Numerical modeling of wave-induced liquefaction around a gravity-based structure
Bir ağırlık yapısı etrafında dalga kaynaklı sıvılaşmanın sayısal modellemesi
- Tez No: 894795
- Danışmanlar: PROF. DR. VEYSEL ŞADAN ÖZGÜR KIRCA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Deniz Bilimleri, İnşaat Mühendisliği, Marine Science, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kıyı Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kıyı Bilimleri ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 87
Özet
Sıvılaşma, zemini oluşturan taneler arasındaki boşluk suyu basıncının artarak, tanelerin birbirleri ile teması kesilip serbest kalıncaya kadar birikmesi sonucu meydana gelir. Taşıyıcılığını kaybeden zemin tane-su karışımı bir sıvı gibi davranır. Sıvılaşmanın önemi, büyük yapıların sıvılaşma sebebiyle zarar görmesiyle anlaşılmıştır. Allen Hazen sıvılaşma (liquefaction) kelimesini ilk kez Kaliforniya'daki Calaveras Barajı'nın çökmesinin ardından yazdığı makelesinde kullanmıştır. O günden bugüne bu alanda birçok çalışma yürütülmüştür. Bu olayın fiziğini daha iyi anlamak için deneysel çalışmalar yapılmış ve matematik modeller üretilmiştir. Doğada sıvılaşma deprem kaynaklı ya da dalga kaynaklı olabilmektedir. Deprem dalgalarının sebep olduğu sıvılaşmanın altında yatan fizik deniz dalgalarınınkiyle benzerdir. İki tür dalga kaynaklı sıvılaşma vardır, bunlar anlık sıvılaşma (momentary liquefaction) ve kalıcı sıvılaşmadır (residual liquefaction). Anlık sıvılaşmanın arka planındaki fizik farklıdır. Dalga geçişi esnasında görülen anlık sıvılaşma dalga durduğu anda biter. Kalıcı sıvılaşma farklı etmenlere bağlı olarak bir süre devam eder. Boşluk suyu basınıncının dağılıp zemin tanelerinin oturmasıyla son bulur. Bu tez kapsamında dalga kaynaklı kalıcı sıvılaşma incelenmiştir. Dalga geçişleri deniz tabanında basınç değişimlerine sebep olur ve bunun sonucunda zemin tekrarlı kayma deformasyonlarına maruz kalır. Bu kayma deformasyonları sonucu zemin tanelerinin yer değiştirmesi boşluk oranını değiştirir ve boşluk suyunu harekete geçirir. Bilhassa hidrolik iletkenliği düşük zeminlerde boşluk suyu tahliye olamaz ve basınçlanır. Boşluk suyu basıncı, zemin tanelerinin birbirine uyguladığı efektif gerilmeleri aştığında taneler birbirleriyle olan teması kaybeder, zemin iskeletini koruyamaz ve sıvılaşır. Sıvılaşan zemin taşıyıcılığını kaybedeceğinden yakınlarında keson gibi bir ağırlık yapısı varsa gömülebilir ya da yan yatabilir. Boru hattı var ise özgül ağırlığına bağlı olarak yatay veya dikey yönlerde hareket edebilir. Boru hattının özgül ağırlığı sıvılaşmış zeminin özgül ağırlığından yüksek ise daha derine gömülebilir ya da daha düşük ise yukarı yönde hareket edebilir. Sıvılaşmış zeminin özgül ağırlığı, su ve zemin taneleri karışımının birbirleri arasındaki orana bağlı olarak değişir. Kalıcı sıvılaşmanın evreleri vardır. Bunlar sıvılaşmanın başlangıcı, sıvılaşma ve konsodilasyon şeklinde sıralanabilir. Konsolidasyon evresinde, yükselen boşluk suyu basıncı dağılır ve taneler dibe çöker. Model sıvılaşma sonrası konsolidasyon evresini barındırmadığından bu evre tez kapsamında incelenmemiştir. Sıvılaşma, periyodu 5 ile 15 saniye arasında değişen ve yüksekliği 2 metreyi bulan açıklarda 10 ila 20 metre arasında değişen dalgalarla tetiklenebilir. Keson gibi yapıların önünde yapının yansıma katsayısına bağlı olarak yüksekliği gelen dalga yüksekliğinin iki katına kadar ulaşan duran dalgalar oluşabilir. Kesona uygulanan bu yüksek basınçların oluşturduğu devrilme momentleri yapının salınım hareketi yapmasına neden olabilir. Salınım hareketi kesonun altında yüksek gerilmelere neden olarak sıvılaşmayı tetikleyebilir. Tezin amacı, duran dalga, salınım hareketi ya da ikisinin bir arada etkisini incelemek için bir model oluşturmaktır. Model, sonlu elemanlar metodu kullanarak her bir durumu iki adımda çözer. İlk adımda Biot konsodilasyon denklemlerini, zemini lineer elastik bir malzeme kabul ederek çözer. Boşluk suyu basıncı ve hareketi Darcy yasasına göre hesaplanmıştır. Bu aşamanın sonucu olarak zeminin başlangıç normal efektif gerilmeleri ve xy yönündeki tekrarlı kayma gerilmelerinin genliği elde edilir. Modelde başlangıç normal efektif gerilmesi, dalga gönderilmeden hemen önceki stabil haldeki değerlerdir. Tekrarlı kayma gerilmelerinin genliği ise kayma gerilmesinin sabit bir ortalama etrafında salındığı son kısımdan alınan zaman serinin standart sapması alınıp karekök 2 ile çarpılması ile elde edilmiştir. İkinci adımda bu değerler kullanılarak, periyot ortalama boşluk suyu basıncını elde etmek için difüzyon denklemi gibi çalışan aşırı boşluk suyu basıncı denklemi çözülmüştür. Bu denklemde, basıncın üretiminden sorumlu olan kaynak terimde bir değişiklik yapılmıştır. Bu modifikasyon ile amaçlanan, ortamın gerçek yaşama daha yakın bir şekilde simüle edilmesidir. Deniz tabanında bir nokta sıvılaştığında, aşırı boşluk suyu basıncı başlangıç normal efektif gerilimini aştığında, kaynak terim basınç üretmeyi durdurmaktadır. Aşırı boşluk suyu basıncı ile başlangıç normal efektif gerilimi arasındaki oran birin altına indiğinde tekrar basınç üretmektedir. Denklem böylelikle basıncın dağılmasına imkan tanırken yüksek oranlarda basınç üreterek tüm domainin sıvılaşmış gibi gözükmesini engellemektedir. Bu modifikasyon sayesinde, simüle edilen şartlarda, deniz tabanında hangi bölgenin sıvılaştığı hangi bölgenin sıvılaşmadığının ayrımını yapmak mümkündür. Sayısal model oluştururken sınır koşullarını doğru tanımlamak büyük önem taşır. Modelde dalgalar ve hatta salınım hareketinin deniz tabanına etkisi basınç olarak uygulanmıştır. Duran dalga modellerinde deniz tabanının kalınlığı, deniz tabanının en üst noktasından geçirimsiz tabana kadar olan derinliğinin, 10 metre olduğu kabul edilmiş ve tanımlanan sınır koşullarıyla, üst yüzeyde basınca maruz bırakılan zeminin en alt noktada hareket etmesine izin verilmemiştir. Deniz tabanın üst yüzeyde kesonla temas eden kısımlarında ve en altta geçirimsiz tabana oturan tüm alt sınır boyunca suyun hareketine izin verilmemiştir. Darcy yasasında suyun hareketi, aşırı boşluk suyu basıncının hesaplandığı difüzyon denkleminde ise basıncın dağılması bu sınırlarda sıfır olarak tanımlanmıştır. Model ile üretilen sonuçlar, daha önce yapılmış deneysel çalışmaların sonuçlarıyla uyum göstermektedir. Bu model kullanılarak ilerleyen dalgalar, duran dalgalar ve kesonun sallanma hareketi dahil olmak üzere çeşitli durumlar simüle edilmiştir. İlerleyen dalga etkisi altında önce zemine boru yerleştirilmemiş durum simule edilmiş ve sonuçların deneysel verilerle yüksek oranda uyum içinde olduğu gözlemlenmiştir. İlerleyen dalga altında zemine boru yerleştirilerek yapılmış deneysel çalışma simüle edildiğinde, borunun çevresinde sıvılaşma tahminini başarılıyla gerçekleştirdği görülmüştür. Borunun özgül ağırlığı farklı değerler alınarak modelin davranışı incelenmiştir. Yerleştirilen borunun altındaki bölgede ağırlığının etkisi irdelenmiştir. Kesonun önünde oluşan duran dalga ve kesonun sallanma hareketi çalışılmıştır. Model genel olarak önceki çalışmalarla tutarlı sonuçlar üretmiştir. Sadece duran dalganın deniz tabanına etki ettiği durumun simüle edildiği sonuçlar daha önce yapılmış deneysel çalışmalarla uyum içindedir. Ayrıca sadece kesonun salınım hareketi ve hem salınım hareketinin hem duran dalganın deniz tabanına etki ettiği iki farklı durum da çalışılmıştır. Model sonuçlarına göre kesonun tam altındaki bölgeye sadece kesonun salınım hareketinin etki ettiği rahatlıkla ifade edilebilir. Duran dalga ve salınım hareketi için yapılan modellerde kesonun altına yerleştirilecek koruma tabakasının etkisi incelenmiştir. Koruma tabakasının, salınım hareketinin etkisini dağıttığı ve zeminde oluşan gerilmeleri azalttığı gözlemlenmiştir. Kesonun doğrudan deniz yatağına yerleştirilmesi halinde, alt yüzeyinde suyun hareketine izin vermemesinin sıvılaşma tehlikesine etkisi açık bir şekilde gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Liquefaction occurs when pore water pressure exceeds the forces between soil grains, causing the soil to behave like a fluid. The recognition of the significance of liquefaction emerged with the construction of large-scale structures. Following the Calaveras Dam failure, Allen Hazen introduced the term“liquefaction”in his study on the same incident\cite{Hazen1919}. Subsequently, numerous research studies have been conducted to investigate the liquefaction phenomenon. This thesis focuses on the study of residual liquefaction, one of the two types of liquefaction, the other being momentary liquefaction. Residual liquefaction has phases: initiation of liquefaction, liquefaction phase, and compaction phase. However, the model does not involve the compaction phase. Therefore, in the scope of the thesis, the compaction phase is not investigated. In marine environments, liquefaction is triggered by large waves with periods ranging from 5 to 15 seconds and heights up to 2 meters or even 10-20 meters in offshore areas. Soil type, grain sizes, and relative density strongly influence the likelihood of liquefaction. The objective of the thesis is to construct a model in order to study the liquefaction under standing waves or the rocking motion of a caisson, or both. Rocking motion is the back-and-forth movement of a caisson that may occur when the structure is exposed to a storm. Rocking motion causes a significant generation of pore-water pressure and can potentially trigger liquefaction, leading to catastrophic consequences. The model uses the finite element method (FEM) in two steps. First, it derives soil stresses by solving Biot consolidation equations, considering quasi-static behavior, and using Darcy's law to determine pore water's movement and pressure. Then, it solves the excess pore pressure equation to obtain the period-averaged pore pressure. The source term generates the excess pore pressure in the equation. In this model, a slight modification has been implemented to differentiate between liquefied and non-liquefied areas. Essentially, the model identifies areas susceptible to liquefaction and indicates the boundaries where the liquefied region ends. The outcomes generated by the model show a favorable agreement with the previous experimental studies. Comparisons have been made with previous studies to validate the findings. In this thesis, various cases are simulated using the model, including progressive waves, standing waves in front of a caisson, and the rocking motion of a caisson. The calculations for each case are demonstrated, with a detailed explanation of their integration into the model. The impact of a buried pipe on liquefaction susceptibility is investigated under progressive waves. The significance of a bedding layer is also analyzed under standing waves and rocking motion.
Benzer Tezler
- Geoteknik kıyı mühendisliğinde poroelastik deniz tabanı zemini-yapı sistemlerinin tekrarlı yükler altında sayısal modellenmesi
Numerical modeling of poroelastic seabed soil–structure systems under cyclic loading in geotechnical coastal engineering
ESRA TATLIOĞLU
Doktora
Türkçe
2018
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSAFFA AYŞEN LAV
DOÇ. DR. MEHMET BARIŞ CAN ÜLKER
- Numerical analysis of monopile foundations for offshore wind turbines
Açık deniz rüzgar türbinleri için tek kazıklı temellerin sayısal analizi
MARYAM MASSAH FARD
Doktora
İngilizce
2021
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYFER ERKEN
DR. ÖĞR. ÜYESİ BÜLENT ERKMEN
- Numerical modelling of wave induced soil liquefaction around buried pipelines and cables
Gömülü borular ve kablolar etrafında dalga kaynaklı zemin sıvılaşmasının sayısal modellenmesi
SELAHATTİN UTKU YILMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VEYSEL ŞADAN ÖZGÜR KIRCA
- Dolgu zeminlere oturan kıyı yapısı temellerinin tasarımında yeni yöntemlerin incelenmesi
Investigation of new methods in the foundation design of coastal structures placed on embankments
RIZA EVREN KILCI
Doktora
Türkçe
2019
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKıyı Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VEYSEL ŞADAN ÖZGÜR KIRCA
- 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
OZAN SUBAŞI
Doktora
Türkçe
2024
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RECEP İYİSAN