SIVILAŞMA ve ZEMİNLERİN SİSMİK DAVRANIŞINA GENEL BAKIŞ

Transkript

1 SIVILAŞMA ve ZEMİNLERİN SİSMİK DAVRANIŞINA GENEL BAKIŞ Dr. H. Tolga BİLGE, MBA tr.linkedin.com/pub/tolga-bilge/5/28b/67a/ TMMOB İnşaat Mühendisleri Odası, Perşembe Seminerleri 20 Nisan 2017, ANKARA

2 Sunum İçeriği Sıvılaşma Nedir? Zemin-Yapı Yenilme Şekilleri Statik ve Sismik Zemin Davranışı Zemin Sıvılaşmasının Mühendislik Değerlendirmesi Kumların Sismik Mukavemet ve Deformasyon Davranışı Killerin Sismik Mukavemet ve Deformasyon Davranışı İyileştirme Yöntemlerine Kısa Bir Bakış

3 H. B. Seed ( ) R. B. Seed I. M. Idriss T. L. Youd K. Ishihara K. Tokimatsu L. Finn P. K. Robertson J. D. Bray Robert Kayen K. Ö. Çetin R. W. Boulanger R. Green R. Dobry R. E. S. Moss

4 ZEMİN SIVILAŞMASI NEDİR? Zeminin boşluk suyu basıncındaki artışa paralel kayma mukavemetindeki ve rijitliğindeki ciddi düşüş zemin sıvılaşmasının en genel tanımıdır.

5 ZEMİN SIVILAŞMASI NEDİR?

7 SİSMİK YÜKLEME KOŞULLARI ALTINDA ZEMİN-YAPI YENİLME ŞEKİLLERİ

8

9

10

11

12

13

14

16 STATİK VE SİSMİK YÜKLEME KOŞULLARI ALTINDA ZEMİN DAVRANIŞI

17 Statik Yükleme Deneylerinde Sıvılaşma Davranışı

18 SIVILAŞMA TANIMLARI Akma sıvılaşması Zemin Yumuşaması Kayma birim deformasyon birikimi Anlık zemin sıvılaşması cv C '

19 Dinamik Üçeksenli Deney Sonuçları Kum (CSR=0.45, D R =75%)

20 Dinamik Üçeksenli Deney Sonuçları Kum (CSR=0.45, D R =75%) Kayma birim deformasyon birikimi Anlık zemin sıvılaşması

22 SİSMİK ZEMİN SIVILAŞMASI MÜHENDİSLİK DEĞERLENDİRMESİ

23 SIVILAŞMA ANALİZ AŞAMALARI Zemin sıvılaşmasının başlama veya tetiklenme olasılığının belirlenmesi Sıvılaşma sonrası dayanım ve genel stabilitenin belirlenmesi Sıvılaşma sebebiyle oluşacak deformasyonların belirlenmesi Bu deformasyon ve deplasmanların yapı davranışına etkilerinin belirlenmesi Gerek görülürse hasar azaltıcı önlemlerin uygulanmasi

24 Dinamik Basit Kesme ve Üç Eksenli Deney Sonuçları (CL, ML, MH) PI=37, CH, w c /LL=0.54 ( st + cyc )/s u NVES ( st + cyc )/s u (%) Tekrarlı Üç Eksenli Deney Sonucu PI=11, w c /LL=0.97,CL Sancio, Number of cycles, N Number of cycles, N Chi-Chi, 1999 Adapazarı, 1999 Basit Resimler: Kesme PEER Deney Center Sonucu The PI=7, Earthquake w c /LL=1.07,ML Engineering Donahue, Online 2007 Archive r u Adapazarı, (%) Tekrarlı Üç Eksenli Deney Sonucu PI=9, CL, w c /LL=0.9, Bilge,

25 GELİŞTİRİLMİŞ ÇİN KRİTERLERİ Sadece 2 depremden derlenen veriye dayalı

26 Andrews ve Martin (2000) Kil içeriği yeterli bir değerlendirme indisi mi?

27 Plastisite İndisi (PI) Seed vd. (2003) FC 20% eğer PI>12 FC 35% eğer PI<12 İçin kullanılabilir CL-ML CL ML U-çizgisi CH MH A-çizgisi B bölgesi: Deney w c 0.85LL A bölgesi: Potansiyel sıvılaşabilir w c >0.8LL Likit Limit (LL) Sıvılaşmayı nasıl tanımladınız? Bu sınırlar nasıl belirlendi?

28 Bray ve Sancio (2006) PI Sıvılaşmaz יσ m <100 kpa Deney (N 1 ) 60 < <e<1.23 Sıvılaşabilir w c / LL Adapazarı (1999) Deprem koşullarının simülasyonu CSR = 0.3, 0.4, Vakaya özgü Bu sınırlar nasıl belirlendi?

29 Boulanger ve Idriss (2006) CRR kil-gibi Kil-kum zemin davranışı arasında geçiş CRR kum-gibi Deney verisi olmadığında önerilen değer Plastisite İndisi, PI CRR tanımları ortak değil Tek parametre PI ve %3 7 ayrımı?? Bu sınırlar nasıl belirlendi?

30 Çetin ve Bilge (2014) İnce daneli zeminler PI>30 İnce daneli zeminler PI<30 Anlık zemin sıvılaşma potansiyeli bulunmuyor PI PI LI= Kayma birim deformasyon birikimi potansiyeli Kayma birim deformasyon birikimi potansiyeli Sıvılaşabilir Sıvılaşmaz Ort-1 Ortalama Ort+1 SIVILASMA POTANSIYELI Sıvılaşma Potansiyeli LI ln(pi) Anlık zemin sıvılaşması olasıdır LI LI

31 Sıvılaşma Tetiklenme Analiz Yöntemleri Saha deney sonuçları ve geçmiş dönem vaka örneklerine dayalı olarak geliştirilen yöntemler yaygın olarak kullanılmaktadır. SPT CPT VST (Kayma Dalga Hızı) Bu tip yöntemler, deprem etkisiyle meydana gelecek gerilmelerin ve zemin direncinin hesaplanarak kıyaslanmasına dayanmaktadır.

32 Sıvılaşma Tetiklenme Analiz Yöntemleri CSR: Tekrarlı gerilme oranı Deprem dalgalarının yayılımı sırasında ortaya çıkan TALEP Basitleştirilmiş yöntem, Seed ve Idriss (1971) CSR SPT-N : Zeminin mukavemeti (ARZ)

33 Basitleştirilmiş Yöntem (Seed ve Idriss, 1971) CSR av v a g max v v r d

34 Doğrusal Olmayan Kütle Kayma Katsayısı (r d )

35 Doğrusal Olmayan Kütle Kayma Katsayısı (r d )

36 CSR ye Uygulanan Ölçekleme Katsayıları Basitleştirilmiş Yöntem Seed ve Idriss, 1971 Cetin vd. (2004) olasılıksal Cetin vd. (2004) deterministik σ' v0 =1 atm, M w =7.5 Düzeltme / Ölçekleme Faktörleri

37 Neden Gerekliler? Görece sığ sahalar ( v,0 = kpa) 160 K referans durum için düzeltme 16 K v >> 1 atm için düzeltme ' v,0 (kpa) ' v,0 (kpa) 'v,0 = 58 kpa 'v,0 = 58 kpa Vakaların ~ %92 si için v =1 atm v <1 atm Number of cases Critical Depth (m) critical depth = 5.4 m kritik derinlik v >>1 atm Vaka Number sayısı of cases Vaka Number sayısı of cases

38 Neden Gerekliler? Düz (veya çok az eğimli sahalar) a = 0.0 K a için st > 0 v =1 atm v 1 atm st > 0 v 1 atm st >0

39 Neden Gerekliler? Seed ve Lee (1966) Zeminin maruz kaldığı çevrimsel gerilme (ya da birim deformasyon) genliği arttıkça, yenilme (ya da sıvılaşma) için gereken çevrim sayısı azalacaktır. v 1 atm st > 0

40 CSR ye Uygulanan Ölçekleme Katsayıları - K Bilge & Cetin, 2014 Birim deformasyon (performans) tabanlı K eğrileri maks = % 1.0 (DA) maks = % 6.0 (DA) Cetin vd. (2004, 2014) Youd vd. (2001) Boulanger (2003) 1.2 K D R (%) D R =40%, max = 1.0% DA D R =40%, max = 6.0% DA D R =60%, max = 1.0% DA D R =60%, max = 6.0% DA Basit Kesme Deneyleri K 0 = ' v /P a

41 CSR ye Uygulanan Ölçekleme Katsayıları - MSF MSF max max (%) NCEER (1997) Cetin This Study ve Bilge (2012) Seed & Idriss Youd & Noble P L =50% Liu et al. Average Cetin et al. ' v,0 =56 kpa D R = 53 % S = 1 R = 5km Moment Büyüklüğü Magnitude, M w

42 CSR ye Uygulanan Ölçekleme Katsayıları - K a Seed & Harder, 1990 Vaid vd. (2001) Harder & Boulanger 1997 Boulanger (2003)

43 Number of Cycles Normalized Shear Stress, Τ/σc CSR ye Uygulanan Ölçekleme Katsayıları - K a Çetin ve Bilge (2013) Percent Finer (%) Nevada Sand Monterey Sand Morro Bay Sand Sacramento River Sand Normalized Effective Vertical Stress, σv'/σc' Shear Strain, Υ (%) Particle Size (mm) Excess Pore Pressure Ratio, ru (%) Shear Strain, Υ (%) 0 Kriter = 3% (SA) Kriter r u = 0.70

44 N 1,60 Değerine Uygulanan Düzeltmeler N 1,60,CS = N 1,60 + D N 1,60 N 1,60 = 10 and FC= 35 % D N 1,60 = 7.0 Seed vd = 3.2 Cetin vd = 5.5 Idriss ve Boulanger N 1,60 = 20 and FC= 35 % D N 1,60 = 9.0 Seed vd = 4.6 Cetin vd = 5.5 Idriss ve Boulanger

45 Tetiklenme Bağıntılarının Kıyaslanması - SPT Youd vd. (2001) NCEER Çalıştayı ( ) Seed vd. (1985)

46 Tetiklenme Bağıntılarının Kıyaslanması - SPT Çetin vd. (2004)

47 Tetiklenme Bağıntılarının Kıyaslanması - SPT Çetin vd. (2004) Deterministik analizlerde PL = %50 seçilmelidir. MS Excel NORMINV(PL,0,1) Bu ifadede PL ondalık olarak (0.5 şeklinde) girilir. Çetin vd. (2017) pek yakında...

48 Tetiklenme Bağıntılarının Kıyaslanması - SPT Idriss & Boulanger (2006, 2008, 2010, 2012, 2014, )

49 Tetiklenme Bağıntılarının Kıyaslanması - SPT

50 Tetiklenme Bağıntılarının Kıyaslanması - CPT Robertson ve Wride (1998) Youd vd. (2001) çalışmasında kullanılması önerilen CPT esaslı yöntem olarak gösterilmiştir.

51 Tetiklenme Bağıntılarının Kıyaslanması - CPT Idriss & Boulanger (2004, 2008, 2015, )

52 Tetiklenme Bağıntılarının Kıyaslanması - CPT Idriss & Boulanger (2004) Idriss & Boulanger (2014)

53 Tetiklenme Bağıntılarının Kıyaslanması - CPT Moss vd. (2006)

54 Tetiklenme Bağıntılarının Kıyaslanması - CPT

55 Tetiklenme Bağıntılarının Kıyaslanması - VST NCEER (1997), Youd et al. (2001) Juang vd. (2001) Andrus (2004)

56 Tetiklenme Bağıntılarının Kıyaslanması - VST Kayen vd. (2013)

57 Silt Kil Karışımları Boulanger ve Idriss (2006) Sınırlı deneysel veri Doğrulama seti????

59 SIVILAŞMA ANALİZ AŞAMALARI Zemin sıvılaşmasının başlama veya tetiklenme olasılığının belirlenmesi Sıvılaşma sonrası dayanım ve genel stabilitenin belirlenmesi Sıvılaşma sebebiyle oluşacak deformasyonların belirlenmesi Bu deformasyon ve deplasmanların yapı davranışına etkilerinin belirlenmesi Gerek görülürse hasar azaltıcı önlemlerin uygulanmasi

60 SİSMİK YÜKLEME KOŞULLARI ALTINDA KUMLU MALZEMELERİN MUKAVEMET DAVRANIŞI

61 Temiz Kum veya Silt Kum Karışımlarının Mukavemet Davranışı Reziduel drenajsiz kayma mukavemeti, S u,r (kpa) S u,r / ' v0 N 1,60,CS N 1,60,CS Seed ve Harder (1990) Stark ve Mesri (1992)

62 Temiz Kum veya Silt Kum Karışımlarının Mukavemet Davranışı Bosluk dagiliminin yenilenmesi ihmal edilebilirse Bosluk dagiliminin yenilenmesi ihmal edilebilirse S u,r / ' v0 Bosluk dagiliminin yenilenmesi onemliyse S u,r / ' v0 Bosluk dagiliminin yenilenmesi onemliyse N 1,60,CS q c,1n,cs Idriss ve Boulanger (2007)

63 Temiz Kum veya Silt Kum Karışımlarının Mukavemet Davranışı Weber vd. (2015)

64 Temiz Kum veya Silt Kum Karışımlarının Boşluk Suyu Basınç Artışı r u,n ORT+2 Üst Sınır ' v0 =400 kpa D R =35% Çetin ve Bilge, ORTALAMA Islak Yağmurlama Nemli Tokmaklama Kuru Yağmurlama max,n (%) ORT-2 Alt Sınır ' v0 =40 kpa D R =100%

65 SİSMİK YÜKLEME KOŞULLARI ALTINDA KUMLU MALZEMELERİN DEFORMASYON DAVRANIŞI

66 Sismik Zemin Deformasyonları Hacimsel Birim Deformasyon (Tekrarlı yükleme sonrası konsolidasyon oturması) Kayma Birim Deformasyonu (Tekrarlı yükleme sonrası yanal yayılma veya taşıma gücü yenilmesi)

67

68 Temiz Kum veya Silt Kum Karışımlarının Deformasyon Davranışı Tokimatsu&Seed 1987 Ishihara v.d Shamoto v.d. 1998

69 Temiz Kum veya Silt Kum Karışımlarının Deformasyon Davranışı Wu vd. (2003) Yoshimine (2006)

70 Temiz Kum veya Silt Kum Karışımlarının Deformasyon Davranışı Tokimatsu & Yoshimi (1983) Tokimatsu & Seed (1984) Ishihara & Yoshimine (1992)

71 Temiz Kum veya Silt Kum Karışımlarının Deformasyon Davranışı Shamoto vd. (1998) Wu vd. (2003) Zhang vd. (2004)

72 CSRSS,20,1-D,1 atm CSRSS,20,1-D,1 atm Kumlu Zeminlerde Hacimsel Birim Deformasyon Tahminleri (Cetin vd, 2009a) >1.78 >1.5 >1.78 > ln( ) ln v >4.81 >2.19 > >1.3 < >1.46 <1.5 >3.3 <1.3 >1.75 <1.2 >2.1 < ln( >1.3 > ln <1.5 >5 3.4 >1.6 > > >2.3 >2.8 <1.7 >1.5 <1.7 >1.9 <1.7 >2.7 < <1.8 < < < >1.6 <1.3 < <0.5 > >0.01 > > >1.8 > <1.9 >1.95 >1.84 <1.5 <1.6 >1.71 CSR N Wu et al. (2003) Bilge (2005) N 1,60,CS SS,20,1 D,1atm 1,60, CS Hacimsel birim deformasyon veri tabanı ) N 1,60, CS >2.1 >1.6 < >1.3 <1.3 CSR 0.60 >2.19 SS,20,1-D, atm <0.5 > >0.01 > >1.8 >4.81 >2.02 > CSR <1.9 >1.95 >1.84 <1.5 <1.6 SS, 201, D, >1.71 1atm K< md K M >1.46 <1.5 W >1.75 >3.3 <1.3 < >2.1 <1.9 >1.3 > <1.5 K >5 3.4 >2.71 md > > >2.3 >2.8 <1.7 >1.5 <1.7 >1.9 <1.7 >2.7 < < <2.4 < <1.9 K M W CSR M field Wu et al. (2003) a N 1,60,CS w f 1 Bilge (2005) ' v,0 K P f D 0.5 K R ln( D R )

73 CSRSS,20,1-D,1 atm CSRSS,20,1-D,1 atm Kumu Zeminlerde Makaslama Birim Deformasyon Tahminleri (Cetin vd, 2009a) 0.6 > >20.88 >17.03 > ln( >20.85 > > >33.84 >14.2 >9.5 > > >17.16 >26.94 > >8.84 > > > > > > > >40 > >24.2 > >8.91 >7.8 > >37 >24.5 >17.5 > > > > N >33 >27.5 1, 60,CS >35.8 > > >11.1 >12 max ) ln > >34.7 > > >15 16 > > >6 6.6 > > Wu et al. (2003) Bilge (2005) Others N 1,60,CS Veri Tabanı ln( CSR N 1, 60,CS SS, 201, D, >20.85 > > > >14.2 >9.5 >45 >26.94 >13.9 > >17.16 > >26.84> > > > > > >40 > > > >8.91 > >24.5 > >37 >17.5 > > atm ) > > >33 > > >10.2 > > >12 >11.43 >34.7 > > > >20.6 > >6 > > Wu et al. (2003) Bilge (2005) Others N 1,60,CS 5 1

74 Deprem Sonrası Oturma Tahminleri (Cetin vd, 2009b) Laboratuvar tabanlı birim deformasyon tahmin yönteminin saha koşullarına uyarlanabilmesi için bir kısım düzeltme yapılması gerekmektedir. Cetin vd. (2009b) Cetin vd. (2004) Youd vd. (2001) Derin tabakaların yüzeysel oturmaya katkılarını değerlendirmek üzere bir ağırlıklı derinlik faktörü kullanılmaktadır. Yukarı yönlü sızma Yüzeysel tabaklarda sıvılaşma nedeniyle makaslama gerilmelerinin düşmesi Sıvılaşmayan birimlerin yaratacağı kemerlenme etkisi

75 Deprem Sonrası Oturma Tahminleri (Cetin vd, 2009b) Kalibrasyon Faktörü Model Belirsizliği Mevcut Yöntemlerin Performans Kıyaslaması Tokimatsu&Seed,1984 Ishihara et al.,1992 Shamoto et al.,1998 Wu et al.,2004

76 Yanal Yayılma Potansiyelinin Tahmini Alternatif Yöntemler: Sonlu elemanlar / farklar yöntemlerine dayalı sayısal analiz yöntemleri (örneğin Finn et al. (1994), Arulanandan et al. (2000), and Liao et al. (2002)), Basitleştirilmiş analitik yöntemler (örneğin, Newmark (1965), Towhata et al. (1992), Kokusho and Fujita (2002), and Elgamal et al. (2003)), Laboratuvar veya vaka örneklerinin istatiki yöntemlerle değerlendirilmesine dayalı ampirik yöntemler (örneğin, Hamada et al. (1986), Shamoto et al. (1998), and Youd et al. (2002))

77 Yanal Yayılma Potansiyelinin Tahmini Ampirik Modeller Hamada, 1986 Youd vd., 2002 Faris vd., 2006

78 Yanal Yayılma Potansiyelinin Tahmini Ampirik Modeller Youd et al., 2002 Faris et al., 2006

80 SİSMİK YÜKLEME KOŞULLARI ALTINDA KİLLİ MALZEMELERİN MUKAVEMET DAVRANIŞI

81 Silt Kil Karışımlarının Mukavemet Davranışı s u,pc s u / r 1 Van Eekelen ve Potts (1978) u? s s u, cy u, NC 1 0 OCR q 1 C s/ Cc Yasuhara (1991, 1994) Ue v.d. (1991)

82 Laboratuvar Deney Programı (Bilge, 2010) Plasticity Index, PI CL-ML ML CL ML U-Line CH MH Liquid Limit, LL A-Line Percentage Finer Potentially Liquefiable Tsuchida (1970) Particle Size (mm) 82

83 Silt Kil Karışımlarının Deformasyon Davranışı Bilge (2010), Çetin ve Bilge (2014) s ucyc,min /s u,st PI=3 PI=8 PI=15 PI<=5 5<PI<=12 PI>12 Bilge (2010); Çetin & Bilge (2014) su ln s cyc, min u,st ln PI LI LI

84 SİSMİK YÜKLEME KOŞULLARI ALTINDA KİLLİ MALZEMELERİN DEFORMASYON DAVRANIŞI

85 Silt Kil Karışımlarının Deformasyon Davranışı Bilge (2010), Çetin ve Bilge (2014) max w c /LL=1.0 PI=5 w c,pi,ll: Lab. D deneyi st :Analitik veya basit sayısal analiz st /s u Düz Arazi cyc /s u cyc :Basitleştirilmiş Yöntem (Seed & Idriss, 1971) s u :Lab veya arazi deneyi

86 Silt Kil Karışımlarının Deformasyon Davranışı Hacimsel Birim Deformasyon ( v,pc ) Potansiyeli 1-D Konsolidasyon Teorisi Temelli Modeller Ohara & Matsuda (1988) C dyn =f(ocr) & r u =f( cyc ) Yasuhara et al. (1992) C dyn =1.5 C r & r u =?? Deplasman Kontrollü tekrarlı yükleme ve odometre deneylerine ihtiyaç var. Sınırlı Veri r u?? Yasuhara et al. (2001) tasarım akış şeması önerir 2- or 3-D dinamik sayısal analizler Hyde et al. (2007) düşük plastisiteli siltler a,pc??

87 Silt Kil Karışımlarının Deformasyon Davranışı Bilge (2010), Çetin ve Bilge (2014) Tekrarlı yükleme sebepli hacimsel (konsolidasyon) birim deformasyon ( v,pc ) Post-cyclic Volumetric Strain, v,pc (%) 4 Sancio PI=3,w c (2003) /LL=1.2 This PI=5,w Study c /LL=1.0 PI=15,w 3 c /LL= Maximum Double Amplitude Shear Strain, max (%)

88 Silt Kil Karışımlarının Deformasyon Davranışı Tekrarlı yükleme sebepli artık makaslama Birim Deformasyonu ( res ) res,predicted (%) R 2 =0.71 Residual: ln( res,predicted / res,measured ) residual =0.000 residual = max (%) Residual: ln( res,predicted / res,measured ) residual =0.000 residual = SRR res,measured (%) Residual: ln( res,predicted / res,measured ) residual =0.000 residual = st /s u Residual: ln( res,predicted / res,measured ) residual =0.000 residual = PI

89 Silt Kil Karışımlarının Deformasyon Davranışı Bilge (2010), Çetin ve Bilge (2014) C dinamik OCR max OCR C ln PI r ln( r u, N ) max, N ln 1 exp FC exp(0.02 PI 0.05 LI) ln max, N

90 Silt Kil Karışımlarının Deformasyon Davranışı Bilge (2010), Çetin ve Bilge (2014) PI=10 C r =0.02 C dinamik R 2 = max =25% max =2.5% OCR hacim,tahmin (%) hacim,ölçüm (%)

91 İYİLEŞTİRME YÖNTEMLERİNE KISA BİR BAKIŞ

92 SIVILAŞAN ZEMİNLERDE RİJİT KOLON UYGULAMALARI Önerilen Hesap Algoritması Özsoy ve Durgunoğlu, 2003

93 SIVILAŞAN ZEMİNLERDE RİJİT KOLON UYGULAMALARI Özsoy ve Durgunoğlu, 2003

94 SIVILAŞAN ZEMİNLERDE RİJİT KOLON UYGULAMALARI Birim alan ve kayma modülü oranlarına bağlı olarak CSR azalım eğrileri, (S R ) Özsoy ve Durgunoğlu, 2003

95 YAZILIM KULLANIMI FLAC QuakeW

96 CSR 0.0 CSR NVES (%) Number of cycles, N Number of cycles, N r u (%) MSF max max (%) NCEER (1997) Cetin This Study ve Bilge Seed & Idriss Youd & Noble P L =50% Liu et al. Average Cetin et al. ' v,0 =56 kpa D R = 53 % S = 1 R = 5km Moment Magnitude, M w İlginize teşekkürler...