Geri Dön

Assessment of compliant and non-compliant behavior of piles using morison equation

Kazıkların uyumlu ve uyumlu olmayan davranışlarının morıson denklemi kullanılarak değerlendirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 637311
  2. Yazar: GHAİTH İBRAHİM
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖMER TUĞRUL TURAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2020
  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: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 145

Özet

Bu tezde Morison Denklemi'nin uyumlu formu yerine uygun olmayan formunu kullanmanın etkisini ve bu iki yöntemin serbest duran tek bir yığında görülen yorgunlukla ilgili arızalarla herhangi bir bağlantısı olup olmadığını araştırmayı amaçlamaktadır. Bu tezde Morison Denklemi'nin uygun ve uygun olmayan formlarının tekil bir kazık üzerinde yaratacağı etkiler ve bu etkilerin kazık ömrüne yorulma açısından etkisi incelenmiştir. Sözkonusu araştırma, Morison Denklemi'nin her iki formu için farklı özelliklere sahip dalgalar halinde farklı boyutlardaki yığınların parametrik analizi ile gerçekleştirilmiştir. Diğer bir deyişle, her kazık iki kez analiz edilir: bir analiz uyumsuz formu kullanarak dalga kuvvetlerini hesaplarken diğer analiz bu hesaplamayı uyumlu formu kullanarak yapar. Daha sonra bu iki yöntem hesaplanan kuvvetler ve bunun sonucunda oluşan sapmalar açısından karşılaştırılır. Kıyı yapılarındaki dalga yükleri çok önemli bir tasarım faktörüdür ve dalga yükleri altındaki yapısal elementin davranışı çok karmaşıktır. Dalga yüklerinin dinamik ve döngüsel yapısı nedeniyle yorulmaya bağlı arıza yaşanması özellikle petrol ve gaz terminallerinde kullanılan kazıklar gibi dikey ince yapısal elementlerde yaygın bir tasarım sorunudur. Bu tür yapılarda, kalınlık boyunca çatlaklar ve aşırı sapmalar gibi yorgunlukla bağlantılı sorunlar özellikle serbest duran tek dikey yığınlarda daha belirgin hale gelebilir. Bu tür bir senaryo ile genellikle üst yapı kurulduktan sonra kazıkların yanal destek sağlanmadan sürüldüğü ve serbest bırakıldığı inşaat aşamasında karşılaşılabilir. Yanal destek, kazık grubu yığınlarının üst bağlama kullanımı aracılığıyla birleştirilmesiyle sağlanabilse de fırtına ve dalgalı denizler gibi belirli koşullarda göz önünde bulundurulduğunda, kazıkların başarısızlık riski yüksek olabilir. Bu nedenle, dalga yükleri altında serbest duran tek dikey yığınların davranışını anlamak gereklidir. Örneğin ince ya da çok ince kazıklar, dalgalar ile daha esnek hareket kabiliyetleri nedeniyle, dalgalar altında daha sert bir hareket sergileyen daha az ince yığınları ile karşılaştırıldığında daha farklı bir kuvvetler dizini oluşturur. Yapılar üzerindeki dalga kuvvetleri, bir üyenin satır içi kuvvetlerini hesaplamak için basit ve yaygın bir metod olan Morison Denklemi ile tahmin edilebilir. Bu bağlamda dalga, dalga hareketi yönünde kuvvet uygular. Morison Denklemi, dalgaların akış yönüne dikey yöndeki kuvvetler olan kaldırma kuvvetlerini (çapraz akış kuvvetleri) hesaplamak için genişletilebilir. Kaldırma kuvvetleri, üyenin arkasında türbülans ve girdap dökülmesi nedeniyle ortaya çıkar ve bu kuvvetler bazen sıralı bileşenden daha yüksek olsa da, önce sıralı kuvvetler katkısının açık bir şekilde altını oluşturmak ve daha sonra aynı anda hareket ettiklerinde hem sıralı hem de kaldırma kuvvetlerinin birleşik etkisini incelemeye devam etmek önemlidir. Bu nedenle, bu çalışmada sadece dalga kuvvetlerinin satır içi bileşeni dikkate alınacaktır; asansör kuvvetleri ve bu kuvvetlerin satır içi kuvvetleri ile birleşik eylemleri başka çalışmaların konusudur. Yapının esneklik derecesi (dalgalarla hareket etme kabiliyeti) yukarıda belirtildiği gibi dalga kuvvetlerinin değeri üzerinde bir etkiye sahip olduğundan, Morison Denklemi'nin iki biçiminden biri dikey elementler üzerindeki sıralı kuvvetleri hesaplamak için kullanılabilir. Üye hareketi dalga kuvvetlerini etkilemediğinde ilk form kullanılır, bu duruma dalgalar ile önemli ölçüde hareket etmeyen düşük incelik yığınları örnek olarak gösterilebilir. Bu tür yapılar uyumsuz yapılar olarak bilinir. Öte yandan ikinci form, üye hareketinin dalganın yapıya uyguladığı kuvvetleri değiştirecek kadar büyük olduğu durumlarda kullanılır, örneğin dalgalarla önemli ölçüde hareket edebilen yüksek inceliğe sahip yığınlar gibi. Bu yapılar uyumlu yapılar olarak bilinir. Uyumlu ve uyumlu olmayan yapıları ayırt etmek kolay olsa da, Morison Denklemi, petrol ve gaz terminallerinde kullanılan kazıkların uygulamalı tasarımında yapıların dalga kuvvetlerini hesaplamak için kullanıldığında, bu fark genellikle göz ardı edilir. Çoğu durumda yığın hareketinin öngörülen kuvvetleri bozacak ve değiştirebilecek olma olasılığına bakılmaksızın denklemin uyumsuz biçimi uygulanır. Bu uygulama, dalga ve kazık kinematikleri (hız ve ivmeler) arasında bağlantı kuran uyumlu olana karşı uyumlu olmayan formun üstün basitliğine bağlanabilir ve dolayısıyla hareket denklemini modelleme ve çözmenin zorluğunu artırır. Buna ek olarak, uyumlu formu kullanmanın ne zaman gerekli olduğu ve kazık hareketinin etkisini ihmal etmenin hangi durumlarda kabul edilebilir olduğu bazen belirsiz olabilir. Birçok durumda kuvvetler üzerindeki kazık hareketi etkisini göz ardı etmek kabul edilebilir olsa da, Morison Denklemi'nin uyumlu formunun koşulsuz kullanımı, dalga kuvvetlerinin varolanın altında veya üstünde tahmin edilmesine neden olabilir ve bu da inşaat sırasında yorgunlukla ilgili sorunlar gibi pek çok soruna yol açabilir. Ayrıca mevcut literatür ve kılavuzlar, uyumlu yapılar olarak tasarlanmış yığınlar (Morison Denklemi'nin uyumlu biçimini kullanarak) ile uyumlu olmayan yapılar (Morison Denklemi'nin uyumsuz formunu kullanarak) olarak tasarlanmış yığınlar arasında birebir karşılaştırma yapılmasına olanak vermez. Amerikan Petrol Enstitüsü RP 2A-WSD kılavuzu kıyı mühendisliği projelerinde standard prosedür olarak kabul edilir. Bu kılavuz Morison Denklemi kullanarak yapılar üzerindeki dalga kuvvetlerini hesaplamak için bir yöntem sunar. Sözkonusu yöntem ticari FEA yazılımı SAP2000 içerisinde mevcuttur. Bahsedilen prosedürün uygulanması ve sonuçları bu çalışmada değerlendirilmiştir. Ek olarak, dalgaların yüklendiği noktaların konumları dalga hareket ettikçe zamana göre değişkenlik gösterdiğinden, Morison Denklemi'nde dalga kuvvetlerinin daha gerçekçi bir modelini sunmak için serbest su yüzeyinin etkisi göz önünde bulundurulur. FEA Software COMSOL ile yapılan parametrik çalışma sonucu aşağıdaki gözlemler elde edilmiştir: - Uyumlu yığınların yer değiştirme değerleri, uyumlu olmayan yığınların yer değiştirme değerlerine kıyasla daha küçüktür. Uyumlu olmayan bir yapının dalgaların altındaki harekete karşı daha dirençli olması ve bu nedenle daha büyük atalet kuvvetlerine ve dolayısıyla daha büyük ivmelere, hızlara ve yer değiştirmelere sahip olması beklenen bu sonucu vermiştir. - Kazıkların katı veya uyumsuz yapılar olarak tasarlanması genellikle aşırı ölçülü bir tasarımla sonuçlanır. Parametrik çalışma verilerine göre söz konusu ölçülülük marjının belirlenmesi kazığın incelik ve uzunluğu ile ilişkilidir. Düşük incelik oranlarına sahip yığınlar ve çok uzun yığınları davranışlarını daha gerçekçi bir şekilde modelleyen uyumlu yapılar olarak tasarlamak uyumlu olmayan bir tasarıma kıyasla daha verimli hale gelir. Bunun nedeni söz konusu yığınların son derece esnek olması ve dalgalarla daha uyumlu hareket anlamına gelen daha büyük yapısal dönmelere sahip olmasıdır. - Uyumlu yapılarda sabit bir duruma ulaşmak için gereken süre daha küçüktür; ancak bu süre uyumlu olmayan yapılarda özellikle çok uzun ve ince yığınlarda önemli ölçüde daha büyük olabilir. - Yorulmayla ilgili sorunlara istinaden, uyumlu olmayan yığınların yer değiştirme zaman geçmişi, uyumlu yığınlara göre daha fazla yükleme döngüsü gösterir. Bu, yığının davranışı uyumsuz olarak kabul edildiğinde bile yorgunluk için ölçülü olarak tasarlandığı anlamına gelir. Yapıların beklenen yorgunluk ömrünü karşılaştırmak için yağmur akışı sayma ve Madenci Kuralı uygulanmalıdır. - Derin su derinliklerinde daha uzun ve daha esnek yığınlar kullanılır. Bu yığınlar uyumlu yapılar olarak tasarlanmalıdır. İncelik oranları çok küçük değilse (örneğin 0,037'den büyük) daha sığ su derinliklerindeki yığınlar uyumsuz olarak kabul edilebilir. - Uyumlu kazıkların davranışı ile uyumlu olmayan kazıklar arasındaki fark büyük çaplı kazıklar ve yüksek sertlik veya dayanıklılığa sahip yığınlar için küçüktür. Ancak bu fark uzun yığınlar ve ince yığınlar içinde daha büyüktür. - Daha büyük dalga periyotları ile, dalga döneminin yapısal döneme yaklaşması sebebiyle yapı hareketi daha uyumlu hale getirilebilir. Parametrik çalışmaya ek olarak, API RP2A-WSD (2000) bölümünün 2.3.1. kısmında API tarafından önerilen tasarım yöntemi kısaca araştırılmıştır. Bu yöntem, yapıyı uyumlu olmayan olarak kabul eder ve SAP2000'de yerleşik bir özellik olarak kullanılır. Bu araştırma sonuçlarına uyumlu olmayan bir yığın için COMSOL'da ve SAP2000'de elde edilen veriler karşılaştırılarak ulaşılmıştır. Daha küçük dalga kuvvetleri uygulanan SAP2000'den gelen verilere bakıldığında, yığında yer değiştirme değerlerinin daha küçük olduğu gözlemlenmiştir. Bunun nedeni COMSOL yığınında kullanılanlara göre daha küçük olan API önerisi sürükleme ve atalet katsayılarının kullanılmasıdır. Son olarak, COMSOL kullanılarak yapılan çalışmaya alternatif bir seçenek sunmak için ABAQUS FEA yazılımında bir prosedür geliştirilmiştir. Bu prosedür“PKE”veya“Pile Kinematics Extraction”olarak adlandırılmaktadır. Söz konusu prosedür uyumlu olmayan yığınlar için COMSOL'da elde edilenlerle tutarlı sonuçlar verse de uyumlu yığınlar için uygulanabilir bir yöntem olmamıştır. Bu nedenle PKE prosedürü daha fazla çalışma ve iyileştirmeler gerektirir. Gelecekteki araştırmalar, tasarım yaklaşımının farklı kategori detayları ve dalga türleri için yapının yorulma ömrü üzerindeki etkisini -yığınların uyumlu veya uyumsuz olması fark etmeksizin- ayrıntılı olarak incelemeyi kapsayacaktır.

Özet (Çeviri)

The work presented in this thesis aims to investigate the impact of using the non-compliant form of Morison Equation instead of the compliant form, and whether following one of those two methods can have any connection to the fatigue-related failures seen in single vertical free-standing piles. This investigation is performed through a parametric analysis of piles of different sizes in waves of different properties for both forms of the Morison Equation. Each pile is analyzed twice, one analysis to calculate the wave forces using the non-compliant form and the other using the compliant form. Then, the two methods are compared in terms of calculated forces, stresses, accelerations, velocities, and deflections. Wave loads on coastal structures are a crucial design factor and the behavior of a structural element under wave loads is a very complex problem. Due to the dynamic and cyclic nature of wave loads, fatigue-related failure is a common design problem. Especially, in vertical slender structural elements such as piles used in oil and gas terminals. In such structures, fatigue-related issues such as through-the-thickness cracks and excessive deflections can become more prominent, particularly in single free-standing vertical piles. Such a scenario may occur during the construction phase where piles are usually driven and left free-standing without lateral support which is to be provided once the superstructure is installed. Although some lateral support can be secured by connecting piles which are members of a pile group using tie-backs at the top, the piles can still be at a high risk of failure in certain conditions such as storms and rough seas. Therefore, it is necessary to understand the behavior of single free-standing vertical piles under wave loads, particularly; slender or very slender piles which can experience, due to their ability to move more flexibly with waves, a different set of forces compared to less slender piles which exhibit a more rigid-like motion under waves. Wave forces on structures can be estimated using the Morison Equation which is a very simple and very widely used method to calculate in-line forces on a member in the direction of wave motion. Morison Equation can be extended to calculate lift forces (cross-flow forces) which are the forces in the direction perpendicular to the flow direction of the waves. Lift forces appear due to turbulence and vortex-shedding behind the member, and although those forces can sometimes be higher than the in-line component, it is essential to establish a clear understating of in-line forces contribution first and then proceed to study the combined effect of both the in-line and lift forces when they act simultaneously. Therefore, this study only considers the in-line component of wave forces whereas the lift forces and their coupled action with the in-line forces are the focus of future studies. Since the degree of structure's flexibility (i.e. its ability to move with waves) has an impact on the magnitude of wave forces as mentioned above, one of two forms of the Morison Equation can be used to calculate the in-line forces on vertical members, the first form is used when the member motion does not affect the wave forces, for instance, in low slenderness piles which do not move significantly with the waves. This type of structures is known as non-compliant structures. The second form is used when the motion of the member is large enough to change the forces imposed by the wave on the structure, such as in piles with high slenderness which can flexibly and significantly move with waves. Those structures are known as compliant structures. Although it is easy to distinguish between compliant and non-compliant structures, such difference is often ignored when the Morison Equation is used to calculate the wave forces on structures in the design of piles used in oil and gas terminals, where in many cases, the non-compliant form of the equation is applied regardless of the possibility of the pile motion being significant enough to disrupt and change the predicted forces. This practice can be attributed to the superior simplicity of the non-compliant form versus the compliant one which imposes coupling between the wave and pile kinematics (i.e. velocities and accelerations) and consequently increases the difficulty of modeling and solving the equation of motion. In addition, it may be sometimes unclear to the designer as to when it is necessary to use the compliant form and when it is acceptable to neglect the effect of pile motion. Despite the fact that it is acceptable in several cases to ignore the pile motion impact on the forces, the unconditional use of the compliant form of the Morison equation can result in an under- or over-estimation of the wave forces which in turn could create many problems such as fatigue-related issues. Furthermore, available literature and guidelines do not provide a head-to-head comparison between piles designed as compliant structures (i.e. using the compliant form of Morison equation) and those designed as non-compliant structures (i.e. using the non-compliant form of the Morison equation). The American Petroleum Institute RP 2A-WSD guideline is considered as the industry standard in the offshore and coastal engineering projects. This guideline provides a procedure to calculate wave forces on structures using the Morison equation. This procedure is available in the commercial FEA software SAP2000. The implementation and results of this procedure are also assessed in this study. In addition, the effect of the free water surface is considered in the Morison equation to provide a more realistic model of the wave forces since the locations of points loaded by waves vary with time as the wave moves.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    879933

    A3 türü düzensizliğine sahip yapılarda yerel zemin sınıfının yapıasal davranışı üzerindeki etkisi

    The effect of local soil class on structural behavior in buildings with A3 type irregularity

    EMİR DEMİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    İnşaat MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUHAMMET ZEKİ ÖZYURT

  2. Tez No

    269548

    Energy based seismic performance assessment of reinforced concrete columns

    Betonarme kolon elemanlarının enerji esaslı bir yöntemle sismik performans değerlendirmesi

    BORA ACUN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Deprem MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Bölümü

    DOÇ. DR. MURAT ALTUĞ ERBERİK

    PROF. DR. HALUK SUCUOĞLU

  3. Tez No

    100805

    Experimental assessment of heterotrophic endogenous decay and denitrification kinetics using hydrolyzed carbon sources

    İçsel solunum mekanizması ve denitrifikasyon kinetiğinin hidroliz kaynaklı karbon türleri için belirlenmesi

    EBRU AVCIOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2000

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. DERİN ORHON

  4. Tez No

    341136

    Seismic performance evaluation of reinforced concrete frames infilled with autoclave aerated concrete masonry

    Gaz beton kağir dolgu duvarlı betonarme çerçevelerin sismik performans değerlendirmesi

    UMAIR AHMED SIDDIQUI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Deprem MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Bölümü

    PROF. DR. HALUK SUCUOGLU

    PROF. DR. AHMET YAKUT

  5. Tez No

    451019

    Makas motoru arayüz devresi tasarımı ve güvenlik bütünlük seviyesi analizi

    Design of point machine interface and safety integrity level analysis

    SERHAN SUBAŞI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SALMAN KURTULAN

Geri Dön