Design and earthquake performance assessment of a bridge with prestressed concrete girder
Öngerilmeli beton kirişli bir köprünün tasarımı ve deprem performansının değerlendirilmesi
- Tez No: 559335
- Danışmanlar: PROF. KADİR GÜLER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- 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: 175
Özet
Bridges make a significant part of our infrastructures, they have helped advance the nation's transportation, commerce, and economy, as well as the well-being of its people, thus it is necessary to have a precise and comprehensive study of these structures. The need for safe and reliable seismic design of structures is becoming a major topic for the engineering community due to the high damages of recent earthquakes in the late 20 century. The majority of existing structures do not meet the requirements of present seismic codes; therefore, it is necessary to evaluate their structural performance and obtain satisfying margins of their structural safety. Most of the seismic design philosophies allow an acceptable level of damages without collapse of the structural elements. In order to evaluate and control these damages, a nonlinear analysis is required. The nonlinear analysis enables us to predict the post linear behavior of structures during massive earthquakes, that is why nonlinear structural analysis has been a fundamental tool for the past 30 years. This thesis investigates the design and nonlinear performance assessment of a reinforced concrete bridge with pre-stressed I girder located in Silivri/Istanbul. The first chapter of this study overview the fundamentals of bridge design, AASHTO LRFD specification, bridge loads and design methods for superstructure and substructure. The second chapter describes the design process of the selected bridge, this chapter includes the design of superstructure and substructure which is accomplished by programs such as SAP2000, Matlab and CSI Bridge. The third chapter includes the principles of nonlinear analysis methods. After some major earthquakes occurred in the late 1900s, it was realized that force-based design is inadequate and displacement based design must be considered. For most of the structures, structural failure must be prevented, although restricted damage occurrence is generally accepted. This chapter considers the nonlinearity types and plastic hinge method. Chapter four involves nonlinear static monotonic analysis or pushover analysis. This method has become a frequent-used practice for assessment of nonlinear behavior. This method is widely used because of its ability to determine the failure modes and progressive collapse sequence of the damaged bridge when exposed to seismic loads. Chapter five explains the nonlinear time history procedure and its application to the project bridge, this method is simply step-by-step integration of the structure motion equation. This is a comprehensive nonlinear method and can be used for complex structures to determine the more realistic nonlinear behavior. For this method, 11 time history records are used and their results are compared to the pushover analysis. Finally, the conclusion is given in chapter six, this chapter involves the brief results obtained throughout the previous chapters.
Özet (Çeviri)
Köprüler altyapımızın önemli bir parçasını oluşturuyor. Bu yapılar taşımacılık, ticaret ve ekonomi gibi unsurların büyümesinde önemli rol oynar. Dolaysıyla bu yapıların tasarımı ve performans değerlendirmesi büyük önem taşımakta olup, bu süreç kapsamlı tasarım yöntemler ile yapılmalıdır. Yapıların güvenli sismik tasarımına duyulan ihtiyaç 20. yüzyılın sonlarında meydana gelen depremlerin yüksek hasarları nedeniyle mühendislik çalışmalarının ana konusu haline gelmiştir. Mevcut yapıların çoğu yeni sismik yönetmeliklerin gerekliliklerini karşılayamamaktadır. Bu nedenle köprülerin yapısal performanslarını değerlendirmek ve yapı güvenliğini güvence altına almak gerekir. Sismik tasarım felsefelerinin çoğu, yapı göçmeden yapısal elemanlarda kabul edelebilir ölçüde hasarların oluşmasına izin vermektedir. Bu hasarları değerlendirmek ve kontrol etmek için doğrusal olmayan analizin kullanılması gerekmektedir. Doğrusal olmayan analiz, büyük depremler sırasında yapıların davranışı ile ilgili gerçekçi tahminlerde bulunmamızı sağlar. Dolayısıyla doğrusal olmayan analiz son yıllarda temel bir uygulama haline gelmiştir. Bu tez çalışmasında İstanbul'un Silivri İlçesinde bulunan öngermeli betonarme bir köprünün tasarımı ve deprem performansı incelenmiştir. Çalışmanın birinci bölümünde, konu hakkında genel bilgiler gözden geçerilmiştir. Bu bölümde köprü tasarım temelleri, AASHTO-LRFD yönetmeliğinde verilen tasarım ilkeleri, köprü yükleri ve üst yapı/alt yapı tasarım esasları anlatılmıştır. Dünyada karayolu yapıları için kullanılan çeşitli yönetmelikler içerisinde en önce akla gelen yük ve dayanım faktörlerine göre tasarımı baz alan AASHTO-LRFD dir. Türkiye'de Karayolları Genel Müdürlüğü karayolu yapıları için bu yönetmeliği dikkate almakta olup ek olarak Kıyı ve Liman Yapıları, Demiryolları, Hava Meydanları İnşaatları Deprem Teknik Yönetmeliğini (DLH) de kullanmaktadır. İkinci bölüm, seçilen köprünün AASHTO şartnamesine göre üstyapı ve altyapısının tasarımını içermektedir. Köprü iki şeride, üç açıklığa, 83.1 metre uzunluğa ve 13.5 metre üst yapı genişliğine sahiptir. Üst yapı yükleri, öngerilmeli kirişler ve betonarme döşemeden oluşan kompozit kesitler tarafından taşınır. Köprü üstyapı tasarımı elastomer mesnetlere oturan basit kiriş gibi düşünülerek yapılmıştır. Köprü yerdeğiştirmeleri enine yönde deprem takozları ve boyuna yönde genişleme derzi ile sınırlandırılmıştır. Orta ayaklarının yüksekliği sırası ile 8 ve 7 metredir. Köprü tasarımı AASHTO 2010 yönetmeliğine göre yapılmıştır. Bu bölümde sismik tasarım için SAP2000 programı kullanılmıştır. Köprü modeli shell sonlu eleman olarak SAP2000 programına tanımlanmıştır. Köprü üzerine etkiyen deprem kuvvetleri DLH Deprem Teknik Yönetmeliğinde 50 yılda aşılma olasılığı %10 olan deprem tasarım spektrumu kullanılarak enine ve boyuna doğrultuda etkitilmiştir. Üst yapı kısmında yer alan öngerilmeli prefabrike kirişin yük analizi, öngerilme kayıpları, taşıma gücü kontrolü, gerilme analizi, kesme ve sehim hesap kontrolleri yapılmıştır. Üçüncü bölümde, doğrusal olmayan analiz yöntemlerinin ilkeleri yer almaktadır. 1900'lerde meydana gelen bazı büyük depremlerden sonra, kuvvet bazlı tasarımın yetersiz kaldığı ve performansa dayalı tasarımın göz önünde bulundurulması gerektiği anlaşılmıştır. Yaygın tasarım şartnameleri, yapı göçmeden küçük hasarlara izin vermektedir. Bu hasarları incelemek ve kontrol etmek için bir doğrusal elastik olmayan analiz gereklidir. Bu bölümde, doğrusal olmayan sistemler ve plastik mafsal hipotezi anlatılmıştır. Köprünün doğrusal olmayan analizi FEMA356 ve DLH yönetmeliklerine göre yapılmıştır. Bunun için deprem tasarım spektrumu DLH'te verilen ülke enlem ve boylam verilerine göre elde edilmiştir. Doğrusal olmayan analiz için plastik mafsal hipotezi kullanılmıştır. Bu hipoteze göre doğrusal olmayan şekil değiştirmelerin doğrusal şekil değiştirmelere oranının büyük olduğu sünek malzemeden yapılmış sistemlerde, doğrusal olmayan şekil değiştirmelerin plastik mafsal adı verilen belirli kesitlerde toplandığı bunun dışındaki bölgelerde ise sistemin doğrusal elastik davrandığı kabul edilir. Bu çalışmada kolon ve başlık kiriş uçları plastik mafsal olarak seçilmiştir. Plastik mafsal boyunu belirlemek için CALTRANS yönetmeliğnde verilen bağıntı kullanılmıştır. Yapısal elemanların moment-eğrilik ilişkisi FEMA 356 sismik yönetmelik kriterlerine göre tanımlanmıştır. Dördüncü bölüm, ele alınan köprünün lineer olmayan statik itme analizini içerir. Bu yöntem doğrusal olmayan davranışların değerlendirilmesinde sıkça kullanılan bir uygulama haline gelmiştir. Bu metot, sismik yüklere maruz kalan bir yapıda plastik mafsal oluşumunu ve yapının göçme modunu belirlemek için ideal bir yöntemdir. Doğrusal analiz modelinden farklı olarak, düşey elemanlarda malzemelerin doğrusal ve elastik olmayan özelliklerinden faydalanmak hedeflendiğinden analiz sırasında ayaklar için çatlamış kesit atalet momentleri kullanılmıştır. Diğer bir farklılık ise kolonlarda plastik mafsal oluşmasını beklediğimiz kesitlere plastik mafsalların yerleştirilmesidir. Köprü boyuna yönünde konsol davranış gösterdiği için kolon alt uçlarında, enine yönde ise çerçeve davranış gösterdiği için kolon alt ve üst uçlarında plastik mafsallar tanımlanmıştır. Köprü, modlarına orantılı şekilde enine ve boyuna yönde itilmiştir ve taban kesme kuvvet-yerdeğiştirme eğrisi kapasite eğrisine dönüştülerek istem yerdeğiştirmesi bulunmuştur. Daha sonra köprü istem yerdeğiştirmesine kadar itilmiş ve meydana gelen hasarlar incelenmiştir. İtme analizi sırasında deprem takozlarının bu analize etkisi de değerlendirilmiştir. İtme analizi sonucu olarak köprü performas seviyesi D2 depremi için Hemen Kullanım olarak belirlenmiştir. Beşinci bölüm, yapıların doğrusal olmayan analizinde diğer bir yöntem olarak kullanılan“Zaman Tanım Alanında Doğrusal Olmayan Hesap”yöntemini içermektedir. Bu yöntem diğer analiz yöntemlerine göre daha kapsamlı olup, daha karmaşık ve önemli yapılar için kullanılmaktadır. Zaman tanım alanında analiz için köprünün bulunduğu yerin zemin ve deprem özelliklerini temsil eden gerçek veya benzeştirilmiş deprem kayıtlarının elde olması veya türetilmiş olması gerekmektedir. Çözümler, kullanılan kaydın özelliklerine göre değişim göstereceğinden bu tür analiz yaklaşımında birden fazla (en az beş veya yedi) kaydın kullanılması öngörülmektedir. Zaman tanım alanında hesapta, köprünün bulunduğu konumun zemin karakteristikleriyle uyumlu olarak ölçeklenen 11 adet deprem kaydı kullanılmıştır. Deprem kayıtları olarak“PEER kuvvetli yer hareketi”arşivindeki kayıtlar kullanılmıştır. Deprem kayıtlarının ölçeklenmesinde“SEISMOMATCH”programından yararlanılmıştır. Bu yöntemde taşıyıcı sistemdeki doğrusal olmayan davranış gözönüne alınarak kabul edilen deprem hareketleri altında taşıyıcı sistemin hareket denklemi sayısal olarak çözülerek, doğrusal davranışta olduğu gibi sistemin bütün elastik ve plastik şekil değiştirmeleri, yerdeğiştirmeleri ve kesit iç etkileri zamana bağlı olarak bulunmuştur. Her iki yön için analiz yapılarak elde edilen sonuçlar statik itme yöntemi ile elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Son olarak, altıncı bölümde elde edilen sonuçlar verilmiş ve yorumlanmıştır.İki yöntem kullanılarak tasarlanan köprünün doğrusal olmayan analizinde, köprü boyuna ve enine doğrultuda benzer sonuçlar bulunmuştur. Ayak alt uçlarında oluşan moment ve normal kuvvet değerlerine göre beton ve donatı çeliği birim şekil değiştirmeleri kontrol edilmiş ve bu değerler ilgili deprem düzeyleri için verilen minimum sınır değerleri olarak belirlenmıştır. İncelenen yöntemler ışığında, köprünün deprem performansının Hemen Kullanım olarak tesbit edilmiştir.
Benzer Tezler
- Öngerilme kirişli bir köprü tasarımı ve performansının değerlendirilmesi
Structural design of bridge with prestressed girder and seismic performance assessment
EMRAH AKTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KUTLU DARILMAZ
- Öngerilmeli bir köprü tasarımı ve performans değerlendirilmesi
Structural desing of bridge with prestressed girder and seismic performance assessment
NURETTİN İLTER ULUĞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KUTLU DARILMAZ
- Seismic performance assessment of a post tensioned box girder viaduct
Ardgermeli kutu kirişli bir viyadüğün deprem performans değerlendirmesi
EMİR ARSLANBOĞAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Deprem MühendisliğiIşık Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖNDER UMUT
- 100 metre açıklıklı çelik kafes demiryolu köprüsündeki eleman kayıplarının kırılganlık eğrileri üzerindeki etkisi
Effect on fragility curves of lose steel member of a 100-m steel truss railway bridge
FATİH YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KADİR ÖZAKGÜL
- An investigation on structural identification (ST-ID) of a long-span bridge for performance prediction
Uzun açıklıklı bir köprünün performans tahmini için yapısal tanılanması üzerine bir araştırma
SELÇUK BAŞ
Doktora
İngilizce
2017
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER İLKİ
DOÇ. DR. NURDAN APAYDIN