Barajlarda 3 Boyutlu Dinamik Analiz Metodolojisi. Altuğ AKMAN İnş. Y. Müh

Transkript

1 Barajlarda 3 Boyutlu Dinamik Analiz Metodolojisi

2 İçerik 1. Su Yapıları - Barajlar 2. Dünyada Analiz Yöntemleri 3. Ülkemizde Analiz Yöntemleri 4. Baraj Analizinin Bilimsel Altyapısı 5. ESPROJE AR/GE Çalışmaları

3 Su Yapıları - Barajlar Su yapısı Her türlü doğal akımı çeşitli amaçlar için değiştiren tüm yapılar su yapılarıdır.

4 Su Yapıları - Barajlar Barajlar Ağırlık Barajları Kil Çekirdek Kaya Dolgu Baraj Beton Ağırlık Barajı SSB Baraj Ön Yüzü Beton Kaplı Kemer Barajlar Beton Kemer Baraj SSB Beton Kemer Baraj

5 Su Yapıları - Barajlar Türkiye Nüfusu yaklaşık 72 milyon 16 Büyükşehir

6 Su Yapıları - Barajlar DEPREM Ülkemizde hemen her bölge deprem tehlikesi altında Boyutları belirleyen en önemli yük: deprem Gerçekçi deprem simulasyonları gerekli Barajlarda büyük deprem riski

7 Mevcut su kaynaklarının ülkemizde ancak %34 ü enerji için kullanılmaktadır. Enerji sektöründeki kanun değişiklikleri ile özel yatırımcılar kendi santrallerini ve baraj sistemlerini kurmak için büyük yatırım yapmaktadırlar. Su Yapıları - Barajlar Türkiye de Hidroenerji Kullanımı 66% % Kalan % Kullanılan 11% 27% 34% France Spain Italy

8 Su Yapıları - Barajlar Türkiye de Elektrik Enerjisi Gelişmiş ülkelerin aksine enerji ihtiyacı hızla artmaktadır.

9 Dünyada Analiz Yöntemleri Dolgu Baraj Analizleri

10 Dünyada Analiz Yöntemleri Japonya Örneği

11 Dünyada Analiz Yöntemleri

12 Ülkemizde Analiz Yöntemleri Mevcut DSİ barajlarının büyük çoğunluğu kil çekirdek kaya dolgu barajlardan oluşmaktadır. 12

13 Ülkemizde Analiz Yöntemleri Basit Rijit Blok Modelleri Yatay İvme Katsayısı Metodu ile Deprem Analizi Kayma ve Eğilme Güvenlik Katsayıları Rijit Blok Stabilite Yaklaşımı 13

14 Bilimsel Altyapı Baraj-Zemin-Rezervuar Problemi aslında karmaşık bir katı-sıvı etkileşim mekaniği problemidir. Benzeştirilmiş ivme kayıtları ile dinamik analizler gerektirir. Baraj beton veya SSB ise betonun çatlama bölgelerinin belirlenerek önlemler alınması için gerilme analizleri yapılmalıdır. Baraj dolgu tipinde ise göçme, sıvılaşma analizleri yapılmalıdır.

15 Bilimsel Altyapı İki Boyutlu Yapı-Zemin Rezervuar Etkileşimi (Fenves ve Chopra ) Dikkate Alınan Hususlar: Dinamik yapı davranışı Sıkıştırılabilir su Sediment etkileri Yapı-zemin etkileri (2 boyut yarı sonsuz düzlem) Rezervuar Sediment Kaya Zemin Baraj a gx a gy

16 Bilimsel Altyapı Üç Boyutlu Yapı-Zemin-Rezervuar Etkileşimi (Chopra vd ) Dikkate Alınan Hususlar: Dinamik yapı davranışı Sıkıştırılabilir su Tortu etkileri Yapı-zemin etkileri (3 Boyut sınır elemanları)

17 Bilimsel Altyapı Üç Boyutlu Model Sönüm Belirlenmesi Doğrusal olmayan modellerde kütlesiz zemin yaklaşımı kullanılabilir. Kütlesiz zeminli baraj modelinin sönüm oranı üç boyutlu doğru yapı-zeminrezervuar etkileşimi modeli kullanılarak belirlenmelidir. Gövde Gerilmeleri EACD/Kütlesiz Model EACD EACD Relatif Dep. (cm) Kütlesiz Zemin Kütlesiz Zemin Relatif İvme. (g) (a) 3 Boyutlu Görüş (b) Baraj Alt Bölgesi Zaman (sn) EACD deplasman/gerilme sonuçları kütlesiz zeminli modelde sönüm belirlenmesi için kullanılır.

18 Ghanaat, 2004, USACE, 2003, 2007 Değerlendirme Prosedürü Bilimsel Altyapı Limit Gerilme Aşılması Performans Kriteri NONLİNEER ANALİZ GEREKTİREN BÖLGE!! Toplam Aşılma Zamanı (sn) Talep - Kapasite Oranı (DCR)

19 Bilimsel Altyapı Elastik Ötesi Analiz Tasarım kesitinin elastik analiz gerilme limitlerinin sağlamaması durumunda elastik ötesi analiz ile hasar durumu tespit edilerek kesit güvenliği belirlenebilir. Gerekenler: Çatlak modeli Nonlineer çözüm kapasitesi Yüksek performanslı bilgisayarlar Model boyutunun makul seviyede olabilmesi için kütlesiz zemin modeli, Zemin-yapı etkileşimi kaynaklı sönüm sadece ileri modeller ile kalibrasyon veya saha deneyi sonucu kullanılabilir, Deneylerle gerçekliği kanıtlanmış çatlak modeli kullanılmalıdır.

20 Bilimsel Altyapı Elastik Ötesi Analizler Yayılı Çatlak Modeli (Vecchio, 1989, 1990, Leger vd.,1995,2006) Asal eksenlerde formüle edilir. Ayrık Çatlak Modeli (Vecchio, 1989, 1990, Leger vd.,1995,2006) Bünye modelleri bilinen çatlak eksenlerinde formüle edilir. Plastisite/Tersinir Çevirim Modelleri (Ör. Maekewa vd, 1993) Döngüsel etki ile dayanım, rijidite ve çatlakta kesme transferi değiştirilir. Çatlakta Su Basıncı Beton Çatlağı Ayrık Çatlak İlerlemesi Döngüsel Davranış

21 Bilimsel Altyapı Beklenen Hasar Kopma Bölgesi Kritik yük kombinasyonları için çatlama bölgeleri belirlenmiş, Beklenen çatlamaya göre elde edilebilecek kopma bölgeleri kontrol edilmiştir.

22 ESPROJE AR/GE Çalışmaları İhtiyaçlar Yatırımcılar Hızlı İnşaa Edilebilecek Güvenli Tasarımlar Gövde Tasarımında Tasarruf Tasarımcılar... Deneme-yanılma prosedürünü hızlandıracak analiz modülleri Tasarımı ucuzlatacak gelişmiş özelliklere sahip analiz araçları İşletmeci ve Devlet Kurumları Mevcut sistemlerin deprem tahkiki Renovasyon masraflarını azaltacak modern metodlar

23 Doğrusal Olmayan Dinamik Çözümleme Milyon mertebesine sonlu elemana sahip modellerin yüksek başarımlı hesaplama yöntemleriyle çözümlenmesi Belirtik integrasyon yöntemi -> Eleman düzeyinde hesaplama Büyük boyutlu eleman ağlarını otomatik oluşturulması ve çözümleme sonrası sonuçların irdelenmesi ESPROJE AR/GE Çalışmaları Formülasyon

24 ESPROJE AR/GE Çalışmaları Yapı-zemin-rezervuar etkileşimini dikkate alan Baraj gövdelerine özel arayüzlü (2 ve 3 Boyut) Özelleştirilmiş girdi ve çıktı fonksiyonları içeren Yüksek başarımlı hesaplama teknikleri kullanan Nonlineer hesaplama yapabilen Büyük boyutlu (milyon eleman) modelleri kabul edilebilir sürelerde çözümleyebilen İki Boyutlu Analiz Aracı Yüksek Başarımlı Hesaplama Sistemleri Üç Boyutlu Analiz Aracı Büyük Boyutlu Modeller

25 Büyük Boyutlu Model Oluşturulması Otomatik sonlu eleman ağı oluşturma algoritmalarının kolaylıkla kullanılması imkanı Kaliteli eleman ağının oluşturulmasını sağlamak amacıyla kullanıcı etkileşiminin arttırılması Eleman tipinin veya ağ yoğunluğunun değiştiği ağ geçiş bölgeleri için özel çözüm yöntemlerinin geliştirilmesi ESPROJE AR/GE Çalışmaları Eşdeğer reservuar kütlesi A ğ geçiş bölgesi Sonsuz sınır elemanları

26 Çözümleme Motorunun Geliştirilmesi 2 ve 3 boyutlu sonlu elemanlar kütüphanesinin geliştirilmesi Beton modellemesi için doğrusal olmayan malzeme modellerinin yazılıma eklenmesi Belirtik integrasyon yönteminin yüksek başarımlı hesaplama için uygulamasının yapılması ESPROJE AR/GE Çalışmaları

27 Frekans tanım alanında çalışan sonsuz zemin ve rezervuar dinamik etkilerini dikkate alan kullanıcı dostu lineer elastik bir sonlu eleman programı hazırlanmıştır. Relatif deplasmanlar Hidrodinamik Kuvvetler (R h ) Arayüz Kuvvetleri (R b ) Hidrodinamik Kuvvetler (R h ) ESPROJE AR/GE Çalışmaları Formulasyon

28 Yazılım Bileşenleri Sonlu Eleman Modeli Oluşturma Mod ülü (Önyüz) Sonuç Sorgulama Modülü (Sonyüz) Hesaplama Motoru Zaman tanım alanında doğrusal olmayan çözümleme ESPROJE AR/GE Çalışmaları Grafik Kullanıcı Arayüzü Ara Yüz Model Oluşturma Veri Aktarımı Bellekten doğrudan aktarım Veri Aktarımı Bellekten doğrudan aktarım Dosyadan aktarım Son Yüz Sonuç Sorgulama (a) Model Sınırları (b) 200 Eleman kullanılarak (c) 1000 Eleman kullanılarak oluşturulan Eleman Ağı oluşturulan Eleman Ağı Hesaplama Motoru

29 ESPROJE AR/GE Çalışmaları,,, Döner Çatlak Modeli (Vecchio 1989, 1990), Selby, Vecchio (1997), Palermo, Vecchio (2003) Çatlağın açısı asal eksenlerile birlikte döner. Bünye modelleri asal eksenlerde formüle edilir. Kırılma Hipotezi Willam-Warneke (1974)

30 ESPROJE AR/GE Çalışmaları Programlama Dili -> C++ Program Geliştirme Platformu Visual Studio 2010 Kullanılacak Kütüphaneler Matris İşlemleri: Intel MKL Library Paralel Hesaplama: OPENMP, MPI Otomatik Bölümleme: METIS Yeniden Bölümleme: PARMETIS