressive strength assessment of recycled aggregate concrete using schmidt rebound hammer and core testing, Construction and Building Materials, 224, 630-638.
3. [3] Müller, P., Novák, J., Holan, J., (2019). Destructive and non-destructive experimental investigation of polypropylene fibre reinforced concrete subjected to high temperature, Journal of Building Engineering, 26: Article 100906.Z.
4. [4] Whitehurst, E.A., (1951). Use of the soni scope for measuring setting time of concrete, ASTM, 51, ,1166-1176.
5. [5] Durmuş, G., Yılmaz, C., (2009). Farklı oranlardaki yapay puzolan katkılı betonların su işleme derinliğinin ultrases geçiş hızı ile değerlendirilmesi, e-Journal of New World Sciences Academy, 4,1, Article Number: 1A0006.
6. [6] Abdullah, V., Aydın, E., Bedirhanoğlu, İ., (2017). Beton elasatisite modülünün ultrasonik ses dalgası yayılma hızı ile tahmin edilmesi, Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 8, 3, 475-484.
7. [7] Ahn, E., Shina, M., Popovicsb, J.S,, Weaverc, R.L., (2019). Effectiveness of diffuse ultrasound for evaluation of micro-cracking damage in concrete, Cement and Concrete Research, 124, Article Number 105862.
8. [8] URL-2: https://www.pcte.com.au/rebar-location (Erişim tarihi:06.02.2020)

9. [9] Rathod, H., Debeck, S., Gupta, R., Chow, B., (2019). Applicability of GPR and a rebar detector to obtain rebar ınformation of existing concrete structures, case studies in construction materials, 11, e00240.
10. [10] Brincker, R., Ventura, C., (2015). Introduction to Operational Modal Analysis, West Sussex: John Wiley & Sons Ltd, Press.
11. [11] Yetkin, M., (2016). Betonarme yapıların çevresel titreşim verileri kullanılarak dinamik davranışlarının incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi, Elazığ.
12. [12] Link, M., (1993). Updating of analytical models-procedures and experience. Proc., Conference on Modern Practice in Stress and Vibration Analysis, Sheffield, UK, 35–52.
13. [13] Altunışık, A.C., Karahasan, O.S., Genç, A.F., Okur, F.Y., Günaydın, M., Kalkan, E., Adanur, S., (2018). Modal parameter ıdentification of RC frame under undamaged, damaged, repaired and strengthened conditions, Measurement, 124, 260-276.
14. [14] Polimeno, M.R., Roselli, I., Luprano, V.A.M., Mongelli, M., Tati, A., de Canio, G., (2018). A non-destructive testing methodology for damage assessment of reinforced concrete buildings after seismic events, Engineering Structures, 163, 122-136.
15. [15] Şafak, E., Çelebi, M., (1992). Recorded seismic response of Pacific Park Plaza. II: system ıdentification, Journal of Structural Engineering, 118, 1566–89.
16. [16] Zhu, Y.C., Xie, Y.L., Au, S.K., (2018). Operational modal analysis of an eight-storey building with asynchronous data ıncorporating multiple setup, Engineering Structures, 165, 50-62.
17. [17] Cantieni, R., (2005). Experimental methods used in system ıdentification of civil engineering structures. Proc., 1st International Operational Modal Analysis Conference, Copenhagen, Denmark, 249-260.
18. [18] Bayraktar, A., Türker, T., Altunışık, A.C., Sevim, B., Özcan, M., (2010). Binaların dinamik parametrelerinin operasyonel modal analiz yöntemiyle belirlenmesi, İMO Teknik Dergi, 5185-5205.
19. [19] Brincker, R., Andersen, P., Zhang, l., (2000). Modal ıdentification from ambient responses using frequency domain decomposition. Proc., 18th International Modal Analysis Conference (XVIII IMAC), San Antonio, Texas, USA.
20. [20] AUTOCAD, (2019). Design and Drafting Softvare, Erzurum Teknik Üniversitesi.
21. [21] SAP2000, (2019). Structural Softvare for Analysis and Design, Erzurum Teknik Üniversitesi.
22. [22] Saisi, A., Gentile, C., Guidobaldi, M., (2015). Post-earthquake continuous dynamic monitoring of the Gabbia Tower in Mantua - Italy, Construction and Building Materials, 81, 101-112.
23. [23] Özkul M., (2016). Determination of structural safety of a historical structure using operational analysis, Yüksek Lisans Tezi, Ege Üniversitesi, İzmir.
24. [24] Kocaman, İ., Okuyucu, D., Kazaz, İ., (2019). Tarihi yapı malzeme özelliklerinin dinamik parametrelerle belirlenmesi: Lala Paşa Camii Örneği, İMO Teknik Dergi, 30, 3, 9146-9125.
25. [25] Aslay, S.E., Okuyucu, D., (2019). Erzincan Değirmenliköy Kilisesi apsis hasarının teknik olarak araştırılması, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 35, 1, 402-387.
26. [26] Türker, T., (2005). Çelik çerçeve sistemlerin dinamik karakteristiklerinin deneysel modal analiz yöntemiyle belirlenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon.
27. [27] Kömür, M., Deneme, İ., Yerli, H., (2016). Düzlem çelik çerçeve sistemlerin operasyonel modal analizi, Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 30, 2, 80-73.
28. [28] TestLab Network, (2019). Dinamik Veri Toplama Yazılımı, Erzurum Teknik Üniversitesi.
29. [29] Jacobsen, N.J., Andersen, P., (2008). Operational modal analysis on structures with rotating parts. Proc., ISMA Conference: International Conference On Noise And Vibration Engineering, Leuven, Belgium.
30. [30] Artemis Modal Pro, (2019). Operational Modal Analysis Softvare, Erzurum Teknik Üniversitesi.
31. [31] Pastor, M., Binda, M., Harcarik, T., (2012). Modal assurance criterion, Procedia Engineering, 48, 543–548.
32. [32] URL-3: http://www.svibs.com/resources/ARTeMIS_Modal_Help/Generic%20Modal%20Assurance%20Criterion%20Window.html (Erişim tarihi:06.02.2020)
33. 33] Zebari, Z., Bedirhanoğlu, İ., Aydın,E.,(2017). Beton basınç dayanımının ultrasonik ses dalgası yayılma hızı ile tahmin edilmesi, Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi,8,1,52-43.
34. [34] Okuyucu, D., (2011). Effects of frame aspect ratio on the seismic performance improvement of PC panel strengthening technique, Doktora Tezi, Ortadoğu Teknik Üniversitesi, Ankara.
35. [35] Costa, C., Ribeiro, D., Jorge, P., Arede, A., Calçada, R., (2016). Calibration of the numerical model of a stone masonry railway bridge based on experimentally ıdentified modal parameters, Engineering Structures, 123, 354-371.
36. [36] TS500-2000, Betonarme Yapıların Tasarım ve Yapım Kuralları, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, (2000).
37. [37] Polyakov, S.V., (1956). On the ınteraction between masonry filler walls and enclosing frame when loaded in the plane of the wall, translation in earthquake engineering, Earthquake Engineering Research Institute, San Francisco, USA, 36-42.
38. [38] Mainstone, R., (1971). On the stiffness and strength of ınfilled frames, Proceedings Instution of Civil Engineers, 48, 57-90.
39. [39] TBDY-2018, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği, Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı, Ankara, (2018).
40. [40] Smith, B.S., (1962). Lateral stiffness of infilled frames, ASCE Journal of Structural Division, 88, 6, 183-199.
41. [41] Baran, M., (2012). Dolgu duvarların betonarme çerçeveli yapılarınn davranışı üzerindeki etkilerinin incelenmesi, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 27, 2, 275-284.