Geri Dön

Estimation of partial saturation to be induced in liquefiable sands for mitigation using artificial neural network approach

Yapay sinir ağları yöntemiyle sıvılaşma iyileştirmesi için kumlarda uygulanacak kısmı doygunluk tahmini

PDF İndir

  1. Tez No: 323954
  2. Yazar: ÇAĞDAŞ ÇAYAKAN
  3. Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. E. ECE BAYAT
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Deprem Mühendisliği, Earthquake Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2012
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 117

Özet

Yapay sinir ağları, insan beyninin sinir yapısından ve çalışma mekanizmasından etkilenerek geliştirilmiştir. Günümüzde bir çok alanda uygulaması olduğu gibi, inşaat mühendisliği alanında da oldukça kullanılmaktadır. Bu çalışmada, yapay sinir ağları yaklaşımıyla Yegian et al. Tarafından 2007 yılında, deprem sırasında zeminde oluşabilecek sıvılaşma durumunu engellemek amacıyla önerilen Kısmi-Doyguna İndirgeme tekniği için sahada uygulanması gereken kısmı doygunluk tahmini yapılmıştır.Gevşek, suya doygun bir kum zemin, deprem yüklerine maruz kalırsa, sıkışmaya çalışır ve hacmi azalır. Hacimdeki bu azalma, boşluk suyu basıncını arttırır ve artan boşluk suyu başlangıç efektif gerilme değerine ulaşırsa, efektif gerilme sıfır olur ve kum sıvı gibi davranır. Kumun sıvı gibi davranması ise literatürde sıvılaşma olarak tanımlanmaktadır. Sıvılaşma, deprem etkisiyle, taşıma gücü kayıpları, yanal yayılma ve diferansiyel oturmalarla sonuçlanabilen en yıkıcı olaylardan biridir.Sıvılaşmanın yıkıcı etkisini yok etmek adına, günümüzde çeşitli zemin iyileştirme yöntemleri geliştirilmiştir. Zemin iyileştirmelerinde ki temel amaç, mekanik etkilerle zemin boşluk suyu oranının azaltılmasıyla ya da zemindeki boşlukların çeşitli karışımlarla doldurulmasıyla sıvılaşmaya karşı direnci arttırmaktır. Zemin iyileştirmesinde kullanılan popüler teknikler sıkılaştırma, güçlendirme, enjeksiyon/ karıştırma ve drenaj olarak sıralanabilir. Bu tekniklere ek olarak, sıvılaşma etkisini engellemek adına diğerlerinden daha pratik ve ekonomik olması avantajıyla Kısmi-Doyguna İndirgeme (IPS) yeni bir yöntem olarak geliştirilmiştir. Kimyasal bileşimi soydum perborat olan Efferdent kuru kumla karıştırılarak su ile reaksiyona girer ve H2O2 oluşturarak oksijen açığa çıkmasına sebep olur. Böylece kısmi doygun kumlarda, farklı doygunluk dereceleri elde edilir. Farklı doygunluk derecelerine ve farklı rölatif sıkılığa sahip olan kumlara farklı kesme birim deformasyonları da uygulanarak boşluk suyu basıncındaki azalmanın gözlenmesiyle, kısmı doygun kumlarda sıvılaşma olmadığı tespit edilmiştir.Kısmi Doyguna İndirgeme tekniğinin başarısını ölçme ve kısmi doygun kumlarda deprem sırasında oluşacak boşluk suyu basıncı tahmini için 2009 yılında Eseller-Bayat tarafından RuPSS (kısmi doygun kumlarda boşluk suyu basıncı oranı) ampirik modeli geliştirilmiştir. RuPSS modeli boşluk suyu basınç oranını üç aşamada hesaplamayı öngörür. İlk aşamada model, deprem şiddetine bağlı olan eşdeğer tekrarlı çevrim sayısını göz önünde bulundurmadan oluşabilecek maksimum boşluk suyu basınç oranını (rumax) (zeminin çevrim sayısı devam edildiği sürece erişebileceği ve orda sabit kalacağı maksimum değer) bulmayı öngörür. İkinci aşamada eşdeğer deprem çevrim sayısının (N ? ), rumax'e ulaşmak için gereken çevrim sayısına (Nmax) oranına (N ?? Nmax) bağlı olarak boşluk suyu basınç oranının maksimum boşluk suyu basınç oranına bölümünü (ru/rumax) tahmin etmeyi önerir. Bir başka deyişle, deprem eşdeğer çevrim sayısının boşluk suyu basıncını maksimum değerinden ne oranda aşağıya düşürdüğünü tahmin eder. Son aşama olarak da birinci aşamada bulunan rumax, ikinci aşamada bulunan azalma oranı ile (ru/rumax) çarpılarak kısmi doygun zeminde belli bir deprem sırasında oluşabilecek boşluk suyu basıncını tahmin eder. Deney verilerine bağlı olarak, rumax'ın, doygunluk derecesine (S), rölatif sıklığa (Dr) ve zeminde oluşan tekrarlı kesme birim deformasyonuna ( ? ) ve Nmax'ın ise S, Dr , ? ve ilk efektif gerilmeye ( ? 'v) bağlı olduğu görülmüştür. Eseller-Bayat tarafından rumax için bağlı olduğu parametrelere dayalı matematiksel bir denklem geliştirilmiş, ancak Nmax'in bağlı olduğu parametrelerle ilişkisinin karmaşıklığı nedeniyle de doğrudan rumax'e bağlı bir matematiksel denklem geliştirilmiştir. Bu çalışmada yapay sinir ağları tekniği kullanılarak Nmax'ın doğrudan bağlı olduğu parametrelerle ilişkisinin belirlenmesi ve aynı zamanda her parametrenin Nmax¬ davranışına etkisinin duyarlılık analizi ile belirlenmesi hedeflenmiştir. İkinci bir yapay sinir ağları modeli de rumax tahmini için gerçekleştirilmiş ve duyarlılık analizi ile her parametrenin rumax üzerindeki etkisi belirlenmiştir.Maksimum boşluk suyu basıncı (rumax) için geliştirilen yapay sinir ağı modeli için, sarsma masasında özel bir sıvılaşma kutusunda gerçekleştirilen 96 test verisi kullanılmıştır. Bu veriler, doygunluk derecesi (S), rölatif sıkılık (Dr), kesme birim deformasyonu (?) ve maksimum boşluk suyu basıncı oranı (rumax) parametrelerinden oluşmaktadır. Davranışa en uygun yapay sinir ağı modeli ?Geri yayılma sinir ağı (BPNN)? olarak belirlenmiştir. BPNN modelin, matematiksel modele kıyasla 90% güven aralığında ±0,1 hata ile daha iyi tahmin yaptığı görülmüştür. Oluşturulan modelin eğitilmesinde, kullanılan her girdi parametresinin, çıkış parametresine etkisi de incelenmiş ve doygunluk derecesinin, maksimum boşluk suyu basıncı oranı üzerinde en büyük etkiye sahip olduğu gözlemlenmiştir. İkinci büyük etkinin kesme birim deformasyonu, diğerinin ise rölatif sıkılık olduğu tespit edilmiştir. Yapay sinir ağı modelinin en uygun modeli kullanılarak eğitilmesi sonucu, pratikte boşluk suyu basıncı oranı tahmininde kullanılması amaçlı, gevşek ve orta sıkı kumlarda belirli kesme birim deformasyonları için, doygunluk derecesine bağlı olarak maksimum boşluk suyu basıncı (rumax) tahmin grafikleri oluşturulmuştur.İkinci bir yapay sinir ağı modelinde 57 test verisi, maksimum boşluk suyu basıncı oranına ulaşabilmek için gerekli olan çevrim sayısı (Nmax) tahmini için eğitilmesinde kullanılmıştır. Bu veriler, doygunluk derecesi (S), rölatif sıkılık (Dr), kesme birim deformasyonu (?) ve Nmax parametreleridir. Davranışa en uygun yapay sinir ağı modeli ?Genel regresyonlu sinir ağı (GRNN)? olarak belirlenmiştir. GRNN modelin, matematiksel modele kıyasla 90% güven aralığında ±11 hata ile daha iyi tahmin yaptığı görülmüştür. Tıpkı maksimum boşluk suyu basıncı oranında olduğu gibi doygunluk derecesinin, maksimum boşluk suyu basıncı oranı üzerinde en büyük etkiye sahip olduğu gözlemlenmiştir. İkinci büyük etkinin rölatif sıkılık, diğerinin ise kesme birim deformasyonu olduğu tespit edilmiştir. Yapay sinir ağı modelinin en uygun modeli kullanılarak eğitilmesi sonucu, pratikte boşluk suyu basıncı oranı tahmininde kullanılması amaçlı, gevşek ve orta sıkı kumlarda belirli kesme birim deformasyonları için doygunluk derecesinin maksimum boşluk suyu basıncı oranına ulaşabilmek için gerekli olan çevrim sayısı (Nmax) tahmin grafikleri oluşturulmuştur.Uygulanacak kısmi doygunluk tahmini için son olarak, örnek vaka çalışması yapılmıştır. Sıvılaşma potansiyeli olan ve temiz kuma sahip bir saha seçilerek öncelikli olarak, tekrarlı kayma gerilmesi kriteriyle sıvılaşma analizi yapılmıştır. Sıvılaştığı tespit edilen zemin katmanları için iyileştirme tekniği olarak Kısmi Doyguna İndirgeme tekniği kullanıldığında optimum uygulanması gereken kısmi doygunluk derecelerinin tahmini yapılmıştır. Sahaya ait rölatif sıkılıklar, düzeltilmiş SPT vuruş sayılarıyla her bir tabaka için hesaplanmıştır. Sahaya ait ölçülen SPT darbe sayıları her bir tabaka için kayma hızına dönüştürülmüştür. Edushake programı ile, elde edilen kayma hızları ve zemine ait birim ağırlıklar da kullanılarak, 1-D yer hareketi analizi yapılmıştır. Bu analiz sonucu her bir tabaka için maksimum kesme birim deformasyonları elde edilmiştir. Elde edilen maksimum kesme birim deformasyonları, hem yapay sinir ağları modelinde hem de matematiksel modelde kullanılmak üzere tekrarlı kesme birim deformasyonuna dönüştürülmüştür. İlk olarak tamamen doygun zeminin 80% doygunluk derecesine indirgenmesi ile oluşan rumax ve ru degerleri hem YSA modelleri hem de matematiksel model ile tahmin edilip karşılaştırılmıştır. YSA modelleri ile tahmin edilen boşluk suyu basınç oranlarının matematiksel modele çok yakın olduğu görülmüştür. Buna ek olarak, doygunluk derecesinin sadece 20% azaltılması ve oldukça büyük bir yer hareketi etkimesine rağmen boşluk suyu basıncı oranlarında genelde 0,1 den az değerlere kadar düşüş tahmin edilmiştir. Sonuç olarak zeminin büyük bir kısmında 80% lik bir kısmi doygunluğa indirgemenin boşluk suyu basıncını azaltmada yeterli olduğu görülmüştür. Doygunluk derecesi 80%'e indirgenmiş olup, kesme birim deformasyonu çok yüksek (?>0,3%) olduğu durumlarda ise boşluk suyu basınç oranının 1'e yakın yani kritik değerlere yaklaştığı görülmüştür. Vaka analizinin ikinci aşamasında herhangi bir dizayn ru değeri için (ru=0,5) zemin derinliği boyunca ne derecelerde kısmi doyguna indirgenme uygulanması gerektiği tahmin edilmiştir. Zemin derinliğinin büyük bir kısmında doygunluk derecesinin sadece 80%'e indirgenmesiyle elde edilen boşluk suyu basıncı oranının 0,1'den az değerlerde olması 80% kısmi doygunluk derecesinin yeterli olacağını göstermiştir. İstenirse daha yüksek kısmi doygunluk dereceleri de uygulanabilir ancak zeminin her yerinde eşit bir dağılımın sağlanması ve 80%'nin üzerinde maksimum boşluk suyu basınç oranının 1'e yakın değerlere yaklaşma ihtimalinden dolayı güvenli tarafta kalmak için 80% derecede indirgeme önerilmiştir. Zeminin kaya katmanına çok yakın kısmında zayıf bir kum tabakasının bulunması Edushake programında çok yüksek birim deformasyonlarının elde edilmesine neden olmuştur. Bu yüksek birim deformasyonları için yapılan tahminler o katmanlarda ru'nun 0,5 den az olması için kısmi doygunluk derecesinin 50%'ye indirgenmesi önerilmiştir.Vaka analizinde, yapay sinir ağları modellerinin kısmi doyguna indirgeme tekniği ile iyileştirilecek zeminlerde boşluk suyu basınç oranını (ru) başarıyla tahmin ettiği ve matematiksel model ile yakın sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Bu çalışmada geliştirilen yapay sinir ağı modelleri gelecekte saha verilerinin de eklenmesiyle geliştirilip, daha iyi tahminler vermesi gerçekleştirebilir.

Özet (Çeviri)

Liquefaction of sands is one of the most devastating effects of earthquakes to our environment, resulting in bearing capacity failures, lateral spreading, differential settlements. Liquefaction is the loss of shear strength in fully saturated loose sands due to excess pore water pressure build-up during a repeated loading or dynamic excitation, such as an earthquake. In order to reduce the liquefaction related failures to our built environment, there are current mitigation techniques implemented in practice. However, there is an urgent need for more practical and cost effective mitigation techniques. Induced-Partial Saturation (IPS) which has been recently proposed by Yegian et al. in 2007 aims to mitigate liquefaction by generating air/gas in fully saturated liquefiable sand sites. A series of shaking table experiments were performed to investigate excess pore water generations in partially saturated sands prepared at different degrees of saturation and an empirical model RuPSS (excess pore water pressure ratio (ru) in partially saturated sands) was developed by Eseller-Bayat in 2009, to estimate ru in partially saturated sands either mitigated by IPS or naturally occurring in that condition. RuPSS predicts ru within an uncertainty based on mathematical equations depending on 5 main parameters (degree of saturation, S, relative density, Dr, shear strain, ?, earthquake magnitude, M and initial effective stress, ??v).The prediction of excess pore water pressures by a mathematical model was challenging and had complications in correlating effects of multiple parameters. In this thesis a new study was performed to develop ANN models for better prediction of excess pore water pressures generated in partially saturated sands during an earthquake. Another goal of using the ANNs was to perform sensitivity analysis and to determine the effect of the most dominant parameters on the generation of excess pore water pressures in partially saturated sands. The results demonstrate that degree of saturation (S) is the parameter which has the most dominant effect on ru. Also, based on ANN models, prediction plots were developed for loose and medium dense sands for use in practice.In the second phase of the research, the degrees of saturation that need to be induced in a liquefiable sand site in Japan, were estimated for a design value of ru. Edushake was used to get the shear strains developed in each soil layer due to a given earthquake at that site. Using the maximum shear strains induced ( ? max), relative densities (Dr) estimated based on the standard penetration test results, earthquake magnitude (M), the required degrees of saturation to be induced in each layer of the soil profile were predicted for a limiting value of design ru (excess pore water pressure ratio) by using both ANNs and the mathematical models. For the specific site used in the study, reduction of degree of saturation by 20% was sufficient to reduce ru down to less than 0,1 for the majority of sand layers. Only for a weak sand layer just above the outcrop, 50% reduction in degree of saturation was suggested due to very high strains (?>0,3%) induced. The predictions by both models were close to each other confirming the functionality of ANN models for predicting ru. Moreover, ANN models can be improved with more data when available in the future with the application of the IPS technique in the field.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    686066

    Dynamic response of partially saturated sands under foundations

    Yapı temelleri altında kısmi doygun kumların dinamik davranışı

    SEYED MOHSEN SEYEDI VIAND

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ESRA ECE BAYAT

  2. Tez No

    627596

    Determination of volumetric strains in fully and induced partially saturated sands through dynamic simple shear test device with confining pressure

    Tam doygun ve kısmi doygunluğa indirgenmiş kumların hücre basınçlı dinamik basit kesme deneyleri ile hacimsel deformasyonun tayin edilmesi

    TUĞBA BAHAR BAHŞİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ESRA ECE BAYAT

  3. Tez No

    713481

    Seismic response and prevention of liquefactionfailure of sands partially saturated throughintroduction of gas bubbles

    Gaz girişi ile iyileştirilmiş kısmi doygun kumların sismik davranışı ve sıvılaşmasının engellenmesi

    ESRA ECE ESELLER BAYAT

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2009

    İnşaat MühendisliğiNortheastern University

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MISHAC K. YEGIAN

  4. Tez No

    558316

    Asenkron motorlarda rotor çubuk kırılmasının işletme başarımı üzerine etkisinin sonlu elemanlar yöntemiyle tespitine katkılar

    Contributions to determining the effect of rotor bar break on operational performance of induntion motors by finite element method

    VOLKAN KURT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ

  5. Tez No

    166170

    Katı yalıtkanlardaki elektriksel zorlamalar ve ömür saptaması

    Electrical stresses in solid insulators and life prediction

    SUAT İLHAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2005

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYDOĞAN ÖZDEMİR

Geri Dön