DÜŞEY/EĞİK KAZIKLI İSKELE YAPILARININ DOĞRUSAL OLMAYAN STATİK ÇÖZÜMLEMESİ

Transkript

1 DÜŞEY/EĞİK KAZIKLI İSKELE YAPILARININ DOĞRUSAL OLMAYAN STATİK ÇÖZÜMLEMESİ Bilge DORAN 1, Yalçın YÜKSEL 2, Caner ÇAKIR 3, Aytuğ SEÇKİN 4, Şenol KORKMAZ 5, Mustafa KÖROĞLU 6 1 Doç.Dr., YTÜ, İstanbul, Türkiye, doran@yildiz.edu.tr 2 Prof. Dr., YTÜ, İstanbul, Türkiye, yuksel@yildiz.edu.tr 3 İnş.Yük.Müh., CSM İnşaat Ltd.Şti, İstanbul, Türkiye, csm@csm.com.tr 4 YL.Öğr., YTÜ, İstanbul, Türkiye, aytugseckin@gmail.com 5 YL.Öğr., YTÜ, İstanbul, Türkiye, sivrisenol@hotmail.com 6 YL.Öğr., YTÜ, İstanbul, Türkiye, mkoroglu273@gmail.com ÖZET 2007 yılında ülkemizde yürürlüğe giren Kıyı ve Liman Yapıları, Demiryolları, Hava Meydanları İnşaatlarına İlişkin Deprem Teknik Yönetmeliği nde (DLH, 2007), kazıklı rıhtım ve iskelelerin tasarımı ve değerlendirilmesi için performansa dayalı tasarım ve değerlendirme ilkelerinin kullanılması benimsenmiştir. DLH (2007) yönetmeliğinde tasarım ve değerlendirme için dayanıma göre tasarım ile şekil değiştirmeye göre tasarım olmak üzere iki yöntem önerilmektedir. Anılan yönetmelikte deprem seviyelerine bağlı olarak; dayanıma göre tasarım yöntemleri D1 deprem seviyesi için normal ve basit yapılar da kullanılmakta iken, özel ve normal yapılarda D2 ve D3 deprem seviyeleri için şekil değiştirmeye göre tasarım yönteminin kullanılması öngörülmektedir. Ancak özel yapı sınıfına giren yapılarda D2 deprem seviyesi için tasarım yönteminin seçimi serbest bırakılmıştır. Şekil değiştirmeye göre tasarım ve değerlendirme, rıhtım ve iskeleyi oluşturan yapısal elemanlarla, yani kazıklarla, zeminin doğrusal olmayan etkileşiminin tanımlanmasını gerektirmektedir. Bu çalışmada, örnek düşey ve eğik kazıklı iskele yapılarının DLH (2007) yönetmeliğine göre doğrusal olmayan statik analizleri (itme analizi) gerçekleştirilmiş ve davranış açısından her iki sistem karşılaştırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Kazıklı iskeleler, doğrusal olmayan zemin yayları, itme analizi Nonlinear Static Analysis of Vertical/Slope Pile-Wharfs ABSTRACT Seismic performance evaluation of a pile-wharf structure based on performance-based evaluation criteria is set forth by DLH (2007). DLH (2007) recommends two methods namely strengthbased design and deformation-based design for design and evaluation of pile-wharf structures. According to DLH (2007), a pile-wharf structure is expected to withstand D1 level of earthquake ground motion with minor or no damage (Serviceable Damage Level) and D2 level of earthquake ground motion with short-term loss of serviceability (Controlled Damage Level). The nonlinear interaction between soil and pile should somehow be considered in the pushover analysis. In

2 Kıyı Mühendisliği Sempozyumu this study, nonlinear static analysis (Pushover) of the vertical and slope pile-wharf structures are separately determined according to DLH (2007) and results have been discussed. Keywords: Pile-wharf structures, nonlinear soil springs, pushover analysis GİRİŞ Bir yapının deprem performansının değerlendirilmesinde yapıda meydana gelmesi muhtemel hasarın mertebesi ve dağılımı kullanılan yapı sistemi ile alakalı olacağından tasarlanan yapı sisteme ait hasar kriterlerinin bilinmesi gereklidir (Yüksel ve Çevik, 2010). Genelde kıyı çizgisine paralel planlanan kazıklı rıhtımlar ile dik planlanan iskeleler kıyı ulaşımının önemli bir parçasıdırlar. Her iki yanaşma yapısının yapısal elemanlarından olan kazıklar dik ve/veya eğik tasarlanabilmektedir. Ancak gemi yanaşma, bağlama ve kren hareketleri ile en önemlisi sismik aktiviteler sırasında açığa çıkan yatay yükler altında büyük ölçüde performans sergileyen eğik kazıklar, sistemin dik kazıklara oranla daha rijit davranmasına neden olmaktadır. Ancak, özellikle deprem sırasında açığa çıkan büyük gerilme yığılmaları nedeniyle hasarın büyük çoğunluğu eğik kazıklarda oluştuğundan 2007 yılında yürürlüğe giren Kıyı ve Liman Yapıları, Demiryolları, Hava Meydanları İnşaatlarına İlişkin Deprem Teknik Yönetmeliği (DLH, 2007), eğik kazık kullanımını önermemektedir Kobe (Japonya) depreminde birçok kazıklı iskele ve kesonlu rıhtım hasar görmüştür (Chiou vd. 2011). Takahashi ve Takemura (2005) 1995 Kobe (Japonya) depreminde hasar gören bir kazıklı iskelede sıvılaşmanın etkisini incelemişler ve daha kalın sıvışabilir bir kum tabakasının ince bir kum tabakasına göre zeminde ve yapıda büyük daha büyük deformasyonlara yol açmayabileceğini göstermişlerdir. Roeder, CW. vd. (2005), farklı kazık birleşimlerinin deprem etkisinde davranışlarını deneysel olarak araştırmışlardır. Vahdani, S. vd. (2011), Kaliforniya da bulunan mevcut bir liman yapısının doğrusal olmayan itme analizi yardımıyla farklı seviyelerde tanımlı deprem etkileri altında yapısal performansını belirlemeye çalışmışlardır. Boroschek vd. (2011) 375 m uzunluğundaki bir kazıklı iskele yapısının zorlanmış titreşim etkisinde dinamik özelliklerini incelemişlerdir. DLH yönetmeliği (2007), kazıklı rıhtım ve iskelelerin tasarımı ve değerlendirilmesi için performansa dayalı tasarım ve değerlendirme ilkelerinin kullanılmasını gerektirmektedir. Anılan yönetmelikte tasarım ve değerlendirme için iki yöntem önerilmektedir; a)dayanıma göre tasarım, b)şekil değiştirmeye göre tasarım. Dayanıma göre tasarım yöntemleri normal ve basit yapılar için kullanılmakta olup, özel ve normal yapılar için farklı deprem seviyelerinde şekil değiştirmeye göre tasarım yönteminin kullanılması gerekmektedir. Şekil değiştirmeye göre tasarım ve değerlendirme, rıhtım ve iskeleyi oluşturan yapısal elemanlarla zeminin doğrusal olmayan bir biçimde idealleştirilmesini içermektedir. Bu çalışmada, örnek bir kazıklı iskele yapısı üzerinde DLH (2007) yönetmeliği esasları doğrultusunda şekil değiştirmeye göre tasarım prensipleri uygulanarak, dayanım-yer değiştirme ilişkisini belirlemek üzere, doğrusal olmayan statik analiz yapılmıştır. YANAŞMA YAPILARI İLE İLGİLİ YAPISAL BİLGİLER Bu çalışmada Kocaeli kıyılarında mevcut olduğu düşünülen düşey ve eğik kazıklardan teşkil edilmiş iskele yapılarının (Şekil 1, 2) performans değerlendirmesi için gerekli olan dayanım-yer değiştirme ilişkisini (yatay yük taşıma kapasitesi) belirlemek üzere doğrusal olmayan statik analizi, anılan yönetmelik esaslarına uygun olarak gerçekleştirilmiştir. Düşey kazıklı iskelenin boyu 346m ve eni 30m. dir. İskele altı anodan oluşmaktadır. İncelenen ano boyutları 65.5 m boy ve 30 m enindedir ve 63 adet kazıktan oluşmaktadır. Eğik kazıklı iskelenin boyu 346m ve eni 30m. dir. İskele altı anodan oluşmaktadır. İncelenen ano boyutları 65.5 m boy ve 30 m enindedir ve 112 tane eğik kazık mevcuttur. Her iki taşıyıcı sistem için kazık yükseklikleri 55 m, çelik tüp kesitli kazıklar için çelik sınıfı Fe37 (akma gerilmesi=240 MPa) alınmıştır. Çelik kazıkların içi başlık seviyesinden deniz seviyesinin 6m altına kadar betonarme ile doldurulmuştur. Çelik tüplerde kullanılan beton sınıfının minimum basınç dayanımı 30 MPa alınmıştır. Çelik tüp kesit 0.711m çapta kullanılmıştır. Yapının tabliyesi minimum basınç dayanımı 30 MPa olan betonarme başlık kirişlerinden ve döşemeden oluşmaktadır. Boyuna donatı ve etriyeler için çelik sınıfı S420 (akma gerilmesi=365 MPa) alınmıştır.

3 Şekil 1 Düşey kazıklardan oluşan iskele yapısı Şekil 2 Eğik kazıklardan oluşan iskele yapısı Kazıklı iskelenin inşa edileceği bölge Kocaeli Yarımadası nın güney kenarında, genellikle Mesozoyik yaşlı kaya birimlerinin yüzeylediği bir kesimde yer almaktadır. Bu kaya birimlerinin bir bölümü inceleme alanının kuzeyindeki kıyı gerisindeki sırtlarda yükselmektedir. Bölgenin tabanında Permiyen yaşlı kumtaşları yer almaktadır. Bunun üzerinde ise Kapaklı Formasyonu nun çakıltaşı ve kumtaşlarıyla başlayan çeşitli kireçtaşları, marnlar ve şeylerden oluşan kalın bir Mesozoyik istifi bulunmaktadır. Bu istif kabaca D-B uzanımlı eksenler boyunca kıvrılmış ve çeşitli doğrultulardaki faylarla kesilmiştir. Dilderesi vadisi bu istifi yarmakta ve İzmit Körfezi ne döküldüğü yerin iki yanında Mezosoyik istifinin alt düzey birimleri yüzeye çıkmaktadır.

4 Kıyı Mühendisliği Sempozyumu DOĞRUSAL OLMAYAN STATİK ÇÖZÜMLEME Şekil 1 ve 2 de sayısal modeli görülen, dayanıma göre tasarlanmış yanaşma yapılarının DLH (2007) yönetmeliği esasları doğrultusunda incelenmiştir. Yapıların, zemin-kazık etkileşimi de dikkate alınarak dayanım-yer değiştirme ilişkisini belirlemek, yatay yük taşıma kapasiteleri hakkında fikir edinebilmek amacıyla doğrusal olmayan statik analizi gerçekleştirilmiştir. Yanaşma yapılarının (iskele) taşıyıcı sistemleri çelik ve kompozit (çelik + betonarme) kazıklar ile bu kazıklara monolitik olarak bağlanmış başlık kirişleri ve döşeme plaklarından oluşmaktadır. Kazık-zemin etkileşimi doğrusal olmayan zemin yayları ile göz önüne alınmıştır. Bu amaçla oluşturulan ayrık zemin yaylarının modellenmesinde doğrusal elastik olmayan yaylar kullanılmıştır; eksenel doğrultuda kazık çeperi boyunca (t-zeğrileri), kazık ucunda (Q-z eğrileri), birbirine dik iki yatay doğrultuda kuvvet-yer değiştirme ilişkileri (p-y eğrileri). İtme analizinin başlangıç koşullarını belirlemek için ilk aşamada öz ağırlık ve gemi bağlama (baba) yükünün yarısının ortak etkisi altında statik analiz gerçekleştirilmiştir; artımsal yatay yük dağılımı her iki doğrultuda mod şekline uygun alınmıştır. Bu bağlamda, ilgili yönetmelikler doğrultusunda aşağıdaki kabuller yapılmıştır: Kazıklı iskele yapısı normal yapı olarak sınıflandırılmıştır. Zemin sınıfı B alınmıştır. Plastik mafsalların sadece kazıklarda ve kazık başlıklarında oluşmasına izin verilmiştir. Plastik mafsal boyları kazık-başlık kirişi birleşimlerinde ve zemin seviyesinin altında 0.44fydb alınmıştır. fy ve db,sırasıyla, donatı çeliğinin akma gerilmesi ve boyuna donatı çapı olarak tanımlanmıştır. Su seviyesinin altındaki kazık kısımlarında ek su kütlesi tanımlanmıştır. Kazıkların bileşik eğilme etkisi altında doğrusal olmayan davranışlarının idealleştirilmesinde plastik mafsal hipotezi kullanılmıştır. Çelik ve betonarme kesitlerin doğrusal olmayan davranışlarının tanımlanmasında doğrusallaştırılmış akma yüzeyleri kullanılmıştır (Şekil 3). Şekil 3 Betonarme kesitler için eksenel kuvvet-moment ilişkisi Plastik moment-plastik dönme bağıntılarında pekleşme etkisi dikkate alınmamıştır (Şekil 4). Şekil 4 Betonarme kesitler için plastik moment-plastik dönme ilişkisi

5 Kazık-zemin etkileşimi doğrusal olmayan zemin yayları ile dikkate alınmıştır. Bu amaçla oluşturulan ayrık zemin yaylarının modellenmesinde doğrusal elastik olmayan; a) birbirine dik iki yatay doğrultuda (p-y eğrileri), b) eksenel doğrultuda kazık çeperi boyunca (t-z eğrileri), c) kazık ucunda (Q-z eğrileri) kuvvet-yer değiştirme ilişkileri göz önüne alınmıştır (API 2000). Şekil 5, 6 ve 7 de kazıklar için tanımlanan t-z, Q-z ve P-y eğrileri verilmiştir. Şekil 5 Doğrusallaştırılmış t-z eğrisi Şekil 6 Doğrusallaştırılmış Q-z eğrisi Şekil 7 Doğrusallaştırılmış P-y eğrisi

6 Kıyı Mühendisliği Sempozyumu YAPISAL ANALİZLER Örnek iskele yapılarının deprem performansının belirlenmesinde dikkate alınacak dayanım-yer değiştirme ilişkilerini belirlemek üzere doğrusal olmayan statik analiz yapılmıştır. Buna göre her iki anoda, ölü yük + ½baba yükü başlangıç yüklemesi olarak tanımlanarak iki ortogonal doğrultudaki mod şekillerine uygun itme analizi gerçekleştirilmiştir. Yapılan analizler sonucunda elde edilen her bir anoya ait her iki doğrultu için elde edilen itme eğrileri Şekil 8-11 de, analizin son adımına ait plastik mafsal dağılımı Şekil de verilmiştir. Şekil 8 Düşey kazıklı iskele X-yönü itme eğrisi Şekil 9 Düşey kazıklı iskele Y-yönü itme eğrisi Şekil 10 Eğik kazıklı iskele X-yönü itme eğrisi

7 Şekil 11 Eğik kazıklı iskele Y-yönü itme eğrisi İRDELEMELER Düşey ve eğik kazıklar ile tasarlanmış olan iskele yapılarının doğrusal olmayan statik analiz sonuçları incelendiğinde aşağıdaki bulgulara ulaşılmıştır: 1. Eğik kazıklardan oluşan iskele yapısı düşey kazıklardan oluşan iskele yapısına oranla daha az yer değiştirme yapmaktadır. Eğrilerin başlangıç teğetlerinin eğimleri (Şekil 9-11) karşılaştırıldığında da eğik kazıklardan oluşan iskele yapısının daha rijit davranış sergilediği görülmektedir. 2. Enerji yutma kapasiteleri açısından bir değerlendirme yapılacak olursa, eğri altında kalan alanlardan hareketle (Şekil 9-11), eğik kazıklı iskele yapısının enerji yutma kapasitesinin düşey kazıklı iskele yapısına oranla daha fazla olduğu söylenebilir. Şekil de görülmekte olan, son itme adımına ait plastik mafsallaşma durumları da bu görüşü destekler niteliktedir. 3. Şekil deki plastik mafsal oluşumları incelendiğinde, plastik mafsal kesitlerinde meydana gelen dönme miktarları özellikle eğik kazıklı iskelede kazık uçlarında büyük değerler almaktadır; önemli oranda plastik şekil değiştirme söz konusudur. Düşey kazıklı sistemde ise özellikle eğik kazıklı sisteme oranla farklı kazık kesitlerinin birleşim noktalarında (-6.0 m kotu) hesaplanan plastik mafsal dönmeleri daha büyük değerler almıştır. Bu durum, deprem sırasında en fazla bu kesimlerin hasar göreceğini işaret eder. Düşey Kazıklı Sistem Eğik Kazıklı Sistem Şekil 12 Her iki sisteme ait X-yönü plastik mafsal oluşumları

8 Kıyı Mühendisliği Sempozyumu Düşey Kazıklı Sistem Eğik Kazıklı Sistem Şekil 13 Her iki sisteme ait Y-yönü plastik mafsal oluşumları 4. Anılan iskele yapılarının deprem performansları ise kazıklarda, hedef yer değiştirme seviyesindeki deprem istemlerinin (birim şekil değiştirmeler) DLH(2007) yönetmeliğinde tanımlanan birim şekil değiştirme kapasiteleri ile karşılaştırılması suretiyle yapılabilecektir. SONUÇ Bu çalışmada, düşey ve eğik kazıklardan teşkil edilmiş iskele yapıları üzerinde DLH (2007) yönetmelik hükümleri esas alınarak şekil değiştirmeye göre değerlendirme prensipleri uygulanmış ve performans değerlendirmesinde dikkate alınmak üzere dayanım-yer değiştirme ilişkileri belirlenmiştir. Gerçekleştirilen çözümler, eğik kazıklı iskele yapısının düşey kazıklı iskele yapısına oranla yatay yük taşıma kapasitesinin daha yüksek olduğunu göstermiştir. Diğer taraftan, düşey kazıklı iskele yapısının önemli oranda yatay yer değiştirme yaptığını, buna karşın, her ne kadar deprem sırasında üst yapı bu yer değiştirmeler nedeniyle hasar görecek olsa da, kazıklarda meydana gelecek yapısal hasarın eğik kazıklı iskele yapısına oranla daha düşük seviyelerde kalacağını göstermiştir. Bu durumda tercih edilen bir durumdur; tabliye hasar görmeyeceğinden deprem sonrası kazık hasarları onarılabilecektir. Ayrıca hasarın kazıkların zemine gömülü kısımlarında süneklik koşulları ağırlaştırıldığı için iki farklı seviyede tasarlanan kazık birleşim kesimleri ile daha çok kazık uçlarında yoğunlaştığı söylenebilir. KAYNAKLAR Yüksel Y, Çevik E (2010) Liman Mühendisliği Beta Basım Yayım Dağıtım A.Ş. DLH (2007) Kıyı ve Liman Yapıları, Demiryolları, Hava Meydanları İnşaatlarına İlişkin Deprem Teknik Esasları, Ulaştırma Bakanlığı. Chiou JS, Chiang CH, Yang HH and Hsu SY (2011) Developing fragility curves for a pile-suppoted wharf, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 31: Takahashi A and Takemura J (2005) Liquefaction-induced large displacement of pile-supported wharf, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 25: Charles W. Roeder, M.ASCE, Robert Graff, Jennifer Soderstrom, A.M.ASCE, and Jung Han Yoo (2005), M.ASCE, Seismic Performance of Pile-Wharf Connections, J. Struct. Eng. 131, 428 (2005); doi: /(asce) (2005)131:3(428) (10 pages). Shah Vahdani, John Egan, Robert Pyke, Chih-Cheng Chin, Tom Griswold, Evaluating the Seismic Capacity of a Newly Designed Wharf at the Port of Oakland, ASCE Conf. Proc. doi: /40834(238)106, Ports 2007: 30 Years of Sharing Ideas Proceedings of the Eleventh Triennial International Conference.

9 Boroschek RL, Baesler H, Vega C (2011) Experimental evaluation of the dynamic properties of a wharf structure, Engineering Structures, 33: API (2000), Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms Working Stress Design. SAP2000 V14.0, Structural Analysis Program, CSI Berkeley, 2009.