Geri Dön

Kuvvetli yer hareketi altında suya doygun kumlarda oluşabilecek oturmaların sayısal analizlerle incelenmesi ve makine öğrenmesiyle değerlendirilmesi

Investigation of settlements in saturated sands under strong ground motion by numerical analysis and evaluation by machine learning

  1. Tez No: 859908
  2. Yazar: OZAN SUBAŞI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. RECEP İYİSAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 258

Özet

Yer kabuğu içinde meydana gelen kırılmalar sonucunda oluşan depremler, birçok mühendislik yapısında önemli hasarlara yol açmakta, sosyal ve ekonomik yaşamı son derece olumsuz şekilde etkilemektedir. Kuvvetli yer hareketi nedeniyle yapılarda oluşabilecek hasar düzeylerini etkileyen temel faktörler arasında yerel zemin koşulları, deprem karakteristiği ve üst yapı performansı yer almaktadır. Yakın bölgelerde bile büyük farklılıklar gösterebilen yerel zemin koşullarının, sismik dalgalarla etkileşimi, dalganın genlik ve frekans içeriğinde değişimlere neden olmakta, bunun sonucunda da tasarımda göz önüne alınan dinamik yüklerde azalmalar olabileceği gibi önemli miktarda artışlar da meydana gelebilmektedir. Özellikle suya doygun kumlarda dinamik yükler altında meydana gelen sıvılaşma, zemin tabakalarında yatay ve düşey deformasyonlara neden olmakta ve bunun sonucunda da yeraltı ve yer üstü mühendislik yapılarında önemli hasarlar gözlenmektedir. Bu nedenle, depreme dayanıklı mühendislik yapılarının tasarlanması için zemin tabakalarının dinamik davranışı son derece dikkatli bir şekilde incelenmeli ve zemin tabakalarının dinamik özellikleri doğru bir şekilde belirlenmelidir. Geçmiş yıllarda yapılan araştırmalar, suya doygun kumların dinamik yükler altındaki davranışı ile ilgili çok sayıda laboratuvar, arazi ve sayısal modelleme çalışmalarının gerçekleştirildiğini ortaya koymaktadır. Bu çalışmaların birçoğunda, büyük deformasyonlar ve mukavemet kayıplarına neden olan sıvılaşma ve sonuçları üzerinde durulmaktadır. Laboratuvar koşullarında, farklı özelliklere sahip numuneler üzerinde gerçekleştirilen dinamik basit kesme ve üç eksenli deneyleriyle, dinamik yükler altında suya doygun kumların dinamik davranışı, sıvılaşma kavramı ve sıvılaşmayı etkileyen parametreler araştırılmıştır. Arazi çalışmalarında ise, dinamik yükleme sonrasında suya doygun kumların olduğu bölgelerde meydana gelen kum kaynamaları, yanal yayılmalar ve oturmalar gibi sıvılaşma kaynaklı hasarlar incelenmiştir. Sayısal modellemelerde ise, dinamik yükler altındaki suya doygun kumların davranışı ve boşluk suyu basıncı değişiminin matematiksel ifadelerle modellenmesi amaçlanmıştır. Kuvvetli yer hareketi sırasında, suya doygun kumlarda meydana gelen boşluk suyu basınçlarındaki ani artışlar, gevşek kumlarda büyük deformasyonlara, sıkı kumlarda ise sınırlı miktarda birim şekil değiştirmelere neden olmaktadır. Bu durum, özellikle suya doygun gevşek kumların yer aldığı ve sismik aktivitenin yüksek olduğu bölgelerde sıvılaşma ve deformasyonların daha dikkatli bir şekilde incelenmesi gerekliliğini ortaya çıkarmaktadır. Ülkemizde 2019 yılında yürürlüğe giren Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği'nin yanı sıra Eurocode 8: Design of Structures for Earthquake Resistanceve ve National Earthquake Hazards Reduction Program gibi yönetmeliklerde de sıvılaşma potansiyeli ile birlikte sıvılaşma nedeniyle meydana gelebilecek oturmaların da değerlendirilmesi gerekliliği ön plana çıkarılmaktadır. Suya doygun kumlarda dinamik yükler altında meydana gelebilecek oturmaları belirlemek amacıyla yarı-ampirik yaklaşımlar ve sayısal yöntemler kullanılmaktadır. Yarı ampirik yaklaşımlar, laboratuvar ve arazi deneylerinin birlikte değerlendirilmesi sonucunda elde edilen korelasyonlara dayanırken, sayısal yöntemlerde ise suya doygun kumların dinamik davranışını ve deformasyonları bünye denklemleri yardımıyla modellenerek oluşturulan zemin kesitlerine zaman tanım aralığında dinamik yük etkitilerek analizler gerçekleştirilmektedir. Yarı-ampirik yöntemlerle, suya doygun kumlarda meydana gelebilecek oturmaların belirlenmesi için öncelikle sıvılaşma potansiyelinin değerlendirilmesi gerekmektedir. Sonrasında zemin tabakalarının sıvılaşma potansiyellerine, dinamik gerilme oranına ve arazide gerçekleştirilen sondaj darbe sayılarına bağlı olarak önerilen yarı-ampirik grafiksel çözümler yardımıyla hacimsel birim şekil değiştirmeler belirlenmektedir. Elde edilen hacimsel şekil değiştirmeler, tabaka kalınlığı ile çarpılarak ilgili derinlik için oturma değeri elde edilmektedir. Aynı işlem tüm zemin tabakalarına uygulanarak yüzeyde meydana gelen toplam oturma tahmin edilmektedir. Sayısal analizlerde ise, arazi koşulları ile benzer zemin kesitleri oluşturularak suya doygun kumların doğrusal olmayan dinamik davranışını modelleyebilmek amaçlanmaktadır. Bu doğrultuda, sonlu farklar veya sonlu elemanlar yardımıyla oluşturulan iki veya üç boyutlu zemin kesitlerine, anakaya üzerinde alınmış ivme-zaman kaydı etkitilerek zemin tabakalarında meydana gelen sıvılaşma ve oturmalar elde edilmektedir. Yarı-ampirik yaklaşımların kullanımı kolay olmasına rağmen, sayısal analizde, kuvvetli yer hareketi sırasında zemin tabakalarındaki boşluk suyu basıncı değişimleri, zeminin dinamik davranışı ve deprem dalgasının zemin tabakalarındaki ilerleyişi modellenememektedir. Gelişen teknoloji ve bilgi birikimiyle birlikte, sonlu elemanlara dayanan programların analiz gücünün artması, sıvılaşma ve sıvılaşma kaynaklı deformasyonları tahmin etmek için oluşturulan bünye denklemlerinin iyi sonuçlar vermesi, sayısal yöntemlerin kullanılabilirliğini her geçen gün daha da arttırmaktadır. Bu çalışmada, serbest saha koşullarında dinamik yükler altında, suya doygun kumlarda meydana gelen oturmalar, sayısal analizler yardımıyla elde edilerek, deprem kaynak ve zemin tabaka özelliklerinin oturmalar üzerindeki etkileri incelenerek olası yapısal hasarların önüne geçilmesi ve ekonomik kayıpların azaltılması amaçlanmıştır. Bu doğrultuda, öncelikle dinamik analizlerde kullanmak için, farklı kırılma mekanizmalarına, frekans içeriğine ve genliğe sahip ivme-zaman kayıtları seçilmiştir. Sayısal analizlerde kullanılmak üzere, zemin tabakalarının kayma mukavemetinin sıvılaşmalar ve oturmalar üzerindeki etkilerini gözlemlemek amacıyla gevşek (%35), orta sıkı (%55) ve sıkı (%75) olmak üzere üç farklı rölatif sıkılığa sahip temiz Ottawa kum özellikleri kullanılarak zemin kesitleri oluşturulmuştur. Zemin kesitinde yer alan kum tabakalarının dinamik davranışı, Ottawa kumu üzerinde gerçekleştirilen drenajsız tekrarlı basit kesme deney sonuçları göz önüne alınarak PM4Sand bünye denklemi için kalibre edilmiştir. Farklı amaçlar doğrultusunda çeşitli geometrik özelliklere sahip kesitler, ivme-zaman kayıtları kullanılarak bir sonlu eleman yazılımı olan Plaxis 2D ile analiz edilmiştir. Çalışma kapsamında, öncelikle gerçek ivme-zaman kayıtları ve gevşek, orta sıkı, sıkı Ottawa kum özellikleri kullanılarak, suya doygun kumlarda meydana gelen oturmalar üzerinde zemin mukavemeti ile deprem kaynak özelliklerinin etkileri incelenmiştir. Daha sonrasında ise aynı kesitte farklı kalınlıklar kullanılarak gevşek ve sıkı kumlarla oluşturulan zemin kesitleri analiz edilerek, kumların sıkılıklarının kuvvetli yer hareketi sırasında zemin tabakalarında oluşan boşluk suyu basıncı dağılımlarına, sıvılaşmalara ve oturmalara olan etkileri araştırılmıştır. Son bölümünde ise farklı rölatif sıkılıklardaki suya doygun kum tabakalarında oluşan oturmalar ile kuvvetli yer hareketini tanımlamak için kullanılan parametreler arasındaki ilişkiler elde edilmeye çalışılmıştır. Bu amaç doğrultusunda, üç farklı rölatif sıkılığa sahip (Dr=%35, 55, 75) kumlarla ayrı ayrı 5, 10, 15, 20 m kalınlıklarında zemin kesitleri oluşturulmuş ve 15 farklı kuvvetli yer hareketi kaydı maksimum ivme değerleri 0.1, 0.2, 0.3 ve 0.4 g ivme değerlerine ölçeklendirilerek sayısal analizler gerçekleştirilmiştir. Yapılan sayısal analizlerle rölatif sıkılığın, deprem kaynak özelliklerinin ve tabaka kalınlığının suya doygun kumlarda elde edilen oturmalar üzerindeki etkileri göz önüne alınarak makine öğrenmesi yardımıyla regresyon analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizler sonucunda, kuvvetli yer hareketini tanımlamak için kullanılan parametreler, rölatif sıkılık, tabaka kalınlığı yardımıyla sayısal analizler sonucunda elde edilen oturmaları tahmin etmek için çözüm yöntemleri geliştirilmiştir.

Özet (Çeviri)

Earthquakes, resulting from ruptures in the earth's crust, cause significant damage to many engineering structures and have an extremely negative impact on social and economic life. Local soil conditions, earthquake characteristics and superstructure performance are the main factors affecting damage to structures due to strong ground motion. Local ground characteristics, which can vary greatly even in similar regions, cause changes in the amplitude and frequency content of the wave during its interaction with seismic waves, resulting in significant increases as well as decreases in the dynamic loads considered in the design. Especially, liquefaction occurring in water-saturated sands under dynamic loads causes horizontal and vertical deformations in soil layers, resulting in significant damage to underground systems and engineering constructions. Therefore, in order to design earthquake resistant engineering structures, the dynamic behavior of soil layers should be examined very carefully and their dynamic properties should be correctly identified. A review of past researches shows that many laboratory, field and numerical modeling studies have been carried out on the behavior of water-saturated sands under dynamic loads. In most of these studies, the concept and consequences of liquefaction causing large deformations and strength losses are emphasised. In laboratory conditions, dynamic behavior of water-saturated sands under dynamic loads, the concept of liquefaction and the parameters affecting liquefaction were researched by dynamic simple shear and triaxial tests on specimens with different properties. With field studies, liquefaction-induced damages such as sand boils, lateral spreading and settlements occurring in areas with water-saturated sands after dynamic loading were investigated. In numerical modeling, it is aimed to observe the behavior of water-saturated sands under dynamic loading and the change in pore water pressure and to describe it with mathematical formulas. During strong ground motion, sudden increases in pore water pressures in water-saturated sands cause large deformations in loose sands and limited deformations in dense sands. This situation reveals that liquefaction and deformations that may occur due to liquefaction should be examined more carefully, especially in regions with high seismicity where water-saturated loose sand soil layers are located. In addition to the Türkiye Building Earthquake Code, which entered into force in our country in 2019, regulations such as Eurocode 8: Design of Structures for Earthquake Resistance and the National Earthquake Hazards Reduction Programme also highlight the need to evaluate the potential for liquefaction as well as the settlements. Semi-empirical approaches and numerical methods are used to determine the settlement of saturated sands under dynamic loads. Semi-empirical techniques are based on correlations proposed from a combination of laboratory and field experiments, while numerical methods use constitutive equations to model the dynamic behavior and deformations of saturated sands in time domain. In order to determine the settlements that may occur in saturated sands by semi-empirical methods, the liquefaction potential must first be evaluated. Then, volumetric strain values are determined with the help of semi-empirical graphical solutions depending on the liquefaction potential of the soil layers, cyclic stress ratio and SPT blow numbers. The obtained volumetric strain is multiplied by the layer thickness to obtain the settlement value for the relevant depth. The same process is applied to all soil layers, the settlements occurring in layers of different depths are summed and the total settlement occurring on the surface is estimated. In numerical analyses, it is aimed to model the nonlinear dynamic behaviour of saturated sands by creating soil profiles similar to the field conditions. In this direction, two or three dimensional soil sections are created by finite differences or finite elements and analyzed by applying acceleration-time records taken on the rock outcrop. As a result of the numerical analyses, the liquefaction behaviour and settlements occurring in the soil layers are obtained. Although semi-empirical approaches provide ease of use, they do not model propagation of the earthquake wave and changes in pore water pressure in the soil layers, the nonlinear dynamic behavior of soils during strong ground motion, which are considered in numerical analyses. However, with the developing technology and knowledge, the increase in the analysis power of finite element based programs and the good results of constitutive equations for predicting liquefaction and liquefaction induced deformations increase the usability of numerical methods day by day. In this study, the settlements of water saturated sands under dynamic loads in free field conditions are obtained by numerical analysis and the effects of earthquake source and soil layer properties on settlements are determined in order to prevent possible structural damages and reduce economic losses. Firstly, real acceleration-time records with different earthquake source characteristics were selected and both original records and records scaled to different maximum acceleration values were used. In order to observe the effects of the shear strength of the soil layers, soil layers with three different relative densities as loose (35%), medium dense (55%) and dense (75%) clean Ottawa sand properties were used for the numerical analyses. The dynamic behavior of the sand layers in the soil profile was calibrated for the PM4Sand constitutive equation by considering the results of a undrained cyclic direct simple shear test on Ottawa sand. For different purposes, soil profiles with different geometries were analyzed in Plaxis 2D, a finite element software, using acceleration-time records. Within the scope of the study, firstly, the effects of both soil strength and earthquake source properties on the settlements occurring in saturated sands were investigated by using the original acceleration-time records and loose, medium-dense and dense Ottawa sand properties. Then, the soil layers created with loose and dense sands using different thicknesses in the same profiles were analyzed and the effects of the relative densities of the sand layers on the pore water pressure distributions and settlements in the soil section during strong ground motion were investigated. In the last part of the study, the relationships between the settlements occurring in saturated sand layers of different relative densities and the parameters used to describe strong ground motion were investigated. For this purpose, soil sections of 5, 10, 15, 20 m thickness were created separately with sands of three different relative densities (Dr=35, 55, 75%) and numerical analyses were performed by scaling the maximum acceleration values of 15 different strong ground motion records to 0.1, 0.2, 0.3 and 0.4 g acceleration values. Regression analyses were performed with the help of machine learning by considering the effects of relative stiffness, earthquake source characteristics and layer thickness saturated sands. As a result of the analyses, solution methods were developed to predict the settlements obtained from numerical analyses with the strong ground motion parameters, relative stiffness, layer thickness.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    609259

    Seismic performance of tunnel in liquefiable soil

    Sıvılaşabilen zemin tüneli sismik performansı

    MOHSEN FATHIEH

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deprem Mühendisliği ve Afet Yönetimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYFER ERKEN

  2. Tez No

    872453

    Zeminin statik ve dinamik yükler altındaki davranışını belirlemede kullanılan analitik ve nümerik analizlerin karşılaştırılması

    Comparison of analytical and numerical analyses used to determine the behavior of soil under static and dynamic loads

    ÖZLEM BALCIOĞLU GÜNER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ BERRAK TEYMÜR

  3. Tez No

    762317

    Continuity and change in the US foreign policy toward Kosovo question

    ABD'nin Kosova sorununa yönelik dış politikasında devamlılık ve değişim

    MERVE KALA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Uluslararası İlişkilerOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Uluslararası İlişkiler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA TÜRKEŞ

  4. Tez No

    439576

    Türkiye'deki mevcut betonarme binaların depremlerde hasargörebilirliğinin istatistiksel kestirimi

    Statistical evaluation of the fragility of existing RC buildings in turkey under seismic loads

    ÜLGEN MERT TUĞSAL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BEYZA TAŞKIN AKGÜL

  5. Tez No

    350390

    Deprem ivme kayıtlarındaki gürültünün yapısal davranışa etkisinin incelenmesi

    Investigation of the effect of noise content in the recorded strong motions in structural behavior

    FATMA SEVİL MALCIOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. BEYZA TAŞKIN

Geri Dön