İzmit Körfez Geçişi Asma Köprüsü nün Dinamik Analizi Metin Karslıoğlu, Mehmet Ozan Yılmaz,Abdurrahman Şahin Yıldız Teknik Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü,34220, Esenler/İstanbul E-Posta: karslioglumetin@hotmail.com ÖZ Bu çalışmada İzmit Körfez Geçişi Asma Köprüsü nün 3 boyutlu sayısal modeli oluşturulmuş ve dinamik etkiler altındaki davranışı incelenmiştir. İzmit körfezi üzerinde inşa edilen köprü 2682 m toplam uzunluğa ve 1550 m ana açıklığa sahip olarak dünyanın 4. büyük asma köprüsü olacak ve Türkiye nin en büyük şehri olan İstanbul ile üçüncü büyük şehri olan İzmir i birbirine bağlayacak olan otoyolun bir parçası olarak hizmet verecektir. Köprü konumu itibariyle sismik aktiviteler açısından çok aktif bir bölge üzerinde bulunmaktadır. 1999 yılında meydana gelen 7.4 büyüklüğündeki depreme neden olan Kuzey Anadolu fay hattının çok yakın bir konumda yer alması bu durumun önemini daha da arttırmaktadır. Bu çalışmada köprünün 3 boyutlu sonlu elemanlar modeli oluşturulmuş ve zaman tanım alanında hesap yöntemi kullanılarak yapının sismik davranışı incelenmiştir. Anahtar sözcükler: İzmit körfez geçişiasma köprüsü, Asma köprüler, Zaman tanım alanında analiz Giriş İzmit Körfez Geçişi Asma Köprüsü, İzmit Körfezi nin kuzeyinde Gebze-Orhangazi- İzmir Otoyolu nun bir parçası olarak inşa edilecek ve tamamlandığında 1550 m. açıklığı ile dünyanın en uzun dördüncü asma köprüsü unvanına sahip olacaktır. Köprü, kuzeyde Dilovası Burnu ve güneyde Altınova-Hersek burnu arasında bulunmaktadır. Bu bölge, yakın tarihimizden de hatırlanacağı gibi çok yıkıcı depremler görmüştür. Bölgeyi inceleyen jeofizik ve deprem uzmanlarının görüşlerine göre de, 1999 İzmit Depremi ni oluşturan diri fayların benzer büyüklükte faylar oluşturması mümkündür. Bu tip büyük depremlerin tekrarlanma sıklığı 200-250 yıl kadar olmakla beraber, bölgenin aktif deprem aktivite durumu göz önüne alınarak ve köprünün tasarım ömrünün de 100 yıl kadar olduğu düşünülerek; asma köprünün işletme ömrü boyunca benzer karakteristikleri taşıyan bir depreme maruz kalması olasıdır. Yapının inşaatı henüz tamamlanmadığından, hakkında yapılan yayınların miktarı da kısıtlıdır. Literatürde yapılan çalışmalardan Diana ve diğ. (2013) köprünün ölçekli modelini kullanarak tabliyenin farklı rüzgâr hızlarına gösterdiği tepkileri belirlemişlerdir ve aerodinamik niteliklerini saptamışlardır. Argentini ve diğ. (2013) yaptığı çalışmada ise köprünün doğal titreşim modlarını ve frekanslarını hesaplamışlardır. 71
Yapısal Model İzmit Körfez Geçiş Köprüsü nün kuleleri arasındaki mesafe 1550 m ve kenar açıklıkların her ikisi de 556 m olup, toplam uzunluğu 2682 m dir. Kulelerin yüksekliği 252 m dir ve her iki kulede de iki ayak ve ikişer enleme kirişi bulunur. Köprü genel görünümü Şekil 1 de verilmiştir. Köprü tabliyesi aerodinamik kutu kesit olarak tasarlanmış ve rüzgâr stabilitesinin azami seviyede olması amaçlanmıştır. Tabliye genişliği 35.93 m. olup üzerinde 6 şeritli otoyol bulunmaktadır. Tabliye kesitinin yüksekliği 4.75 m dir ve her 5 m de çaprazlarla desteklenmiştir. Şekil 1 İzmit Körfez Geçiş Köprüsü genel yerleşimi. Köprünün üç boyutlu sonlu eleman modeli SAP2000 v14.1(2010) yazılımından faydalanılarak oluşturulmuştur. Tabliye ve kule elemanlarında çubuk elemanlardan faydalanılmış, ana kablo ve askı halatlarında ise kablo elemanlar kullanılmıştır. Üç boyutlu sonlu elemanlar modeli 3264 serbestlik derecesine sahiptir. Sonlu elemanlar modeli Şekil 2 de, kesit özellikleri de Tablo 1 de görüldüğü gibidir. Şekil 2 İzmit Körfez Geçiş Köprüsü üç boyutlu sonlu eleman modeli. Tablo 1 Sonlu elemanlar modelinin oluşturulmasında kullanılan kesit özellikleri Alan [m2] I3-3 [m4] I2-2 [m4] Burulma Sabiti [m4] Tabliye 1.662 8.219 272.96 12.4 Kule 1.211 12.156 10.398 10.31 Enleme Kirişi 0.74 5.344 1.728 2.02 Ana Kablo 0.383 0.0117 0.0117 0.0233 KenarKablo 0.39 0.0121 0.0121 0.0242 Askı Halatı 8.65E-03 5.97E-06 5.97E-06 1.19E-05 72
Modal Analiz Yapısal modele ait doğal titreşim (modal) analizi yapıya ait dinamik karakteristiklerin belirlenmesi ve sonlu eleman modelinin doğrulanması amacı ile yapılmıştır. Buna göre, elde edilen doğal titreşim modları, önceden yapılan çalışmalarda hesaplananlar ile karşılaştırılmıştır. Sonuçlara göre köprünün birinci doğal titreşim modu yanal doğrultuda olup hareket periyodu 19.16 saniyedir. İkinci ve üçüncü periyotlar düşey doğrultuda ve sırasıyla 11.90 ve 11.22 saniyedir. İlk 3 mod Şekil 3 te verilmiştir. Şekil 3- Köprünün ilk 3 tabii titreşim modu Yapılan karşılaştırmada nümerik modele ait titreşim frekansları literatürle uyumlu bulunmuş ve model doğrulanmıştır. İzmit ve Çevresinin Depremselliği İzmit Körfez Geçiş Köprüsü bulunduğu konum itibariyle, Türkiye nin ve dünyanın deprem şiddeti bakımından en yüksek risk teşkil eden bölgelerinden birinde bulunmaktadır. 1999 İzmit depremi, Marmara Bölgesi ndeki aşırı nüfus yoğunluğunun ve getirdiği plansız kentleşmenin sonuçlarını göstermiştir. Bu depremde 17273 kişi hayatını kaybetmiş, 50000 den fazla insan yaralanmış ve toplamda yaklaşık olarak 20 milyar dolarlık hasar meydana gelmiştir. [URL-1] Marmara Bölgesi, tarihte de benzer büyüklük ve şiddette depremler görmüştür. Bunlardan tarihi metinlerde bahsedilen depremler, metinlerde yapılan betimlemelere dayanılarak belirlenen Mercalli şiddet ölçekleri ile Tablo 2 de gösterilmiştir. Şekil 4 İzmit Körfez Geçiş Köprüsü nün bulunduğu bölgeye ait diri fay haritası Emre ve diğ. (2001) 73
Mercalli şiddet ölçeğinde IX şiddetli ve X yoğun şiddetli depremleri tarif eder. Tarihteki depremlerin şiddetleri belirlenirken tarihi metinlerden faydalanılmıştır. Bunlarda, 553-İstanbul depremi ile alakalı İstanbul un neredeyse yerle bir olduğu anlatılır. Bazı depremlerin ise, İzmit Körfezi, Adalar Bölgesi ve İstanbul sahillerinde 6 m boyunda tsunami dalgaları oluşturacak kadar şiddetli olduğundan bahsedilir. Tarihteki bilinen depremler incelendiğinde, bölgede sık tekrarlanma frekanslarıyla şiddetli depremler olduğu görülebilir. Mercalli ölçeği aslında tamamen depremin yeryüzüne, insanlara ve yapılara etkisi üzerine kurulmuştur. Yani Marmara Bölgesi nde gerçekleşen deprem, İstanbul da ve İzmit te aynı şiddette olmayabilir. Bu örnekte, incelenen alan kısıtlı olduğundan ve şehirler de genel olarak aynı nitelikleri yansıttığından ve dahi tarihi kaynaklardan depremlerle ilgili çıkarılabilecek yegâne ölçü şiddet olduğundan; deprem şiddetleri üzerinde durulmuştur. Doğrudan bir dönüşüm mümkün olmadığı gibi, genel bir fikir vermesi bakımından, USGS (Birleşik Devletler Jeoloji Araştırmaları Kurumu) tarafından yayınlanan tabloda VIII ve üzerinde şiddette olan depremlerin 7.0 ve daha fazla büyüklüğe sahip olduğu iddia edilir.[url-2] Günümüzde yer hareketleri anlık olarak takip edilebilmekte ve kaydedilmektedir. Betonarme ve çelik yapıların tasarımında da bu kayıtlar kullanılmaktadır. Güçlü yer hareketleri ile ortaya çıkan zamana göre değişen ivme fonksiyonu, yapıya belirli zaman adımlarında etki ettirilerek yapının tepkisi saptanır. Farklı depremler için yapılan analizler sonucu oluşan kesit tesirleri incelenerek yapısal elemanların kapasitelerini aşıp aşmadığı kontrol edilir ya da bu tesirlere göre boyutlandırma yapılır. Tablo 2 Köprünün bulunduğu bölgede olan tarihi depremler ve şiddetleri [URL-3] 1999 İzmit depremini oluşturan Şekil 4 te görülen diri fayın, köprünün birleştirdiği boğazdan geçtiği düşünülerek, bu çalışmada yapının ve yapısal elemanların bu depreme gösterdiği tepkileri simule eden bir analiz yapılmıştır. Şekil 5 te 1999 İzmit Depremi nde Gebze istasyonundan kaydedilen hareket ivmeleri sunulmuştur. İvmenin her üç bileşeni farklı grafiklerde gösterilmiştir. 74
Şekil 5 1999 İzmit Depremi nin Gebze İstasyonu ndan alınan ivme kayıtları[url-4] Zaman Tanım Alanında Çözüm Zaman tanım alanında deprem analizi için 1999 İzmit merkez üslü depremin Gebze İstasyonu ndan alınan kayıtları kullanılmıştır. Bu deprem, Şekil 4 te işaretlenen fayın kırılmasıyla gerçekleşmiş olup, bölgenin deprem karakteristiğini yansıtması bakımından uygun görülmüştür. Köprünün tasarım ömrü boyunca bu ve benzeri deprem hareketlerine maruz kalabileceği öngörülmüş ve olası bir senaryoda köprünün gösterdiği yapısal tepkiler elde edilmiştir. Sonuçlar Zaman tanım alanında çözümden elde edilen sonuçlar aşağıda sunulmuştur. Referans olarak tabliye ana açıklık orta noktası, tabliye kenar açıklıklar orta noktaları ile kuzey ve güney kule tepe noktaları deplasmanları ile kule taban momentleri ve kablolardaki eksenel kuvvetler seçilmiştir. Şekil 6, 7 ve 8 de ilgili deplasman değerleri görülebilir. 75
Şekil 6 - Ana Açıklık ¼, orta ve ¾ noktalarındaki deplasman değerleri Şekil 7 Kenar açıklıkların orta noktalarındaki deplasman değerleri 76
Şekil 8 Güney ve kuzey tepe noktalarındaki deplasman değerleri Deplasman sonuçları incelendiğinde, köprünün deprem hareketi neticesinde düşeyde tabliye orta noktası sınırlı deplasman yapmış olup, ana açıklık ¼ ve ¾ noktaları giderek büyüyen yer değiştirmeler göstermiştir. Bu da düşeyde ikinci doğal titreşim moduna karşılık gelmektedir. Ayrıca bahsedilen deprem hareketinin, kenar açıklıklarda da büyük deplasmanlar meydana getirdiği görülmüştür. Deplasmanların yanında kulelerde oluşan moment ve kablolarda oluşan eksenel kuvvetler de elde edilmiştir. Bunlar Şekil 9, 10 ve 11 de sunulduğu gibidir. Şekil 9 Kule taban 2-2 ve3-3 momentleri 77
Şekil10 Ana kablo ve kenar kablolarda oluşan eksenel kuvvetler Şekil 11 Kenar ve orta açıklıklardan seçilen askı halatlarına ait eksenel kuvvetler Yapısal elemanlarda oluşan iç kuvvetler ve yapısal tepkiler incelendiğinde, köprünün mevzubahis deprem kaydı etkisiyle mevcut sınır şartları, geometrik ve malzeme özellikleri altında tehlikeli sayılabilecek tepkiler göstermediği görülmüştür. Yalnız, şu bilhassa belirtilmelidir ki, bu konuda kesin bir kanıya varabilmek için, yapının kendine has zemin özellikleri ile beraber değerlendirilmesi zarureti bulunmaktadır. Kuzey tarafta bulunan kule kayaya otururken, Güney taraftaki kule ayakları alüvyon tabakaya oturmaktadır ve kayadan epey uzaktır. Zeminin ivme büyütmesine son derece müsait olan bu durumun yapıda oluşturacağı tesirler ayrıca incelenmelidir. Kaynaklar G. Diana ve diğ. (2013). Construction stages of the long span suspension Izmit Bay Bridge: Wind tunnel test assessment. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,Volume 123, Part B, December 2013, Pages 300 310. Ö. Emre ve diğ.(2001). 1:250.000 Ölçekli Türkiye Diri Fay Haritası Serisi, Bursa (NK 35-12) Paftası, Seri No:9, Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü, Ankara-Türkiye SAP2000 v14.1.0. Computers and Structures Inc. (2010) Berkeley, CA, USA T. Argentini ve diğ.(2013). Comparisons between wind tunnel tests on a full aerolastic model and numerical results of the Izmit Bay Bridge.6th European and African Conference on Wind Engineering, Robinson College, Cambridge, UK. 78
Online Kaynaklar URL-1 http://www.ngdc.noaa.gov/nndc/struts/results?eq_0=5527&t=101650&s=18&d= 99 91,95,93&nd=display (10.08.2015) URL-2www.earthquake.usgs.gov/learn/topics/mag_vs_int.php (10.08.2015) URL-3www.koeri.boun.edu.tr/sismo/2/deprem-bilgileri/tarihsel-depremler/ (10.08.2015) URL-4http://ngawest2.berkeley.edu/(10.08.2015) URL-5 www.brodag.dk/synopsis/2014/11%20izmit.pdf (10.08.2015) 79