Yapısal Sağlık İzleme (SHM) Yöntemleri

1.1 SHM'nin Amaçları

1. Yapının mevcut hasar durumunun tespiti
2. Hasarın konumu ve büyüklüğünün belirlenmesi
3. Kalan ömrün tahmini
4. Bakım-önarım kararlarının optimizasyonu
5. Afet sonrası yapı güvenliğinin hızlı değerlendirilmesi

1.2 SHM Seviyeleri (Rytter, 1993)

Tablo 1: SHM Seviyeleri (Rytter, 1993)

1.3 Tahribatsız Muayene (NDT) ile Fark

SHM sürekli veya uzun dönemli izlemeyi kapsar. NDT ise tek seferlik ölçümler içerir. SHM, NDT yöntemlerini de içerebilir.

2. Sensör Tipleri

2.1 İvmeölçerler (Accelerometers)

İvme verilerini zamana bağlı olarak ölçer. Dinamik izlemenin temel aracıdır.

Alt tipler:

Tablo 2: İvmeölçerler (Accelerometers)

Temel özellikler:

• Gürültü tabanı (noise floor): FBA için $< 0{,}1 \text{ μg}/\sqrt{\text{Hz}}$
• Dinamik aralık: FBA için tipik 120–160 dB
• Kanal sayısı: genellikle 3 eksen (X, Y, Z)

2.2 Gerinim Ölçerler (Strain Gauges)

Yapısal elemanlardaki birim şekil değiştirmeyi (ε) ölçür.

Türleri:

• Folyo gerinim ölçer: Tek nokta, hassas ölçüm (ε ≥ 1 μm/m)
• Fiber Optik FBG (Fiber Bragg Grating): Uzun dönemli, çoklu nokta, elektriksel girişimden bağımsız
• Vibrating Wire Gerinim Ölçer: Uzun dönemli izleme, kalibrasyon gerektirir

FBG sensöründe Bragg dalgaboyu kayması:

$$\frac{\Delta\lambda_B}{\lambda_B} = (1 - p_e)\,\varepsilon + (\alpha + \xi)\,\Delta T$$

• $p_e$: fotoelastik katsayı (silis fiber: $\approx 0{,}22$)
• $\alpha$: termal genleşme katsayısı
• $\xi$: termal optik katsayı

2.3 LVDT (Linear Variable Differential Transformer)

Doğrusal yer değiştirme ölçümünde kullanılır. Temel köprü abaklarının düşey sehimini ölçmek için yaygın biçimde kullanılır.

• Ölçüm aralığı: ±1 mm ila ±500 mm
• Doğrusallık: %0,1 ila %0,5

2.4 Inklinometreler ve Eğim Sensörleri

Yapısal elemanların açısal sapmasını ölçer. Perde duvarlar, köprü ayakları ve zemin hareketlerinde kullanılır.

2.5 Çatlak İzleme Sensörleri

Crack meter (çatlak ölçer), olası çatlak büyümesini yüksek hassasiyetle (±0,01 mm) izler.

3. Veri Toplama ve İletişim Sistemi

3.1 Veri Toplama Birimi (DAQ)

• Örnekleme frekansı: Dinamik ölçümler için minimum $f_s \geq 2 f_{max}$ (Nyquist kriteri); tipik 100–1000 Hz
• Çözünürlük: 16 ila 24 bit ADC
• Tetikleme: Sürekli izleme veya eşik aşımı tetiklemeli

3.2 İletişim Protokolleri

Tablo 3: İletişim Protokolleri

3.3 Uzaktan İzleme ve Bulut Entegrasyonu

Modern SHM sistemleri, verileri bulut tabanlı platformlara aktararak gerçek zamanlı izleme ve otomatik uyarı sistemi kurulmasına olanak tanır. ARTeMIS Modal Pro, otomatik operasyonel modal analiz döngüsü gerçekleştirebilir.

4. Modal Analiz Tabanlı Hasar Tespiti

4.1 Temel Prensip

Hasar, yapının fiziksel özelliklerinde (rijitlik, kütle, sönüm) değişime yol açar. Bu değişim, dinamik özelliklerde (doğal frekanslar, mod şekilleri, modal sönüm oranları) gözlemlenebilir.

4.2 Operasyonel Modal Analiz (OMA)

Yapı, çevresel uyarım (rüzgâr, trafik) altında titreşimlerinden dinamik özellikleri çıkarılır. Bilinen bir etki gücü gerekmez.

Kullanılan yöntemler:

• SSI (Stochastic Subspace Identification): Zaman alanı yöntemi
• FDD (Frequency Domain Decomposition): Frekans alanı yöntemi
• EFDD (Enhanced FDD): Modal sönüm tahminini de kapsar

4.3 Frekans Değişiminden Hasar Tespiti

Yapısal rijitlik $k$ azaldığında, doğal frekans:

$$f_n = \frac{1}{2\pi}\sqrt{\frac{k}{m}}$$

azalır. Hasar göstergesi (Damage Index):

$$DI = 1 - \frac{f_{hasar}^2}{f_{saglikli}^2}$$

4.4 Mod Şekli Değişiminden Hasar Tespiti

Modal Güvence Kriteri (MAC):

$$MAC(\phi_i, \phi_j) = \frac{|\phi_i^T \phi_j|^2}{(\phi_i^T \phi_i)(\phi_j^T \phi_j)}$$

• $MAC = 1{,}0$: tamamen eşleşme
• $MAC < 0{,}90$: önemli değişim (hasar göstergesi)

Mod Şekli Eğriliği (Mode Shape Curvature):

$$\kappa_i(x) = \frac{d^2\phi_i(x)}{dx^2}$$

Eğrilik değişimleri hasar lokalizasyonu için kullanılır.

5. Statik İzleme Yöntemleri

5.1 Deplasman İzleme

• LVDT ve potansiyometre: Köprü kiriş sehim değerleri
• GPS (Global Navigation Satellite System): Köprü kuleleri ve uzun açıklıklı yapılarda milimetrik hassasiyet
• Robotik total station: Yapı hareketlerinin yüksek doğrulukla periyodik ölçümü

5.2 Eğim (İnklinasyon) İzleme

Perde ve kolon dönemelerinin izlenmesi. Temel dönemesi ve zemin hareketi ile ilişkilendirilebilir.

5.3 Çatlak Genişliği İzleme

Kritik çatlaklarda $\pm 0{,}01$ mm hassasiyetli crack meter yerleştirilir. Çatlak gelişim hızı hasar göstergesi olarak kullanılır.

6. Dinamik İzleme — Titreşim Tabanlı Yöntemler

6.1 Sürekli Titreşim İzleme

İvmeölçerlerle sürekli veri toplanır. Otonom modal analiz döngüsü, her ölçüm penceresi için frekans ve mod şekillerini günceller.

Hasar Tespiti Göstergesi (DDI):

DDI, referans durum ölçümlerine göre istatistiksel sapmayı hesaplar. Belirlenen eşik değerinin aşılmasında otomatik uyarı üretilir (ARTeMIS Modal Pro, Interstorey Drift Modülü).

6.2 Deprem Sonrası Değerlendirme

Bir deprem olayından önce ve sonra elde edilen modal parametreler karşılaştırılır. Frekans düşüşü ve mod şekli değişimi hasarın göstergesidir.

Karakteristik deplasman talebinin kestirilmesi:

Ölçülen maksimum kat ivme kaydından kat deplasmanı entegrasyonla elde edilir; kat ötelemesi (interstorey drift) hesaplanır.

7. Türkiye'de SHM Uygulamaları

7.1 Köprülerde SHM

Fatih Sultan Mehmet Köprüsü ve 3. Boğaz Köprüsü (Yavuz Sultan Selim): Sürekli izleme sistemleri; ivmeölçer, gerinim ölçer ve inklinometre ağı kullanılmaktadır.

7.2 Yüksek Binalarda SHM

İstanbul ve Ankara'daki çeşitli yüksek katlı binalara ivmeölçer ağları kurulmuş olup deprem sırasında gerçek zamanlı kat ivme değerleri kaydedilmektedir.

7.3 Tarihi Yapılarda SHM

Osmanlı dönemi yapıları ve camiler: Gerinim ölçerler ve crack meterlar ile uzun dönemli statik izleme; mevsimsel sıcaklık etkisinin ayrıştırılması amacıyla sıcaklık sensörleri eklenmektedir.

8. TBDY 2018 İzleme Gereksinimleri

TBDY 2018, Madde 2.5 ve ilgili maddeler kapsamında:

• Bina Önem Katsayısı I ≥ 1,5 olan yapılarda (hastane, güç santrali, stratejik yapılar) SHM sistemi kurulması tavsiye edilmektedir.
• Güçlendirme sonrası izleme: Güçlendirilen kritik yapılarda 2 yıl boyunca periyodik ölçüm yapılması önerilmektedir.
• Afet sonrası hızlı değerlendirme: TBDY 2018 kapsamında belirlenen kılavuz ilkeler çerçevesinde ivmeölçer verileri afet müdahalesine destek olur.

Not: TBDY 2018, SHM için zorunlu teknik detayları ayrı bir yönetmelik/kılavuzda belirlemiştir; 2025 itibarıyla ilgili teknik kılavuz Afad tarafından hazırlık aşamasındadır.

9. SHM Sistemi Tasarım Adımları

1. İzleme hedefinin belirlenmesi: Hasar tipi, kritik kesitler
2. Sensör seçimi ve yerleşimi: Modal analiz için optimal sensör yerleşimi (EFI, MKE yöntemleri)
3. DAQ sistemi boyutlandırması: Örnekleme frekansı, bellek, iletişim
4. Veri işleme altyapısı: Otomatik OMA, baseline belirleme
5. Eşik değer ve uyarı sistemi: İstatistiksel kontrol kartları (X-bar, CUSUM)
6. Periyodik kalibrasyon ve bakım

10. Önerilen Yazılımlar

Önerilen yazılımlar: ARTeMIS Modal Pro (Structural Vibration Solutions), MATLAB Signal Processing Toolbox, DASYLAB

Kaynaklar

1. Structural Vibration Solutions, Vibration-based Structural Health Monitoring, https://www.svibs.com/structural-health-monitoring/
2. Wiley Online Library, Structural Health Monitoring through Vibration-Based Approaches, 2019. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1155/2019/2380616
3. Sensors (MDPI), Reference-Free Vibration-Based Damage Identification Techniques for Bridge SHM, 2024. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10856960/
4. YÖK Ulusal Tez Merkezi, Yapısal Sağlık İzleme için Sensör Yerleşiminde Kullanılan Metodların Karşılaştırılması, https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/
5. Structhealth.com.tr, Yapı Sağlığı İzlemede Sensör Teknolojileri: MEMS, Piezoelektrik, FBA, 2025. https://www.structhealth.com.tr/yapi-sagligi-izleme-sensor-teknolojileri/
6. TDMD, Binalarda Yapısal Sağlık Takibi için Cihazlandırma Yöntemleri, https://www.tdmd.org.tr/pdf/pdf2015/TDMSK_025.pdf
7. DTU Orbit, Autonomous Structural Health Monitoring for Vibration-Based Damage Detection, https://orbit.dtu.dk/files/401455800/PhD_thesis_Emmanouil_Lydakis_Simantiris.pdf
8. Rytter, A., Vibration Based Inspection of Civil Engineering Structures, PhD Thesis, Aalborg University, 1993.

Parametre Tablosu — SHM Sistem Tasarım Parametreleri

Tablo 4: Parametre Tablosu — SHM Sistem Tasarım Parametreleri

Sayısal Örnek — Doğal Frekans Ölçümünden Rijitlik Tahmini

Problem: 10 katlı betonarme bina; SHM sisteminden elde edilen baskın titreşim periyodu $T_1 = 0{,}72$ s (inşaat sonrası referans). Deprem sonrası ölçüm $T_1' = 0{,}86$ s.

Adım 1 — Rijitlik Değişimi

Doğal frekans ve rijitlik ilişkisi:

$$f_1 = \frac{1}{T_1} = \frac{1}{0{,}72} = 1{,}389 \text{ Hz}$$ $$f_1' = \frac{1}{T_1'} = \frac{1}{0{,}86} = 1{,}163 \text{ Hz}$$

Adım 2 — Frekans Değişim Oranı

$\frac{\Delta f}{f_0} = \frac{f_1 - f_1'}{f_1} = \frac{1{,}389 - 1{,}163}{1{,}389} = 0{,}163 = \mathbf{16{,}3\%}$

Adım 3 — Rijitlik Değişimi

Tek serbestlik dereceli sistem için $f \propto \sqrt{k/m}$:

$\frac{k'}{k} = \left(\frac{f_1'}{f_1}\right)^2 = \left(\frac{1{,}163}{1{,}389}\right)^2 = 0{,}702$

Sonuç: Yapısal rijitlik yaklaşık %30 azalmıştır. Bu seviyede hasar, yapısal inceleme gerektirmekte olup TBDY 2018 Md. 3.7 kapsamında ivedi değerlendirme yapılmalıdır.

Sık Yapılan Hatalar

1. Yetersiz kanal sayısıyla bina modunun belirlenmesi: Tek eksen ivmeölçer ile hem bükülme hem burulma modları belirlenemez; en az her kat için 2 yatay yönde + zemin katta 3 yönde (X, Y, Z) sensör gerekir.

2. Ortam titreşim analizinde zaman penceresinin yetersiz seçilmesi: Kısa ölçüm penceresi (< 5 dakika) düşük frekanslı modların (~0,5 Hz) güvenilir belirlenmesine yetmez; örnekleme süresi $\geq 1000 / f_{min}$ olmalıdır.

3. Sensör kalibrasyonunun ihmal edilmesi: İvmeölçer ve gerinim sensörleri saha ömrü boyunca sapma gösterir; yıllık kalibrasyon yapılmaması referans ölçüm güvenilirliğini yitirir.

4. Veri kalite kontrolü yapılmadan analiz: Sensör arızası, elektrik gürültüsü veya iklim etkisiyle bozulmuş veri kullanılması yanlış hasar teşhisine yol açar; otomatik outlier rejection uygulanmalıdır.

5. SHM sisteminin sismik ölçüme göre yapılandırılmaması: Bina SHM'si deprem izlemesi için de kullanılacaksa dinamik aralık yeterli (±2 g), örnekleme hızı ≥ 200 Hz olmalıdır.

İlgili Hesaplama Araçları

Bu konuyla ilgili ücretsiz mühendislik hesaplama araçlarımızla ön tasarım ve kontrol yapabilirsiniz:

• Deprem Yükü Hesaplama (TBDY 2018)
• Bina Periyodu Hesaplama
• Deprem Tasarım Sınıfı (DTS) Hesaplama

Önemli Mühendislik Uyarısı: Bu içerik yalnızca bilgilendirme amaçlıdır; nihai tasarım, hesap ve uygulama kararları, güncel yönetmelikler ile proje koşulları çerçevesinde yetkili bir inşaat mühendisinin denetiminde alınmalıdır. Sayısal örnekler ve formüller genel mühendislik pratiğini yansıtır; her projenin kendine özgü zemin, yük ve çevre koşulları proje müellifince ayrıca değerlendirilmelidir.