Building response to ground movements induced by tunnelling and excavation
Tünel ve şaft kazılarından kaynaklanan zemin hareketleri karşısında binaların davranışı
- Tez No: 537854
- Danışmanlar: PROF. DR. ALPER İLKİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 136
Özet
Kentleşmiş bölgelerde, iki önemli altyapı faaliyeti; metro projeleri ve derin temel kazıları, komşu yüzey yapıları üzerinde önemli derecede olumsuz etkilere neden olabilir. Yüksek yoğunluklu bu bölgelerde ulaşım, konut ve ofis binalarına olan talebin artması, bu tür altyapı yatırımlarının sayısını artırmaktadır. Bu alanlarda, yatay kentsel büyüme olanağı sınırlı olduğundan, düşey alanları daha verimli kullanmak için derin temel çukurları olan yüksek binalar inşa edilmektedir. Sonuç olarak, tünel açma veya derin kazı faaliyetleri nedeniyle meydana gelen düşey ve yatay zemin hareketleri, mevcut yüzey yapıları ya da su iletim boruları gibi altyapı hizmetleri üzerinde ciddi hasar riskleri oluşturmaktadır. Literatürde, tünel açma ve kazı kaynaklı zemin hareketlerinden kaynaklanan sorunlar, genel olarak, bina duvarlarında ve taşıyıcı sistem üzerinde çatlaklar, kapıların ve pencerelerin sıkışması, kirişlerin taşıma gücünü yitirmesi, bazı hassas cihazların arızalanması ve altyapı hizmetlerinin hasar görmesi olarak sınıflandırılmaktadır. Çoğu durumda, gerilme yığılmaları bakımından elverişsiz pencere ve kapı açıklıklarının köşelerinde, farklı oturmalardan kaynaklanan çatlaklara rastlanmaktadır. İlerleyen aşamalarda, farklı oturmaların büyüklüğü arttıkça, bu çatlakların boyu uzamakta veya genişleyebilmektedir. Zemin profilinin dışbükey bölümü üzerinde bulunan yığma taşıyıcı duvarlara sahip binalarda, üste yakın kesitlerde önemli düşey çatlakların ortaya çıktığı rapor edilmiştir. Oturmaların artması ile bu çatlaklar boyunca meydana gelen ayrılmalar gözlemlenmiştir. Tünel açma ve kazıdan kaynaklanan hasarlar, yapı dayanımının ve rijitliğinin ciddi şekilde azalmasına neden olabilir. Bina hasarını önlemek veya hafifletmek için etkili koruma yöntemlerinin belirlenmesi amacıyla, tünel açma ve kazı kökenli zemin hareketlerinin büyüklüğünün ve dağılımının doğru olarak belirlenmesi ve daha sonra bu etkiler altında yapı davranışının tahmin edilmesi gerekmektedir. Ancak, bu problem, zemin ve yapı arasında karşılıklı bir etkileşim problemidir ve çoğu kez malzeme özellikleri, kazı detayları, inşaat aşamaları gibi konulardaki belirsizlikler ve bilinmeyenlerden dolayı kolaylıkla çözümlenemeyebilir. Uygulamada, tünel açma ve kazı kaynaklı zemin hareketlerinden kaynaklanan bina hasar riski üç seviyede değerlendirilir: (i) ön seviye, (ii) ikinci seviye ve (iii) detaylı değerlendirme. Ön seviye risk değerlendirmesi, ampirik gözlemlere dayalı olarak belirlenen oturma ve dönme sınır değerlerinin, her bir binanın izdüşümü üzerinde hesaplanan en büyük oturma ve dönme değerleri ile karşılaştırılması yoluyla belirlenir. İkinci aşama değerlendirmede, binalar için bir kiriş benzeşimi kullanılır. Kiriş denklemlerinin analitik olarak çözülmesi ile en büyük çekme şekildeğiştirmesi hesaplanır. Risk seviyesi, önceden ampirik olarak belirlenmiş çekme şekildeğiştirmesi değerleri ile hesaplanan değerlerin karşılaştırılmasıyla belirlenir. Bu nedenle, ikinci aşama risk değerlendirmesi de yarı ampirik bir tekniğe dayanmaktadır. Elastik kiriş yaklaşımı kullanılarak oluşturulan ve çekme şekildeğiştirmelerinin önceden tanımlanmış sınır değerlerini kullanan bu yönteme sınır çekme şekildeğiştirmeleri yöntemi de (SÇŞY) denilmektedir. Ön ve ikinci seviye değerlendirmede, binanın, aralarında herhangi bir göreli hareket olmaksızın oturma yapmış zemin profilini takip ettiği varsayılmaktadır. Üçüncü değerlendirme aşamasında, sonlu elemanlar yöntemi gibi modern sayısal araçlar kullanılarak ayrıntılı bir inceleme yapılır. Malzemelerin (zemin ve bina için) doğrusal olmayan özellikleri, yapı-zemin etkileşimi, kazı ya da tünel için yapım aşamaları dikkate alınabilir. Daha karmaşık, zaman alıcı ve maliyetli olsa da, bu değerlendirme yöntemi sayesinde gerçeğe daha yakın çözüme ulaşılabilir. Ayrıca, modelleme yapabilmek için daha fazla bilgiye ihtiyaç duyulur. Bina risk değerlendirme prosedürüne göre; genel olarak, ön değerlendirme seviyesinde risk seviyesinin orta veya yüksek olduğu binalar ikinci aşama değerlendirme düzeyinde yeniden değerlendirilmektedir. Benzer şekilde, ikinci aşama değerlendirme seviyesinde risk seviyesinin orta veya yüksek olduğu binalar ise, detaylı değerlendirme aşamasında yeniden değerlendirilmektedir. Nihai risk seviyesini bulana kadar bu adımlar takip edilir. Tipik bir kazı etki bölgesi içinde, çoğu zaman, sadece birkaç bina ve tarihi binalar için detaylı değerlendirmeler yapmak gerekli olmaktadır. Önceki deneyimler, binaların çoğunluğu için nihai risk kararının genellikle SÇŞY kullanılarak ikinci aşama değerlendirme seviyesinde yapıldığını göstermiştir. Bu nedenle, ikinci değerlendirme aşamasında kullanılan SÇŞY'nin doğruluğu ve kesinliği artırılabilirse, sadece bu yöntemle belirlenen nihai risk kararlarının doğruluğu artmakla kalmaz, aynı zamanda detaylı değerlendirmede kullanılan daha masraflı ve daha fazla zaman gerektiren yöntemler ile değerlendirilecek binaların sayısı da azalacaktır. Kullanılan yöntemin basitliği nedeniyle, SÇŞY hızlı değerlendirme olanağı sunmaktadır. Ancak bu durum yapı-zemin etkileşimi gibi bazı önemli faktörlerin dikkate alınamamasına da neden olmaktadır. Ya da örneğin, SÇŞY taşıyıcı duvarlarında geniş boşluklar bulunduran yığma binaların hasar durumunu gerilme yığılmalarını dikkate alamadığı için olduğundan daha az olarak tahmin edebilmektedir. Uygulamada sıklıkla kullanılmasına rağmen, SÇŞY'nin gerçek saha verilerini kullanarak yeniden gözden geçirildiği çalışmaların sayısı hala sınırlıdır. Ayrıca, saha verilerinin ayrıntılı bir biçimde analiz edilmesine imkan verecek şekilde kaydedildiği projelerin sayısı da çok azdır. Kısa bir giriş bölümünün ardından (1. Bölüm), bu tez kapsamında ilk olarak, tünelcilik faaliyetlerinden veya derin kazılardan kaynaklanan bina hasarlarının tahmin edilmesi için geliştirilmiş mevcut yöntemler ele alınacaktır. Bu alanda yapılmış çalışmalar kapsamlı ve karşılaştırmalı bir literatür taraması ile sunulmuştur. Ayrıca, SÇŞY'nin mevcut literatürde belirtilen avantaj ve dezavantajları da açık bir biçimde ortaya konulmaktadır (2. Bölüm). 3. Bölüm'de, SÇŞY'de kullanılan sehim oranı, yapı geometrisi, yapının uzama ve kayma rijitlikleri oranı ve sınırlayıcı çekme şekildeğiştirmesi terimlerinin arasındaki ilişkilerin yorumlanmasını kolaylaştıracak daha bağımsız matematiksel bir ifadenin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu bağlamda, transfer fonksiyonlarından faydalanılmıştır. Ek olarak, zemin ortalama yatay şekildeğiştirmesinin etkisi modifiye edilmiş derin kiriş denklemlerine dahil edilmiştir. Orijinal SÇŞY'de zemin yatay şekildeğiştirmelerinin etkisi doğrudan dikkate alınmamaktadır. Literatürde mevcut olan gerçek ve simüle edilmiş vaka çalışmalarından elde edilen veriler ve gözlenen hasar sınıfları kullanılarak, transfer fonksiyonunun katsayıları için geri hesaplamalar yapılmıştır. SÇŞY'nin, pratik bir araç olarak, kısıtları göz önünde bulundurulduğunda, kazı etki alanında bulunan binalar için yapılacak hızlı değerlendirmeler için kullanışlı olduğu sonucuna varılmıştır. Ancak, mevcut deneysel ve sayısal çalışmaların bulguları, SÇŞY'nin basitliği nedeniyle gerçek bina davranışını öngörmede büyük ölçüde eksik olabileceğini göstermiştir. Sonuçlar, ayrıca, gözlenen hasarın ve ölçülen çatlak genişliklerinin sınır çekme şekildeğiştirmesi değerleri ile belirli oranda uyumlu olduğunu göstermiştir. Orta ya da daha yüksek hasarın gözlemlendiği durumlarda, orijinal derin kiriş denklemlerinin, ortaya çıkan hasar sınıfını daha düşük bir değer olarak dikkate alma eğiliminde olduğu ortaya koyulmuştur. Ayrıca, SÇŞY'nin kullanımının büyük duvar boşluklarına sahip yığma yapılarda muhafazakar olmayan hasar tahminlerine yol açabileceği gösterilmiştir. 4. Bölüm, derin bir şaft ve tünel kazılarının neden olduğu zemin hareketlerinden etkilenen yığma taşıyıcı sisteme sahip tarihi bir yapı için yapılan ayrıntılı analizleri ve sonuçlarını kapsamaktadır. Yapının taşıyıcı duvarlarında kazı öncesi dönemde ortaya çıkmış çatlaklar bulunmaktadır. Yapının duvarlarında bulunan geniş pencere ve kapı boşluklarından dolayı, SÇŞY'nin, kazılardan dolayı oluşması muhtemel hasarları olduğundan daha düşük seviyede tahmin ettiği gösterilmiştir. Bu çalışma ayrıca, dikkate alınan varsayımlar ve basitleştirmelerle birlikte saha raporlarından elde edilemeyen bilgi eksikliklerinin ve belirsizliklerin de gösterildiği iyi bir örnek vaka durumu teşkil etmektedir. Bu bölümde literatürdeki diğer vaka çalışmalarından farklı olarak, iki aşamalı bir nümerik analiz yaklaşımı önerilmiştir. İlk aşamada, her bir duvar, sahada izlenen oturma değerleri kullanılarak ayrı ayrı analiz edilmiştir. Bu şekilde, oturma profili ile ilgili belirsizlikler geçici olarak devre dışı bırakılarak yapı modeli kalibre edilmiştir. İkinci aşamada, bina davranışı bir bütün olarak incelenmiştir. Yapı-zemin etkileşiminin ve önceden var olan çatlakların etkileri de bir takım arayüz elemanları kullanılarak modellemede dikkate alınmıştır. İkinci aşamada yapılan parametrik analizler ayrıca, incelenen vakanın ötesinde genelleştirilebilir sonuçların elde edilmesini sağlamıştır. Analiz sonuçları, iki aşamalı bir yaklaşımın kullanılması ile binanın oturma etkileri altındaki gerçek davranışının tatmin edici bir şekilde simüle edilebileceğini göstermiştir. Elde edilen gerilmelerin büyüklüğü ve modellenen mevcut çatlakların davranışı, bu yapı için ölçülen ve gözlemlenen bilgiler ile uyumludur. Parametrik analiz sonuçları, zemin / yapı rijitlik oranı arttıkça, yapının oturma etkileri altındaki kırılganlığının arttığını ortaya koymuştur. Ayrıca, yapı-zemin etkileşiminin analizlerde dikkate alınması durumunda farklı oturmalardan kaynaklanan gerilmelerin azaldığı gözlemlenmiştir. Mevcut çatlakların analizlere dahil edilmesi ile bu çatlakların çevresindeki gerilmelerin azaldığı, ancak komşu kesitlerdeki gerilmelerin arttığı gözlemlenmiştir. 5. Bölümde, elde edilen sonuçlar bütünsel bir bakış açısıyla sunulmuş ve incelenen konu kapsamında gelecekte yapılabilecek çalışmalar için önerilerde bulunulmuştur.
Özet (Çeviri)
In urbanized regions, two important infrastructure activities; subway projects and deep foundation excavations can cause significant negative effects on neighboring surface structures. The increase in demand for transportation, residential and office buildings in high-density areas increases the number of such infrastructure investments. Since lateral urban growth is limited in these areas, tall structures with deep foundation pits have been built to use vertical spaces efficiently. As a result, vertical and horizontal ground movements due to tunneling or deep excavation activities pose a serious risk of damage to existing surface buildings and infrastructure services. Some characteristic building damages that can arise from tunnelling- and excavation- induced ground movements are classified in the literature as cracking, jammed doors, failure of beams, defects of some sensitive devices, and service pipes. In most cases, the first cracks appear around the corners of the window and door openings; since these are the most vulnerable parts of the wall. Later, as the differential effects of the settlement increase, they can multiply and expand. Severe vertical cracks in the upper part of the masonry walls and subsequent separation along these cracks have also been observed in some cases. Damage caused by tunnelling and excavation can cause severe loss of strength and stiffness. In order to determine an effective protection method to prevent or mitigate building damage, anticipated magnitude and distribution of tunneling and excavation-induced ground movements must be accurately estimated, and then building response should be predicted. However, this bi-directional problem that involves excavation, soil and building is often not easily solvable due to the uncertainties in material properties, excavation details, construction steps and soil-structure interactions and the difficulties in modelling all these components and the interactions between the ground and the building. In practice, the risk of building damage from tunneling- and excavation-induced ground movements is assessed at three levels: (i) preliminary, (ii) second-stage, and (iii) detailed assessment. At the preliminary level, the risk is assessed against the limit values of the maximum settlement and rotation of the building, which have been specified based on the previous empirical observations. In the second-stage assessment, an elastic beam analogy is used for buildings and an analytical solution is performed. As the risk level is determined by comparing with the pre-defined empirical strain ranges, the second-stage risk assessment is also based on a quasi-experimental technique. This method, which is formed using the elastic beam approach and uses the pre-defined limit values of the tensile stresses, is also called the limiting tensile strain method (LTSM). At the preliminary and second-stage assessments, building is assumed to follow the deformed ground profile without any relative movement in-between. During the detailed assessment level, a comprehensive examination is carried out using modern numerical tools such as finite element method (FEM). During, such an analysis, the non-linear properties of the materials (for soil and building), the soil-structure interaction, and the construction stages for the excavation or tunnel can be taken into account. Of course, this latter method offers the most realistic results, but it is apparently more complex, time consuming and costly. Modelling also requires extensive data. According to the building risk assessment procedure; generally, buildings with moderate or high risk at the preliminary assessment level are re-evaluated at the second-stage assessment level. Similarly, buildings with moderate or high risk at the second-stage assessment level are re-evaluated at the detailed assessment stage. The final risk level is achieved by following these steps. In a typical influence zone, for only few of the buildings and for important historic buildings, detailed assessments are found necessary. The previous experiences showed that for the majority of the buildings the final risk decision is usually made at the second-stage assessment level using the LTSM. Therefore, if the accuracy and precision of the LTSM used in the second assessment stage is increased, not only the accuracy of the final risk decisions determined by this method will increase but also the number of buildings to be evaluated using more costly and more time consuming methods during the detailed risk assessment will be reduced. Due to the simplicity of the method, LTSM offers rapid evaluation. However, this situation causes some important factors such as soil-structure interaction to be ignored. Or it has been shown, for example, that the damage class of the masonry buildings with large openings in the load-bearing walls are underestimated due to the inability of this method to consider stress concentrations. Although it is often used in practice, the number of studies in which the LTSM has been analyzed using the real site data is still limited. In addition, the number of projects where the project information is recorded in detail in a way that allows an in-depth analysis of this method is very few. After a brief introduction (Chapter 1), this study first focuses on the existing methods which dealt with the prediction of the building damage caused by tunneling or deep excavations. A very extensive and comparative literature review is presented for them to convey the current state-of-the-art. Reported advantages and disadvantages of the LTSM are clearly addressed (Chapter 2). Chapter 3 is devoted to the development of a more independent sight for the LTSM that will ease the interpretation of the relationships between deflection ratio, structure's geometry, longitudinal/shear stiffness ratio and the limiting tensile strain. For this purpose, a transfer function view is proposed. Another original contribution is the inclusion of the effect of average horizontal strain in the modified beam equations. It used to be considered separately in the original LTSM. Using reported data and observed damage classes of real and simulated case studies available in the literature, back-calculations for the coefficients of the transfer function are made. The results showed that the observed damage and measured crack widths are more or less compatible with the limiting tensile strain boundaries. However, for the cases in which moderate or higher damage was observed due to excavations, the use of the LTSM results in underestimation of the resultant damage class. Also, it was shown that the use of the LTSM can cause underestimated damage predictions for the masonry buildings with large openings. In Chapter 4, a detailed examination of a case, in which a masonry structure has been affected by the ground movements caused by a deep shaft and tunnel excavations, is presented. The structure has a historical importance and possesses several pre-existing cracks in the load-bearing walls. It is shown that the LTSM underestimates the damage class due to presence of large openings in the load-bearing walls. This case is also a good example for which several information gaps and uncertainties are demonstrated along with the considered assumptions and simplifications. The objective is to demonstrate the added value of a noval two-stage numerical analysis approach for the assessment of the settlement response of the building. The first stage comprises analyses of the structural behaviour using the monitored settlements for each wall. The second stage examines the behaviour of the complete building as a whole. The effects of soil-structure interaction and the pre-existing cracks are considered through discrete interface elements. The parametric analyses executed in the second stage also lead to generalizable results of potential use beyond the specific case. The analysis results showed that using a two-stage analysis approach, the actual response of the building can be satisfactorily represented. Including existing cracks into modelling through the discrete interfaces reduces tensile strains in the close vicinity but results in an increase in the tensile strains of other neighbouring sections. Excluding both bedding and existing crack interfaces during modelling results in more severe cases in terms of tensile strain levels and a higher concentration of tensile strains. As generalizable results of this numerical study, previous findings in the literature was also confirmed: Increased structural stiffness through the increase of the Young's modulus of the masonry walls reduces the conformity of the structure to the applied prescribed settlements and leads to lower tensile strains. Increase of the soil stiffness is simulated with the increase of the bedding stiffness. The higher the bedding stiffness is the more the structure conforms to the applied prescribed settlements. This eventually results in increased tensile strains. As an extreme condition, excluding bedding interface corresponds to a case with infinite bedding stiffness. In Chapter 5, a holistic conclusion of the findings and suggestions for the future studies are presented.
Benzer Tezler
- Ayarlı kütle sönümleyici ekli betonarme bir bina üzerinde fizibilite analizi
Feasibilty analysis of a building incorporating tuned mass damper
YUNUS SİNAN AKBAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ARCAN YANIK
DR. ÖĞR. ÜYESİ SENEM BİLİR MAHÇİÇEK
- Deprem kayıtlarının istatistiksel analizi ile fay uzaklığına ve kayıtlara dayalı şiddet haritalarının oluşturulması
Generation of intensity maps based on fault distance and earthquake records through statistical analysis of seismic data
HAKAN TURAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BEYZA TAŞKIN
DR. KEREM PEKER
- Deprem etkisindeki yapılarda aktif ve pasif kontrol sistemlerinin uygulanması
Başlık çevirisi yok
BARIŞ SARI
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. A. NECMETTİN GÜNDÜZ
- Yüksek Yapılarda Rüzgâr Etkilerinin Stokastik Yöntemle Çözümlenmesi ve Baskın Etkilerin Parametrik İncelemesi
Stochastic Analysis Of Wind Induced High-Rise Buildings And Parametric Assessment Of Dominant Characteristics
ÖNDER UMUT
Doktora
Türkçe
2014
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEKİ HASGÜR
PROF. DR. BÜLENT AKBAŞ
- Aktif ve pasif yapı kontrolü
Active and passive structural control systems
ÖZGÜL ZOBU
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiYapı Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. A. NECMETTİN GÜNDÜZ