Geri Dön

Numerical modelling of earthquake-induced seabed liquefaction

Deniz tabanında deprem kaynaklı sıvılaşmanın sayısal olarak modellenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 559275
  2. Yazar: GİRAY ÇIVAK
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. VEYSEL ŞADAN ÖZGÜR KIRCA
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kıyı Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kıyı Bilimleri ve Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 78

Özet

Bu çalışma kapsamında; dalga kaynaklı deniz tabanı sıvılaşması için kullanılagelen ve deneysel verilere karşı doğrulanmış bir matematik model, deprem kaynaklı deniz tabanı sıvılaşması modellenmesi için geliştirilerek uyarlanmıştır. Hem dalga etkisi hem de deprem etkisi deniz tabanı üzerinde tekrarlı kayma gerilmelerine bağlı olarak tekrarlı kayma deformasyonları yaratmakta ve deniz tabanının sıvılaşmasına yol açabilmektedir. Çalışma içeriğinde yer alan söz konusu tek boyutlu matematik model vasıtasıyla, deniz tabanı zemininde deprem kaynaklı tekrarlı yükler altındaki boşluk suyu basıncının gelişimi ve davranışı benzeştirilerek, deniz tabanının deprem etkisi altındaki sıvılaşma süreci incelenmiştir. Zemin danelerinin tekrarlı yükleme altında gösterdikleri yeniden yerleşme eğilimi, zamanla zeminin içerisindeki efektif gerilmelerin azalmasına ve mevcut boşluk suyu basıncının artmasına neden olmaktadır. Boşluk suyu basıncının zemin efektif gerilmelerinden fazla olduğu anda ise zemin bir akışkan gibi davranmaya başlar ve taşıyıcılığını yitirir. Bu durum“zemin sıvılaşması”olarak tanımlanmaktadır. Genel olarak, ince daneli veya silt ve kil muhteviyatlı kompozit zeminler tekrarlı yükleme koşulları altında sıvılaşabilecek zeminler olarak kabul edilirler. Sıvılaşma süreci zemin daneleri arasındaki bağ tekrar oluşuncaya ve boşluk suyu tahliye yetisi kazanıncaya dek devam eder. Tanımında yer aldığı üzere; zeminin sıvılaşma potansiyeli, bahsedilen süreçler göz önüne alındığında, tekrarlı yükleme koşulları ve zemin fiziksel parametreleri ile yakından ilgilidir. Doğada tekrarlı yükleme koşulları depremler benzeri sismik faaliyetler sonucu sıklıkla görüldüğünden, deprem etkisinde terarlı yüklemeler maruz kalan zeminlerin sıvılaşarak taşıyıcılıklarını yitirdikleri vakalar literatürde sıkça yer bulmuştur. Örnek olarak 1999'da yaşanan Kocaeli Depremi sonrasında, depremde meydana gelen zemin sıvılaşmasına bağlı batmış dalgakıranlar, rıhtım duvarları gibi ağırlık yapılarında yer değiştirmeler ve benzer kıyı yapılarında ciddi oturmalar rapor edilmiştir (Sumer ve diğ., 2007). Bütün bu hasarlardan mühendisliğin ilgili alanlarının istifade edebileceği önemli bulgular tecrübe edilmiştir. Deprem kaynaklı deniz tabanı sıvılaşması ile ilgili ayrıntılı analiz yöntemleri kısıtlı olup, uygulamada öncelikli yaklaşım olarak sıkça kullanılan yöntem; tekrarlı gerilme oranlarına (Cyclic Stress Ratio, CSR) karşı çizdirilen düzeltilmiş SPT (Standart Penetrasyon Testi) darbe sayıları grafiklerini kullanmaktır. Boyutsuz parametreler üzerinden kontrol imkanı sunan abaklar uygulamacılar tarafından sıklıkla tercih edilmekte, ancak yalnız bir ön teşhis (preliminary screening) imkanı sunmaktadırlar. Bu çalışmada, dalga kaynaklı deniz tabanı sıvılaşması için kullanılagelen ve deneysel verilere karşı doğrulanmış bir matematik model (Sumer ve diğ., 2012), deprem kaynaklı deniz tabanı sıvılaşması modellenmesi için geliştirilerek uyarlanmıştır. Çalışmada kullanılan yöntem, deneysel olarak doğrulanmış bir dalga kaynaklı zemin sıvılaşma modelinin deprem kaynaklı zemin sıvılaşması potansiyelini belirlemek üzere uyarlanmasını esas alır. Değiştirilip uyarlanan bu tek boyutlu modelin, bir dizi parametrik koşumu neticesinde elde edilen sonuçlar temel CSR-SPT (N) grafikleri ile karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. Bu kapsamda öncelikli olarak, deprem-zemin etkileşimi irdelenerek deprem esnasında meydana gelen tekrarlı yüklemelere bağlı kayma gerilmeleri model girdisi olarak kullanılmıştır. Söz konusu kayma gerilmeleri zeminde kayma deformasyonları yaratacak ve sürecin devamında, eğer uygun koşulların varlığı söz konusu ise, boşluk suyu basınçlanarak“sıvılaşma”meydana gelecektir. Diğer yandan tekrarlı yüklemenin şiddeti ve süresi de sıvılaşmanın oluşabilmesi için belirleyicidir. Zemin ivmeleri ve kayma gerilmeleri arasındaki ilişki açıklanırken temel yaklaşım yukarıda şematize edildiği üzere zemin kolonunun rijit cisim davranışında bulunduğu kabulüdür. Ancak zemin gerçekte biçim değiştirebilen (deforme olabilen) bir yapıya sahip olduğundan,“z”derinliğinde zeminin maruz kalacağı maksimum kayma gerilmesi rijit cisim kabulünü içeren yaklaşımda ifade edilen kayma gerilmelerinden daha az olacaktır. Bu durumda ilgili eşitliğe derinliğe bağlı olarak verilen bir azaltma katsayısının eklenmesi gerekecektir (Liao, 1986). Deprem sırasında zemin kayma gerilmeleri düzensiz bir zaman serisi oluşturmaktadır. Bu durum bir ortalama eşdeğer kayma gerilmesi tanımlanmasını gerektirmektedir. Ortalama eşdeğer kayma gerilmesi; Seed (1971) tarafından bir dizi test neticesinde kayda değer bir doğrulukla birlikte önerilen haliyle zemin kolonunun maruz kaldığı en büyük ivmenin 65\%'i olacak şekilde değerlendirilmiştir. Bu basitleştirilmiş yaklaşım aynı zamanda model sonuçlarıyla karşılaştırma yapılacak CSR yönteminde de aynen uygulanmaktadır. Bu yöntemde, ilgili eşitlik kullanılarak hesap edilen CSR değeri, referans alınan zemin tipi ve deprem büyüklüğüne ait tekrarlı direnç oranı (Cyclic Resistance Ratio) ile oranlanarak bir güvenlik katsayısı (FS) elde edilir. Bu güvenlik katsayısı ise, belirli büyüklükteki depremlerin meydana geldiği sırada ilgi alanındaki zeminde oluşabilecek sıvılaşmanın potansiyeli ile ilgili tahminde bulunulmasına imkan verir. Deprem sırasında bir zeminin sıvılaşma potansiyelini belirleyebilmek için elbette bir takım farklı zemin parametrelerine de ihtiyaç duyulmaktadır. Zeminlerin sıvılaşma potansiyelini belirleyebilmek için başvurulan detaylı bir diğer yöntem ise araştırılacak zemine ait tekrarlı gerilme laboratuvar testleri veya santrifüj sarsma tablası testlerinin teşkil edilmesidir. Ancak bu testler zor ve pahalı olduğu kadar, testlerin sağlıklı ve verimli bir şekilde uygulanabilmesi için ihtiyaç duyulan örselenmemiş numunelerin temini oldukça zordur. Bu sebeple sahada uygulanan ve güvenilir kabul edilen“Standart Penetrasyon Testleri”neticesinde elde edilen verilere başvurmak en pratik alternatif olarak ortaya çıkmaktadır. Standart penetrasyon testi yaygın olarak kullanılan ve yerinde ölçme imkanı veren bir zemin deneyidir. Test basitçe, zemin direncinin bir referans yöntem ve penetrasyon aleti kullanılarak tahmin edilmesini sağlamaktadır. Bu testlere ait darbe sayılarından oluşan sonuçlar ise ilgi zeminin sıkılığına dair fikir vermeleri açısından bu çalışmada esas alınmıştır. Zira standart CSR abaklarında da benzer bir yaklaşım söz konusudur. Çalışmada kullanılan SPT-N değerlerine karşılık gelen zemin sıkılıkları; Powrie, 2013'te verilen tablolar kullanılarak elde edilmiştir. Modellenen zemin tiplerine ait sıkılıklar bu tabloda yer alan veriler kullanılarak, ihtiyaç duyulan aralık değerlerini belirlemek için ise gerektiğinde 3. dereceden polinom interpolasyonu uygulanarak elde edilmiştir. Çalışmada kullanılan model, esasen dalga kaynaklı zemin sıvılaşmasını modellemek için geliştirilmiş ve deneysel olarak doğrulanmış bir modeldir (Sumer ve diğ. , 2012). Bu matematik modelde, boşluk suyu basıncı artışı Biot denklemlerinin tek boyutlu hali için bir difüzyon denklemine dönüşmektedir. Sonlu derinliğe sahip bir zemin kolonuna ait sınır ve başlangıç koşulları için denklemin çözümü ilk kez Sumer ve Fredsoe (2002) tarafından yapılmıştır. Sonlu derinlikteki bir zemin kolonunun dalga kaynaklı sıvılaşması için başlangıç ve sınır koşulları belirlenerek bir çözüm yapılmıştır (Sumer ve Fredsoe, 2002). Bu çözüm, çalışmada kullanılan modelin temelini oluşturmaktadır. Modelin deprem kaynaklı zemin sıvılaşmasına uyarlanması ise, çözüm içinde ilerleyen dalgaların etkisi gözetilerek tanımlanan kayma gerilmesi teriminin, yukarıda bahsedilen biçimde deprem sırasında bir zemin kolonuna etkiyen gerilmelerle yeniden ifadesi ile gerçekleştirilmiştir. Söz konusu modelin deprem etkisi altındaki deniz tabanı sıvılaşmasının potansiyelini tahmin etmedeki yetisi irdelenmiş ve elde edilen sonuçların pratikte yaygın kullanılan CSR metodu ile örtüşen neticeler verdiği gözlenmiştir. Uyarlanan modelin kalibrasyonu ve doğrulanması CSR/CRR yaklaşımı ile elde edilen sonuçların karşılaştırılması ile yapılmıştır. Buna göre elde edilen ilk sonuçlar düşük zemin sıkılığı değerleri için doğru sonuçlar vermiş olsa da, modelin yüksek sıkılıktaki (30 ya da daha fazla düzeltilmiş SPT-N değerine sahip zeminler) zeminleri temsiliyeti değerlendirildiğinde kalibrasyona ihtiyaç duyduğu görülmüş ve model baz parametreleri irdelenmiştir. Modellerde kullanılan zemin parametreleri incelendiğinde, düşük ve yüksek sıkılığa sahip tüm zeminlerin aynı elastisite modülü değerine sahip olduğu görülmüştür. Bu aşamada orijinal modelin hassasiyeti ile ilgili literatür incelenmiş ve zemin sıkılığı ile elastisite modülü arasında bir korelasyon kullanılmasına karar verilmiştir. Zemin sıkılığı arttıkça, elastisite modülünü arttırmak, yüksek sıkılıktaki zeminlerin modellendiği senaryolar için daha doğru ve mevcut sıvılaşma analizi yapılan yöntemlerin sonuçları ile örtüşen sonuçlar vermiştir. Bir diğer adımda model sonuçları olasılık yöntemleri kullanılarak geliştirilen güncel deterministik zemin sıvılaşma tahmin metodları ile karşılaştırılmıştır. 200'den fazla saha kaydı, bu aşamada model kalibrasyonu için değerlendirilmiş ve modelin deprem kaynaklı zemin sıvılaşmasını tahmin etmedeki yeterliliği tatmin edici görülmüştür. Kalibrasyon çalışmalarının ardından farklı zemin sıkılıkları, hidrolik iletkenlik değerleri, sıvılaşabilir zemin tabakası kalınlıkları, tekrarlı yükleme periyotları ve içsel sürtünme açıları için parametrik karşılaştırmalar yapabilmem için model çalıştırılmıştır. Sonuçlar modelin, zemin sıvılaşması süreçlerinde etkinliği görülen parametrelerin sözkonusu etkilerini benzeştirmede yeterli olduğunu göstermektedir.

Özet (Çeviri)

Under cyclic loading conditions, shear deformations gradually rearrange soil grains and the pore water pressure increases in saturated, undrained soils at the expense of pore volume. In case of the presence of sufficient time and room, the pore water pressure reaches such a level that exceeds initial effective stresses and because of disappearing stresses between individual grains, the soil acts like a fluid, loses the ability to bear any load thus it fails. The term“liquefaction”is used to define this phenomenon in engineering terminology. It has been recognized that soils that can be liquefied under cyclic conditions are basically limited to fine soils or composite soils such as silty or clayey sands. As it was mentioned in the definition, liquefaction susceptibility is closely related with sort of soil parameters and cyclic loading conditions as expected. Through the years many soil failures caused by earthquake induced liquefaction has been reported by engineers and scientists. For example; in 1999 Kocaeli earthquake, an extensive liquefaction caused sinking of breakwaters, large displacements of quay walls and huge settlements of back-fills which were resulted in serious damages to coastal structures. There are limited comprehensive analysis methods for earthquake induced seabed liquefaction and ordinarily, specially prepared charts where the dimensionless parameter Cyclic Stress Ratio (CSR) is plotted versus corrected SPT blow counts gathered from Standard Penetration Tests to define relative density of the soil have been used by practitioners to assess liquefaction susceptibility, albeit as a first approximation. Because of the incapability of obtaining undisturbed specimens to be analyzed in the laboratory, empirical approach based in-situ penetration test results gained more popularity among engineers, and therefore, SPT based assessments were referred to in this study. In this thesis; an experimentally-validated mathematical model (Sumer, et. al., 2012), which was originally developed for wave induced liquefaction, was modified and adapted to predict earthquake-induced seabed liquefaction. While earthquakes and waves both produce cyclic shear stresses (and accordingly cyclic shear deformations) in the seabed, the ones induced by earthquakes are more severe compared to that caused by waves. The early results obtained from this modified mathematical model were compared to the widely used CSR-SPT assessments to investigate liquefaction susceptibility. The method used in this study basically covers the comparison of the results obtained from a series of parametric model runs with the estimated ones from recent CSR-SPT liquefaction susceptibility assessment procedures. Primarily, earthquake-soil interaction was analyzed, then the shear stresses caused by cyclic loading during an earthquake were used as the model input. A stress based equation is used with proper reduction coefficients to translate maximum cyclic ground acceleration during an earthquake into average equivalent cyclic shear stresses generated in the seabed. The modified one-dimensional mathematical model basically simulates the pore pressure build-up under cyclic loading conditions depending on the intensity of shear stresses/deformations. Different cyclic loading conditions were done for various relative densities in the model tests to compare results with the CSR-SPT assessments. First results showed that the adapted model could estimate earthquake-induced pore pressure build-up and seabed liquefaction, especially for soils have up to 30 or less SPT blow counts. Moreover, a calibration assessment was done to increase the estimation ability of the adapted model. Suggested correlations between Young's modulus of elasticity and corrected standard penetration blow counts were evaluated to calibrate model. After comparison with the reference cyclic resistance ratio curve, model results were also compared with the recent liquefaction site data. It was seen that the calibrated model has a satisfactory ability to predict earthquake-induced seabed liquefaction. Investigation of the adapted models capabilities was done by conducted a series of parametric model runs and the results were discussed.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    708782

    Numerical modelling of wave induced soil liquefaction around buried pipelines and cables

    Gömülü borular ve kablolar etrafında dalga kaynaklı zemin sıvılaşmasının sayısal modellenmesi

    SELAHATTİN UTKU YILMAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. VEYSEL ŞADAN ÖZGÜR KIRCA

  2. Tez No

    540266

    Geoteknik kıyı mühendisliğinde poroelastik deniz tabanı zemini-yapı sistemlerinin tekrarlı yükler altında sayısal modellenmesi

    Numerical modeling of poroelastic seabed soil–structure systems under cyclic loading in geotechnical coastal engineering

    ESRA TATLIOĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSAFFA AYŞEN LAV

    DOÇ. DR. MEHMET BARIŞ CAN ÜLKER

  3. Tez No

    688053

    Numerical analysis of monopile foundations for offshore wind turbines

    Açık deniz rüzgar türbinleri için tek kazıklı temellerin sayısal analizi

    MARYAM MASSAH FARD

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYFER ERKEN

    DR. ÖĞR. ÜYESİ BÜLENT ERKMEN

  4. Tez No

    774466

    Liman içi çalkantıların modellenmesi

    Numerical modelling of harbor resonance

    OLCAY EĞRİBOYUN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    İnşaat MühendisliğiGazi Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LALE BALAS

  5. Tez No

    398036

    Numerical modelling of sand behavior under cyclic simple shear tests in a special liquefaction box

    Özel sıvılaşma düzeneği içinde çevrimsel basit kesme deneyleri altında kum davranışının sayısal modellenmesi

    ATAOLLAH NATEGHI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    Assist. Prof. Dr. ESRA ECE BAYAT

Geri Dön