İnşaat mühendisliği uygulamaları gün geçtikçe daha karmaşık ve zorlu hale gelmektedir. Uygarlık yayıldıkça yeni ihtiyaçlar oluşmakta ve bu ihtiyaçların önemli bir kısmı mesleğimizin konusu olmaktadır. Daha önce çalışılmayan zorlu ortamlarda çalışılması, güvenlik riskleri ve imalatların sürekli takip ve kontrolünü gerektirmektedir. Yalın insan kapasitesi ve yetenekleri artık yeterli olmayıp ilgili teknolojiler de günden güne daha çok kullanılmaktadır. Bu yazıda inşaat mühendisliği uygulamalarında kullanılan geribildirim/izleme teknolojilerinden ikisi olan, ses tabanlı ve termal görüntüleme sistemlerin bahsedeceğim.
Ses Tabanlı Görüntüleme Sistemleri
Ses tabanlı görüntüleme sistemleri ses dalgalarının objelerden yansıması prensibi ile çalışan sistemlerdir. Bir kaynaktan çıkan ses dalgaları çarptığı objelerden yansır ve bir alıcı tarafından okunur. Bu okumalar işlenerek anlamlı bir çıktı oluşturulur.
Bu teknolojinin ilk defa Leonardo Da Vinci tarafından, boş bir tüpün kısmen suya daldırarak, yaklaşan gemileri seslerinden tespit etmek için kullanıldığına dair hikâyeler bulunmaktadır. Buna ilk basit sonar aleti diyebiliriz. Fakat aletsel olarak ilk kullanımı 1900’lü yılların başındadır ve denizcilik faaliyetlerinde buz dağlarının tespiti için kullanılmıştır. 1. ve 2. Dünya savaşlarında denizaltıların ve gemilerin tespitinde kullanılan teknoloji, sonraki süreçte sivil mühendislik alanında gelişim göstermiştir. Bu gelişimden inşaat mühendisliği de faydalanmıştır.
Ses tabanlı görüntüleme teknolojilerinden su altında kullanılan sistemler, sonar olarak adlandırılmaktadır. Bu sistemlerle, batırılan yapıların yerlerinin kontrolü, su altı zemin profili, köprü ayakları çevresindeki birikimler gibi bilgiler edinmek, pratik ve düşük maliyetli hale gelmektedir.
Amerikan Federal Otoyol Yönetimi (FHWA), köprü yapım, onarım ve incelemelerinde kullanmak üzere bu görüntüleme sistemlerini değerlendirmek için detaylı teknik dokümantasyona sahip bir kurumdur. 2B ve 3B görüntüleme sistemleri için 8 kritere dayalı bir değerlendirme sistemi oluşturmuştur.
Bunlar;
- Perspektif
- Doğruluk/Kesinlik
- Çözünürlük ve obje tanımlama
- Taşınabilirlik
- Maliyet
- Kullanım kolaylığı
- Dikey yüzeyleri görüntüleme yeteneği
- Veri İşleme Süresi
Bu kriterler kullanışlı bir görüntüleme sistemi için sağlanması gereken kriterler olarak düşünülebilir. Fakat bu görüntüler, çözünürlükleri yeterince yüksek olmadığı ve gerçek zamanlı akış veremediği için kullanımları genellikle sınırlıdır. Bu nedenle genelde dalgıçlar su altına gönderilerek hem imalat aşamasında hem de kontrol sürecinde görev alır. Fakat bu durumda düşük görüş mesafesi olan bulanık sularda güvenlik problemi kaçınılmazdır.
Şu anda en ileri görüntüleme sistemi olarak İngiltere merkezli bir firmanın ürettiği The Echoscope gösteriliyor (Cardno,2019). Bu sistem bir video kamera gibi gerçek zamanlı olarak veri alıp işleyerek görüntü oluşturabiliyor. Dalgıçlara olan gerekliliği ortadan kaldırmasa da, dalgıçların güvenliği için çok büyük faydalar sağlıyor. Sonar, ses dalgalarını kullandığından, suyun bulanıklığından etkilenmez. Görüş mesafesinin düşük olduğu sularda yapılan dalışlarda, dalgıçları gerçek zamanlı olarak yönlendirmek ve güvenli dalış rotası oluşturabilmek için çok faydalı olabilir. Aşağıda yer alan iki fotoğrafta, dalga kıran yapımında kullanılan bir blok ve bloğun su altına yerleştirilmesi sırasında sonar sistemindeki canlı görüntüsünden bir kare görülebilir. Böyle bir görüntü ile imalat aşamasında, çok hassas olmayan yerleşimlerde, dalgıç gereksinimi olmadan imalat sağlanabilir. Denizaltı boru ve kablo hatlarının montaj ve denetiminde de bu sistemler yaygın olarak kullanılmaktadır.
Sonar teknolojilerinin yanında, ultrason, yani kulağımızın duyabileceği 20 kHz üzerindeki frekanslarda ses dalgası kullanan ve su ortamı dışında da gözlem/hasar tespiti sağlayan sistemler mevcut. Çoğu insan ultrasonu medikal alandan bilse de, aslında aynı yöntem herhangi bir malzemedeki çok ufak çatlakların bile tespiti için kullanılabilir. Ultrason sistemleri bir verici ve alıcı ile kullanılan aktif tahribatsız hasar tespit sistemlerindendir. Vericiden gönderilen bir ses dalgası, farklı ortamlarda farklı hızlarda seyahat ederek, geri yansır. Örneğin bir kiriş için bu işlemin yapıldığını ve kiriş üzerinde de bir çatlak veya kusurlu bölge olduğunu düşünelim. Bu durumda, vericiden çıkan ses dalgaları hatalı bölgeden ve hatasız bölgeden farklı zaman ve oranlarda yansır. Alıcı bunu okur ve veri işlenerek anomali tespit edilebilir. Bu teknoloji hâlihazırda yapı sağlığı izlemesinde, hasar kontrolünde, boru hattı gibi uzun altyapı sistemlerindeki çatlakların tespitinde, köprü vb. gözle kontrolün mümkün veya yeterli olmadığı alanlarda kullanılmaktadır. (Chang,1997). Sistemin aktif olarak kullanıldığı ve çok önemli bir diğer alan ise demiryolu raylarının kontrolüdür. Özellikle ülkemizde meydana gelen demiryolu kazalarının sıklığı düşünüldüğünde bu sistemlerin alternatif kullanımlarının daha da yaygınlaştırılması büyük önem taşımaktadır.
Benzer şekilde çalışan fakat verici barındırmayıp sadece alıcısı bulunan sistemlere akustik emisyon sistemleri adı verilir. Vericisi olmadığından pasif bir yöntem olarak sınıflandırılır. Bu sistemler malzemedeki gerilim nedeniyle ortaya çıkan dalgaları yakalayarak bir sonuç oluşturur. Bu dalgaların oluşması için bir gerilime ihtiyaç vardır ve bu nedenle yük altında olmayan numunelerde sonuç vermez. Bu sistem yapı sağlığı izlemesinde kullanılan ve oluşan çatlakların tespitine imkân sağlayan bir sistemdir.
Termal Görüntüleme Sistemleri
Ses dalgalarının yanında ısı dalgaları da bize yapılardaki farklı problemlere yönelik bilgiler verebilir. Termal görüntüleme sistemlerini anlamamız için öncelikle termal emisyonun ne olduğunu anlamamız gerekir. Termal emisyon, herhangi bir cismin, ideal siyah bir cisme göre, aynı sıcaklık altında yaydığı ısıl radyasyon oranıdır. Bu ısıl radyasyon bizim göremediğimiz dalga boyu aralığında yer almaktadır. Son zamanlarda hayatımıza giren termal kameralar gözle görülemeyen bu yüksek dalga boylarını tespit edebilmekte ve böylece ısıl radyasyon ölçülebilmektedir. Aşağıdaki figürde gözle görülebilen dalga boyu aralığı görülebilir.
Termal görüntüleme sistemlerine kısaca giriş yaptığımıza göre inşaat mühendisliğindeki uygulamalarına göz atabiliriz. Herkesin doğrudan aklına gelen birkaç kullanımı, şantiyede yangın tespiti, elektrik sistemlerin ve yangın riski oluşturacak alanların tespiti olabilir. Bunlar ile beraber termal görüntüleme sistemlerinin verimli olarak kullanıldığı alanların başında sızıntı kontrolleri gelmektedir.
Yüksek miktarda sıvı depolanan, betonarme tanklar, dolgu barajlar, kanallar, kimyasal havuzları ve benzeri sıvı depolanan veya iletilen yapıların tamamen sızdırmaz olması gerekir. Özellikle dolgu baraj ve setlerde ufak sızıntılar hızlı bir şekilde yıkıma neden olabilmektedir. Bu nedenle sızıntıların erken tespiti çok önemlidir. Thusyanthan ve arkadaşlarının(2017) barajlarda lokal sızıntıların tespitine yönelik termal görüntüleme yöntemi üzerine bir makalesinde, henüz yüzeyde gözlenmeyen sızıntıların tespiti üzerine başarılı sonuçlar almışlardır. Figürde görüleceği üzere sızıntı yüzeye ulaşmasa dahi yüzey sıcaklığında değişim yaratmaktadır. Tüm yüzeyin sürekli izlenmesi ve karşılaştırılması ile gözle görülebilir belirtilerden çok önce önlem alınabilir.
Bunun yanında, bu sistemlerin bir diğer kullanım alanı da, yeraltı boru hattı ve benzeri sistemlerdeki sızıntıların tespitidir. Sızan sıvı veya gaza bağlı olarak termal görüntüdeki değişimler olası bir sızıntıya işaret edebilmektedir.
Bu yazıda bahsedilen sistemler, birçok görüntüleme ve test yönteminden sadece ikisi. İzleme teknolojileri, gerek eskiyen altyapı, gerekse uygulamalardaki problemlerin tespiti için muhakkak kullanılması ve yaygınlaştırılması gereken bir konu. Gelişen ve ucuzlayan teknoloji ile bu sistemleri üretmek veya kullanmak hem maddi olarak hem de bilgi olarak daha ulaşılabilir. Bugün bir inşaat mühendisi kendi sektöründe ihtiyacı olan kalite, kontrol veya hasar takibi için ilgili teknolojilere çok rahat ulaşabilir. Hatta basit uygulamalar için, internet üzerinden yapılacak araştırmayla rahatça temin edebileceği sensör ve elektronik parçalar ile kendi sistemini kurabilir. Son yıllarda Arduino ve benzeri platformların geliştirilmesi ile her meslek dalından insanlar kendi ihtiyaçlarına yönelik elektronik çözümleri pratik bir şekilde gerçekleştirebilmektedir. Bu noktada özellikle yeni mezun meslektaşlarımızın bu konularda daha girişken olması, mesleğimizin teknolojiyle evrimi için çok önemlidir.
References:
Cardno, C. A. (2019). Next-Generation Sonar Improves on Best Existing Technology. Civil Engineering Magazine Archive, 89(7), 36-37. https://doi.org/10.1061/ciegag.0001408
Chang, F. (1997). Structural health monitoring: Current status and perspectives: Proceedings of the International Workshop on Structural Health Monitoring, Stanford University, Stanford, California, September, 18-20, 1997. Lancaster: Technomic.
Loveday, P. W. (2012). Guided Wave Inspection and Monitoring of Railway Track. Journal of Nondestructive Evaluation, 31(4), 303-309. https://doi.org/10.1007/s10921-012-0145-9
Shimoyama, T., Nanri, M., Murakami, Y., & Tamakawa, K. (2013). Maritime Infrastructure Security Using Underwater Sonar Systems. Hitachi Review, 62(3), 214-218.
Slonecker T, Fisher GB, Aiello DP, Haack B. Visible and Infrared Remote Imaging of Hazardous Waste: A Review. Remote Sensing. 2010; 2(11):2474-2508.
Thusyanthan, I., Blower, T., & Cleverly, W. (2017). Innovative uses of thermal imaging in civil engineering. Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Civil Engineering, 170(2), 81-87. https://doi.org/10.1680/jcien.16.00014