DENİZ YAPILARININ SİSMİK DAVRANIŞI ve SARSMA TANKI DENEY SİSTEMİ İLE MODELLENMESİ

Transkript

1 DENİZ YAPILARININ SİSMİK DAVRANIŞI ve SARSMA TANKI DENEY SİSTEMİ İLE MODELLENMESİ Yalçın Yüksel, Esin Çevik, Z. Tuğçe Yüksel, Büşra Başaran, Kubilay Cihan, Burak Aydoğan, Mehmet Berilgen, Bilge Doran Yıldız Teknik Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü Özet Yapıların deprem yükleri altındaki davranışı oldukça karmaşık ve çözümü güç problemlerdir. Bu nedenle, laboratuvar deneyleri yapılmaktadır ve sarsma tablaları, yapıların sismik davranışlarının gözlemlenmesi için iyi bir seçenektir. Ancak, bu tür ekipmanlar pahalıdır dolayısıyla bu tip çalışmalarda manuel sistemlerin kullanılması tercih edilmektedir. Bu tip deney sistemlerinde bir boyutlu çalışmakta ve özellikle deniz yapılarının sismik davranışında, 1g yönteminin kullanılmasına imkân sağlamaktadır. Böylece daha altı boyutlu büyük sarsma tablalarının yerine daha ucuz deneysel çalışma sağlanmaktadır. Bunun yanı sıra, zemin-yapı-akışkan etkileşiminin söz konusu olduğu bu deniz yapılarının dinamik davranışının tasarlanmasına ve araştırılmasına yardımcı olmaktadır. Böylece çözümü güç olan bu tip problemleri inceleme imkanı vermektedir. Bu çalışmada böyle bir sistemin geliştirilmesi ele alınmıştır. Anahtar Kelimeler; Sarsma Tablası, Deniz Yapıları, Yapı-Akışkan-Zemin Etkileşimi SEISMIC RESPONSES of MARINE STRUCTURES and SHAKING TANK EXPERIMENTS ABSTRACT The behaviour of the structures under earthquake conditions is very complicated and has difficulties to get the solutions. Therefore, laboratory tests are performed and the shaking table test is a good option to observe the seismic behaviour of the structures. However, these kinds of devices are very expensive but there have been also the manual ones which are generally used. They work in one-dimensional and use the 1g method especially for the marine structures. So, the experimental studies can be done in a cheaper way instead of the using large six dimensional shaking table tests. And they are favourable for investigating and designing the dynamic behaviour of the soil-structure-liquid interaction system. Consequently, they give an opportunity for solution of this kind of complex problems. In this study, it was intended to improve this kind of system. Key Words; Shaking Table, Marine Structures, Structure-Fluid-Soil Interaction 501

2 GİRİŞ Limanlar ulaşım sistemlerinde düğüm noktalarını oluşturmaktadır. Hizmet ettikleri hinterlandların kapılarıdırlar. Dünya ticaretinin %80 i denizlerden yapıldığı ve ticaretin küreselleştiği düşünülürse, limanların doğru planlanmaları, yapılarının öngörülen kullanım amacına, sahip olduğu öneme ve deprem performansına cevap verecek biçimde tasarlanmaları gerekir. Liman yapıları çevresel yükler olan rüzgar, dalga, akıntı ve deprem yüklerine göre tasarlanırlar. Yapılar bu yükler altında güvenle hizmet vermelidirler. Bu yükler altında yapıların tanımlanan limitlerin üzerinde hasar görmeleri durumunda liman hizmeti duracaktır. Bu durumda limanın büyüklüğüne bağlı olarak bölgesel, ulusal ve küresel ölçekte ticari faaliyetler aksayacaktır. Son yıllarda büyük limanların bulunduğu bölgelerde meydana gelen depremler, konunun önemini artırmıştır. Ancak yüksek yatırım maliyetlerini gerektiren limanlar da ekonomik tasarımları gerektirmektedir. Bu tip tasarımlar da ileri düzeyde analizlere ihtiyaç duymaktadır. Prasad ve diğ. (2004) zemin dinamiğinde farklı parametrelerin etkisini anlamak amacıyla göçme süreci ile eşdeğer bir şekilde model deneyler gerçekleştirmişlerdir. Prototip davranışının karmaşık ve anlaşılması güç olduğundan, bu model deneyler problemin fiziğini açıklamaktadır. Gerçekleştirilen model deneylerde, prototip problemin sınır koşulları genellikle küçük ölçekli bir model içinde üretilmiştir. Model deneyler, dünyanın yerçekimi etkisinde olanlar (ki bu deneyler sarsma tablası deneyleri olarak bilinmektedir) ve yüksek yerçekimi alanı etkisinde olanlar (santrifüj deneyleri) olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Her iki model deneyleri de belirli avantaj ve sınır değerlere sahiptir. Sarsma tablası deneyleri yüksek genlikte kolay kontrol edilebilme, çok eksenli girdi hareketlerinin uygulanabilmesi ve kolay deneysel ölçümlerin yapılması gibi avantajlara sahiptir. Eğer, deneyin amacı sayısal modeli doğrulamak veya temel göçme mekanizmasını anlamak ise, modele ait bu avantajlar sarsma tablası kullanımını doğrulamaktadır. Sarsma tablası deneyleri sıvılaşma, deprem sonrası zemin oturmaları, temel davranışları ve yanal toprak basıncının anlaşılmasını sağlamaktadır. Sarsma tablası deneylerinde, sırasıyla zemin yerleştirilmiş, sıkıştırılmış ve ölçüm cihazları kolayca yerleştirilmiştir. Yüksek yerçekimi gerilmeleri sarsma tablası deneyinde üretilememektedir. Zeminin gerilme-deformasyon davranışına bağlı olarak sarsma tankı deneylerinde kullanılan küçük ölçekli model ile prototipe karşılık gelen gerilme-deformasyon durumu ölçeklendirilmiştir. Göçme mekanizması ve toprak yapılarının davranışını anlamak amacı ile sarsma tablası deneyleri kullanarak birkaç çalışma yapılmıştır. Koga ve Matsuo (1990) kum zemine kurulmuş küçük ölçekli sedde modelleri üzerinde sarsma tablası deneyleri uygulamışlardır. Bu çalışmaları ile ivme ve boşluk suyu basıncı kayıtlarını kullanarak temel zeminin çevrimsel gerilme-deformasyon davranışını incelemişlerdir. Kokusho (2003) sıvılaşmış zeminlerde akma yenilmesi mekanizmasını anlamak 502

3 için 1 g sarsma tablası deneylerinin kullanımını açıklamıştır. Orense ve diğ. (2003) zemin sıvılaşması sırasında gömülü yapıların davranışlarının anlaşılmasında 1 g sarsma tablası deneylerinin kullanımını anlatmıştır. Bunun yanı sıra, farklı araştırmacılara ait gömülü yapıların davranışı hakkındaki sarsma tablası deney sonuçlarını yeniden gözden geçirmişlerdir ve çakıl drenaj kullanarak sıvılaşma göçmesine karşı önlem almışlardır. Gerçek deprem verilerini yeniden üretmek amacıyla 6 boyutlu serbest sarsma tablası gerekmektedir. Oldukça karmaşık ve pahalı olan bu sistem yüksek bakım ve işletim maliyeti gerektirmektedir. Sarsma tablasında üretim mekanizmasının maliyeti, yük kapasitesi arttıkça katlanarak artış göstermektedir. Bu faktörler dikkate alındığında manüel sarsma tablalarının tasarlanması uygun görülmektedir. 1g YÖNTEMİ ile MODEL ÖLÇEKLENDİRİLMESİ Literatürde tanımlandığı gibi dinamik etki altındaki deneylere ait fiziksel model ölçekleri santrifüj ve 1g yöntemleri ile belirlenmektedir. Bu çalışmada sarsma tablası deneylerinde önerilen 1g yöntemi kullanılmıştır. Deprem ve geoteknik mühendisliği adı altında yapılan çalışmalar kabaca şu şekilde sıralanabilir (Prasad vd.,2004): Zeminin davranışını yerinde gözlemleyip anlamaya çalışmak Aşırı boşluk suyu basıncı gibi özel konuları anlamak için model deneyleri yapmak Analitik ve sayısal modellerle zemin hareketini gerçeğe yakın bir şekilde benzeştirmek Yukarıda belirtilmiş çalışmalardan elde edilen sonuçların karşılaşılan problemlere uygulanması Model deneyleri, farklı parametrelerin birlikte yarattığı etkileri ve modelin hasara uğrama sürecini anlamak için yapılmaktadır. Bu deneyler; dünyanın yerçekimi etkisinde yapılanlar (1g model deneyleri) ve daha yüksek yerçekimi şartlarında yapılanlar (santrifüj deneyleri) olmak üzere ikiye ayrılırlar. 1g ve santrifüj deneylerinin her ikisinde de benzerlik ve ölçek etkisi sorun yaratabilmektedir. 1g modelleri yatay zemin basıncı değişimi, deprem sonrası meydana gelebilecek oturma ve sıvılaşma gibi önemli olayları incelemek için kullanılmaktadır. Sarsma tablası deneyleri, santrifüj deneylerine nazaran daha büyük genliklerde yapılabildiği gibi deneyler sırasında çok eksenli deprem hareketleri girdi olarak kullanılabilmektedir. 1g yönteminin temel özelliklerini belirtmek gerekirse: Laboratuvar ortamında yapılan deneyler oldukları için, sınır koşulları kolayca tanımlanabilir ve kontrol altında tutulabilir. Fiziksel modellerden 503

4 elde edilen veriler ve sonuçlar, sayısal modelleri destekleyecek ölçüde güvenilirdirler. Modellerin boyutları deneylerin yapılacağı alan ve mevcut cihazların kapasitesine de bağlı olarak görece büyüktür. Bu sebeple model ölçeği kabul edilebilir küçüklüktedir. Kullanılan modellerin büyük olmasından dolayı deney ölçüm cihazlarını monte edecek alan artmakta bu da daha iyi bir gözlem yapma şansı vermektedir. Daha büyük bir alanda çalışmanın başka bir katkısı da, santrifüj deneylerine nazaran kullanılan ekipmanların zemini deney sonuçlarını etkileyecek düzeyde bozmamasıdır. Santrifüj model deneyleri kontrollü ortamda zemin-yapı etkileşiminin ölçeklendirilmiş modellerle incelenmesi şeklinde tanımlanabilir. Santrifüj model deneylerinde oldukça büyük ivmelerde çalışılabilmektedir. Bu deneylerde eğimli yüzeylerde gerçekleşebilecek toprak kaymaları ve istinat duvarları üzerindeki toprak basınçları gibi çeşitli geoteknik durumlar incelenebilmektedir. Santrifüj modelin esası, geometrik olarak gerçek veya varsayılan prototipe benzer bir modelde bir gerilim alanı üretmektir. Prototip ve modelde aynı malzemelerin kullanılması durumunda iki sistemdeki benzer noktalarda gerilme-şekil değiştirme ilişkisi aynı olacaktır (Dewoolkar, 2000). Santrifüj deneylerinin temel prensibi basittir; yarıçapı r olacak şekilde sabit v hızıyla dairesel hareket yapmakta olan kütlesi m olan bir cisim, bu dairesel yörüngede hareketini devam ettirmek için için v 2 /r ya da r/w 2 2 lik bir açısal hıza sahip olmalıdır. Bu hareketi esnasında, cisme mrw lik 2 bir radyal kuvvet etki etmektedir ki bu durumda cisim ng lik (n= r/w g ) bir ivmeye maruz kalmaktadır. Bu çalışma, tanka dönüştürülen tek boyutlu sarsma tablasında gerçekleştirildiğinden, 1g yöntemi kullanılmıştır ve model ölçekleri bu esasa göre belirlenmiştir. (Iai, 1989). Deney ölçeği olarak mevcut sarsma tankının boyutları ve genelde kullanılmakta olan blok boyutları göz önünde bulundurulmuştur. Ölçek oranları Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1 Ölçekle oranları Ölçek Oranı Modeldeki ölçek oranları (Prototip/model) Uzunluk Zaman λ İvme Deplasman λ Basınç Yoğunluk Su Basıncı

5 SARSMA TANKI DENEY SİSTEMİ Deniz yapılarının sismik davranışının anlaşılması amacıyla yapı-akışkan ve zemin etkileşimin anlaşılması için klasik sarsma tablası içine su doldurulabilecek biçimde tanka dönüştürülmesi amaçlanmıştır. Dalgakıran, yanaşma yapıları (özellikle ağırlık tipi rıhtım yapıları) gibi yapılar uzunlukları genişliklerine göre çok büyük olan yapılardır. Bu yapıların deprem yükleri altındaki hasar modları incelendiğinde genellikle; yatay yer değiştirme, eğilme ve göçme modu şeklindedir. Bu hasar modları basitçe tek boyutlu sarsma tablası deneyleri ile yeterince modellebilmektedir. Literatürde yapılan çalışmaların büyük bir çoğunluğu bu tip modelleme çalışmalarıyla gerçekleştirilmiştir. Bu tip çalışmalar maliyeti yüksek 6 boyutlu sarsma tablalarının üzerine tank yerleştirilerek bir boyutlu çalıştırılmasıyla gerçekleştirilmiştir. Buna karşın çalışmaların bir kısmı da maliyetin düşürülmesi ile tek boyutlu sarsma tablalarının geliştirilmesiyle mümkün olmuştur. Bu çalışmada, sarsma tablası üzerine tank yerleştirilmiştir ve deniz yapıları için kullanılmıştır. Dolayısıyla, doğrudan bir boyutlu sarsma tankının geliştirilmesi amaçlanmıştır. Deneysel çalışma, Yıldız Teknik Üniversitesi Hidrolik ve Kıyı-Liman Mühendisliği Laboratuvarı nda kurulan sarsma tankında gerçekleştirilmiştir. Sarsma tankı, 4.5 m uzunluğunda, 1.0 metre genişliğinde ve 1.0 m yüksekliğindedir. Özel geliştirilmiş sarsma tahrik mekanizmasına sahiptir (Şekil 1). Sarsma tankı düzenli ve düzensiz harmonik dalgalar üretebilmektedir. Sarsma tankı, 1-10Hz frekans ve 1-5mm genlik aralığında hareket kabiliyetine sahiptir ve 4.5 ton ağırlığında model deneyleri yapılabilmektedir. Sarsma tankı, PLC kontrolü ile kumanda edilmektedir. Bu kontrol sisteminin özellikleri; HSC girişli (High speed counter), Pulse çıkışlı, 0-10V analog çıkış üniteli, I/O 8 giriş, 8 çıkışlı, 9 ıı touch sensitive 16x10 6 renkli bir operatör panelli dir. Sistem bir yazılım ile kontrol edilmektedir. Şekil 1 Sarsma tankının boyuna kesiti (Yuksel ve diğ., 2014) 505

6 Tank içerisine zemin dolgusunun yerleştirilmesi amacıyla otomatik serme sistemi geliştirilmiştir. Zemin-yapı etkileşiminde zemin sıkılığı önemli faktörlerden biridir. Bu nedenle, serme sistemi bunu gerçekleştirilecek biçimde geliştirilmiştir (Şekil 2). Şekil 2 Serme sistemi şematik gösterimi, (Yuksel ve diğ., 2014) Hareket halindeki serme sistemine ait tankın sarsılmasını önlemek için dört adet yataklı kolon kullanılmış olup her iki baştan çelik mekanizma ile aşağı ve yukarı iki boyutlu hareket sağlanmaktadır. Bu hareket, aynı anda ve devirde çalışma senkronizasyonu ile yapılmaktadır. Serme sistemi tank kolonlar ile bir köprüye bağlanmıştır ve bu köprü sayesinde karşılıklı hareket edebilmektedir. Tanka yürüyen bant vasıtasıyla geri dolgu yüklenmektedir. Yataydaki köprü üzerinde gerçekleştirilecek sağsol hareketleri için, kasıntı ve sarsıntıyı önlemek amacıyla köprünün her iki başına birer adet asenkron motor-redüktör ve dişli grubu konulmuştur. Dişliler ray üzerinde bulunan düzlem dişliye oturarak köprünün senkronize hareket edebilmesini sağlamaktadır. Sarsma tankı ve serme sistemine ait görünümler Şekil 3. de verilmiştir. 506

7 Sarsma Tankı Serme vinç sistemi sarsma tankı üzerinde Geri dolgu malzemesini dolduran yürüyen bant Serme vinci Sarsma üreteç sistemi Model ve kayıt bağlantıları Şekil 3 Sarsma tankı ve serme sistemine ait görünümler, (Yuksel ve diğ., 2014) 507

8 Sarsma tankı kontrol birimi Model ve kayıt alma cihazları Konum ölçme cihazları, ivme ölçerler (üstten görünüş) Model Şekil 3 Devam Öncelikle sarma tankındaki deney koşullarının belirlenmesi amacıyla sarsma tankının kalibrasyonu farklı deplasman ve frekanslar için, içi boş ve içi dolu biçimde yapılmıştır. Tankın içi dolu olması durumunda tankın kendi ağırlığı hariç dikkate alınan ağırlık 3.2 ton dur. Tank testleri tekrar edilerek tank ivmesi ve deplasmanları ölçülmüştür. Böylece sarsma tankına girilen frekans ve deplasman değerlerinin sarsma sırasında alınıp alınmadığı da kontrol edilmiştir. Yapılan deneylerden girilen değerlerin tanktan aynen alındığı belirlenmiştir. İvme; ivme ölçer, tank deplasmanı ise; deplasman ölçer yardımıyla belirlenmiştir. Tipik ölçüm sonuçları Şekil 4 de gösterilmiştir. Deneyler düzenli harmonik ve düzensiz sarma ivmeleri üretilerek yapılabilmektedir. Yapılan kalibrasyon deneyleri sonucunda tank ivmesinin girdi frekansına ve tankın kütlesine bağlı olarak değiştiği belirlenmiştir (Şekil 5). Elde edilen sonuçlar literatür ile uyumludur. Tank kütlesinin artan frekans değerlerinde ivme üzerindeki etkiside artmaktadır. 508

9 (a) Düzenli tank ivme kaydı (b) Düzenli tank deplasman kaydı (c) Düzensiz tank ivme kaydı Şekil 4 Tipik sarsma tankı davranış kayıtları (Yuksel ve diğ., 2014) 509

10 6 Düzensiz Deplasman (mm) zaman (s) (d) Düzensiz tank deplasman kaydı Şekil 4 Devam SONUÇLAR Şekil 5 Sarsma tankı davranışı, (Yuksel ve diğ., 2014) Bir boyutlu manuel sarsma tablası esasları dikkate alınarak üretilen sarsma tankında deneyler düzenli harmonik ve düzensiz sarma koşullarında yapılmıştır. Yapılan kalibrasyon deneyleri sonucunda tank ivmesinin girdi frekansına ve tankın kütlesine bağlı olarak değiştiği belirlenmiştir. Tank kütlesinin artan frekans değerlerinde ivme üzerindeki etkiside artmaktadır. Bu tip deney sistemleri özellikle deniz yapılarının sismik davranışında 1g yöntemi modelleme yöntemi kullanılarak yapılmasına imkan sağlamaktadır. Böylece daha gelişmiş sarsma tablalarına nazaran daha ucuz deneysel çalışma sağlamaktadır. Özellikle karmaşık zemin-yapı-akışkan davranışlarında tasarım ve 510

11 araştırma yapılmasını sağlamaktadır. Böylece çözümü güç olan bu tip problemleri inceleme imkanı vermektedir. TEŞEKKÜR Bu çalışma 113M426 nolu proje ile TÜBİTAK tarafından desteklenmiştir. KAYNAKLAR Dewoolkar, M.M., Ko, H.Y. ve Pak, R.Y.S., (2000). Experimental Developments for Studying Static and Seismic Behaviour of Retaining Walls with Liquefiable Backfills, Soil Dynamics and Earthquake Engineering 19, Iai, S., (1989). Similitude for Shaking Table Tests on Soil-Structure-Fluid Model in 1-g Gravitational Field, Soils Found, Koga, Y. and Matsuo, O., Shaking table tests of embankments resting on liquefiable sandy ground. Soil Found., 1990, 30, Kokusho, T., Current state of research on flow failure considering void redistribution in liquefied deposits. Soil Dyn. Earthquake Eng., 2003, 23, Orense, R. P., Morimoto, I., Yamamoto, Y., Yumiyama, T. Yamamoto, H. and Sugawara, K., Study on wall-type gravel drains as liquefaction countermeasure for underground structures. Soil Dyn. Earthquake Eng., 2003, 23, Prasad, S.K., Towhata, I. ve Chandradhara, G.P., (2004). Shaking Table tests in Earthquake Geotechnical Engineering, Current Science, 87, Yuksel, Y., Cevik, E., Berilgen, M., Doran, B., Şahin, C., Yuksel, Z.T., Basaran, B., 2014, Bloklu Rıhtım Yapılarının Sismik Davranışı ve Performans Parametrelerinin Belirlenmesi, 113M426 nolu TUBİTAK projesi, Ara Rapor. 511

12