Performance of historical bridge subjected to theblast loads
Patlama yüklerıne maruz kalan tarıhı köprününperformansı
- Tez No: 947374
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİ SARI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Deprem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 78
Özet
Taş kemer köprüler, tarih boyunca mimari zarafeti ile dayanıklılığı birleştiren mühendislik harikaları olarak inşa edilmiş ve günümüze kadar ulaşmış kültürel miras yapılarıdır. Bu köprüler, özellikle Avrupa, Orta Doğu ve Asya bölgelerinde, ulaşım altyapısının önemli bileşenleri olmaya devam etmektedir. Ancak modern çağın artan güvenlik tehditleri, bu yapıların yeni bir bakış açısıyla değerlendirilmesini zorunlu kılmıştır. Özellikle terör saldırıları, sabotaj girişimleri ve askeri operasyonlar gibi insan kaynaklı tehditler, taş kemer köprülerin patlayıcı yükler karşısında nasıl davrandığının anlaşılmasını önemli hale getirmiştir. Bu bağlamda, taş köprülerin patlama yüklerine maruz kalması durumunda ortaya çıkan yapısal hasarlar, yalnızca malzeme düzeyinde değil, bütüncül mühendislik sistemleri perspektifinden analiz edilmelidir. Bu çalışma, yukarıda belirtilen sorunlara cevap vermek amacıyla gerçekleştirilmiş; taş kemer köprülerin patlama yükleri altındaki davranışını hem deneysel verilerle desteklenen sonlu eleman modeli ile hem de güçlendirme stratejilerinin etkinliği açısından derinlemesine incelemiştir. Bu süreçte, özellikle yüksek doğruluklu lazer tarama verileri kullanılarak modellenen özgün bir mikro yapı geliştirilmiş ve sayısal simülasyonlarda farklı patlayıcı yüklemeleri senaryolaştırılmıştır. Çalışma yalnızca mevcut köprülerin davranışlarını anlamakla kalmayıp, aynı zamanda benzer nitelikteki tarihi yapıların restorasyonu ve korunması için de bilimsel bir temel sunmaktadır. Çalışmada kullanılan mikro model, ABAQUS/Explicit analiz yazılımında inşa edilmiş olup, yapının geometrik doğruluğu, FARO lazer tarayıcı ile elde edilen nokta bulutu verilerinden oluşturulan CAD modeli üzerinden sağlanmıştır. Bu verilerin işlenmesiyle köprünün taşıyıcı kemerleri, dolgusu, yüzey kaplamaları ve donatı sistemleri gerçeğe uygun olarak modellenmiştir. Böylece, sonlu eleman modelinde gerçek yapı ile büyük ölçüde örtüşen bir temsil elde edilmiştir. Modelin kalibrasyonu, geçmiş araştırmalarda elde edilen deneysel veriler ve saha gözlemleriyle gerçekleştirilmiş, böylece modelin hem istatik hem de dinamik yüklemelere verdiği tepkilerin güvenilirliği artırılmıştır. Modelde taş birimleri, harç dolgular, çelik donatılar ve gerekirse betonarme güçlendirme elemanları olmak üzere her malzeme özgün mekanik davranışlarını yansıtacak şekilde tanımlanmıştır. Bu süreçte, taş malzeme için Johnson-Holmquist II (JH-2) modeli, dolgu için Mohr-Coulomb modeli, çelik donatı için Johnson-Cook modeli ve beton için Concrete Damage Plasticity (CDP) modeli kullanılmıştır. Bu modellerin seçiminde, malzemelerin yüksek hızda yükleme altında gösterdiği viskoelastik ve kırılgan davranışlar temel kriter olmuştur. Ayrıca yapının sınır koşulları ve zemin etkileşimi detaylı biçimde modellenmiş, köprünün bütüncül dinamik davranışını etkileyen tüm dışsal faktörler hesaba katılmıştır. xxiv TNT (Trinitrotoluen) patlayıcısı, uluslararası literatürde standart kabul edilen JonesWilkins-Lee (JWL) denklemi kullanılarak modellenmiştir. Bu denklem, patlamadan sonra oluşan gaz ürünlerinin hacim-basınç ilişkisini doğru biçimde tanımlayarak, dinamik analizlerin gerçekliğini artırmaktadır. Patlayıcı yükler, köprünün hem üst tablasına hem de alt kemer bölgesine yerleştirilmiş ve 100 kg ile 500 kg arasında değişen farklı senaryolar oluşturulmuştur. Her bir senaryo, patlamanın yönü, mesafesi ve çevresel etkiler göz önüne alınarak farklılaştırılmış, toplamda 16 ayrı analiz konfigürasyonu oluşturulmuştur. Yapılan analizlerde, 100 kg TNT üst patlama senaryolarında köprü tablasında yüzeysel hasar oluştuğu; ancak taşıyıcı kemer sisteminin büyük ölçüde stabil kaldığı gözlemlenmiştir. Buna karşın, aynı yük alt kemer bölgesine uygulandığında taş birimlerde çatlamalar, dolgu malzemesinde boşluk oluşumu ve deformasyon gibi ciddi hasar belirtileri tespit edilmiştir. 500 kg'lık yüklerde ise üstten uygulanan patlamalarda kemerde parçalanma, dolgu malzemesinde yer değiştirme ve bütüncül stabilite kaybı gibi sonuçlar ortaya çıkmıştır. Bu durum, patlamanın konumunun, hasarın şiddetini belirlemede en az yük büyüklüğü kadar önemli olduğunu göstermektedir. Patlamaların neden olduğu hasarın yapının rezonans frekansına olan yakınlığına göre değişiklik göstermesi, gelecekte frekans tabanlı analiz yöntemlerinin bu tür çalışmalara entegre edilmesini gerektirmektedir. JH-2 modeli kapsamında, taş birimlerin yüksek basınç ve gerinim altında gösterdiği ezilme, çatlama ve parçalanma davranışları için özel bir VUMAT (User Material) alt programı yazılmıştır. Bu kod, ABAQUS yazılımına entegre edilerek, taş malzemenin dinamik tepkisini daha hassas bir şekilde simüle etmeye olanak tanımıştır. Kod, özellikle patlama sonrası taş birimlerdeki enerji emilimi, kırılma yüzeyi oluşumu ve malzeme parçalanmasını detaylı biçimde hesaplamış; böylece hasar tahminlerinde doğruluk sağlanmıştır. Kodun test edilmesi için idealize edilmiş tek taş birim modelleri üzerinde kontrollü patlama analizleri yapılmış, elde edilen sonuçlar doğrultusunda parametre optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu durum, simülasyon sonuçlarının fiziksel gerçeklikle yüksek düzeyde uyuşmasını sağlamıştır. Çalışmanın özgün yönlerinden biri, güçlendirme stratejilerinin detaylı olarak modellenmesi ve bu stratejilerin patlayıcı yükler altındaki etkinliklerinin nicel olarak ortaya konmasıdır. Bu bağlamda iki temel güçlendirme yöntemi uygulanmıştır: 1. Donatı Entegrasyonu: Taşıyıcı kemer sistemine entegre edilen yüksek mukavemetli çelik donatılar, kemerlerin eğilme ve kesme dayanımlarını artırmış; çatlama yayılımını sınırlandırmıştır. Donatıların geometrik yerleşimi, yerel gerilme dağılımlarına göre optimize edilmiş ve en zayıf bölgelere yönlendirilmiştir. 2. CFRP Kaplama: Köprü tablasının alt yüzeyine uygulanan karbon fiber takviyeli polimer (CFRP) levhalar, patlayıcı etkisine karşı yüzey direncini artırmış ve enerji dağılımını optimize etmiştir. Ayrıca CFRP uygulamalarının farklı yönlerdeki kaplama kalınlıklarıyla yapılan varyasyon analizleri, en uygun takviye oranlarının belirlenmesine olanak tanımıştır. Simülasyon sonuçlarına göre, bu güçlendirme stratejileri, yapının dayanımını %30 ila %55 oranında artırmış; yapısal stabiliteyi korumuş ve patlama sonrası çökme riskini önemli ölçüde azaltmıştır. Ayrıca güçlendirilmiş modellerde gözlemlenen çatlak oluşumları daha kısa çatlak uzunluklarıyla sınırlı kalmış, enerji dağılımı daha homojen hale gelmiştir. Bu durum, sadece hasarın azaltılması değil, aynı zamanda hasarın öngörülebilirliğinin de arttığını göstermektedir. xxv Bu araştırma, mevcut literatürde eksikliği hissedilen“patlayıcı yükler altındaki tarihi taş köprü davranışı”konusuna sistematik bir yaklaşım getirmektedir. Yüksek çözünürlüklü geometrik modelleme ile entegre edilen gelişmiş malzeme modelleri sayesinde, sadece hasar miktarı değil, aynı zamanda hasarın gelişim süreci de zamana bağlı olarak analiz edilebilmiştir. Bu durum, yapının hangi bölgelerinin ne zaman ve ne şekilde zayıfladığını detaylı biçimde ortaya koymuş; güçlendirme stratejilerinin hangi bölgelerde etkili olduğunun tespit edilmesini sağlamıştır. Çalışma, mühendislik açısından tarihi yapıları geleceğe taşıyacak yeni nesil analiz ve müdahale sistemlerinin gelişimine katkı sunmaktadır. Sonuç olarak, bu çalışma taş kemer köprülerin patlayıcı yükler altındaki davranışını derinlemesine analiz etmiş ve yapının zayıf noktalarını belirleyerek bu bölgelere yönelik somut mühendislik müdahaleleri geliştirmiştir. Uygulanan güçlendirme stratejileri, yalnızca mevcut zararları sınırlamakla kalmamış, aynı zamanda yapının uzun vadeli dayanımına da katkı sunmuştur. Elde edilen sonuçlar, hem restorasyon projelerinde kullanılabilecek veri setleri hem de ulusal altyapı güvenliği açısından stratejik çıkarımlar sağlamaktadır. Gelecek çalışmalar kapsamında, yapının farklı çevresel koşullar (yağmur, sıcaklık, donma-çözülme döngüsü vb.) altındaki davranışlarının analiz edilmesi, daha gerçekçi senaryoların modellenmesini sağlayacaktır. Ayrıca, dinamik patlama yükleri ile birlikte sismik etkilerin birlikte modellenmesi, çoklu afet senaryoları için kritik bilgiler sağlayacaktır. Yapay zeka ve makine öğrenmesi tekniklerinin hasar tahmini modellerine entegre edilmesi de bu alandaki önemli gelecek araştırma başlıkları arasında yer almaktadır. Bu sayede tarihi taş köprülerin, sadece korunması değil, aynı zamanda sürdürülebilirlik çerçevesinde yeni kullanım senaryolarına da entegre edilmesi mümkün olacaktır.
Özet (Çeviri)
This study meticulously scrutinized the multifaceted ramifications of blast loads on the structural integrity of masonry arch bridges, an area of paramount importance in contemporary civil engineering research, particularly in light of the escalating prevalence of explosive threats to critical infrastructure. The investigation put forth two innovative reinforcement methodologies designed to significantly augment the resilience of the bridge under examination, thereby enhancing its capacity to endure and withstand such dynamic and potentially catastrophic loading conditions. To achieve this, a sophisticated micro-model was meticulously developed utilizing finite element analysis software, which adeptly leveraged empirical data obtained through advanced FARO laser scanning technology. This methodological approach facilitated a high-fidelity representation of the intricate structural components involved, allowing for a nuanced analysis of their interactions under explosive loading scenarios. A diverse array of material models was employed, including the JohnsonHolmquist II (JH-II), Mohr–Coulomb, Johnson–Cook, and Concrete Damage Plasticity models. These models were meticulously selected to accurately characterize the mechanical properties of various materials, including masonry units, backfill materials, steel reinforcement bars, and concrete. The strategic utilization of these diverse models not only underscores the innovative nature of the study but also exemplifies a comprehensive integration of multiple theoretical frameworks, thereby achieving a profound understanding of material behavior under explosive loading conditions. Furthermore, the Jones-Wilkins-Lee equation of state was adeptly employed to simulate the characteristics of trinitrotoluene (TNT), a standard explosive material, thereby providing a robust and scientifically sound foundation for the analysis of blast effects. In alignment with the theoretical underpinnings of the JH-II model, the authors developed a specialized VUMAT code, which represents a significant advancement in the computational modeling of explosive interactions with structural elements. This development is particularly noteworthy as it enhances the predictive capabilities of the model, allowing for more accurate assessments of structural responses to explosive loads. The analysis setup was meticulously designed to involve the strategic placement of explosive charges ranging from 100 to 500 kg, both above and below the bridge deck. The findings revealed that TNT charges below 100 kg, when positioned above the deck, resulted in negligible damage to the bridge, thereby preserving its overall stability and structural integrity. In stark contrast, charges exceeding 500 kg exerted a pronounced detrimental effect on the structural integrity of the bridge, highlighting the critical threshold at which explosive forces compromise safety and necessitate further investigation. xxii Moreover, the study elucidated that explosion occurring beneath the deck inflicted more severe damage compared to those detonated above, thereby providing valuable insights into the directional vulnerabilities inherent in masonry arch bridges. The innovative aspect of this research is further exemplified by the implementation of advanced reinforcement techniques, which were shown to significantly mitigate component damage and avert potential structural failure of the span and/or the bridge as a whole. This represents a substantial contribution to the field, as it not only addresses immediate structural concerns but also lays the groundwork for future advancements in bridge design and safety protocols. In conclusion, this study not only contributes to the existing body of knowledge regarding the response of masonry arch bridges to explosive loads but also introduces pioneering reinforcement strategies that enhance structural resilience. The findings underscore the necessity for ongoing research in this domain to develop more effective protective measures for critical infrastructure, thereby ensuring the safety and longevity of such vital structures in an increasingly hazardous environment.
Benzer Tezler
- Liman kentlerinde koruma ve yaşatma prensipleriyle değerlendirilen gemi inşa endüstrisi yapıları: Tersane-i Amire üzerine yeni bir senaryo 'Haliç tersanesi bilinç platformu'
Buildings of shipyard industry evaluated with conservation and preservation principles in port cities: New scenario about Tersane-i Amire- Haliç shipyard awareness platform
ESİN SARIMAN ÖZEN
Doktora
Türkçe
2014
MimarlıkMimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesiİç Mimarlık Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SAADET AYTIS
- Karayolu köprülerinin sismik boyutlandırılmasıyla ilgili bazı yönetmeliklerin incelenmesi, karşılaştırılması ve uygulamalar
Investigations and comparisons on some rugulations for seismic design of highway bridges and applications
ŞÜKRÜ EROL
- Yüksek sürşarj yükleri altında toprakarme duvarların limit denge ve sonlu elemanlar analiz yöntemlerine göre değerlendirilmesi
Evaluation of reinforced earth walls under high surcharge loads according to limit state and finite element analysis methods
SERCAN ŞAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BERRAK TEYMÜR
- Mega ulaştırma projelerinin İstanbul'a etkilerinin araştırılması
Analizing the effects of mega transportation projects on Istanbul
SACİT BACARAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
UlaşımYıldız Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA GÜRSOY
- Öngerilme kayıplarının çeşitli şartnamelere göre incelenmesi
An Investigation of the prestress losses according to standarts
AHMET GÜNGÖR
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELİKE ALTAN