Investigation of the effects of vibration dampers positioned on hanger cables of an existing long-span suspension bridge
Mevcut bir uzun açıklıklı asma köprünün askı halatlarına yerleştirilen titreşim sönümleyicilerinin etkilerinin araştırılması
- Tez No: 1015840
- Danışmanlar: DOÇ. DR. KADİR ÖZAKGÜL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Asma köprüler, Suspension bridges
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Asma köprü mühendisliğinin tarih boyunca daha uzun açıklıkları geçmeye çalışmaya yönelik azmi, her geçen yıl daha uzun ana açıklık mesafelerine sahip asma köprüleri hedefleyerek tasarımda mühendisliğin sınırlarının üst seviyeye çıkarılmasını bu tasarımlar gerçeğe dönüştüğünde sağlamıştır. Büyüyen ana açıklık mesafeleri, asma köprülerin kablo geometrisinin tipik bir gereği olarak, askı halatlarının boylarının da daha uzun yapılmasına yol açmıştır. Askı halatlarının gittikçe uzun boylara sahip olması ise titreşime karşı daha müsait bir duruma gelmelerine neden olmuştur. Yapı mühendisliği açısından çözüm üretilmeye çalışılan titreşim konusunda sönümleyicilerin pek çok çeşidi teorik, deneysel ve uygulamacı mühendislik yaklaşımlarıyla önlem olarak öngörülmüş ve sahada uygulanmıştır. Sahadaki mühendislik uygulamaları ise her bir uzun açıklıklı asma köprü kendine özgü karakteristik özelliklere sahip olduğundan; yapısal çözüm olarak etkin olup olmadığı, etkinlik derecesi, sınırları ve etkinlik gösterebilme kabiliyeti gibi pek çok açıdan değerlendirilmesi gerekmektedir. Uzun açıklıklı mevcut bir çelik asma köprüde askı halatlarına yerleştirilen titreşim sönümleyicilerin köprü davranışına etkilerinin araştırıldığı bu yüksek lisans tezi çalışmasında, askı halatı titreşimlerinin kaydedilen verilerinden yola çıkarak yapısal mühendislik analizleri yapılmıştır. Köprüde saha çalışması yapılarak üç eksenli ivmeölçer ile sönümleyici takılan ve takılmayan farklı uzunluktaki askı halatlarından hem ortam titreşimi yani serbest titreşim hem zorlanmış titreşim kaydedilmiştir. Zaman alanındaki titreşim kaydı verileri literatürde kabul görmüş sinyal işleme teknikleriyle işlenmiş, Hızlı Fourier Dönüşümü ve Güç Spektral Yoğunluğu gibi grafiklerde frekans alanında yapı dinamiği titreşim analizleri gerçekleştirilmiştir. Teorik frekanslardan yararlanarak belirlenen mod sayılarına göre grafiklerde hangi modlarda titreşimin yoğun olduğu çıkarımları yapılmıştır. Literatürdeki sönüm oranına yönelik çalışmaların öne sürdüğü yöntemlerden teorik olarak, özellikle ivmeölçer kayıtları ile sönüm oranı belirlemeye yönelik Operasyonel Modal Analiz teknikleri ve algoritmalarına dayanarak yapılan hesaplarla tahmini sönüm oranı belirlenmiştir. Bu sönüm oranları sönümleyicilerin askı halatlarına takılı olduğu ve sönümleyicilerin askı halatlarına takılı olmadığı durum için karşılaştırmada önemli bir ölçüt olmuştur. 1925 yılında titreşim sönümleyici tipine ismini veren mühendis George Stockbridge tarafından patenti alınan Stockbridge titreşim sönümleyicisi tasarım açısından ihtiyaca uygun şekilde geliştirilmesiyle bugüne kadar kullanımda olmaya devam etmiştir. Özellikle elektrik iletim hatlarındaki titreşimler için kullanıma başlanmış olmasına rağmen, asma köprülerde halat elemanlarında özellikle rüzgâr kaynaklı titreşim türleri, kritik olarak vurgulanan Aeolian titreşimleri, girdap kaynaklı titreşim gibi meydana gelebilmesi muhtemel pek çok titreşim durumuna karşın etkili biçimde tasarım geliştirilerek kullanılmaktadır. Uzun açıklıklı asma köprülerin en uzun askı halatlarında sıkça görülen titreşime karşı zafiyet oluşmasını önlemek amacıyla titreşim sönümleyicileri optimize edilip yerleştirilmektedir. Askı halatından kendi kütlesine iletici halat ile bağlanan titreşim sönümleyicilerinin çalışma prensibi basitçe açıklanırsa; sönümleyici kütlelerin askı halatındaki titreşimi kendi üzerine alarak fiziksel olarak ısı enerjisine dönüştürüp halat üzerinde belirli frekanslarda yoğunlaşan titreşim büyüklüklerini sönümlemektedir. Sönümleyicilerin konumu ile alakalı optimizasyonlar sönümleyicilerin tasarım aşamasında ve üretimi sonrası devreye alınmadan önce laboratuvar testleri gerçekleştirildikten sonra hedeflenen frekanslarda işlevini yerine getirebilmesini sağlayabilmek için yapılmaktadır. Çünkü Stockbridge sönümleyicileri hedeflenen belirli frekanslarda askı halatının titreşim yoğunluğu gerçekleştiğinde etkisini ortaya koyma imkânı ve kabiliyetine sahip olabilir. Bu çalışmada modal analiz ile verilerin çıktılarını frekans tabanlı işlenmesinin sebeplerinden en kritik olanı budur. Öte yandan, zaman alanındaki ivme kayıtlarından hareketle doğrudan zaman alanında çıkarımlar yapılmayıp frekans alanında analizler yapılmasının bir diğer önemli nedeni, ortam koşulları ve değişkenlik gösterebilen anlık durumlardan dolayı temelsiz çıkarımlar yapılmasının önüne geçmektir. Örnek vermek gerekirse, askı halatı bir ölçüm anında anlık olarak görece yüksek ivme değerleri çıktısı verebilir ama bu durum titreşim sönümleyicisinin çalışmadığını göstermeyeceği gibi, tam aksi durum varsayıldığında askı halatında görece az ivme ölçüldüğünde bu durumun sönümleyicilerin varlığından kaynaklandığını tek başına ileri süremez. Asma köprünün askı halatları sonlu elemanlarla tekil bir çubuk eleman olarak kablo kesit geometrisi ve sınır koşulları dizayn projesine uygun biçimde uygulanarak modellenmiş ve modal analize tabi tutulmuştur. Bu modal analiz yardımıyla farklı uzunluktaki askı halatlarının ilgili mod frekansları belirlenmiştir. Mevcut çelik asma köprünün sonlu eleman modelinin analizi yapıldığında ortaya çıkan askı halatı mod şekilleri ve bunlara karşılık gelen mod frekansları ile de teorik ve sahada deneysel olarak ölçümü yapılan serbest titreşim frekansları örtüştürülmüştür. Bu frekanslarda yoğunlaşan titreşim büyüklüklerinin enerji sönümleme bakımından sönümleyicili durumda artan sönüm oranlarıyla azaltıldığı sonucuna ulaşılmıştır. Net bir sonuç olarak ifade edilebilir ki sönümleyicilerin azalttığı titreşim büyüklükleri, enerji sönümlemenin var olmasıyla enerji sönümleme kapasitesinin etkinliğinin gözlemlenmesi ve artan sönüm, titreşim sönümleyicilerin askı halatı titreşimlerini karşı etkinliğinin kapasitesini öne çıkarmıştır. Asma köprünün sonlu eleman modeli köprü analizi üzerine özelleştirilmiş sonlu eleman analizi yapan bilgisayar programıyla yapılmıştır. Sonrasında bu sonlu eleman modeli üzerinde özdeğer analizi yapılmıştır. Ayrıca sadece askı halatının sonlu modeli üzerinde de enkesit ve malzeme özellikleri, kablo geometrisi ve sınır koşulları dikkate alınarak modal analiz yapılarak mod şekilleri ve mod frekansları elde edilmiştir. Askı halatlarının titreşim sönümleyicilerinin olmadığı durumdaki serbest titreşim kayıtlarından elde edilen Hızlı Fourier Dönüşümü ve Güç Spektrum Yoğunluğu teorik mod frekanslarında titreşimlerin daha güçlü olduğu yoğunlaştığı görülen grafiklerde daha yüksek güce sahiptir. Askı halatlarında titreşim sönümleyicilerin yerleştirildiği durumda ise titreşimin sönümlenip frekanslarda yoğunlaşan gücün dağıtıldığı gözlemlenmiştir. Operasyonel Modal Analiz algoritmalarıyla tahmini yapılan sönüm oranları bakımından karşılaştırıldığunda, titreşim sönümleyicilerinin mevcut olduğu durumda askı halatlarının sönüm oranını arttırarak titreşim sönümleme kapasitelerini olumlu yönde etkilediği görülmüştür. Bu çalışmada ortaya çıkan sonuçlar, titreşim sönümleyicilerinin askı halatlarının sönümlemelerini arttırıcı yönde etki göstermesini, daha ileri aşamada ise köprü yapı dinamiği açısından rüzgâr yükü, hareketli yük özellikle trafik yükü gibi tekrarlı yükler altında sürekli bulunan askı halatlarının yorulma ömrünü uzatma etkisini göstermektedir. Hizmet ömrü boyunca tekrarlı yüklerin etkisi altında bulunan askı halatları için yorulma ömrünü, bu çalışmada da kanıtlandığı üzere enerji sönümleme kapasitesinin etkisinin sağladığı; titreşim genliklerinin azaltılması, oluşturulan titreşimlerin daha etkili ve daha çabuk sönümlenmesi ile hedef frekanslardaki sönümleme etkinliği de göz önüne alındığında Stockbridge sönümleyicilerinin uzattığı sonucuna varılabilir. Elde edilen titreşim kayıtlarından hareketle köprünün modal analizine sahadaki sönümleyici uygulamasının katkısını analiz etmek için sönüm oranları askı halatları için uyarlanarak uygulanmıştır. Asma köprü sonlu eleman modeline uygulanan sönümleyici etkisi altındaki kablo sönüm oranları yapı mühendisliği açısından saha testleriyle ortaya çıkan durumun modele yansıtılması bakımından faydalar sağlamaktadır. Ayrıca titreşim analizi alanında literatürde yer alan çalışmalarda önemle bahsedilen modelin sahada doğrulanması süreci ile daha gerçek koşulları dikkate alan bir sonlu eleman modeli elde edilmesine katkıda bulunmıştur. Ancak deneysel çalışmalarla güncellenen sonlu eleman modellerinin deterministik yönden ele alınmaması, belirlenecek güven aralığında tasarım yaklaşımı olarak düşünülmesi yapı mühendisliği disiplininde daha doğru bir bakış açısı olacaktır. Asma köprü mühendisliği açısından ele alındığında askı halatlarına yerleştirilen titreşim sönümleyicilerin tasarım, konumlanma, nitelik ve nicelik bakımından optimize edilmesi saha testleriyle doğrulanmış bu gibi çalışmalarla yapılan analizler neticesinde mümkün olabilecektir. Asma köprülerin yapı sağlığı izleme sistemi ile yerleştirilen çeşitli yapısal sensörler ve cihazlarla ve bu cihazlardan elde edilen, bir merkezde toplanarak işlenebilen gerçek zamanlı ve tam zamanlı, uzun süreli ve aynı zamanda birbirleriyle karşılaştırılabilen ve işlenerek analiz edilebilen verilerle asma köprü askı halatlarının hem değişken mevsim ve trafik dönemlerindeki yükleri de dikkate alınarak dinamik yük etkisi açısından değerlendirmelerin yapılabilmesi sayesinde çeşitli mekanizma durumlarına karşı sönümleyici etkinliği ile ilgili çok daha derinlemesine analiz yapılabilme imkanı ortaya çıkabilmesi için yapı sağlığı izleme sistemi kurulması gereklidir. Uzun süreli verilerin işlenmesi ışığında çelik köprü yapı elemanlarının yorulma problemine yönelik hem veriler elde edilebilecek hem de daha uzun vadeli etkilerin sönümlenmesi daha net gözlemlenebilecektir. Uzun dönem, örneğin birkaç yıllık ivmeölçer verilerinin yer değiştirme ve şekil değiştirme ölçerler ile birlikte sürekli olarak kaydedilmesi imkânı durumunda çelik askı halatı elemanlarının yorulma davranışına ve yorulma ömrüne yönelik geniş kapsamlı yapısal analizler yapılabilir. Yorulma üzerine yapılabilecek geniş kapsamlı ileri düzey analizlerle gerilme aralığı, kırılganlık eğrileri gibi pek çok analizin yapı sağlığı izleme açısından önemli göstergeleri sunabilme imkânı doğabilecektir. Zaman tanım alanında doğrusal olmayan analizde uygun deprem kayıtların seçilmesi, ölçeklendirilmesi ve uygulanması yapılabilirse; sahadaki titreşim verisinden elde edilen askı halatı tahmini sönüm oranı parametresinin uygulandığı köprü sonlu eleman modeli belirli güven aralığında geliştirilerek köprünün tekrarlı yükler altında artan iç sönüm oranının etkilerinin gözlemlenmesi mümkün olabilir.
Özet (Çeviri)
The determination of suspension bridge engineering to span ever greater distances throughout history has pushed the boundaries of design engineering to new heights, resulting in suspension bridges with progressively longer main spans becoming a reality. Increasing main span distances have necessitated longer hanger cables, reflecting the typical requirements of suspension bridge cable geometry. The increasingly longer lengths of the hanger cables have made them more prone to vibration. In terms of structural engineering, various types of dampers have been proposed as countermeasures against vibration, which has been addressed through theoretical, experimental, and practical engineering approaches, and implemented in the field. However, since each long-span suspension bridge has its own unique characteristics, the engineering applications in the field must be evaluated from many aspects, such as whether they are effective as structural solutions, their level of effectiveness, their limitations, and their ability to demonstrate effectiveness. In this master's thesis, which investigates the effects of vibration dampers installed on hanger cables on the behaviour of an existing long-span steel suspension bridge, structural engineering analyses were performed based on recorded vibration data from the hanger cables. On-site work was carried out on the bridge, using a three-axis accelerometer to record both ambient vibration (i.e., free vibration) and forced vibration from hanger cables of different lengths, some with dampers installed and some with dampers not installed. The vibration recording data in the time domain was processed using signal processing techniques accepted in the literature, and structural dynamics vibration analyses were performed in the frequency domain using graphs such as Fast Fourier Transform and Power Spectral Density. Based on the number of modes determined using theoretical frequencies, inferences were made in the graphs about which modes had intense vibration. The estimated damping ratio was determined based on calculations using Operational Modal Analysis techniques and algorithms, particularly those for determining the damping ratio using accelerometer recordings, relying on methods proposed in the literature for damping ratio studies. These damping ratios served as an important criterion for comparison between the cases where the dampers were installed on the hanger cables and where no dampers were installed on the hanger cables. The Stockbridge vibration damper, patented in 1925 by engineer George Stockbridge, after whom the vibration damper type is named, has remained in use to this day, as it has been developed to meet the needs in terms of design. Although it was first used for vibrations in electrical transmission lines, it has been effectively designed and utilised for numerous potential vibration scenarios in suspension bridge cable elements, particularly wind-induced vibration types, such as crucially emphasised Aeolian vibrations and vortex-induced vibrations. Vibration dampers are optimised and installed to prevent the vulnerability to vibration commonly seen in the longest hanger cables of long-span suspension bridges. The working principle of vibration dampers connected to the hanger cable via a transmission cable to their own mass can be simply explained by stating that the dampers dampen the vibrations concentrated at specific frequencies on the cable by absorbing the vibrations in the hanger cable and physically converting them into heat energy. Optimisations related to the position of the dampers are carried out during the design phase of the dampers and after production, prior to commissioning, following laboratory tests, to ensure that they can function at the target frequencies. This is because Stockbridge dampers may have the potential and capability to exert their effect when the vibration intensity of the hanger cable occurs at specific frequencies. This is the most critical reason for processing the modal analysis data outputs on a frequency basis in this study. On the other hand, another important reason for analysing in the frequency domain rather than making direct inferences in the time domain based on acceleration recordings is to prevent unfounded inferences due to environmental conditions and variable instantaneous situations. For example, a hanger cable may produce relatively high acceleration values at a given measurement point, but this does not indicate that its vibration dampers are not working. Conversely, if relatively low acceleration is measured on the hanger cable, this alone cannot be used to conclude that this is due to the presence of dampers. The hanger cables of the suspension bridge were modelled as individual beam elements using finite elements, applied in accordance with the cable cross-section geometry and boundary conditions of the design project, and subjected to modal analysis. This modal analysis was used to determine the relevant mode frequencies of hanger cables of different lengths. The hanger cable mode shapes and corresponding mode frequencies obtained from the analysis of the finite element model of the existing steel suspension bridge were compared with the free vibration frequencies measured theoretically and experimentally in the field. It was concluded that the vibration amplitudes concentrated at these frequencies were reduced in the presence of dampers in terms of energy damping. It can be clearly stated that the vibration amplitudes reduced by the dampers, the observation of the effectiveness of the energy dissipation capacity due to the presence of energy dissipation, and the increased damping ratio highlight the effectiveness of the vibration dampers in counteracting the hanger cable vibrations. The finite element model of the suspension bridge was analysed using a computer program specialised in finite element analysis for bridge analysis. Subsequently, an eigenvalue analysis was performed on this finite element model. Furthermore, a modal analysis was conducted on the finite model of the hanger cable alone, considering the cross-section and material properties, cable geometry, and boundary conditions, to obtain the mode shapes and mode frequencies. The Fast Fourier Transform and Power Spectrum Density obtained from the free vibration recordings of the hanger cables without vibration dampers show higher power in the graphs where the vibrations are stronger and concentrated at the theoretical mode frequencies. When vibration dampers were installed on the hanger cables, it was observed that the vibration was damped and the power concentrated at the frequencies was distributed. When comparing the damping ratios estimated using Operational Modal Analysis algorithms, it was observed that the presence of vibration dampers positively affects the vibration damping capacity by increasing the damping of the hanger cables. The results obtained in this study show that vibration dampers have an effect in increasing the damping of hanger cables and, at a more advanced stage, extend the fatigue life of hanger cables that are constantly subjected to repeated loads such as wind loads, moving loads, and especially traffic loads in terms of bridge structure dynamics. As proven in this study, the fatigue life of hanger cables subjected to repeated loads throughout their service life is influenced by the energy damping capacity; reducing vibration amplitudes, more effective and rapid damping of generated vibrations, and considering the damping efficiency at target frequencies, it can be concluded that Stockbridge dampers extend the fatigue life. Based on the vibration records obtained, damping ratios were adapted and applied to the hanger cables in order to analyse the contribution of the damping application in the field to the modal analysis of the bridge. The cable damping ratios under the damping effect applied to the suspension bridge finite element model provide benefits in terms of reflecting the situation revealed by field tests in the model from a structural engineering perspective. Furthermore, it has contributed to obtaining a finite element model that takes more realistic conditions into account, through the process of validating the model in the field, which is emphasised in studies in the vibration analysis literature. However, not considering finite element models updated with experimental studies from a deterministic perspective and thinking of them as a design approach within a specified confidence interval would be a more accurate perspective in the discipline of structural engineering. From the perspective of suspension bridge engineering, optimising the design, positioning, quality and quantity of vibration dampers placed on hanger cables will be possible as a result of analyses carried out with such field-tested studies. Using the structural health monitoring system of suspension bridges, various structural sensors and devices are installed, and the data obtained from these devices, which can be collected and processed in a central location, is real-time and full-time, long-term, and simultaneously comparable and analysable data, it is possible to evaluate the hanger cables of suspension bridges in terms of dynamic load effects, considering the loads during variable seasons and traffic periods. This requires the establishment of a structural health monitoring system to enable a much more in-depth analysis of the effectiveness of dampers against various mechanism states. In light of the processing of long-term data, data can be obtained regarding the fatigue problem of steel bridge structural elements, and the damping of longer-term effects can be observed more clearly. If long-term data, such as several years of accelerometer data, can be continuously recorded together with displacement and strain gauges, comprehensive structural analyses can be performed on the fatigue behaviour and fatigue life of steel hanger cable elements. Comprehensive advanced analyses on fatigue could provide many analyses, such as stress range and brittleness curves, which could serve as important indicators for structural health monitoring. By selecting, scaling, and applying appropriate earthquake records in non-linear analysis in the time domain, it may be possible to observe the effects of the bridge's increasing internal damping ratio under repeated loads by developing a bridge finite element model within a specific confidence interval, applying the estimated hanger cable damping ratio parameter obtained from the vibration data in the field.
Benzer Tezler
- Çapraz yay gruplarını kullanan yeni bir sismik yalıtım sistemi
A new seismic isolation system made of spring tube braces
VAROL KARAYEL
Doktora
Türkçe
2016
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERCAN YÜKSEL
- Sönümleyici parçacık yerleştirilmiş sandviç yapıların dinamiği ve titreşim özelliklerinin incelenmesi
Investigation of dynamics and vibration properties of sandwich structures with particle damper
OSMAN YİĞİD
Doktora
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiFırat ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ORHAN ÇAKAR
- Bir çamaşır makinesinin devir hızına bağımlı titreşimlerinin incelenmesi
Investigations of speed dependent vibrations of a washing machine
TUNÇ KARAÇALI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK
- Modelling the Behaviours of Straight Dry Fibre Bundles as Friction Dampers
Düz Kuru Elyaf Demetlerinin Sürtünme Damperi Olarak Davranışlarının Modellenmesi
MEHMET SELİM AKAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Makine MühendisliğiThe Unıversıty Of SheffıeldMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. JEM RONGONG
- Influence of the suspended pendulum on the dynamic behavior of structures
Asılı sarkacın yapının dinamik davranışı üzerine etkisi
SEYED REZA JAFARI
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiAfet Yönetimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OSMAN BULUT