DEPREM HAREKETİNİN KAZIKLI TEMELLERE KİNEMATİK ETKİLERİ

Transkript

1 DEPREM HAREKETİNİN KAZIKLI TEMELLERE KİNEMATİK ETKİLERİ Gürkan Özden Dokuz Eylül Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü Öğretim Üyesi Kaynaklar Yerleşkesi, Buca, İzmir, e-posta: Tel: , Faks: Mustafa Sütçüoğlu Dokuz Eylül Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü Lisans Öğrencisi Kaynaklar Yerleşkesi, Buca, İzmir, e-posta: Tel: , Faks: GİRİŞ Sınır şartları belirlenen bir yapının temel sisteminin geoteknik analizinde öncelikle sığ temel alternatifi irdelenir. Üst yapı yükleri, sığ temel ile taşıma ve oturma kriterlerini sağlayacak şekilde zemin tabakalarına aktarılamaz ise diğer seçeneklere göz önüne alınır. Bu seçeneklerden biri de derin temel uygulamasıdır. Derin temellerin başlıca türü kazıklı temellerdir. Kazıklı temeller gerek uygulama yöntemleri gerekse maruz kaldıkları dinamik ve statik etkiler bakımından sığ temellerden oldukça farklıdırlar. Özellikle deprem hareketi nedeniyle kazıklarda iki farklı dinamik zorlanma meydana gelme olasılığı vardır. Bunlar: 1) Deprem hareketinin üst yapıdaki etkilerinden dolayı kazıkta oluşan atalet yükleri, 2) Deprem hareketinden dolayı zeminde meydana gelen ın etkisiyle kazıkta oluşan kinematik tesirler şeklinde özetlenebilir. Bunun dışında kazıklı temel sistemi kendisini yataklayan tabakaların sıvılaşma riskine karşı da analiz edilmelidir. Literatürde depremlerde hasar görmüş kazıklı temeller bildirilmektedir (Mizuno, 1987; Özden, 1999). Bu tür hasarların bir özeti Tablo 1 de verilmekte, Şekil 1 ve Şekil 2 de ise tahrip olmuş kazık örnekleri sunulmaktadır.

2 Bu çalışmada deprem hareketinden dolayı kazıklı temellerde meydana gelen kinematik tesirler incelenmekte, sayısal ve analitik kinematik analiz yöntemleri tanıtılmakta, İzmir yöresi alüvyon zeminlerinde yer alan kazıklı temel projelerinde kinematik tesirlerin ele alınışı konuya ilişkin örnekler olarak verilmekte ve son olarak ulusal ve yabancı ülkelerdeki uygulama ve yönetmelikler karşılaştırılmaktadır. Şekil 1. Niigata 1964 Depremi Adliye Sarayı kazıklı temel hasarı (Hamada, 1992) (Sıvılaşmaya bağlı yataklanma kaybı, üst kısımda atalet, uç kısımda kinematik zorlama) Şekil Kobe Depremi 11 Katlı Otel kazıklı temel hasarı (Sıvılaşan zemine bağlı pasif kazık ve üst kısımda atalet zorlaması)

3 Tablo 1. Geçmiş depremlerde hasarlı kazık örnekleri Deprem Büyüklük Kazık Malzemesi Kazık Çapı (mm) Kazık Boyu (m) Kazıktaki Deformasyon Olası Hasar Nedeni (Yachiyo Köprüsü) 7.5 Betonarme kazık boyunca kırıklar ve yatay çatlaklar (4-6 m) (Showa Köprüsü) 7.5 Çelik boru eğrilmeler (5m) (Adliye Sarayı) 7.5 Beton kazık boyunca kırıklar, eğrilmeler ve yatay çatlaklar (1-5 m), atalet yükleri, kinematik et. (Rıhtım Duvarı) 7.5 Çelik levha 11 göçme, eğrilmeler (2.5 m) (NHK Binası) 7.5 Betonarme kırıklar, yatay çatlaklar (2 m) (Doğu Köprüsü) 1964 Alaska (Otoyol Köprüsü- 605) 7.5 Beton yatay çatlaklar 9.2 Çelik boru yan yatıp çökmeler (1-1.5 m) (2.4 m) 1983 Nihonkai (Gaiko İskele Binası) 7.7 beton kırıklar, yatay çatlaklar, eğrilmeler (1-2 m) 1989 Loma Prieta (Marina) 7.0 Ahşap & Beton 400 ahşap kazıklarda göçme beton kazıklarda eğrilik (0.6 m) 1993 Hokkaido 7.8 Beton kazık başlığından kesilmeler atalet yükleri 7.2 Precast beton kazık başlığından kesilmeler atalet yükleri 7.2 Beton 12 kazık başlığından kesilmeler atalet yükleri 7.2 beton eğrilmeler 7.2 beton 17 kırıklar, yatay çatlaklar (0.3 m), kinematik etkiler 7.2 beton 30 kazık boyunca iki yerde kırık (1.5 m)

4 ÇALIŞMA YÖNTEMİ Yer kabuğundaki kırılmalar nedeniyle ani olarak açığa çıkan titreşimler dalgalar halinde yayılır. Dalgalar, yayılma sırasında geçtikleri ortamları ve yer yüzeyini sarsarlar. Bu hareketler nedeniyle kazıklar yatay yüklere maruz kalırlar. Bu yükler, atalet yükleri ve kinematik yüklerdir. Atalet yükleri, özellikle kazığın üst yapıyla veya kazık başlığıyla birleştiği bölgelerde ortaya çıkan zorlanmalardır. Bu zorlanmaların sebebi deprem hareketinin üst yapıda yarattığı salınımdır. Kinematik tesirler ise kazığın uç kısımlarına yakın derin bölgelerde daha etkili olur ve rijitlikleri arasında büyük farklar bulunan tabakaların ara yüzlerinde pik değerine ulaşırlar. Kinematik tesirlerin başlıca sebebi ise deprem hareketinin zeminde ve kazıklarda yaratmış olduğu salınım sırasında kazık ile zeminin uyumsuz deformasyonudur. Şekil 3 de deprem hareketinden dolayı kazıklarda meydana gelen atalet yükleri ve kinematik yükler gösterilmiştir. Şekil 3. Deprem hareketi nedeniyle kazıklarda zorlama mekanizmaları

5 Zemin tabakalarının rijitliklerinin birbirinden çok farklı olması bu tabakaların depremin sarsıcı hareketinden farklı etkilenmelerine sebep olur. Birbirinden farklı yapan her zemin tabakası kazığı da kendisi ile birlikte hareket etmeye zorlar ve bu nedenle de kazık bu tabakaların ara yüzey bölgelerinde kesme gerilmelerine maruz kalır. Bu gerilmeler sonucu kazıkta eğilme momentleri meydana gelecektir. Kinematik zorlamaların analizi için sonlu farklar ve sonlu elemanlar yöntemleri kullanılarak eğrisel veya eşdeğer doğrusal analizler yapılabilir (Kagawa ve Kraft, 1981; Mylonakis ve Gazetas, 1999; Makris ve Gazetas, 1992; Fan vd, 1991). Ancak bu yöntemler zaman alır ve modelleme aşamasında zorluklar yaşanır. Mevcut analitik yöntemlerin içinde sayısal yöntemlerin basite indirgenmiş bir formu Gazetas ve arkadaşlarınca geliştirilmiştir (Nikolaou vd, 2001). Bu yöntemin yakınsaklığı sayıca kısıtlı da olsa arazi ölçümleri ile doğrulanmış bulunmaktadır. Bu çalışmada aşağıda ana hatları verilen basitleştirilmiş yöntem kullanılmıştır. Kazığa tabaka ara yüzeylerinde etki eden kritik kayma gerilmesi değeri τ c, yüzeydeki maksimum ivme değeri a smax, tabaka yüzeyinden zemin yüzeyine kadar olan ağırlıklı birim hacim ağırlık değeri ρ 1 ve tabak yüzeyinden zemin yüzeyine kadar olan mesafe h 1 olmak üzere aşağıdaki basitleştirilmiş bağıntı ile hesaplanabilir. τ c = a smax. ρ 1. h 1 (1) Bağıntıdaki ρ 1 ve h 1 değerleri yapılan sondaj çalışmaları ve laboratuar deneyleri sonucu elde edilen değerlerdir. Maksimum ivme değeri, a smax ise dinamik zemin davranışı analizleri sonucu elde edilir. Dinamik zemin davranışı analizi ile taban kayasında meydana gelen deprem hareketinin yüzeye gelinceye kadar geçirdiği değişim incelenir. Değişimi incelenen asıl değişken depremin taban kayasında sahip olduğu maksimum ivme değeridir. Bu değişimin hesaplanabilmesi için gerçekte çok karmaşık bir yapıda olan deprem mekanizması ve zemin kabuller yapılarak basite indirgenmelidir.

6 Mühendislik pratiğinde kazıklar üzerinde hasar yaratması muhtemel olan dalga türü olarak SH dalgası düşünülür. Deprem hareketinin basite indirgenerek tanımlanmasının ardından zeminde gerekli kabuller yapılmalıdır. Gerçekte bir çok zemin düşey ve yatayda süreksizlik içerir. Ayrıca zeminin yük altında gösterdiği gerilme-deformasyon davranışı da doğrusal değildir. Ancak eğrisel zemin davranışı, eşdeğer-doğrusal analiz yöntemleri ile dikkate alınabilir. Kurulan çok tabakalı dinamik zemin modelinde deprem hareketinin taban kayasından yüzeye geçirdiği değişim dinamik yaklaşımlarla hesaplanabilir. Gerçekte deprem hareketi karmaşık bir yapıya sahiptir. Bu sebeple bir deprem hareketine ait her ivme-zaman birleşeni için ayrı ayrı işlem yapılması gereklidir. Bu da işlemlerin elle yapılamayacak kadar uzun olmasına neden olur. Bu amaçla kullanılan sayısal algoritmalardan biri de EERA (Equivalent-linear Earthquake site Response Analyses) yazılımıdır. Dinamik zemin davranışı ile basitleştirilmiş kinematik analiz için maksimum yüzey ivmesi elde edilir. Kritik kayma gerilmesi değeri τ c nin hesaplanmasının ardından bu bölgede kazığa etki eden eğilme momenti değerleri de hesaplanabilir. Bu değer; harmonik yükleme moment değeri M, kazık çapı d, toplam kazık boyu L, kazık elastisite modülü E p, ara yüzey ile zemin yüzeyi arasındaki tabakaların ağırlıklı deformasyon modülü E 1 ve tabaka üstündeki ve altındaki kayma dalgası hızları V 1 ve V 2 olmak üzere; M 0,042. τ c. d 3. ( L/d ) 0,30. ( E p /E 1 ) 0,65. ( V 2 /V 1 ) 0,50 (2) şeklinde hesaplanır. BULGULAR Kinematik tesirler özellikle yumuşak ve/veya gevşek zemin tabakalarından geçerek katı/sıkı tabakalara veya taban kayasına soketlenen kazıklarda ihmal edilemeyecek mertebelerdedir. Bu durum İzmir ili Aliağa ilçesi sınırları içinde yer alacak olan bir sanayi tesisi temel sistemi analizinde ortaya konmuştur. Ayrıca enstrümante edilmiş

7 kazıklı temellerde ölçülmüş olan kinematik tesirlere ilişkin literatürden örnekler verilmiştir. Kazık kesit boyutlandırılması ve donatı seçiminde bu etkiler dikkate alınmalıdır. Kinematik zorlamalar kazık çapının küpüyle doğrudan ilişkili olduğu için kazık çapının büyütülmesi her zaman en güvenilir ve ekonomik çözüm anlamına gelmeyebilir. Avrupa Birliği yönetmeliklerinde (EC-8, 1996) ve diğer ülke kodlarında konuya ilişkin maddeler olmasına rağmen Afet Bölgelerinde Yapılacak Yönetmelik hükümlerinde bu mekanizmaya ilişkin net ifadeler bulunmamaktadır. KAYNAKLAR 1. Eurocode EC-8 (1996): Structures in seismic regions, Part 5: Foundations, retaining structures, & geotechnical aspects, Commission of the European Commuties, Bruxelles 2. Fan, K., Gazetas, G., Kaynia, A., Kausel, E. and Ahmad, S. (1991): Kinematic seismic response of single piles and pile groups, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 117, No. 12, pp Kagawa, T. and Kraft, M.L. (1981c): Lateral pile response during earthquakes, Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 107, No. GT12, pp Markis, N. and Gazetas, G. (1992): Dynamic pile-soil-pile interaction. Part II: Lateral and seismic response, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 21, Mylonaki, G. and Gazetas, G. (1999): Lateral vibration and internal forces of grouped piles in layered soil, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 125, No. 1, Nikolaou, S., Mylonaki, G., Gazetas, G. & Tazoh, T. (2001): Kinematic pile bending during earthquakes: analyses and field measurements, Geotechnique, 51, No 5, Özden, G. (1999): Soil-pile interaction in loose cohesionless submerged soils, Submitted to the Graduate School of Wayne State University, Detroit, Michigan