Examination of the design procedures for pile foundations subjected to liquefaction-induced lateral spreading during earthquakes
Deprem sonrası sıvılaşma kaynaklı yanal yayılma etkisindeki kazıklı temellerin tasarım prosedürlerinin incelenmesi
- Tez No: 874208
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ESRA ECE BAYAT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Deprem Mühendisliği, İnşaat Mühendisliği, Earthquake Engineering, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- 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: 179
Özet
Bu tez kapsamında, sıvılaşma kaynaklı yanal yayılma etkisindeki kazıklı temellerin tasarım prosedürleri ele alınmıştır. Günümüzde yapı kaynaklı yükleri daha derinde yer alan güçlü zemin tabakalarına aktarmak için mühendislik uygulamalarında sıkça tercih edilen kazıklı temeller yapıların stabilitesi için kritik önem arz etmektedir. Kazıklı temeller üstyapı yüklerini ilkin eksenel olarak taşımak üzere düşey yüklere göre tasarlanır ancak deprem bölgelerinde kazıklara etki eden yanal kuvvetler tasarım kriterlerini değiştirebilecek düzeyde tesirlere neden olabilir. Çevrimsel fazdaki deformasyonlar ek yanal kuvvetlere neden olurken zemin sıvılaşması, boşluk suyu basınçlarındaki artış ve kayma mukavemetindeki azalma nedeniyle kazıklarda önemli bir aşırı yük oluşmasına sebep olmaktadır. Bu aşırı yüklere ek olarak proje sahasının eğimli olduğu veya bina oturum alanının çevresine serbest düşü yer alması durumlarında sıvılaşma, kazıklı temellerde yanal yayılma etkisi olarak adlandırılan ayrı bir tasarım sorununa yol açar. 1964 Niigata depremi (Japonya), 1964 Alaska depremi (ABD), 1985 Mexico City depremi, 1995 Kobe depremi (Japonya) ve 2011 Christchurch (Yeni Zelanda) depremi gibi sıvılaşma hadisesinin tecrübe edildiği pek çok büyük deprem, farklı türden yapıların (köprü, iskele, rıhtım duvarı, otoyol ve bina) kazıklı temellerinde yanal yayılma problemi dikkate alınmayarak yürütülen tasarım süreçlerinin sonucunda gereken performans hedeflerine ulaşılamadığını ortaya koymuştur. Bu hadiseleri takip eden akademik çalışmalar, sıvılaşma kaynaklı yanal yayılmanın kazıkları, çevrimsel yük kökenli olanların dışında, ilave aşırı yüklere maruz bıraktığını dolayısıyla yapısal hasarlara neden olabileceğini işaret etmektedir. Bu sorunun çözümü için dünya genelinde kamu/özel kurumlar ve enstitüler, kazıklı temellerde yanal yayılma etkilerini hesaplamak ve olası güvenlik ihlallerini önlemek amacıyla çeşitli tasarım metotları geliştirmiştir. Bu metotlar, kazıklı temellerin daha güvenli tasarlanması ve sıvılaşma kaynaklı yanal yayılma problemine karşı daha dayanıklı hale getirilmesi için rehber niteliğinde veri teşkil etmektedir. Geliştirilen bu tasarım metotları deprem başta olmak üzere diğer doğal/yapay afet durumlarında yapıların mukavemetini artırıcı yaklaşımlar sunmaktadır. Sıvılaşma kaynaklı yanal yayılmanın kazıklı temeller üzerindeki etkisinin aleyhte olması beklenen bir olgudur. Bu durumda tasarımcılar için iki temel hedef bulunmaktadır. İlk olarak kazıklı temellerde yanal yayılma kaynaklı oluşacak ilave kesit tesirlerinin gerçeğe yakın ve tutarlı tasarım metotlarıyla hesaplanması gerekmektedir. İkinci olarak yapının performans hedeflerine paralel stratejiler belirlenerek bu tesirleri azaltacak yahut ortadan kaldıracak yaklaşımlar geliştirilmelidir. Bu iki hedefe ulaşılması için doğru mühendislik yargıları kullanılarak bütüncül bir yaklaşımla ele alınan tasarım metotları araştırmacılar tarafından ortaya konulmuş ve kullanımı teşvik edilmiştir. Bu metotların ekseriyeti köprü/viyadük tipi vadi yakınında yer alan yapıların derin temellerinin tasarım senaryolarını ele alsa da binalar ve rıhtım duvarları için de benzer metotlar geliştirilmiştir. Bu metotlar özellikle aktif depremsellik ve artan altyapı yatırımı ihtiyaçlarının yoğun olduğu ülkelerde ilgili tasarım yönetmeliklerinde de peyderpey yer almaya başlamıştır. Böylece metotların pratik mühendislik uygulamalarında performanslarının sınanmasının yanında kazıklı temellerin yapı-zemin etkileşimini göz önüne alan tasarım kriterlerinde ölçünlü bir yaklaşım haline gelmesine vesile olunmuştur. Türkiye'nin, özellikle Marmara ve Ege kıyı bölgelerinde rastlanılan; kaba daneli gevşek, suya doygun kumlar ve ince daneli siltler ile düşük plastisiteli killeri içeren zemin tabakaları bölgenin aktif fay mekanizması kaynaklı yüksek sismik aktivitesi ile birleştiğinde sıvılaşmaya yatkın saha koşullarını oluşturmaktadır. Türkiye'deki şehirleşme geleneği düşünüldüğünde deniz kenarlarındaki yoğun konut/ofis tipi az-orta-çok katlı yapılaşma göze çarpmaktadır. Bu türde saha konfigürasyonlarında yoğun yapılaşmaya izin verilmesi ile birçok kıyı yerleşim yapısının sıvılaşma kaynaklı yanal yayılma etkisini dikkate almadan tasarlanmış olabileceği sorunu ortaya çıkmaktadır. Bunun altında yatan temel neden ise Türkiye'de yapıların tasarım kriterlerini düzenleyen güncel yönetmeliklerin (Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (TBDY, 2018) ve Türkiye Kıyı ve Liman Yapıları Deprem Yönetmeliği'nin (KLYDY, 2020)) sıvılaşabilir sahalarda kazıklı temellerin tasarım esaslarını tarif ederken yanal yayılma etkisini kapsam dışı bırakmasıdır. Özellikle bina temelleri için TBDY 2018'in sıvılaşma kaynaklı yanal yayılma olgusuna dair herhangi bir hüküm içermemesinin ve kıyı liman yapıları için KLYDY'nin bu tasarım sorunu için detaylı sayısal analiz prosedürlerini ve yapısal önlemleri tarif etmemesinin tasarımcılarca konunun es geçilmesine neden olabileceği tahmin edilmektedir. Bu çalışma kapsamında mevcut literatürün kapsamlı bir incelemesi yapılmış, sıvılaşma kaynaklı yanal yayılma mekanizmaları, yanal yayılma esnasında kazıklı temellerin davranışı ve tetiklenmesi ile etkisinin artmasına neden olan faktörler açıklaması ile ortaya konmuştur. Sıvılaşabilir zeminlerde kazıklı temeller için mevcut tasarım prosedürleri analiz edilmiştir. Bu tezde tasarım yaklaşımlarının avantajları ve dezavantajları değerlendirilmiş, geliştirilebilecek alanlar işaret edilmiştir. Bu olgular sunulurken tarihsel gelişim serüveni de aktarılarak gelecekteki araştırmalar için hareket noktası olması hedeflenmiştir. Tez çalışması içeriğinde İstanbul'un Boğazı'nda yer alan bir projenin detaylı bir vaka analizi ile teorik bilginin yanında kazıklı temellerin yanal yayılma koşulları altındaki tasarımının pratik uygulama esasları da ele alınmıştır. Proje sahasının sismik ve geoteknik koşulları aktarılarak zemin tabakalarına ait mühendislik parametreleri belirlenmiştir. Serbest sahada sıvılaşma kaynaklı yanal yayılma tehlikesini değerlendirmek amacıyla çeşitli analitik/numerik yazılım araçları kullanılarak bir dizi sismik yer tepki analizi gerçekleştirilmiştir. Ardından yukarıda da zikredilen çeşitli tasarım metotları takip edilerek elde edilen sonuçlar kategorik olarak karşılaştırılmıştır. Böylece mevcut tasarım metotlarının verimliliği, kullanım kolaylığı ve yapı temelleri üzerindeki etkisine dair karşılaştırmalı veri de sunulmuştur. Literatür incelemesi ve vaka çalışmasından elde edilen bilgiler sentezlenerek mühendislik uygulamaları ve tasarım stratejileri için öneriler yapılmıştır. Bu öneriler, kazıklı temellerin daha verimli ve güvenli bir şekilde tasarlanmasına katkıda bulunmak üzere derlenmiştir. Farklı yer tepki analizlerinden elde edilen sonuçlar ile sıvılaşma kaynaklı yanal yayılma etkisindeki kazıklı temellerin analizlerinden elde edilen sonuçlara dair mukayeseler ve potansiyel iyileştirmeler, kullanım tecrübesiyle birlikte tezin tartışma bölümünde irdelenmiştir. Özellikle deprem gibi afetlere karşı bina türü yapıların dayanıklılığını artırmak için hangi yöntemlerin daha uygun olabileceği ve tasarım sürecinde benimsenebileceği üzerinde durulmuştur. Bu inceleme ve tartışmalar, yapıların deprem direncini artırmak için ileriki çalışma konularına da ışık tutmaktadır. Gelecekte yapılacak çalışmalar için yol gösterici nitelikte olan bu çıkarımlar, işaret edilen mühendislik alanlarında önemli gelişmelere kapı aralayacaktır. Analiz sonuçlarına göre, TBDY 2018'e kazıklı temeller için yanal yayılma analizinin dahil edilmesi gerekliliği açıkça vurgulanmıştır. Bu yönüyle yanal yayılma, özellikle şiddetli yer sarsıntısını takiben zemin sıvılaşması nedeniyle oluşan yanal hareketlerin, yapıların stabilitesini önemli ölçüde etkileyebileceği için kritik öneme sahiptir. Bu nedenle, kazıklı temellere sahip yapıların güvenliği ve dayanıklılığı için yanal yayılma analizinin tasarım süreçlerine entegre edilmesi büyük önem arz etmektedir. Bina yönetmeliğinin güncellenecek versiyonuna yapılacak bu eklemeyle, inşa edilecek yeni yapıların projelendirilmesinde ve mevcut yapıların değerlendirilmesinde geoteknik deprem mühendisliği açısından daha güvenli ve sürdürülebilir sonuçlara ulaşılacaktır. Bu amaçla, tezin ilgili bölümlerinde yanal yayılma analizinin kapsamı ve esnekliği hakkında ek önerilerde bulunulmuştur. Bu öneriler, mevcut tasarım yönetmeliklerinin daha etkin ve uygulanabilir hale getirilmesine yönelik detaylı incelemeler ve değerlendirmeler içermektedir. Yanal yayılmanın farklı zemin koşullarında ve farklı yapı tiplerinde nasıl ele alınması gerektiği, bu önerilerin temelini oluşturmaktadır. Ayrıca, bu analizlerin nasıl daha pratik ve geniş kapsamlı hale getirilebileceği konusunda da çeşitli stratejiler sunulmaktadır. Bu tez çalışması, ana bulguları ve katkıları ile kazıklı temellerin tasarımında sıvılaşma kaynaklı yanal yayılmanın önemini pekiştirmektedir. Yenilikçi ve etkili tasarım stratejilerinin, deprem bölgelerinde yapısal direnci sağlamaktaki potansiyeli vurgulanmaktadır. Bu stratejiler, mühendislik uygulamalarında nitelikli gelişmelere yol açabilecek ve yapıların güvenliğini önemli ölçüde artırabilecektir.
Özet (Çeviri)
This thesis examines the design procedures for pile foundations subjected to liquefaction-induced lateral spreading. Pile foundations are widely used in engineering practice to transfer structural loads to lower more substantial soil stratum, which is critical for structural stability. In general, pile foundations are initially designed to carry the superstructure's axial loads; however, lateral forces acting along the pile sections in seismic regions may overwrite the design criteria. While the cyclic phase deformations result in additional lateral forces, the phenomenon of soil liquefaction may impose significant overload due to an increase in pore pressures and a decrease in shear strength. Lateral spreading is a further design issue on pile foundations in conjunction with liquefaction rise from sloping ground conditions on site or free face near the site. Past earthquakes, such as the 1964 Niigata earthquake in Japan, the 1964 Alaska earthquake in the United States, the 1985 Mexico City earthquake, the 1995 Kobe earthquake in Japan, and the 2011 Christchurch earthquake in New Zealand, have starkly demonstrated the consequences of unaddressed liquefaction-induced lateral spreading. During these events, the poor performance of unwell-designed pile foundations in various structures like bridges, wharves, quay walls, expressways, buildings, etc., is a clear testament to the potential for structural failure. The historical data and subsequent studies underscore the urgent need to consider and address this issue in pile foundation design. To overcome this issue, institutions and researchers developed design methods to evaluate lateral spreading actions on pile foundations worldwide, which are slowly incorporated into corresponding design codes. Given that Turkey, especially the Marmara and Aegean regions, with a soil stratum consisting notably of loose, saturated sands and silts, as well as low-plasticity clay soils, combined with its seismicity due to unique active fault mechanism, is particularly susceptible to liquefaction. Considering the urban development tradition of the country, which concludes dense housing around waterways and sees, many of the coastal residential structures have been and are still designed without taking the liquefaction-induced lateral spreading effects. The main underlying reason has presumably arisen from the fact that the Turkish Seismic Design Code for Buildings (TBDY, 2018) and Turkish Seismic Design Code for Coastal and Port Structures (KLYDY, 2020) regulate the design procedure of pile foundations on liquefiable sites and provide guidelines, while the TBDY lacks specific provisions addressing lateral spreading phenomena. The KLYDY lacks the latest numerical analysis procedures for the given design issue. After the 6th February Kahramanmaras earthquakes, numerous cases regarding the lateral spreading issue were confirmed and culminated in various research studies. A thorough review of existing literature reveals the mechanisms of liquefaction-induced lateral spreading of soils and the behavior of piled foundations during spreading events, with a clear explanation of the factors contributing to its initiation and intensification. Current design procedures for piled foundations in liquefiable soils are analyzed. The advantages and disadvantages of these design approaches are critically assessed, highlighting areas for improvement. Historical developments in understanding these phenomena are also explored, providing a solid foundation for further research. This research examines a case study in Bosporus, Istanbul, illustrating the practical challenges of designing piled foundations in lateral spreading conditions. Utilizing a simplified hybrid approach, the standard regulations dictated in TBDY 2018 applied to design pile foundations. The geological and geotechnical conditions of the site are pronounced, and various parameters, such as soil properties and seismic characteristics, are determined accordingly. A set of seismic site response analyses was conducted using various analytical/numerical software tools to evaluate the risk of liquefaction-induced lateral spreading at the free field. Subsequently, several design methods are applied, and the results are compared categorically. Existing design methods' effectiveness and impact on pile foundations and structures are discussed. Insights from the literature review and case study are synthesized to outline implications for engineering practice and design strategies. The discussion explores potential improvements in design methodologies to be adopted in TBDY for pile foundations and identifies areas for future research to enhance resilience in seismic regions. The outcomes of the analyses evidently emphasize the necessity of including a lateral spreading analysis in the TBDY 2018, and further suggestions about its extent and flexibility are made. The thesis summarizes the essential findings and contributions, reinforcing the importance of addressing liquefaction-induced lateral spreading in pile foundation design. It highlights the potential for innovative and robust design strategies to ensure structural resilience in seismic regions.
Benzer Tezler
- Kazık taşıma kapasitesinin statik formüllerle bulunması
The Calculation of the pile bearing capacity with statical formulas
TANER HERGÜNER
- Jet grout uygulaması sonrası yapılan kalite kontrol testleri ve değerlendirilmesi
Quality test methods and evaluation regarding jet grouting
ARZU DOĞRU YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN YILDIRIM
- Propulsion-airframe integration for low-boom supersonic aircraft
Düşük gürültülü sesüstü hava araçlarında itki-gövde entegrasyonu
RUMED İMRAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELİKE NİKBAY
- Türkiye ve Avrupa betonarme yönetmeliklerinin karşılaştırılması
Comparasion of the Turkish building code and requirements for reinforced concrete to the european code for concrete structures
HAKAN ERDEM HAVAYİR
- Kompozit yüksek bir yapının deprem performansının zaman tanım alanında doğrusal olmayan yöntem kullanılarak belirlenmesi
Seismic evaluation of a composite high-rise building based on nonlinear dynamic time history analysis
GÖKHAN ŞENOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BARLAS ÖZDEN ÇAĞLAYAN