KONU: BETON BARAJ DEPREM ANALİZLERİ VE ÖRNEK ÇALIŞMALAR SUNUM YAPAN: PROF.DR. BARIŞ BİNİCİ, ODTÜ Ali R. Yücel, S. Melek Yılmaztürk, Alper Aldemir, Uğur Akpınar, Y.Doç.Dr. Yalın Arıcı
Sunum Planı 1. Geçmişten Günümüze Beton Barajların Sismik Tasarımı 2. İki Boyutlu Deprem Analizleri 3. Üç Boyutlu Deprem Analizleri 4. Tasarımda Elastik Ötesi Analiz
Geçmişten Günümüze - I Deprem esnasında baraj gövdesi üzerine etki eden hidrodinamik basınç, baraj ön yüzünde bir miktar su kütlesi baraj ile birlikte hareket edermişçesine bir etki olarak ifade edilebilir...
Geçmişten Günümüze - II Önemli Sonuçlar: Suyun sıkıştırılabilir oluşu sebebi ile özellikle yüksek barajlarda ekli kütle metodu ile hesaplanan hidrodinamik yükler (Westergaard, Zangar Metotları) ciddi hatalar içerebilir. Suyun sıkıştırılabilir özelliğini dikkate alan rijit baraj gövdesi kabulü ile dinamik-deprem analizleri yöntemi önermiştir.
Klasik Stabilite Metodu h Su Öngörüler Rijit baraj gövdesi Sıkıştırılamaz su davranışı Rijit zemin h Tasarım Kriterleri Güvenlik Katsayılar Kayma, Devrilme Sınırlı çekmelere izin verilir Çatlama hesaba katılmaz Gerilmeler genellikle sonucu belirlemez Neden daha İleri Analiz Gerekli? Dinamik yapı davranışı Doğru hidrodinamik etkiler Deprem hareketi Yapı-zemin-rezervuar etkileşimi, Güvenli ve Ekonomik Tasarım
Beton Barajların Deprem Performansı (Nuss vd.) (PGA>0.3g) Baraj İsmi Deprem, Yıl, Mag. Yükseklik (m) PGA Hasar Williams (1895) Loma Prieta, 1989, (7.1) 21 0.6 Yok Shih Kang (1977) Chi Chi, 1999 (7.6) 21.4 0.51 Göçme Bear Valley (1988) Big Bear, 1992 (6.6) 28 0.57 Yok Gohonmatsu (1900) Kobe, 1995 (7.2) 33 0.83 Yok Kasho (1989) Tottori, 2000 (7.3) 46.4 0.54 Hafif Crystal Spr. (1890) San Francisco, 1906 (8.3) 47 0.6 Yok Miyatoko (1993) Tohoku, 2011 (9.0) 48 0.32 Yok Gibraltar (1990) Santa Barbara, 1925 (6.3) 52 0.3 Yok Ambiesta (1956) Gemona Friuili, 1976 (6.5) 59 0.36 Yok Takou (2007) Tohoku, 2011 (9.0) 77 0.38 Hafif Mingtan (1990) Chi Chi, 1999 (7.6) 82 0.4 Yok Koyna (1963) Koyna, 1967 (6.5) 103 0.6 Orta Hsinfengkiang (59) Reservoir, 1962 (6.1) 105 0.5 Ağır Sefid Rud (1962) Manjil, 1990 (7.7) 106 0.7 Ağır Rapel (1968) Santiago, 1985 (7.8) 111 0.31 Hafif Pacoima (1929) Northridge, 1994 (6.8) 113 0.53 Orta Shapai (2003) Wenchuan, 2008 (8.0) 132 0.38 Hafif Techi (1974) Chi Chi, 1999 (7.6) 185 0.5 Orta 15m 4m Mevcut 0.75 1 H<60 metre ve PGA 0.3-0.8 g için barajların performansı iyi, faya inşa hariç!! Daha yüksek barajlarda 0.3-0.7g PGA için hasar var!!
İki Boyutlu Yapı-Zemin Rezervuar Etkileşimi (Fenves ve Chopra 1984-1988) Amaç: Baraj Deprem Hasarlarını Anlamak/Baraj Tahkiki/ Rehabilitasyon Dikkate Alınan Hususlar: Dinamik yapı davranışı Sıkıştırılabilir su Tortu etkileri Yapı-zemin etkileri (2 boyut yarı sonsuz düzlem) Sonuç: Herkesin kullanımına açık bir program: EAGD Rezervuar Sediment Kaya Zemin Baraj a gx a gy
Üç Boyutlu Yapı-Zemin-Rezervuar Etkileşimi (Chopra vd. 1988-2008) Amaç: Dar Vadide Ağırlık ve Kemer Barajlar Dikkate Alınan Hususlar: Dinamik yapı davranışı Sıkıştırılabilir su Tortu etkileri Yapı-zemin etkileri (3 Boyut sınır elemanları) Sonuç: Herkesin kullanımına açık bir program: EACD EACD Yapı-Zemin- Rezervuar Sonlu Eleman Modeli
Diğer Yöntemler ve Doğrulama Çalışmaları Chopra ile Karşılaştırma Tassoulas vd. Hipereleman Yaklaşımı (1984-2006) Chopra ile Karşılaştırma Dominguez vd. Sınır Elemanları Tekniği(1993-2006)
Doğrulama Çalışması Mauvoisin Kemer Baraj SM04: akış yönü Amaç: 250m Yüksekliğinde Mauvoisin Barajında EACD Ölçüm Yaklaşımının Valpelline EACD Depremi Modeli (1996) için Doğrulanması SM04: akış yönü-dik Ölçüm EACD Modeli Ölçüm Bilgileri
Doğrulama Çalışması, Outardes Ağırlık Barajı İvme Ölçerler Sarsma Cihazı Hidrofon Grubu Amaç: 79m Yüksekliğinde Outardes Barajında EACD Yaklaşımının Sarsma Testleri ile Doğrulanması
Elastik Ötesi Analizler Amaç: Çatlama Davranışını Yansıtma, Göçme Analizi 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. Beton Çatlağı Döngüsel Davranış
Deneylerle Gerçekleme Tinawı vd. (2000) Souma (1995) Yamaguchi vd.(2005) Zhong vd. (2011) ODTÜ Deneyi: Melen Barajı nın ölçekli modeli, tek serbestlik dereceli olarak dinamik benzeri olarak denenecektir!! Tokyo Electric Power Yaklaşımı Gerçeklenme deneyleri üzerine kurulan baraj güvenliğini belirlenmesi için yazılım Potansiyel göçme senaryoları oluşturulması
Baraj Kesiti ve Malzeme Bilgileri Önerilen Tasarım Akış Şeması EVET Kesit Güvenli EVET Lineer Elastik Analiz (IED, GED) EVET Performans kriteri sağlanıyor mu? Çatlaklı durumda deprem sonrası stabilite sağlanıyor mu? HAYIR HAYIR Kesit büyütülebilir ya da yüksek dayanım kullanılabilir mi? HAYIR Elastik Ötesi Analiz (GED) Kesit Büyüt EVET
Sunum Planı 1. Geçmişten Günümüze Barajların Sismik Tasarımı 2. İki Boyutlu Deprem Analizleri 3. Üç Boyutlu Deprem Analizleri 4. Tasarımda Elastik Ötesi Analiz
Örnek Çalışmalar H m 1.0 E c E f Parametre Değerler H 50, 75, 100, 125, 150 (m) m 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0 E c /E f 0.1, 0.5, 1, 2 E c Kret Genişliği Statik Çekme D. 15000MPa 8 m 1 MPa Ivme (g) 0.3 0.2 0.1 0.0-0.1-0.2-0.3 0 20 40 60 Zaman (sn.) Sual: Tüm bu olası barajlar için Melen Barajı sahası T=2475 yıllık deprem kullanılarak elastik analiz kriterleri ile kullanılacak kesit ne olurdu?
Elastik Analiz Kabul Kriteri Stres Limitinin Aşılma Süresi Talep Kapasite Oranı (DCR) Tüm durumlar için iki boyutlu zemin-yapırezervuar etkileşimli analizler gerçekleştirilerek aşılma alanı hesaplanmıştır. Aşılma Alanı 1 Talep Kapasite Oranı 2 1 Talep Kapasite Oranı 2
Gerilme Sınırını Aşan Alan m H E 1 c. E f 0 1. Barajlar Kongresi Ekim 2012 100m 75m 50m E c /E f = 0.1 150m 125m 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 m 0.85 0.9 0.95 1.0 Rijit zemin öngörüldüğünde 50m haric hiç bir baraj yüksekliği için elastik kriter sağlanmamaktadır. Kesitlerin Güvenliği-I Gerilme Sınırını Aşan Alan E c /E f = 0.5 150m 125m 100m 75m 50m 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 m 0.85 0.9 0.95 1.0 50m 0.8, 75m 0.85, 100m 0.9 arka eğim ile elastik kriteri sağlamaktadır. 125 ve 150m barajlar 1.0 arka eğim gerektirmektedir.
m H E 1 c. E f 0 1. Barajlar Kongresi Ekim 2012 E c /E f = 1.0 Kesitlerin Güvenliği-II E c /E f = 2.0 Gerilme Sınırını Aşan Alan 150mH=150m H=125m 125m H=100m 100m 75mH=75m 50m H=50m H=150m 125m H=125m H=100m 100m H=75m H=50m 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1.0 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1.0 Gerilme Sınırını Aşan Alan Tüm barajlar arka eğim 0.9 olduğunda elastik kriter sağlanmaktadır. Arka eğim >0.8 olduğunda elastik kriter sağlanmakta, zemin gerilme kontrolü önem kazanmaktadır.
Daha Büyük Deprem Olsaydı? 125 m m 1 Sual: 125 m yüksekliğinde bir baraj için E c /E f =2 durumunda daha yüksek deprem riski öngörülmesi kesiti nasıl etkiler? 2475 yıllık tasarım depreminin 1.5-2.0 katı bir deprem istemi (~10000 yıl) ele alındığında kesit %15-25 büyümektedir.
Ağırlık Barajlarında Yapı-Zemin Etkileşimi E c /E f oranı arttıkça gerilmeler düşer. Sebep: Zemin deformabilitesi ve ışıma sönümü Dikkate alınması ile ekonomik tasarımlar mümkün!! Kaya taşıma gücü kontrolü önem kazanır. Baraj Yüksekliği arttıkça gerilmeler artar. Sebep: Artan hidrodinamik yükler ve yüksek mod etkileri Yüksek barajlarda beklenen/gözlemlenen hasar daha fazla Aynı etkiler dar vadilerde yapılan ağırlık barajları ve kemer barajlar için söz konusu olmayabilir!
Sunum Planı 1. Geçmişten Günümüze Barajların Sismik Tasarımı 2. İki Boyutlu Deprem Analizleri 3. Üç Boyutlu Deprem Analizleri 4. Tasarımda Elastik Ötesi Analiz
Üç Boyut Etkileri Andıraz Barajı, dar vadide anosuz inşa edilmesi planlanan yaklaşık 140 m yüksekliğinde bir baraj olduğundan üç boyut etkileri deprem analizlerinde dikkate alınmalıdır. Yüksek Deprem Riski 142m Sual: Verilen deprem etkisi altında x+0.3z+0.3y kombinasyonu için gerilme kriterini sağlayan optimum kesit nedir?
Kesit Optimizasyonu (475 yıl) Gerilme Lim. Aşılma Süresi (sn) Gerilme Limiti Aşılma Süresi (sn) m=0.8 m=1.0 Talep Kapasite Oranı m=0.9 m=1.05 Talep Kapasite Oranı EACD Modeli Arka eğim 0.8 ve 0.9 olarak belirlendiğinde verilen noktalarda limitler aşılmaktadır. Arka eğimin 1 ve 1.05 olduğu durumlar elastik kriter açısından kabul edilebilir.
Yapı-Zemin Etkileşimi Azami Asal Gerilme (MPa) 12 8 4 0 obe 144yıl mde 475yıl mce 2475yıl 1 2 3 4 5 E c /E f Andıraz Parametrik Çalışması: Ec/Ef arttıkça gerilmeler azalıyor, Etkileşim faydalı, Aşırı yüklemede kriterler ile yetersiz çıkıyor, kesit büyütülmeli veya doğrusal olmayan analiz yapılmalı.
Sunum Planı 1. Geçmişten Günümüze Barajların Sismik Tasarımı 2. İki Boyutlu Deprem Analizleri 3. Üç Boyutlu Deprem Analizleri 4. Tasarımda Elastik Ötesi Analiz
Elastik Ötesi Analizler 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.
Üç Boyutlu Model Sönüm Belirlenmesi Doğrusal olmayan modellerde kütlesiz zemin yaklaşımı kullanılabilir. Kütlesiz zeminli baraj modelinin sönüm oranı üç boyutlu doğru yapızemin-rezervuar etkileşimi modeli kullanılarak belirlenmelidir. Gövde Gerilmeleri EACD/Kütlesiz Model EACD EACD Relatif Dep. (cm) Kütlesiz Kütlesiz Zemin Kütlesiz Zemin Relatif İvme. (g) Kütlesiz (a) 3 Boyutlu Görüş (b) Baraj Alt Bölgesi Zaman (sn) EACD deplasman/gerilme sonuçları kütlesiz zeminli modelde sönüm belirlenmesi için kullanılır.
İki/Üç Boyut Modeller Karşılaştırması İki Boyutlu Model Üç Boyutlu Model Anolu Üç Boyutlu Model Anolar için 2D Modeller Üç boyutlu modelde aşağıda görüldüğü gibi anolar ayrı ayrı modellenmekte olup yapım derzleri de modele eklenmiştir. Anolu inşa edilme durumunda bile kinematik etkileşim nedeni ile sistem üç boyutlu davranmaktadır! İki boyutlu modeller dar vadide doğru sonuçları vermeyebilir. 80m ano5 140m ano10
Kemer Baraj Örneği-Koçak Barajı Koçak Barajı fay hattının çok yakınında çok yüksek deprem riskine sahip bir bölgededir. Dar bir vadide bulunması kemer yapılabilmesini mümkün kılmıştır. 7 m 27 m Spektral İvme 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 ~0.55g %5 Sönüm %10 Sönüm %20 Sönüm 0.000 0.500 1.000 1.500 2.00 Periyot (sn) Mod 1 (f 1 =6.1 Hz) 30 m Mod 2 (f 2 =8.5 Hz) 16 m
Beklenen Hasar-Kopma Bölgesi Kritik yük kombinasyonları için çatlama bölgeleri belirlenmiş, Beklenen çatlamaya göre elde edilebilecek kopma bölgeleri kontrol edilmiştir.
Sonuçlar Yüksek barajlar için depremler, tasarımı kontrol eden ve mevcut baraj baraj performansını belirleyen önemli etmenlerdir. Elastik analiz araçları ile gerilme tahkikleri gerçekleştirilmelidir. Dar vadide yapılacak ağırlık barajları ile kemer barajlar için zemin-yapı-rezervuar etkileşimini dikkate alan üç boyutlu analizler muhakkak yapılmalıdır. Gerilme kriterlerinin aşıldığı durumlarda kesit güvenliği elastik ötesi analizler ile kontrol edilebilir. Elastik ötesi analizlerin girdileri ve sonuçları ehil mühendisler tarafından dikkatle değerlendirilmelidir.