199+325 çelik demiryolu köprüsünün sistem tanımlama çalışmaları ve kalibre sonlu elemanlar modelinin oluşturulması

Abstract

Ülkemizde bulunan demiryolu köprüleri TCDD tarafından işletilen demiryolu ağlarının en önemli bağlantı ve geçit noktalarını oluşturmakta ve bu köprülerin büyük bir kısmı 100 yılı aşkın süredir hizmet vermektedir. Bu köprüler diğer köprülere kıyasla (karayolu, yolu köprüleri) daha ağır yüklere ve köprünün dinamik özelliklerini değiştirebilen etkilere maruz kalmaktadır. Bu sebeplerden dolayı demiryolu köprülerinin TCDD tarafından rutin olarak gerçekleştirilen bakım ve onarım çalışmaları önem arz etmektedir. TCDD tarafından gerçekleştirilen umumi ve periyodik kontrol yöntemleri, gözleme dayanan ve tekniği uygulayan kişilerin deneyimine bağlı yöntemlerdir. Bu yüzden bu çalışmalarda hata yapma olasılığı fazla olup gizli hasarların tespit edilmesi de güç olmaktadır. Titreşim tabanlı yapı sağlığının izlenmesi yöntemleri gözleme dayalı olarak yapılan demiryolu köprülerinin bakım ve onarım çalışmaları için daha nesnel bir değerlendirme yöntemidir. Bu çalışma Uşak il sınırında bulunan ve TCDD tarafından işletilen 199+325 çelik demiryolu köprüsünün yerinde yapılan deneysel çalışmalar ile modal parametrelerinin tahmin edilmesini ve köprünün referans sayısal modelinin geliştirilmesi çalışmalarını içermektedir.  Köprünün dinamik tepkisi 2 farklı ortam sıcaklığında ve ortamsal titreşim koşulları altında 4 farklı deney kurulumu ile ölçülmüştür. Modal parametreler ise 2 farklı sadece-çıktı tabanlı sistem tanımlama yöntemi kullanılarak tahmin edilmiştir. Bunlardan ilki İyileştirilmiş Frekans Tanım Alanında Ayrıştırma (Enhanced Frequency Domain Decomposition, EFDD) ikincisi ise Veri Tabanlı Stokastik Altalan Tanımlama (Data-driven Stochastic Subspace Identification, SSI-DATA) yöntemleridir. İki farklı sıcaklık koşulunda elde edilen sonuçlar, modal parametre tahmin sonuçlarındaki sıcaklık değişiminin etkilerini değerlendirmek için karşılaştırılmıştır. Köprünün başlangıç sonlu elemanlar modeli Matlab tabanlı FEDEASLab sonlu elemanlar programı kullanılarak oluşturulmuş ve deneme-yanılma yöntemi ile kalibrasyonu gerçekleştirilmiştir. Böylece köprünün mevcut durumunu yansıtan referans bir sayısal model oluşturulmuştur. Bu model ileride sonlu elemanlar modeli güncelleme tabanlı hasar tespitinde kullanılabilecektir.

Keywords

• Çelik demiryolu köprüsü,Modal parametre tahmini,Operasyonel modal analiz,Ortamsal titreşim testleri,Sonlu elemanlar modeli güncellemesi

System identification work on 199+325 steel railroad bridge and development of its calibrated finite element model

Abstract

Railroad bridges maintained and operated by the State Raid Road Agency (TCDD) constitute the main passage ways and junction points of the railroad network of the country. Most of these bridges have been under service for more than 100 years. These bridges are exposed to larger service loads as compared to the highway bridges, and are open to external actions leading to changes in their dynamic parameters. Due to these reasons, the railroad bridges must routinely be checked and serviced. The routine checks done by TCDD are based on visual inspection, and highly subjective and dependent on the technician’s experience. This increases the chance of making mistakes and missing hidden structural damages. Vibration-based structural health monitoring offers a more objective framework which has the potential to reduce operator dependent nature of the routine checks. This study presents modal parameter estimation studies by in-situ experiments and a developed reference numerical model of the 199+325 steel railway bridge located in Usak. The dynamic response of the bridge was measured in four different test setups and in two different temperature states, and under ambient vibration conditions. Modal parameters of the bridge are estimated using two different output-only system identification methods, namely, Enhanced Frequency Domain Decomposition and Data-driven Stochastic Subspace Identification methods. The identification results obtained under different temperature conditions are compared in assessing the effects of temperature change in identification results. Three dimensional finite element model of the bridge is created using FEDEASLab software. Trial-and-error type model updating study is conducted. Therefore a reference numerical model of the bridge representing its current condition is obtained. This model will be facilitated in the future for damage identification purpose using the sensitivity based finite element modeling updating method.

Keywords

• Steel railroad bridges,Modal parameter estimation,Operational modal analysis,Ambient vibration tests,Finite element model updating

References

1. Farrar CR, James III GH. "System ıdentification from ambient vibration measurements on a bridge”. Journal of Sound and Vibration, 205(1), 1-18, 1997.
2. Spyrakos CC, Raftoyiannis IG, Ermopoulos JC. “Condition assessment and retrofit of a historic steel-truss railway bridge”. Journal of Constructional Steel Research, 60(8), 1213-1225, 2004.
3. Ermopoulos J, Spyrakos CC. "Validated analysis and strengthening of a 19th century railway bridge”. Engineering Structures, 28(5), 783-792, 2006.
4. Caglayan O, Tezer O, Ozakgul K, Piroglu F. “In-situ field measurements and numerical model identification of a multi-span steel railway bridge”. Journal of Testing and Evaluation, 43(6), 1-15, 2015.
5. Akın T. Structural Monitoring and Analysis of Steel Truss Railroad Bridges. MSc Thesis, Middle East Technical University, Ankara, Turkey, 2012.
6. Bajric A, Brincker R, Georgakis CT. “Evaluation of damping using time domain OMA techniques”. SEM Fall Conference and International Symposium on Intensive Loading and Its Effects, Beijing, China, 20-21 October 2014.
7. Bajrić A, Georgakis CT, Brincker R. Evaluation of Damping Using Frequency Domain Operational Modal Analysis Techniques. Editors: Caicedo J, Pakzad S. Dynamics of Civil Structures Volume 2, 351-355 Colombia, SC, USA, Springer Cham, , 2015.
8. Yormaz D, Ozcelik O, Kahraman S, Amaddeo C. “Tarihi özellikteki bir çelik demiryolu köprüsünün yapı sağlığının sonlu elemanlar modeli güncellemesi tekniği ile izlenmesi”. 5. Tarihi Eserlerin Güçlendirilmesi ve Geleceğe Güvenle Devredilmesi Sepozyumu, Erzurum, Türkiye, Ekim, 2015.

9. ARTeMIS Extractor Pro software, Issued by Structural Vibration Solutions ApS. NOVI Science Park, Niels Jernes Vej 10, DK 9220 Aalborg East, Denmark, 2010.
10. Brincker R, Zhang L, Andersen P. “Modal ıdentification of output only systems using frequency domain decomposition”. Smart Materials and Structures, S0964-1726(1), 441-445, 2001.
11. Van Overschee P, De Moor B. Subspace Identification for Linear Systems. 1st ed. Massachusetts, USA, Kluwer Academic Publishers, 1996.
12. MathWorks MATLAB: The language of technical computing. Version 7.MathWorks, Natick, Massachusets, USA, 2005.
13. Filippou FC, Constantinides M. “FEDEASLab Getting Started Guide and Simulation Examples”. Technical Report, NEESgrid, 2004.
14. CSI SAP2000 V. 8, 2002. “Integrated Finite Element Analysis and Design of Structures Basic Analysis Reference Manual". Computers and Structures, Inc., Berkeley, California, USA, 2010.