DÜŞÜK MALİYETLİ BİR BENDER ELEMAN DÜZENEĞİ …The oscilloscope and the signal generator are...
Transcript of DÜŞÜK MALİYETLİ BİR BENDER ELEMAN DÜZENEĞİ …The oscilloscope and the signal generator are...
DÜŞÜK MALİYETLİ BİR BENDER ELEMAN DÜZENEĞİ
TASARIMI VE GELİŞTİRİLMESİ
DESIGN AND DEVELOPMENT OF A LOW COST BENDER ELEMENT
SETUP
Nihat DİPOVA*1
ABSTRACT
Bender elements are polarized, piezoceramic elements used as binary consoles. While one
element conducts a mechanical shear wave to the soil, the other perceives this wave and
converts it into an electrical signal. It is thus possible to calculate the shear wave velocity
which can be used to calculate the small deformation shear modulus. Function generator is
used for input wave function and oscilloscope is used for determining time difference between
input and output signals. Bender element systems are quite expensive, a limited number of
research institutions can have this system. The oscilloscope and the signal generator are
usually overly costly as they have features over the need. In this study; The design and
development process of a low cost and innovative bender element system will be described.
The frequency range used in the Bender element is audible audio frequency and low cost
systems can be installed using this level of equipment. The oscilloscope is a hardware that
senses voltage-time variation as analog signal. The low frequency voltage change can be
transferred directly to the computer by converting to digital. Software-generated functions can
be used instead of the function generator by converting them into analog voltage-time
variations. In the scope of the study, an electronic hardware was created to record the input
and the output signals. Generally used piezoceramics are high cost because they have
frequency values above the frequency range used in geotechnics. Apart from being very low
cost, piezoceramics produced for the frequency range of 0-20 kHz, which have a long lifetime
since they are equipped copper reinforcement, have been used in the setup. Ceramics are
covered in three layers in order to prevent crosstalk in wet soils. Performing laboratory tests
on clayey soils, traditional setups and newly developed setup was compared.
Key words: Bender element, Design and development, Piezoceramic, Shear wave velocity
ÖZET
Bender elemanlar, ikili konsol piezoseramik elemanlardır. Bir eleman zemine mekanik bir
kayma dalgası iletirken, diğeri ise bu dalgayı elektrik sinyaline dönüştürür. Böylece küçük
deformasyon kayma modülünü hesaplamak için kullanılabilecek kayma dalgası hızı belirlenir.
Giriş dalgası fonksiyonu için fonksiyon jeneratörü, giriş-çıkış sinyalleri arasındaki zaman
farkını belirlemek için ise osiloskop kullanılmaktadır. Bender eleman sistemleri oldukça
pahalı olduğundan sınırlı sayıda araştırma kurumunda bulunmaktadır. Osiloskop ve sinyal
jeneratörü genelde ihtiyaç duyulanın üzerinde özelliklere sahip olduklarından aşırı
*1 Doç.Dr., Akdeniz Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, [email protected]
149
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
maliyetlidir. Bu çalışmada; düşük maliyetli ve inovatif bir bender eleman sisteminin tasarım
ve geliştirme süreci anlatılacaktır. Bender elemanda kullanılan frekans aralığı işitilebilir ses
frekansı aralığında olup bu düzeydeki donanımlar kullanılarak düşük maliyetli sistemler
kurulabilir. Osiloskop gerilim-zaman değişimini analog olarak algılayan donanımdır.
Alıcıdaki gerilim değişimi bir sayısal veriye dönüştürülerek, osiloskop kullanımına gerek
kalmadan, bilgisayara doğrudan aktarılabilir. Yazılımsal olarak üretilmiş fonksiyonlar analog
gerilim-zaman değişimi haline dönüştürülerek fonksiyon jeneratörü yerine kullanılabilir.
Çalışma kapsamında bir elektronik donanım oluşturularak giriş sinyalinin üretilmesi ve çıkış
sinyalinin kaydedilmesi sağlanmıştır. Genellikle kullanılan piezoseramikler geoteknikte
kullanılan frekans aralığının üzerinde frekans değerlerine sahip olduğundan yüksek
maliyetlidir. Düzenekte, çok düşük maliyetli olmaları dışında bakır donatılı olduğundan
ömürleri de uzun olan 0-20kHz frekans aralığı için üretilen piezoseramikler kullanılmıştır.
Nemli zeminlerde çapraz girişimin önlenmesi amacıyla seramikler üç katman halinde
kaplanmıştır. Killi zeminler üzerinde testler yapılarak, geleneksel düzenek ve geliştirilen
düzenek karşılaştırılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Bender eleman, kayma dalgası hızı, piezoseramik, tasarım ve geliştirme
1. GİRİŞ
Zeminlerde küçük birim deformasyon, dinamik yük altındaki zemin davranışının belirlenmesi
ve tünel kazılarında yüzey oturmalarının hesaplanması sırasında gerekmektedir. Küçük birim
deformasyonların ölçümü, numunenin gerilme-deformasyon ilişkisinin belirlendiği
konvansiyonel tek eksenli ve üç eksenli deneylerde, komparatörler veya doğrusal değişken
diferansiyel dönüştürücüler (LVDT) gibi araçlarla belirlenmesi mümkün değildir (Holtz ve
diğ., 2011). Dış deformasyon ölçümünden kaynaklanan hataların görmezden gelinmesi,
modül ve zemin rijitliğinin önemli oranda düşük tahmin edilmesine yol açabileceğinden,
küçük birim deformasyonlar lokal olarak numune üzerinden ölçülmelidir. Lokal deformasyon
ölçümlerinde, minyatür LVDT ler, temassız mesafe sensörleri, Hall etkisi sensörleri, esnek
kirişli deformasyon sensörleri ve görüntü analizi teknikleri kullanılmaktadır (Scholey ve diğ.,
2011).
Dolaylı yoldan küçük deformasyon modülü ölçümü amaçlı olarak piezoelektrik bender
elemanların kullanımı özellikle bilimsel araştırmalarda yaygınlaşmıştır. Shirley (1978)
tarafından literatüre kazandırılan yöntem, sonraki yıllarda birçok araştırmacı (Dyvik ve
Madshus, 1985; Brignoli ve diğ., 1996; Kumar ve Madhusudhan, 2010; Lee ve Santamarina,
2005; Leong ve diğ., 2005; Lings ve Greening, 2001; Marjanovic ve Germaine, 2013;
Viggiani ve Atkinson, 1995) tarafından çalışılmıştır. Bender elemanlar ikili konsollar halinde
kullanılan, kutuplanmış, piezoseramik elemanlardır. Bir eleman elektrik yükü tahriki ile
zemine mekanik bir kayma dalgası iletirken, diğeri ise bu dalgayı algılar ve çıkış elektrik
sinyaline dönüştürür. Bu işlem, küçük deformasyon kayma modülünü (G) hesaplamak için
kullanılabilecek kayma dalgası hızının (Vs) hesaplanmasına olanak tanır.
Piezoseramik bender eleman üretiminde yaygın olarak PZT (Lead zirconate titanate)
kullanılmaktadır. Uzunluğu 6 – 32 mm, genişliği 6 – 15 mm, kalınlığı 0.5 - 1 mm arasında,
zemin içine giren uzunluğu ise 3 – 10 mm arasında değişim göstermektedir (Şekil 1-A).
Kayma dalgası hızının belirlenmesi için deney düzeneğinde bender elemanların dışında, giriş
sinyalini üreten sinyal jeneratörü ve giriş-çıkış sinyalleri arasındaki zaman farkını belirlemek
için osiloskop gerekmektedir (Şekil 1-B).
150
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
A B
Şekil 1. A) Piezoelektrik Bender Eleman, B) Geleneksel Bender Eleman Düzeneği
Bender eleman sistemleri oldukça pahalı olduğundan, sınırlı sayıda araştırma kurumu sahip
olabilmektedir. Osiloskop ve sinyal jeneratörü genelde ihtiyaç duyulanın üzerinde özelliğe
sahip olduklarından aşırı maliyetlidir. Bender eleman uygulamalarında kullanılan frekans
aralığı işitilebilir ses frekansı aralığında (audio level) olup ses amaçlı kullanılan donanımlar
kullanılarak düşük maliyetli sistemler kurulabilir. Osiloskop gerilim-zaman değişimini analog
olarak algılayan donanımdır. Yüksek maliyetli osiloskopların bir kısmında bilgisayar
bağlantısı olmadığından sadece görüntü kaydına izin verir. Oysa düşük frekanslı gerilim
değişimi bir ses işlemcisi ile sayısal veriye dönüştürülerek (ADC) bilgisayara doğrudan
aktarılabilir. Fonksiyon jeneratörü yerine ise, yazılımsal olarak üretilmiş fonksiyonlar analog
voltaj-zaman değişimi haline dönüştürülerek bender elemana uygulanabilir. Pahalı bender
eleman sistemlerinde kullanılan piezoseramikler çoğunlukla geoteknikte kullanılan frekans
aralığının üzerinde frekans değerlerine sahip olduğundan yüksek maliyetlidir. Düşük frekanslı
piezoseramikler çok düşük maliyetli olmaları dışında bakır donatılı olduğundan ömürleri de
uzundur. Bu çalışmada düşük maliyetli ve inovatif bir bender eleman sisteminin tasarım ve
geliştirme süreci anlatılacaktır.
2. TASARIM VE GELİŞTİRME SÜRECİ
Tasarım ve geliştirme süreci 3 aşamadan oluşmaktadır; i) Elektronik donanımın
oluşturulması, ii) Piezoseramiklerin hazırlanması, iii) Uygun yazılım seçimi.
Bender elemanda kullanılan frekans aralığı işitilebilir ses frekansı aralığında (0-20 kHz,
genellikle 0-7 kHz) olup ses amaçlı kullanılan donanımlar kullanılarak düşük maliyetli
sistemler tasarlanması mümkündür. Gerilim-zaman değişimini analog olarak algılayan ve bu
değişimi ekranda gösteren aygıtlara osiloskop denilir. Elektronik mühendisliği uygulamaları
için üretildiğinden frekans aralığı çok yüksektir. Günümüzde yaygın olarak 100-200 Mhz
frekans aralığında yüksek maliyetli osiloskoplar üretilmekte olup, bunların bir kısmında
bilgisayar bağlantısı bulunmaz ve sadece görüntü kaydına izin verirler. Düşük frekanslı
gerilim değişimi analiz edileceğinde, bu değişim bir ses işlemcisi ile sayısallaştırılarak
bilgisayara doğrudan aktarılabilir. Kişisel bilgisayarların tümünde bulunan ses kartları da
esasında bir analog dijital çeviriciden ibarettir. Günümüzde yaygın olarak kullanılan standart
ses kartları 16-32 bit çözünürlükte olup, 44100-192000 Hz örnekleme aralığına sahiptir.
151
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
Fonksiyon jeneratörünün görevi ise giriş sinyalini sinüs, basamak veya keyfi tanımlı
(arbitrary) bir fonksiyonla üreten zamana bağlı gerilim değişkeni üretecidir. Standard
fonksiyon jeneratörleri analog aygıtlardır. Benzer fonksiyonda sinyallerin yazılımsal olarak
üretilip sonradan analoga çevrilmesi de mümkündür. Geliştirilen düzenekte yazılımsal olarak
üretilmiş fonksiyonlar bir mikroişlemci üzerinden analog voltaj-zaman değişimi haline
dönüştürülmüştür. Bu amaçla ATmega328 tabanlı bir mikrodenetleyici olan bir geliştirme
platformu (development board) kullanılmıştır. Mikroişlemci içine bir kod yazılarak
programlanmış, tanımlanan fonksiyon üretilmiş ve analog voltaj - zaman değişimi haline
dönüştürülmüştür. Bu aşamada sinyal koşullandırmasına ihtiyaç duyulmuştur. Mikro
işlemcinin çıkışı 5 Volt ile sınırlı olup, bu seviye bender elemanın tahriki için yeterli
olmadığından yükseltici devre (amfilikatör) kullanılarak yeterli seviyelere yükseltilmesi
mümkün olmuştur (Şekil 2). Bilgisayar giriş çıkışları ise 1 volt ile sınırlı olduğundan
bilgisayara giriş sinyalinin genliğinin düşürülmesi gerekmiştir.
Şekil 2. Geliştirilen Deney Setinin Şematik Gösterimi
Bilgisayar ses kartları, insan kulağının duyabileceği ses frekans aralığına uygun tasarlanmıştır.
Ortalama bir ses kartı 44100 Hz frekansa kadar, gelişmiş olanları ise 192000 Hz e kadar sinyal
işleyebilmektedir. Deney setinin giriş sinyalleri 2 kanallı konektör ile bilgisayara aktarılmaktadır.
Bu girişlerinden alınan sinyallerin, donanıma zarar vermemesi için voltaj düşürücü bir devre
tasarlanmıştır. Koruyucu devre, Ohm kanununa dayalı basit bir voltaj bölücüdür (Şekil 3).
Devrenin X1 girişinden verilen 5V sinyal bölünerek X2 çıkışından azaltılmış voltaj halinde
bilgisayara girişi sağlanmıştır.
Şekil 3. Ohm Kanununa Dayalı Voltaj Bölücü Devre ile Sinyal Genliği Düşürme
Alıcı bender eleman, zemin numunesini kat eden kayma dalgasını titreşim olarak algılar, bu
titreşimin sebep olduğu deformasyon nedeniyle (piezoelektrik etki) analog gerilim üretir. Bu
gerilim milivolt düzeyinde olduğu için, sinyal işleme yazılımı tarafından algılanabilmesi için
yükseltilmesi gerekir. Düzenekteki ikinci yükselticisi bu amaçla gerekli olmuştur.
Düzenekte birden fazla devre kablolarla bağlanmış olduğundan ortamda önemli miktarda
elektromanyetik alan bulunmaktadır. Sinyallerin karışmaması ve gürültünün engellenmesi
152
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
için, bender elemanları devreye ve bilgisayara bağlayan hatlarda, koaksiyel kablo kullanılmış,
bağlantılar ise BNC konektörle sağlanmıştır. Bu yolla çevresel gürültülerin toplanarak
topraklama hattına aktarılması ve gürültünün azaltılması sağlanmıştır. Buna rağmen az
miktarda bir gürültü kalmış olmasına rağmen bu gürültü de yazılımsal olarak giderilmiştir.
Geliştirilen donanımın amacı, işlemciye ulaşan giriş ve çıkış sinyalleri arasındaki zaman
farkının bulunması olduğundan, donanım içindeki modüllerin ilave bir gecikmeye (delay) yol
açıp yol açmadığının belirlenmesi gerekmektedir. Bu amaçla, modüllerin giriş ve çıkışları
osiloskopa iki ayrı kanal olarak bağlanarak, giriş-çıkış sinyalleri incelenmiş ve bir gecikme
oluşmadığı görülmüştür. Ayrıca, analog dijital çeviricide oluşan ve sinyal kalitesini etkileyen
gürültüden dolayı analog sinyal analizinde kısıtlamalar oluşmaktadır. Buna ilave olarak
topraklanmamış kısa mesafe kablolar üzerinde elektromanyetik alandan oluşacak gürültü ve
harmonik bozulmalar, analog sinyal örneklenmesi sırasında oluşan diğer problemlerdir.
Donanıma has bu bozulmaların da yazılımsal olarak giderilmesi gerekmiştir.
Pahalı bender eleman sistemlerinde kullanılan piezoseramikler çoğunlukla geoteknikte
kullanılan frekans aralığının üzerinde frekans değerlerine sahip olduğundan yüksek
maliyetlidir. Bu piezoseramiklerin bir kısmı donatısız ve sadece seramikten imal edilmiş olup
kırılma riski yüksek, ömrü kısa malzemelerdir. Başlangıç yatırımı dışında zamanla
yenilenmeleri gerekebilir. 0-20 khz aralığında ses sistemleri için üretilen piezoseramikler ise
çok düşük maliyetli olmaları dışında bakır donatılı olduğundan ömürleri uzundur. Ancak
istenilen boyutta piezoseramik temin etmek mümkün olamadığından, hassas bir kesim
düzeneği geliştirilmiş ve boyutlandırma sağlanmıştır (Şekil 4A).
Doygun zeminlerde çapraz girişimin (crosstalk) önlenmesi amacıyla bender elemanlar üç
katman halinde kaplanmıştır. Sıvı akrilik kaplamadan oluşan birinci katman gerilimin dışarı
kaçağını önlemek amacıyla yapılmıştır. Bu katmanın üzerine gümüş iletken boya uygulanıp
topraklanarak Faraday kafesi oluşturulmuş (Şekil 4B), zeminden aktarılabilecek gerilim
kaçağının toprağa aktarılması ve seramiklere ulaşmaması sağlanmıştır. En üst katman ise hem
elektriksel izolasyon hem de iç katmanların sürtünme ile zarar görmesini önlemek amacıyla
uygulanan akrilik kalıptır. Çift komponentli olan akrilik malzeme, döküm sırasında likit olup
zamanla katılaşmaktadır. Bender elemanların içine gömüleceği platenler ise yine akrilik
döküm olarak üretilmiştir. Bu amaçla disk geometrili bir kalıp hazırlanmış, kalıbın ortasında
bender eleman montajı için yarık bırakılmış (Şekil 4C), çevresine akrilik döküm yapılarak
işlem tamamlanmıştır (Şekil 4D). Düzeneğin deneye hazır görüntüsü Şekil 5'te sunulmaktadır.
A B C D
Şekil 4. A) Hassas Kesim Düzeneği, B) Gümüş İletken Kaplama ile Oluşturulmuş Faraday
Kafesi, C) Platen İçin Kalıp, D) Kalıba Döküm Yapılması
153
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
A B C
Şekil 5. A) Elektronik Donanım, B) Bender Eleman, C) Tüm Set
Bilgisayara girişi yapılan analog sinyaller üzerinde analize olanak sağlayan çok sayıda sinyal
işleme yazılımı bulunmaktadır. Ses kayıtları üzerinde düzenlemeler yapmak için kullanılan
yazılımlar da esasında birer sinyal işleme yazılımlarıdır. Bunlar içinde Cool Edit Pro
(Syntrillium Software Corp., 2002) kullanılan programlar içinde en popüleridir (Son sürümü
Adobe firması tarafından satın alınıp Adobe Audition adını almıştır). Geniş frekans
aralığındaki sinyallerin karşılaştırılması, birleştirilmesi ve spektrum analizleri gibi güçlü
sinyal işleme yeteneklerine sahiptir. Öğrenmesi ve kullanması, osiloskop yazılımlarına göre
daha kolaydır. Sinyallerin genlik-zaman verileri grafik olarak görüntülenebildiği gibi kayıt
edilmesi de mümkündür. Bu kayıtlar üzerinde gürültü temizleme ve istenmeyen frekans
aralığındaki verilerin filtrelenmesi mümkündür (Şekil 6). Verilerin başka formatlarda (xls,
dat, txt) da saklanabilmesi de, başka yazılımlarla ilave işlemler yapılabilmesine olanak
sağlamaktadır.
Şekil 6. Yazılımsal Filtreleme İşlemi; Sinyali Bozan Çevresel Gürültü (Üstte), Gürültüden
Arındırılmış Sinyal (Altta)
154
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
Verici bender elemana gönderilecek fonksiyonun sinyal işleme programı tarafından da
üretilmesi mümkündür. Cool Edit Pro yazılımının içinde keyfi (arbitrary) fonksiyon üretme
modülü bulunmaktadır. Çalışmalar sırasında bu yol denenmesine rağmen, üretilen bu dijital
fonksiyonun analog sinyale çevrilmesi sırasında standard olmayan bir zaman gecikmesine
sebep olduğu anlaşılmış ve giriş-çıkış sinyali zaman farkının doğru olarak ölçülmesi mümkün
olamamıştır. Bunun yerine, yazılımsal olarak üretilmiş bir fonksiyon bir mikroişlemci üzerine
gömülmüş, verici bender elemana gönderildiği hattan paralel çıkışla analog dijital çeviriciye
ulaştırılmıştır. Bu amaçla Arduino geliştirme platformuna yüklenmek üzere , C++ dilinde kısa
bir kod yazılmıştır. Tahrik sinyali fonksiyonu olarak basamak (step) sinyal seçilmiştir.
Basamak sinyal tüm frekansları içerdiğinden, sinus fonksiyonunda olduğu gibi önceden bir
resonant frekans belirlenmesine gerek olmamaktadır. Tahrik keskin bir voltaj çıkışı ile
sağlandığından, alıcı bender elemandaki tepki de daha net çıkmaktadır (Lee ve Santamarina,
2005). Basamak sinyali için gerekli yazılımın kolay ve kısa olması da bu tercihi
güçlendirmiştir.
3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR
Geliştirilen düzeneğin performans testi için standart bir bender eleman sistemi kullanılarak
paralel deneyler yapılmıştır. Yapılan paralel deneylerde Controls marka 28-WF4057/B modeli
50mm çapında platen içine monte edilmiş bender elemanlar, SIGLENT SDS1102CNL modeli
2 kanallı donanımsal filtreli 100Mhz osiloskop ve UNI-T UTG9005C 5MHz fonksiyon
jeneratörü kullanılmıştır (Şekil 7).
Şekil 7. Paralel Testlerde Kullanılan Orijinal Deney Seti
Karşılaştırma deneyleri Antalya’dan temin edilen doğal numunelerde (Antalya kırmızı killeri
ve Boğaçay gri killeri) gerçekleştirilmiştir. Bu aşamada amaç sadece düzeneklerin
karşılaştırılması olduğundan, numunelerin geoteknik özellikleri detayına girilmemiştir. İleriki
dönemde, farklı zemin sınıflarından numuneler üzerinde daha kapsamlı deneysel çalışmalar
gerçekleştirilecektir.
155
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
Orijinal düzenekte kullanılan osiloskopta filtreleme özelliği olduğundan iki sinyal arasındaki
zaman farkının ölçüldüğü ekran görüntüsünün kaydı alınmıştır. Geliştirilen düzenek ve PC
yazılımı ile yapılan deneylerde ise ham kayıtlar alındıktan sonra gürültü (noise) filtreleme
işlemi yazılımsal olarak gerçekleştirilmiş.
Tahrik sinyali olarak basamak sinyal kullanıldığında, geri dönüş zaman farkı için geri dönüş
sinyali üzerinde hangi bölgenin kullanılacağı konusunda farklı yaklaşımlar vardır. İlk
sapmanın geri dönüş ibaresi olmadığı ve bu sapmanın yakın alan etkisinden (near field effect)
kaynaklandığı kabul edilmektedir. Kayma dalgası geri dönüş zamanı ise ilk çukur ile ilk sıfır
kesişimi arasında olduğu ifade edilmektedir (Şekil 8'de B-C arası). Osiloskop ölçümlerinde 2
ayrı ölçme seçeneği olduğundan (imleç ve tetikleme) hem B hem de C noktası baz alınarak
zaman farkı ölçümü yapılmıştır. Yeni düzenek ve yazılımsal ölçümde ise C noktası için
zaman farkı ölçülmüştür.
Şekil 8. S Dalgası Geri Dönüş Zamanı İçin Konumlar
Aynı numune üzerinde hem geliştirilen düzenekle, hem de orijinal düzenekle yapılan
deneylere ait sonuçlar Şekil 8’de sunulmaktadır. Şekilden de görüldüğü üzere sinyaller
arasındaki zaman farkı ölçümleri birbirine çok yakın sonuçlar vermiştir. Kırmızı kil için iki
orjinal düzenekte C noktası zaman farkı 450s iken yeni düzenekte 447 s olarak
bulunmuştur. Gri kil için ise değerler; 180 s ve 188 s dir. Bu farkların kayma dalgası
hızlarına yansıması ise kırmızı kil için 1,2 m/s, gri kil için ise 16 m/s dir. Bu düşük zaman
farkları aynı cihaz ve aynı numune üzerinde yapılacak tekrarlı deneylerde karşılaşılabilecek
düzeyde olup, numune-sensör temas farklılıklarından kaynaklanmış olabileceği
düşünülmektedir. Ayrıca kullanılan kablo ve bağlantı elemanlarının da elektromanyetik alan
girişimi yaratabileceği göz önüne alındığında, bir miktar fark oluşabileceği kabul edilebilir.
Çalışmanın devamında bu hususlar ayrıntılı bir şekilde çalışılacaktır.
156
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
Orjinal düzenek Geliştirilen düzenek K
ırm
ızı
kil
Gri
kil
Şekil 8. Kırmızı Kil ve Gri Kil Numune Üzerinde Yapılan Karşılaştırma Deneyleri
4. SONUÇLAR
Bender eleman deneyleri işitilebilir frekans aralığında yürütülmektedir. Buna rağmen
genellikle daha geniş bant aralığında donanımlar kullanılmakta ve yüksek maliyetler ortaya
çıkmaktadır. Bu çalışmada, bender eleman sinyallerini algılayacak ve işleyecek düşük
maliyetli bir deney düzeneği tasarlanmıştır. Veri toplama amacıyla bir donanım geliştirilmiş,
sinyallerin işlenmesi amacıyla da Cool Edit Pro yazılımı kullanılmıştır.
Geliştirilen düzeneğin performans testi ve doğrulaması için standart bir bender eleman sistemi
kullanılmıştır. Killi numuneler üzerinde hem geliştirilen düzenekle hem de orijinal düzenekle
yapılan deneyler sonucunda sinyaller arasındaki zaman farkı ölçümlerinin birbirine yakın
olduğu görülmüştür. Düşük zaman farklarının, numune-sensör temas farklılıklarından veya
kullanılan kablo ve bağlantı elemanlarının manyetik alan girişiminden kaynaklanmış
olabileceği düşünülmektedir. Çalışmanın devamında bu hususlar farklı zemin sınıfından
numuneler üzerinde detaylı bir şekilde araştırılacaktır.
Geliştirilen düzeneğin pratik, küçük hacimli ve kullanımı kolay olmasının yanı sıra en büyük
avantajı düşük maliyeti olmuştur. Kurulumu yazar tarafından yapılan düzeneğin maliyeti 50 $
ile sınırlı kalmıştır. Elektronik uzmanlığı gerektirmeden, her mühendisin sahip olduğu temel
fizik bilgileri ve temel bilgisayar yeteneği ile oluşturulabilecek bir düzenek olması, özellikle
sınırlı bütçeli projelerde geoteknik mühendislerine alternatif bir çözüm olanağı sağlayacaktır.
157
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
KAYNAKLAR
[1] Holtz, R. D., Kovacs, W. D. and Sheahan, T. C. (2011), "An Introduction to Geotechnical
Engineering", 2nd edition. Pearson, New Jersey
[2] Scholey, G. K., Frost, J. D., Lo Presti, D. C. F. and Jamiolkowski, M. (1995), "A review
of instrumentation for measuring small strains during triaxial testing of soil
specimens”, Geotechnical Testing Journal, Vol 18, 137-156.
[3] Shirley, D. J., (1978), “An improved shear wave transducer”, Journal of Acoustic Society
of American, Vol 63(5), 1643-1645.
[4] Dyvik, R. and Madshus, C. (1985), "Laboratory measurement of Gmax using bender
elements”, The ASCE Annual Convention, pp. 186-196, Detroit, 1985.
[5] Brignoli, E. G. M., Gotti, M. and Stokoe, K. H. (1996), "Measurement of shear waves in
laboratory specimens by means of piezoelectric transducers", Geotechnical Testing
Journal, Vol 19, 384-397.
[6] Kumar, J., and Madhusudhan, B. N. (2010), "A note on the measurement of travel times
using bender and extender elements", Soil dynamics and Earthquake Engineering,
Vol 30, 630-634.
[7] Lee, J.-S. and Santamarina, J.C. (2005), "Bender element, performance and signal
interpretation", J. Geotech. Geoenviron. Eng., Vol 131(9), 1063-1070.
[8] Leong, E.C., Yeo, S.H., and Rahardjo, H. (2005), “Measuring shear wave velocity using
bender elements”, Geotechnical Testing Journal, ASTM, Vol 28(5), 1-11.
[9] Lings, M. L., and Greening, P. D. (2001), “A novel bender/extender element for soil
testing”, Geotechnique, Vol 51(8), 713-717.
[10] Marjanovic, J., and Germaine, J. T. (2013), "Experimental study investigating the effects
of setup conditions on bender element velocity results", Geotechnical Testing
Journal, Vol 36(2), 187-197.
[11] Viggiani, G., and Atkinson, J.H. (1995), “The interpretation of the bender element tests”,
Geotechnique, Vol 45(1), 149-155.
[12] Syntrillium Software Corp. (2002), "Cool Edit Pro V.2 User’s Manual". Syntrillium
Software Corp., San Jose, CA.
158
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul