VAKA ANALİZİ: BİR METRO İSTASYONU VİYADÜK GEÇİŞ PROJESİNİN SİSMİK ZEMİN - KAZIKLI RADYE TEMEL ETKİLEŞİMİ DEĞERLENDİRMESİ

Transkript

1 ÖZET: VAKA ANALİZİ: BİR METRO İSTASYONU VİYADÜK GEÇİŞ PROJESİNİN SİSMİK ZEMİN - KAZIKLI RADYE TEMEL ETKİLEŞİMİ DEĞERLENDİRMESİ M. Ilgaç 1, G. Can 2 ve K. Ö. Çetin 3 1 Araş. Gör., İnşaat Müh. Bölümü, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Ankara 2 Araş. Gör., İnşaat Müh. Bölümü, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Ankara 3 Prof. Dr., İnşaat Müh. Bölümü, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Ankara E-posta: ilgac@metu.edu.tr, cgizem@metu.edu.tr, ocetin@metu.edu.tr Bu çalışma bir metro viyadük projesi için tasarlanan viyadük ayaklarının, kazıklı radye temel sisteminin deprem yükleri altında temel zemini ile etkileşiminin belirlenmesini amaçlamaktadır. Bildiri kapsamında öncelikle mevcut jeoteknik ve jeofizik verilerin özeti ile analizlere esas idealize zemin profili sunulacaktır. Müteakiben, sayısal modelleme çalışmasının detayları ve sonuçları sıralanacaktır. Sayısal modellemede üst yapı ile temel sistemini ayrıştırılmış analizleri sonrası sonuçların bütünleştirilmesi prensibine dayalı alt-sistem yönteminin kullanılması benimsenmiştir. Bu yöntem ile baret kazıklara 1000 yıllık tekerrür süreli tasarım depremi sonucu etkiyecek tesirler saptanmıştır. Bu amaca yönelik olarak 1 boyutlu (1-B) serbest saha analizleri kapsamında, DeepSoil yazılımı kullanılarak her ayakta 7 farklı deprem kaydının birbirine dik 2 yönü için ayrı ayrı olmak üzere toplam 14 serbest saha sismik tepki analizleri gerçekleştirilerek serbest saha davranışı belirlenmiştir. Kazık tesirlerini belirlemek için sonlu elemanlar yazılımı kullanılarak temel ve baret kazıkları 6 aks için ayrı ayrı modellenmiştir. Çerçeve analiz yöntemi kullanılarak, sonlu elemanlar modelinde, serbest saha analizinden elde edilen deplasmanları yakalamak üzere yarı statik analiz yöntemi kullanılarak eşdeğer ivme etki ettirilerek kazık zemin etkileşimi sonucunda oluşan tesirlerin hesaplanması amaçlanmıştır. Son aşamada ise üstyapı ve altyapının birlikte etkileştiği global modelde zemin - kazık altsisteminin davranışını modellemek için gerekli olan kinematik rijitlik matrisi geliştirilmiştir. Kinematik rijitlik matrisinin elde edilmesinde RocScience-RS3 yazılımı kullanılarak 3 boyutlu analizler gerçekleştirilmiştir. Bu bildiri kapsamında 6 aks arasında en kritik tesirlerin gözlendiği 6. aks (adv-07) sonuçları sunulacaktır. ANAHTAR KELİMELER: Deprem, Dinamik Analiz, Serbest Saha Analizi, Çerçeve Analizi ABSTRACT: The purpose of this study is to evaluate the performance of viaduct piers designed for a metro viaduct project and to assess the soil-pile (BARET) foundation interaction under dynamic loading. Within the scope of the study, firstly, the geotechnical and geophysical data will be discussed along with the ideaized soil profiles and geotechnical soil parameters. Subsequently, the details and results of the numerical modeling will be presented. As part of numerical modelling, the sub-system method, based on the principle of de-coupled analyses of the superstructure and the foundation system, has been adopted. By this method, the response of the piled foundation system is determined for 1000 year return period design earthquake. As part of free field site response analyses, a total of 14 earthquake records was used. These 1-D site response analyses were performed with DeepSoil software. Then, with the aim of determining the response of the piled foundation, finite element models were developed for 6 axes of the viaduct system. On the basis of simplified frame analysis method, the free field displacement envelopes were applied at the boundaries of the piled foundation finite element model to assess the response of the system. Finally, the kinematic stiffness matrix, which is necessary for modeling the behavior of the soil-pile subsystem, was developed which is needed to combine the decoupled superstructure and substructure responses. The 3-D kinematic stiffness matrix was developed by using RocScience RS3 software. In this study, the results of the 6 th axis (adv-07) will be presented where the most critical effects are observed. 1

2 KEYWORDS: Earthquake, Soil-Structure-Earthquake İnteraction, Dynamic Analysis, Free-Field Analysis, Simplified Frame Analysis 1. GİRİŞ Bildiri içeriğinde öncelikle mevcut jeoteknik ve jeofizik verisi ile analizlere esas idealize zemin profilinin geliştirilmesi üzerinde durulacaktır. Müteakiben sayısal modelleme çalışmasının detayları ve sonuçları sunulacaktır. Sayısal modellemede üst yapı ile temel sisteminin (zemin ve kazıklı temel elemanlarının) ayrı ayrı analizi sonrası sonuçların bütünleştirilmesi prensibine dayalı "alt-sistem yöntemi" benimsenmiştir. Bu yöntem ile derin temel sistemine 1000 yıllık tekerrür süreli tasarım depremi sonucu etkiyecek tesirler saptanmıştır. Bu amaçla, öncelikle serbest saha analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu analizlerde 7 adet deprem kaydı kullanılmıştır. 6. aks bölgesinde dik 2 yön için toplam 14 kayıt, 1 boyutlu (1-B) serbest saha analizleri kapsamında DeepSoil yazılımı kullanılarak idealize zemin profiline uygulanmış, deprem sonrası serbest saha tepki davranışı (gerilmeler, gerinmeler, ivme ve yatay deplasmanlar) belirlenmiştir. Kazık tesirlerini modellemek amacıyla sonlu elemanlar yazılımı kullanılarak temel kazıkları 6. aks için iki boyutlu modellenmiştir. DeepSoil yazılımı ile elde edilen serbest saha yatay deplasman değerlerini, kazıkların yerleştirileceği lokasyonda elde etmek üzere sistem çerçeve sınırlarından eşdeğer ivme ile itilmiştir. Devamında bu deplasmanlar sonrası temel ve kazık elemanlarına etkiyen tesirler (eksenel kuvvet, kesme ve moment değerleri) elde edilmiştir. Son aşamada ise üstyapı ve altyapının birlikte etkileştiği global modelde zemin - kazık altsisteminin davranışını modellemek için gerekli olan kinematik rijitlik matrisi geliştirilmiştir. Kinematik rijitlik matrisinin elde edilmesinde RocScience RS3 yazılımı kullanılarak 3 boyutlu analizler gerçekleştirilmiştir. 2. İDEALİZE ZEMİN PROFİLİ VE GEOTEKNİK ZEMİN PARAMETRELERİ Geçiş viyadüğü temsili zemin profili Şekil 1 de gösterilmiştir. Kenar ayaklar haricinde 6 orta ayak üzerine konumlandırılan viyadüğün baret kazıklı temel sistemi için analizler gerçekleştirilmiştir. Bu bildiri kapsamında sayfa kısıtlamaları dolayısıyla en kritik olduğu belirtilen 6. aksı (ADV 07) için analiz sonuçları sunulacaktır. Şekil 1. Viyadük Güzergahı Geoteknik saha araştırmaları sonucunda elde edilen veriler kullanılarak 6 numaralı aks için idealize profil ve parametreleri belirlenmiştir ve kullanılan idealize profil Şekil 2 de sunulmuştur. 2

3 Şekil 2. Altı nolu aks için idealize zemin profili 3. MEVCUT SİSMİK TEHLİKE ANALİZ ÇALIŞMASI SONUÇLARI Tasarıma esas 1000 yıllık tekerrür süresine sahip 7 deprem kaydı (7 kayıt, 2 yön toplam 14 kayıt) Tablo 1 de özetlenmiştir. Kayıtların % 5 sönüm oranı için elastik tepki spektrumları ise Şekil 3 de sunulmuştur. Tablo yıllık tekerrür süresine sahip 7 deprem kaydı Şekil yıllık tekerrür süresine tekabül eden ölçeklendirilmiş 7 yer hareketi spektral ivme periyot grafiği (% 5 sönüm için) 1-B serbest saha analizleri için sönüm oranı ve modül azalım eğrileri seçilmiştir. Kohezyonlu birimler için plastisite indisine (PI) ve kayma birim deformasyonuna bağlı olarak sönüm ve modül azalım ilişkileri değişiklik göstermektedir. Örnek olarak sunulması açısından sahada gözlemlenen PI değeri en düşük (PI=6) ile en yüksek (PI=56) tabakaları temsil eden eğriler ile kaya için Schnabel (1972) tarafından önerilmiş eğriler Şekil 4 ve 5 te gösterilmiştir. 3

4 G/Gmaks Sönümlenme Oranı 4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı Makaslama Birim Deformasyon (%) Şekil 4. Makaslama birim deformasyona tekabül eden G/Gmaks değerleri Makaslama Birim Deformasyon (%) Clay PI=6- Vucetic and Dobry (1991) Clay PI=56- Vucetic and Dobry (1991) Rock- Schnabel (1972) Şekil 5. Makaslama birim deformasyona tekabül eden sönümlenme oranı değerleri 6. aks için serbest saha analizlerine esas teşkil eden tüm birimler Şekil 6 da özetlenmiştir. Bu birimlerin sağında sönüm oranı ve modül azalım eğrilerinin seçiminde kullanılan parametreler verilmiştir. Serbest saha analizleri kapsamında tanımlanan tabakalar ve geoteknik parametreler Şekil 7 de gösterilmiştir. 6 Nolu aks Dolgu KİL (PI=20) Kil, Siltli Kil KİL (PI=48) Kil, Siltli Kil, Kumlu Kil ve Killi Kum KİL (PI=53) Çakıllı Killi Kum-Kumlu Kil KİL(PI=10) Kumtaşı-Silttaşı SCHNABEL Şekil 6. Serbest saha (DeepSoil) analizlerine esas zemin profili (6 nolu aks için) Şekil 7. Serbest saha (DeepSoil) esas geoteknik parametreler (6 nolu aks için) 4. SERBEST SAHA SİSMİK TEPKİ ANALİZLERİ Zemin-kazık alt sisteminin sismik performans analizlerinden önce serbest saha davranışının belirlenmesi amacıyla bir boyutlu eşdeğer-doğrusal tepki analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizlere esas idealize zemin profilleri bir önceki bölümde Şekil 6-7 de sunulmuştur. Kazık tesirlerinin belirlenmesi amacıyla gerekli olan serbest sahada oluşan yatay deplasman zarfları DeepSoil yazılımı kullanılarak saptanmıştır. Bu analiz sonuçları Şekil 8 de sunulmuştur. 4

5 Derinlik (m) Derinlik (m) 4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı 7 deprem kaydının yarattığı bu deplasman zarflarının ortalaması yüzeyde 16 cm ve 50 m derinlikte yaklaşık 3 cm mertebelerinde elde edilmiştir. DeepSoil yazılımı ile elde edilen serbest saha yatay deplasman değerlerini (yüzeyde 16 cm ve 50 m derinlikte yaklaşık 3 cm), kazıkların yerleştirileceği lokasyonda elde etmek üzere sistem çerçeve sınırlarından eşdeğer ivme ile itilmiştir. Sonrasında elde edilen bu eşdeğer ivme değeri sonlu elemanlar modeline etki ettirilerek baret kazıklı temel sistemi tesirleri elde edilecektir Yatay Deplasman (m) Yatay Deplasman (m) Şekil 8. 6 nolu aks için iki yönde oluşan yatay deplasman zarfları (14 kayıt için) Results - scaled_rsn164_impvallh_h-cpe147 Results - scaled_rsn164_impvallh_h-cpe237 Results - scaled_rsn1614_duzce_1061-e Results - scaled_rsn1614_duzce_1061-n Results - scaled_rsn1626_sitka_212v5090 Results - scaled_rsn1626_sitka_212v5180 Results - scaled_rsn1633_manjil_abbar--l Results - scaled_rsn1633_manjil_abbar--t Results - scaled_rsn1787_hector_hec000 Results - scaled_rsn1787_hector_hec090 Results - scaled_rsn6948_darfield_oxze Results - scaled_rsn6948_darfield_oxzn Results - scaled_rsn8597_sierra.mex_ciswshne Results - scaled_rsn8597_sierra.mex_ciswshnn 4. SAYISAL MODELLEME ÇALIŞMASI VE SONUÇLARI Temel altında kazıklara etkiyen tesirleri saptamak amacıyla çerçeve analizi sonucu elde edilen eşdeğer ivme sonlu elemanlar modeline uygulanarak 6. aks her iki yönde de incelenmiştir. Analiz edilen kesit Şekil 9 da gösterilmiştir. Şekil 9. Toplam 8 adet H perde (baret) kazıklı derin temel sistemi 5

6 (a) Şekil 10 Uzun yön için 6 nolu aks baret kazıkları kritik tesirleri (a) Moment (b) Kesme Kuvveti Tablo 3'te kazıklara etkiyen deplasman ve tesirlerin maksimum değerleri özetlenmiştir. I toplam (m 4 ) Tablo 3. Derin temel sistemi için hesaplanan maksimum deplasman ve tesirler Maksimum Yatay Maksimum Moment Temel Deplasmanı (knm/1m) (cm) A toplam (m 2 ) (b) Maksimum Kesme (kn/1m) Uzun Kısa Uzun Yön Kısa Yön Uzun Yön Kısa Yön Uzun Yön Kısa Yön Yön Yön KİNEMATİK RİJİTLİK MATRİSİNİN GELİŞTİRİLMESİ Bildirinin bu bölümünde üstyapı analizleri sırasında zemin-kazık altsistemini modellemek için gerekli olan kinematik rijitlik matrisinin geliştirilmesi sunulacaktır. Proje kapsamındaki dinamik performans analizlerinin, Teknik Önermeler'de anılan "alt-sistem yöntemi" (Aydınoğlu, 2011) uyarınca gerçekleştirilmiştir. (Şekil 11). Teknik önermeler uyarınca, bu matris Şekil 12'de gösterilen doğrultulardaki yanal ve açısal rijitlik katsayılarını içermektedir, ilgili matris elemanları ve birimleri ise Denklem 1'de tariflenmiştir. 6 (1)

7 Şekil 11.2 Altsistem yöntemi modeli (Aydınoğlu, 2011'den alınmıştır) Şekil 12. Kinematik etkileşim matrisi eleman tanımları Yapılacak analizlerin ilk adımı, statik koşullar altındaki gerilme durumunun sağlıklı ve gerçeğe uygun şekilde tespiti olduğundan, önce inşaat ve imalat aşamaları ile uyumlu olacak şekilde ilgili yapılar Rocscience RS3 3 boyutlu sonlu elemanlar yazılımı kullanılarak modellenmiştir (sırası ile aşamalı kazı, derin temel sistemi elemanları ve sonsuz rijitlikteki radye temel modellenmiş, yapı yükleri ise "altsistem yöntemi" ile uyumlu şekilde tariflenmiştir). Kinematik sistem rijitlik matrisi elemanlarını belirlemek amacıyla kurulan (örnek teşkil etmesi için 6. aks seçilmiştir) üç boyutlu sonlu elemanlar modeli Şekil 13'te sunulmuştur. Yedi farklı deprem seviyesi için, serbest saha koşullarında oluşacak maksimum kayma birim deformasyon değerleri, bir boyutlu eşdeğer doğrusal analizler ile tahmin edilmiştir. Bu deprem seviyeleri için 4-35 cm mertebelerinde olması beklenen birim deformasyonları üretecek mertebelerdeki tesirler (yatay kuvvet ya da moment) rijit radye temel üzerine tatbik edilmiştir. 6. aks için 3 boyutlu model oluşturulmuş, sisteme 4 yönde kuvvet etki ettirilmiştir. Şekil 14 te 3 boyutlu model üzerine x ekseni yönünde etki ettirilen kn yük sonucu elde edilen deformasyonlar gösterilmiştir. Şekil 13. Üç boyutlu sonlu elemanlar modeli (6. Aks) Şekil 14. Kinematik sistem rijitlik matrisi elemanlarının belirlenmesi için elde edilen deformasyonlar 7

8 Gerçekleştirilen 3 boyutlu analizler ile oluşacak deformasyonlar (her iki yatay yöndeki deplasman ve açısal dönme) belirlenmiş ve kuvvet - deformasyon ilişkisi uyarınca kinematik sistem rijitlik matrisi oluşturulmuştur. Geliştirilen matrisler Denklem 2 de sunulmuştur. 3.55E E E E E E E + 09 K = [ ] (2) 2.43E E E ÖZET ve SONUÇLAR Bu bildiri, bir metro istasyonu viyadük geçiş projesi için tasarlanan altıncı aks viyadük ayağının kazıklı radye temel sisteminin deprem yükleri altında zeminle etkileşiminin belirlenmesi ve dinamik yükler altındaki performansını değerlendirmek amacıyla hazırlanmıştır. İnceleme alanında kalınlığı m arası değişen yapay dolgu malzemisini takiben m kalınlığında SPT-N değerleri oldukça düşük Kil-Siltli Kil tabakası gözlenmiştir. Bu tabakaların altında değişik ayrışma derecelerine sahip iki adet Kumtaşı-Şeyl ardalanması bulunduğu saptanmıştır. Sayısal modellemede öncelikle üst yapı ile temel sisteminin (zemin ve kazıklı temel elemanları) ayrı ayrı analizi sonrası sonuçların bütünleştirilmesi prensibine dayalı "alt-sistem yöntemi" benimsenmiştir. Bu yöntem ile baret kazıklarına 1000 yıllık tekerrür süreli tasarım depremi sonucu etkiyecek tesirler saptanmıştır. Bu amaçla, öncelikle serbest saha analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu analizlerde 7 adet deprem kaydı kullanılmıştır. 6. aks lokasyonunda dik 2 yön için toplam 14 kayıt 1 boyutlu (1-B) serbest saha analizleri kapsamında DeepSoil yazılımı kullanılarak idealize zemin profiline uygulanmıştır. Bu analizler sonucunda 6. aks bölgesinde 4-35 cm mertebelerinde yatay deplasman değerleri hesaplanmıştır. 7 deprem kaydının yarattığı bu deplasman zarflarının ortalaması yüzeyde 16 cm ve 50 m derinlikte yaklaşık 3 cm mertebelerinde elde edilmiştir. DeepSoil yazılımı ile elde edilen serbest saha yatay deplasman değerlerini (yüzeyde 16 cm ve 50 m derinlikte yaklaşık 3 cm), kazıkların yerleştirileceği lokasyonda elde etmek üzere sistem çerçeve sınırlarından eşdeğer ivme ile itilmiştir. Temeller üzerine konumlandırılan kazıkların sayıları her iki yönde farklılık gösterdiği için dik iki yönü modellemek üzere 2 farklı model oluşturulmuştur. Serbest saha analizleri ile uyumlu olduğu saptanan eşdeğer ivme sisteme etki ettirilerek temel ve kazık elemanlarına etkiyen tesirler dik iki yön için kesme kuvveti kn/m, moment kn.m/m ve maksimum yatay temel deplasman cm olarak elde edilmiştir. Son aşamada ise üstyapı ve altyapının birlikte etkileştiği global modelde zemin - kazık altsisteminin davranışını modellemek için gerekli olan kinematik rijitlik matrisi geliştirilmiştir. Kinematik rijitlik matrisinin elde edilmesinde RocScience RS3 yazılımı kullanılarak 3 boyutlu analizler gerçekleştirilmiştir. 7. REFERANSLAR Aydınoğlu, M.N. (2011). Zayıf Zeminlerde Yapılan Binalarda Dinamik Yapı-Kazık-Zemin Etkileşimi İçin Uygulamaya Yönelik Bir Hesap Yöntemi, Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitü- sü, Deprem Mühendisliği Bölümü, Rapor No: 2011/1 Vucetic, M., Doby, R. (1991). "Effect of soil plasticity on cyclic response" J. Geotech. Eng., 117(1), Schnabel, P.B., Lysmet, J., Seed, H. B. (1972). "SHAKE A computer program for earthquake reponse analysis of horizontally layered sites", Report No. EERC 72-12, College of Engineering, Univ. of California, Berkeley, CA. 8