SIVILAŞMA POTANSİYELİNİN BELİRLENMESİNDE BASİTLEŞTİRİLMİŞ YAKLAŞIMLA YAPI ETKİSİ ANALİZİ

Transkript

1 4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Koneransı SVLAŞMA POTANSİYELİNİN BELİRLENMESİNDE BASİTLEŞTİRİLMİŞ YAKLAŞMLA YAP ETKİSİ ANALİZİ ÖZET: T. Emiroğlu 1 ve S. Arsoy 1 Araş. Gör., İnşaat Müh. Bölümü, Kocaeli Üniversitesi, Kocaeli Pro. Dr., İnşaat Müh. Bölümü, Kocaeli Üniversitesi, Kocaeli tansu.emiroglu@kocaeli.edu.tr Yapı kaynaklı gerilme artışlarının zemin sıvılaşması analizlerinde nasıl dikkate alınacağı, üzerinde çalışmaların devam ettiği bir konudur. Zemin ile üzerinde yer alan yapının arklı rijitliklerde olması başta olmak üzere, statik ve dinamik yükleme koşullarında zemin derinliği boyunca eekti gerilmelerde ve yapı-zemin ara yüzeyindeki gerilmelerde önemli değişimler olmaktadır. Bu değişimler sıvılaşma mekanizmasını olumlu veya olumsuz olarak etkileyebilmektedir. Bu sebeple yapı-zemin etkileşimini dikkate almadan yapılan sıvılaşma analizleri yanıltıcı olabilmektedir. Bu çalışmada yapı kaynaklı düşey gerilme artışlarının sıvılaşma potansiyeli üzerindeki etkileri basitleştirilmiş bir yaklaşımla incelenmiştir. Yapı kaynaklı düşey gerilme artışları zemin proili boyunca Newmark analitik çözüm bağıntıları kullanılarak modellenmiş ve buna bağlı olarak zemin eekti gerilmelerindeki değişimin çevrimsel gerilme oranına etkileri incelenmiştir. Çalışma kapsamında boyutları x, 10x10 ve 5x5 m olan temel alanlarının köşe, kenar ve orta noktalarında ve temel taban gerilmesinin 50, 100 ve 00 kpa olması durumları dikkate alınarak zemin proili boyunca sıvılaşmaya karşı güvenlik sayısındaki değişim incelenmiştir. Yapılan analizler sonucunda yapı kaynaklı gerilme artışlarının çevrimsel gerilme oranını küçülterek zemin sıvılaşma potansiyelini azalttığı gözlemlenmiştir. Sıvılaşma potansiyelindeki azalma yapı kaynaklı gerilme artışına bağlı olarak temel orta noktasında en olumlu olurken zemin derinliği arttıkça olumlu etki azalmaktadır. Yapı varlığının sıvılaşmaya karşı güvenlik sayısında %88'e varan oranda artışa işaret ettiği ve temel geometrisine bağlı olarak yatayda ve düşeyde değişim gösterdiği izlenmektedir. Çalışmada sunulan sonuçlar literatürde yer alan daha ileri analiz yöntem sonuçlarıyla paralellik arz etmekte olup önerilen yaklaşımın zaman ve maliyet sorunu olan pek çok projede gerek avan proje gerekse nihai analiz aşamasında kullanılabilir olduğu kanaatine ulaşılmıştır. ANAHTAR KELİMELER: Sıvılaşma, yapı-zemin etkileşimi, çevrimsel gerilme oranı, gerilme artışı 1. GİRİŞ Geoteknik deprem mühendisliği kapsamında çalışılan önemli konulardan biri olan zemin sıvılaşması, deprem sonrasında büyük yapısal hasarlara neden olabilmektedir. Zeminde sismik yük etkisiyle boşluk suyu basıncının ani artışı sonucu eekti gerilmenin sııra yaklaştığı durum sıvılaşma olarak tanımlanır. Sıvılaşma süresince zemin dayanımını yitirir ve boşluk suyu basıncının normale dönmesinin ardından kalıntı dayanıma ulaşır (Kramer, 003). Bu sebeple deprem bölgelerinde projelendirilen yapılar için zemin etüdü sonrasında sıvılaşmaya elverişli bulunan bölgeler için sıvılaşma analizi yapılmalıdır. Sıvılaşma analizleri zeminde herhangi bir yükün olmadığı serbest arazi koşulları için yapıldığında, zeminin yapı varlığındaki sıvılaşma potansiyeli hakkında yanıltıcı olabilir. Sıvılaşma analizlerinin, yapı kaynaklı özel gerilme durumlarının göz önüne alınarak yapılması gerçeğe daha yakın sonuç elde edilmesini sağlayacaktır. Statik ve dinamik koşullar dikkate alındığında, yapı varlığının sıvılaşma potansiyeli üzerinde olumlu ve olumsuz etkileri var olacaktır. Temel tabanında yapı nedeniyle oluşacak olan ilave kayma gerilmeleri deprem etkisindeki zeminin dayanımını olumsuz etkilemektedir. Deprem

2 4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Koneransı süresince temel tabanı ile zemin yüzeyi arasında oluşacak olan sürtünme kuvveti ve zemin ile temelin rijitlik arkından kaynaklanan kayma gerilmeleri, zemin sıvılaşma potansiyelini artırmaktadır (Unutmaz, 008). Zeminde yapı varlığı ise düşey eekti gerilmeleri artırmaktadır. Gerilme artışının en azla olduğu yer temel orta noktasının altındaki zemindir. Temelin köşelerine doğru gerilme artışı azalmakta ve temelden uzaklaştıkça sönümlenmektedir. Yapı etkisiyle zemin düşey eekti gerilmesinde oluşan değişimin çevrimsel kayma oranını artırarak sıvılaşma potansiyelini azaltması beklenmektedir. Bu çalışma kapsamında diğer etkiler dikkate alınmadan, yapı kaynaklı düşey gerilme artışlarının sıvılaşma potansiyeli üzerine etkileri incelenmiştir.. SVLAŞMA ANALİZİNDE BASİTLEŞTİRİLMİŞ YAKLAŞM İLE YAP ETKİSİ.1.Yapı Kaynaklı Gerilme Artışlarının Newmark Yaklaşımı İle Modellenmesi Yapı kaynaklı gerilme artışları temel boyutları ve taban gerilmesinin büyüklüğüne bağlı olarak değişmektedir. Düşey eekti gerilmeler üzerindeki yapı etkisi derinlikle beraber azalmakta ve belirli bir derinlikten sonra sönümlenerek sıvılaşma potansiyelini etkilememektedir. Temel boyutları arttıkça yapı kaynaklı gerilme artışları daha büyük derinliklere kadar ulaşmaktadır (Coduto, 011). Çalışma kapsamında gerilme artışlarının modellenmesi için kullanılan Newmark analitik çözüm bağıntıları Denklem 1, ve 3'te verilmiştir (Newmark, 1935). B +L +z B L /z ise, 1 BLz B +L +z B +L +z -1 BLz B +L +z = q +π-sin 4π z ( B +L +z ) +B L B +L +z z ( B +L +z ) +B L (1) B +L +z > B L /z ise, BLz B +L +z BLz B +L +z ( ) ( ) 1 B +L +z -1 q +sin 4π z B +L +z B +L +z +B L z B +L +z +B L = () σ=q. (3) taban q Newmark analitik çözümü dikdörtgen şeklinde üniorm şekilde yüklenmiş alanın köşe noktası altındaki zeminde gerilme dağılımını modellemek için kullanılır (Şekil 1). Denklem 1 ve 'de açı birimi olarak radyan kullanılmalıdır. L B z Şekil 1. Yüklenmiş olan dikdörtgen alan için Newmark çözümü

3 4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Koneransı..Sıvılaşma Analizinde Çevrimsel Gerilme Oranı Yaklaşımı Sıvılaşma mekanizmasının başlangıcını tanımlamak için çevrimsel gerilme oranı, çevrimsel deormasyon, sönümlenen enerji ve tepki analizi gibi yaklaşımlar kullanılmaktadır. Çevrimsel gerilme oranı yaklaşımı rijit kabul edilen bir zemin kolonuna deprem etkisiyle gelecek olan yer ivmesinin sebep olacağı maksimum kayma gerilmesini tari etmekte kullanılır (Mollamahmutoğlu, 006). Zeminin kayma dayanımı ile deprem etkisiyle oluşması beklenen maksimum kayma gerilmesi arasındaki ilişkiye göre zeminin sıvılaşma potansiyeli hakkında bilgi edinilmektedir. Serbest arazi koşullarında sismik etkiyle oluşan kayma gerilmelerinin belirlenmesinde kullanılan bağıntı Denklem 4'te verilmiştir (Seed ve driss, 1971). v0 max CSR arazi =0,65r σ d σ v0' g a (4) Serbest arazi koşullarında zemin boyunca hesaplanan düşey eekti gerilme değerleri yapı ile beraber değişmektedir. Rölati sıkılığın %65'ten büyük olduğu durumlarda zemin sıvılaşması beklenmemektedir (Seed ve driss, 1971). Eekti gerilmelerdeki artış zeminin boşluk oranını azaltarak rölati sıkılığın artırır ve sıvılaşma potansiyelini olumlu etkiler. Yapı kaynaklı düşey gerilme artışları dikkate alınarak yapılan sıvılaşma analizlerinde çevrimsel gerilme oranının hesabında Denklem 5 kullanılmıştır. (σ +Δσ) a v0 max CSR yapı=0,65r d (5) (σ v0 '+Δσ) g Sıvılaşma potansiyeli, çevrimsel dayanım oranı (CRR) ve çevrimsel gerilme oranı arasındaki ilişki ile belirlenir (Denklem 6). Çalışma kapsamında CRR'nin yapı varlığından etkilenmediği kabul edilerek, gerilme artışının CSR'de sebep olacağı azalım Denklem 7 kullanılarak incelenmiştir. CRR FS= CSR (6) CSR arazi v0 v0 FS yapı/arazi = CSR yapı σ v0 '(σ v0 +Δσ) σ (σ '+Δσ) = (7) 3. BASİTLEŞTİRİLMİŞ YAKLAŞM İLE SVLAŞMA ANALİZİ Sıvılaşma potansiyelinde yapı varlığının etkisini incelemek için yapılan bu çalışmada, zeminin temiz kum olduğu ve yer altı su seviyesinin yüzeyde olduğu kabul edilmiştir. Arazideki gerilme artışları projelendirilen yapının özelliklerine göre değişim göstermektedir. Temel geometrisinin sıvılaşma potansiyeline etkisinin incelenmesi amacıyla x, 10x10 ve 5x5 m olan temeller dikkate alınmıştır. Yapı etkisiyle zeminin sıvılaşma potansiyelinde oluşacak olan değişimlerin en azla olduğu noktaları belirlemek amacıyla temel kenarı boyunca, temel köşe noktasında ve temel boyutları dışında gerilme artışları modellenmiştir. Yapı boyutları büyüdükçe temel tabanında oluşacak olan gerilmeler artacaktır. Farklı temel taban gerilmelerine sahip yapıların zeminde sebep olacağı ilave düşey eekti gerilmeler arklı olmaktadır. Bu durumu göz önünde bulundurmak için arklı yüksekliklerdeki yapıları temsil etmek amacıyla temel taban gerilmesi 50, 100 ve 00 kpa alınarak analizler tekrar edilmiştir. Analizlerde serbest arazi koşullarında ve zeminde yapı olması durumunda elde edilen sıvılaşmaya karşı güvenlik sayıları oranlanarak, yapı varlığının sıvılaşma potansiyeli üzerine etkilerinin derinlikle beraber değişimi

4 4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Koneransı incelenmiştir. Şekil, 3 ve 4'te zeminde yapı olması durumunda ve serbest arazi koşullarındaki güvenlik sayıları oranının derinlikle değişimi, 3 bölgeye ayrılarak gösterilmiştir. numaralı bölgede, FS yapı/arazi 1,3 numaralı bölgede, 1,1< FS yapı/arazi < 1,3 numaralı bölgede, 1< FS yapı/arazi 1,1 olarak gözlenmiştir. qtaban=50 kpa qtaban=100 kpa qtaban=00 kpa z (m) (a) (b) (c) Şekil. x m boyutundaki temelde taban gerilmesinin 50 kpa (a), 100 kpa (b) ve 00 kpa (c) olduğu durumda FS yapı/arazi'nin derinlikle değişimi

5 4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Koneransı z (m) qtaban=50 kpa qtaban=100 kpa qtaban=00 kpa (a) (b) (c) Şekil 3. 10x10 m boyutundaki temelde taban gerilmesinin 50 kpa (a), 100 kpa (b) ve 00 kpa (c) olduğu durumda FS yapı/arazi'nin derinlikle değişimi z (m) qtaban=50 kpa qtaban=100 kpa qtaban=00 kpa (a) (b) (c) Şekil 4. 5x5 m boyutundaki temelde taban gerilmesinin 50 kpa (a), 100 kpa (b) ve 00 kpa (c) olduğu durumda FS yapı/arazi'nin derinlikle değişimi

6 4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Koneransı Yapılan analizler sonucunda yapı varlığının sıvılaşmaya karşı güvenlik sayısında sebep olduğu en büyük artış temel orta noktasının altında kalan zeminin temel tabanına yakın olan derinliklerde görülmüştür. 5x5 m boyutundaki temelde taban gerilmesinin 00 kpa olduğu koşulda FS yapı/fs arazi oranı 1,876 ile en büyük değerine ulaşmıştır. Yapı varlığının sıvılaşma potansiyeli üzerine etkisi gerilme artışlarının derinlikle sönümlenmesiyle orantılı olarak azalmıştır. 4. SONUÇLAR Zemin sıvılaşması deprem sonrasında önemli yapısal hasarlara sebep olabilen özel bir zemin durumudur. Bu sebeple yapı proje aşamasındayken sıvılaşma analizi gerçeğe en yakın koşullar dikkate alınarak yapılmalıdır. Sıvılaşma mekanizmasını kontrol eden iki temel etken zeminin ve gerçekleşmesi beklenen depremin özellikleridir. Zeminde, yapı ile oluşan özel gerilmeler sıvılaşma mekanizmasını olumlu ve olumsuz olarak etkilemektedir. Bu çalışma kapsamında yapı kaynaklı ilave düşey gerilmelerin sıvılaşma potansiyeli üzerindeki olumlu etkileri incelenmiştir. Sıvılaşmaya karşı güvenlik sayısının yapı etkisi ile olan değişimi temel boyutları ve temel taban gerilmesine göre arklılık göstermektedir. Temel boyutları büyüdükçe sıvılaşma potansiyelindeki yapı etkisinin etki derinliği artarken yataydaki etkin mesaenin azaldığı gözlenmiştir. Temel taban gerilmesi büyüdükçe sıvılaşmaya karşı güvenlik sayısının yapıdan etkilendiği mesaenin düşeyde ve yatayda arttığı görülmüştür. Yapı varlığının sıvılaşmaya karşı güvenlik sayısını %88'e kadar artırdığı görülmüştür. Çalışmada sunulan sonuçlar literatürde yer alan daha ileri analiz yöntem sonuçlarıyla paralellik arz etmekte olup önerilen yaklaşımın zaman ve maliyet sorunu olan pek çok projede gerek avan proje gerekse nihai analiz aşamasında kullanılabilir olduğu kanaatine ulaşılmıştır. KAYNAKLAR Seed, H.B. ve driss,.m. (1971). Simpliied Procedure or Evaluating Soil Liqueaction Potential. Journal o the Soil Mechanics and Foundations Division, 107:SM19, Mollamahmutoğlu, M. ve Babuçcu, F. (006). Zeminlerde Sıvılaşma Analiz ve İyileştirme Yöntemleri, Gazi Kitapevi, Ankara, Türkiye Coduto, D.P., Yeung, M.R. ve Kitch, W.A. (011). Geotechnical Engineering Principles and Practices, Pearson, New Jersey, A.B.D. Kramer, S.L. (003). Geoteknik Deprem Mühendisliği, Gazi Kitapevi, Ankara, Türkiye Unutmaz, B. (008). Assessment O Soil Structure Earthquake nteraction nduced Soil Liqueaction Triggering. Doktora Tezi, İnşaat Müh. Bölümü, ODTÜ, Ankara. Newmark, N.M. (1935). Simpliied Computation o Vertical Pressures in Elastic Foundations, Engineering Experiment Station Circular No.4, llinois Üni., Urbana, A.B.D.