Development of lateral load resistance-deflection curves for piles in cohesionless soils under earthquake excitation
Kohezyonsuz zeminlerde gömülü kazıklar için deprem yükleri altında yatay yük-yerdeğiştirme bağıntılarının geliştirilmesi
- Tez No: 828378
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ESRA ECE BAYAT
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 192
Özet
Kazıklı temellerin ön tasarımı statik yükler kullanılarak yapılabilir, ancak sismik olarak aktif bölgelerdeki kazıkların nihai tasarımı dinamik yükleri de içermelidir. Kazıkların deprem yüklemesi altındaki davranışı, yanal yüklemeli bir kazık problemi olarak kabul edilebilir. Yanal yüklü kazık problemlerinde yaygın olarak iki yöntem kullanılmaktadır: Sürekli ortam yaklaşımı ve Winkler yay yaklaşımı. Her iki yöntemde de kazık yapısal bir kiriş elemanı olarak düşünülebilir ancak temel fark zeminin modellenmesidir. Sürekli ortam yaklaşımında zemin ortamı iki veya üç boyutlu sonlu elemanlar kullanılarak modellenebilirken, yay yönteminde zeminin yanal yüklemeye direnci kazık boyunca yerleştirilen bir dizi yay ile idealleştirilmektedir. Yay yöntemi, lineer olmayan Winkler yöntemi olarak adlandırılmakta ve zemin-kazık sisteminin yanal yüke tepkisi, yanal yük-yer değiştirme (p-y) eğrileri ile dikkate alınmaktadır. Tarihsel olarak kazık ve üst yapı, doğrusal davranışa uygun modellenmiş ve doğrusal zemin-kazık-yapı etkileşimi birçok araştırmacı tarafından yeterince çalışılmıştır. Ancak zeminler, düşük deformasyonlar altında bile yüksek oranda doğrusal olmayan davranış sergilemektedir ve analizlerdeki temel zorluk, bu doğrusal olmama durumunu hesaba katan modelleme yaklaşımından kaynaklanmaktadır. Kazıklı temeller, açık deniz veya karada bulunan yapılarda yanal yüklere dayanacak şekilde tasarlanmalıdır. En yaygın analiz yöntemi bir önceki paragrafta özetlenen Winkler yay yaklaşımıdır. Araştırmacılar, Winkler yay yönteminde kullanılmak üzere yanal yük direnci-deformasyon (p-y) eğrileri için doğrusal olmayan formülasyonlar önermişler, ancak zemin nonlineeritesinin etkisi tam olarak incelenmemiştir. Literatürde en yaygın kullanılan yaklaşımın yüksek başlangıç rijitliğe sahip olduğu birçok araştırmacı tarafından vurgulanmıştır. Son zamanlarda yapılan bazı çalışmalarda, hiperbolik modelin kullanılması önerilmiştir. Bununla birlikte, hiperbolik modelin dezavantajı, p-y eğrilerinin doğrusal olmama durumunu temsil etmek için tek bir rijitlik parametresini kullanmasıdır. Buna göre kullanılan rijitlik parametresi, çoğu durumda p-y eğrilerini tanımlamak için yetersizdir. Bu nedenle, kazık yer değiştirmelerini ve iç kuvvetleri doğru bir şekilde tahmin etmek için analiz öncesi seçilecek rijitlik parametresi çok önemli olabilmektedir. Bu tezde yanal yüklü kazıkların davranışı 3-boyutlu sonlu farklar analizleri ile incelenmiştir. Analizlerde statik ve dinamik yükleme durumu ayrı olarak dikkate alınmıştır. Statik analizlerde HS-Small zemin modeli kullanılmıştır ve zeminin nonlineeritesi uygun bir şekilde tanımlanarak analizlere entegre edilmiştir. 3-boyutlu analizlerin doğrulanması amacıyla literatürde detayları bulunan gerçek ölçekli bir saha deneyi seçilerek sayısal modeli oluşturulmuştur. Oluşturulan modelde kazık ve zemin parametreleri belirlenerek yanal yük kazık başlığından uygulanmıştır. Kazık-zemin sistemi yanal yük altında analiz edilerek yanal yük-yerdeğiştirme ilişkisi elde edilmiştir. Ayrıca belirli derinliklerde yanal yük-yerdeğiştirme eğrileri bulunmuştur. Elde edilen bu eğriler literatürde verilen saha deneyi sonuçlarıyla karşılaştırılarak oluşturuan sayısal modelin doğruluğu irdelenmiştir. Sayısal modelin geçerliliği bir saha deneyi ile gösterildikten sonra parametrik analizler için ayrıca bir model kurulmuştur. Belirli kazık ve zemin özellikleri seçilerek bu parametrelerin yanal yük-yer değiştirme eğrilerine olan etkileri sayısal analizler ile incelenmiştir. Statik p-y ilişkisi için, sayısal analiz sonuçlarına dayalı olarak başlangıç rijitliği, nihai zemin direnci ve nonlineerite parametrelerini içeren dört parametreli modifiye hiperbolik model önerilmiştir. p-y eğrisinin başlangıç rijitliği zeminin başlangıç modülüne, kazık çapına ve derinliğe bağlı olarak verilmiştir. Nihai zemin direnci ise; kazık çapına, düşey efektif gerilmeye, yanal zemin basıncı katsayısına ve derinliğe bağlı olarak verilmiştir. p-y eğrilerinin nonlineeritesi zemin nonlineer davranışına bağlı olarak sunulmuştur. Zemin nonlineeritesi ise başlangıç modülünün sekant modülüne oranı olarak tanımlanmıştır. Bu oran büyüdükçe (sekant modülü küçüldükçe) nonlineerite artmaktadır. Önerilen p-y eğrilerinin 3-boyutlu sayısal analiz sonuçlarına yakınlığı gösterilmiştir. Daha sonra modelin geçerliliği literatürden bir saha deneyi ve ve santrifüj testi simüle edilerek gösterilmiştir. Buna göre önerilen model, kazık boyunca eğilme momentinin değişimi konusunda test sonuçlarıyla uyumludur. Ayrıca kazık yerdeğiştirme tahmininde önemli bir iyileştirme sağlanmıştır. Bu nedenle, önerilen model dört parametreli, çok küçükten büyük yer değiştirme seviyeleri için, zeminin nonlineeritesini daha iyi bir şekilde dikkate alabilmektedir. Önerilen p-y eğrileri, statik yanal yüklemeye maruz kalan kazıkların tasarımında kullanılabilir. Ayrıca deprem yükü altında üstyapı ivmelenmesi yönetmeliklerde verilen tasarım spektrumları ile tahmin edilebilir. Üstyapı ivmelenmesinden kaynaklanan yanal yük kazıklara statik olarak uygulanarak analiz edilebilir. Önerilen statik p-y eğrileri, deprem yüklemesini artımsal itme yöntemiyle dikkate alan bu yaklaşımlarda da kullanılabilir. Deprem yüklemesine maruz kalan kazıklı temellerde dinamik zemin-kazık-yapı etkileşimi analizleri gerçekleştirilmelidir. Winkler yay yaklaşımı ile yapılan dinamik analizlerde zemin davranışı doğrusal olmayan p-y eğrileri ile temsil edilmektedir. p-y eğrileri için mevcut yöntemler ya statik yükleme testlerine dayalıdır ya da dinamik yük altındaki zeminin nonlineeritesi doğru bir şekilde dikkate alınamamaktadır. Bu tezin amacı, kohezyonsuz zeminlerde bulunan kazıkların dinamik zemin-kazık-yapı etkileşimi analizlerinde davranışının daha doğru temsil edilebilmesi için sayısal analizler ile dinamik yükleme altındaki nonlineer zemin davranışını göz önünde bulundurabilen p-y eğrilerini geliştirmektir. Bu amaçla kazık-zemin-yapı etkileşimi analizleri FLAC3D programında 3-boyutlu olarak yapılmıştır. Öncelikle literatürde sunulan iki santrifüj deneyi modellenmiş ve sayısal model sonuçları ile test sonuçları karşılaştırılarak oluşturulan sayısal model doğrulanmıştır. Analizlerde zeminin nonlineer davranışı modül azalım eğrileri ile dikkate alınmıştır. Bu eğriler zeminin dinamik özelliği olup referans birim şekil değiştirme (reference strain) parametresi ile oluşturulmaktadır. Doğrulama analizleri sonrasında, parametrik analizler için bir sayısal model oluşturulmuştur. Farklı kazık çapları, zemin rölatif sıkılıkları ve nonlineer zemin davranışı için referans birim şekil değiştirme parametreleri için p-y eğrileri sayısal analizler sonucunda elde edilmiştir. Parametrik analizlere dayanarak, kohezyonsuz zeminlerdeki kazıkların dinamik p-y eğrileri için Bouc-Wen modeli önerilmiştir. Önerilen model, üç parametreye (başlangıç rijitliği, nihai zemin direnci ve nonlineerite) dayalı olarak dinamik p-y eğrilerinin omurga eğrisini karakterize etmektedir. Sayısal analizler, nonlineer p-y eğrilerinin esas olarak zeminlerin nonlineer davranışına ve kullanılan modül azalım eğrilerine bağlı olduğunu göstermiştir. Önerilen modelde p-y eğrileri için nonlineer davranış parametresi, zeminlerin modül azalım eğrisini temsil eden ve zemin davranışına bağlı olan referans birim şekil değiştirme parametresi ile doğrudan ilişkilendirilmiştir. Önerilen dinamik p-y eğrilerinin geçerliliği literatürde yayınlanan santrifüj testleri kullanılarak gösterilmiştir. Buna göre önerilen model ile elde edilen üstyapı ivmeleri ve kazık eğilme momentleri santrifüj deneyi sonuçlarına yakın bulunmuştur. Santrifüj testlerinde kullanılan deprem kayıtlarının sayısı sınırlı olduğu için, FLAC3D programında yeni bir sayısal model oluşturulmuş ve ilave olarak seçilen deprem kayıtları ile ek analizler yapılmıştır. 3-boyutlu analiz ile önerilen model sonuçları karşılaştırılmıştır. Zemin-kazık-yapı etkileşim analizi sonuçları, deprem kayıtlarının seçiminin çıktılarda anahtar rol oynadığını ortaya koymuştur. Doğrulama analizi sonuçları, önerilen dinamik p-y eğrilerinin kazık ve yapı tepkisini doğru bir şekilde tahmin edebildiğini göstermiştir. Zemin-kazık-yapı etkileşimi probleminin karmaşıklığı göz önüne alındığında, önerilen modelin bu analizler için oldukça pratik olduğu söylenebilir. Önerilen dinamik p-y modelinin en önemli avantajı, zeminin nonlineer davranışını dikkate alabilen histeretik p-y eğrilerini oluşturabilmesidir. Doğrusal olmayan zemin davranışı, referans birim şekildeğiştirme parametresi ile temsil edilebilmektedir. Bu parametrenin laboratuvar testleri ile belirlenerek dinamik p-y eğrilerine dahil edilmesi, dinamik yükleme altında gerçek zemin-kazık etkileşim davranışının dikkate alınabilmesine olanak tanımaktadır. Ayrıca, modül azalım eğrileri kullanılarak kohezyonsuz zeminler için bu model önerilmiş olmasına rağmen, referans şekil değiştirmenin doğru olarak belirlenmesi şartıyla herhangi bir zemine uygulanabilir. Genel olarak, dinamik p-y eğrileri için önerilen model, doğrusal olmayan p-y davranışını önemli ölçüde etkileyen dinamik zemin özelliklerini dikkate alabilmekte ve kazık-zemin-yapı etkileşimlerinde kullanılabilmektedir. Önerilen model kullanılarak farklı deprem kayıtları altında, tek kazık boyunca elde edilen üst yapı ivmeleri ve kazık eğilme momentleri, API ile hesaplanan sonuçlarla karşılaştırıldığında 3 boyutlu sayısal analiz sonuçlarına daha yakın çıkmıştır. Son olarak, önerilen statik ve dinamik p-y modelleri, statik yük-yer değiştirme davranışını tahmin etmekte ve doğrudan uygulanan sismik yükler altında dinamik davranışı dikkate alabilmekte tasarıma katkıda bulunacaktır.
Özet (Çeviri)
Pile foundations must be designed safely to withstand the lateral loads such as wave loads and seismic loads in offshore/onshore structures, seismic loads in bridges, buildings, port structures etc. The most common analysis method for the design is the Winkler spring approach. Researchers have suggested nonlinear formulations for the lateral load resistance-deflection (p-y) curves, but the contribution of the degree of soil nonlinearity was not studied thoroughly. The main drawback of the current approach is the use of a single stiffness in considering the soil nonlinearity. This study investigates the laterally loaded pile problem using the pressure-dependent hardening soil model with small-strain stiffness (HS-Small Model), where the degree of soil nonlinearity is better integrated. The numerical model was created, and parametric analyses were carried out on the verified model for various pile and soil properties. A modified hyperbolic model was proposed for static p-y relation, including the initial stiffness, ultimate soil resistance, and degree of nonlinearity parameters based on the numerical analysis results. The validity of the model was shown by simulating the field and centrifuge tests from the literature. The proposed model agrees with the test results in the variation of bending moment along the pile. Besides, a significant enhancement was provided in the estimation of pile deflections. Therefore, the proposed model with four parameters can more precisely consider the soil nonlinearity from very small to large displacements. The proposed p-y curves can be utilized in the design of piles subject to static lateral loading. The analysis of dynamic soil-pile interaction problems requires the relation of soil resistance to lateral loading that is represented by nonlinear p-y curves in the beam on the nonlinear Winkler foundation (BNWF) approach. Current methods for p-y curves are either based on static load tests or cannot accurately consider the dynamic soil nonlinearity. This study investigates the dynamic soil-pile interaction in cohesionless soils by numerical analyses to better characterize the p-y curves considering the nonlinear soil behavior under dynamic loading. A numerical pile-soil-structure model was created in FLAC3D and verified by two centrifuge tests published in the literature. The parametric analyses were performed to obtain the p-y curves for various pile diameters, soil relative densities, and degrees of nonlinearities. Based on the parametric analyses, a mathematical model was proposed for the dynamic p-y curves for cohesionless soils. The proposed model characterizes the backbone of dynamic p-y curves based on the three leading parameters (initial stiffness Kpy, ultimate resistance pu, and degree of nonlinearity n). The numerical analyses showed that the p-y curve nonlinearity mainly depends on the employed modulus reduction curves of soils. In the model, the degree of nonlinearity parameter (n) was directly related to the soil parameter“reference strain”(r), which solely represents the modulus reduction curve of soils. In this regard, the dependence on various dynamic soil parameters was diminished by correlating the dynamic p-y curves to the reference strain. The validation analyses performed in structural analysis software demonstrated that the proposed dynamic p-y model could accurately estimate the pile and structure response under earthquake loading by incorporating the hysteretic nonlinear soil behavior. Superstructure accelerations and bending moments along the single pile obtained using the proposed model under different earthquake records were closer to the 3-dimensional numerical analysis results when compared with the results calculated by API. Finally, the proposed static and dynamic p-y models will contribute to the design of piles by improving the initial stiffness, ultimate resistance and nonlinearity of the static load-displacement behavior and by integrating the dynamic soil nonlinearity and hysteretic behavior under directly applied seismic loads.
Benzer Tezler
- Geliştirilmiş geçirimsiz saydam laminer zemin konteyneri tasarımının mekanik özelliklerinin ve dinamik etki altında zemin deney numunesinin tasarımı
Design of the mechanical properties of the design of an developed impermeable transparent laminer soil contai̇ner and the design of the soil test sample under dynamic impact
MEHMET ŞAMİL GÜNDÜZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ESRA ECE BAYAT
- Yatay yük etkisindeki model kazıkların davranışı
The Behaviour of laterally loaded model piles
ERKAN DİNÇER
- Numerical and experimental investigation on the crushing behaviour of auxetic lattice cells produced with additive manufacturing techniques
Eklemeli imalat teknikleri ile üretilmiş ökzetik kafes yapıların ezilme davranışlarının nümerik ve deneysel olarak incelenmesi
KADİR GÜNAYDIN
Doktora
İngilizce
2020
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
DR. ÖĞR. ÜYESİ ANTONIO MATTIA GRANDE
- Betonarme yapılarda daha güçlü kolon tasarımının lineer olmayan sistem davranışına etkisi
Effects of strong column- weak beam design on non-linear beha vior of reinforced concrete frame structures
M.GÜNHAN AKSOYLU
- Mevcut betonarme bir binanın güçlendirme öncesi ve sonrası deprem güvenliğinin belirlenmesi
Başlık çevirisi yok
MERTER GÜRGÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİşletme Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERKAN ÖZER