Geri Dön

Dinamik zemin model deneylerinin veri işleme analizleri ve sayısal model analizleri ile karşılaştırılması

Data processing analyses of soil model experiments and comparison with numerical model analyses results

PDF İndir

  1. Tez No: 947408
  2. Yazar: ASLI ÇARK
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ESRA ECE BAYAT
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  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: 179

Özet

İnşaat mühendisliği ve deprem mühendisliği alanlarında, zemin-yapı etkileşimlerinin doğru bir şekilde modellenmesi hem yapı güvenliği hem de ekonomik tasarım açısından kritik bir öneme sahiptir. Özellikle dinamik yüklemeler altında zemin davranışının anlaşılması, deprem etkilerinin değerlendirilmesi ve yapıların performansının optimize edilmesi için temel bir gerekliliktir. Bu doğrultuda, laboratuvar ortamında zemin ve yapı etkileşimlerini incelemek üzere geliştirilen deneysel sistemler, saha koşullarını yansıtarak güvenilir sonuçlar elde edilmesine olanak tanımaktadır. Bu çalışma, dinamik zemin analizlerinde kullanılan laminer bir deney sisteminin performansını incelemeyi amaçlamaktadır. Bu doğrultuda, laboratuvar ortamında farklı dinamik yükleme senaryoları uygulanarak zemin profilinin çeşitli derinliklerinde oluşan dinamik tepkilerin izlenmesi ve elde edilen verilerin analiz edilmesi hedeflenmiştir. Bu süreçte hem deneysel hem de sayısal analiz yöntemleri kullanılarak, laboratuvar ortamında elde edilen dinamik verilerin sayısal analizlerle uyumunun incelenmesi ve bu verilerin gerçek saha koşullarındaki zemin tepkisini ne ölçüde yansıttığının araştırılması amaçlanmıştır. Bu çalışma çerçevesinde analiz edilen veriler,“Kum Zeminde Gömülü Kazıkların Deprem Yükü Altında Yanal Yük-Yer Değiştirme Davranışlarının Geliştirilmesi”başlıklı TÜBİTAK ARDEB 1001 (Proje No: 119M624) Programı kapsamında desteklenen projeden elde edilmiştir. Bu projede, İstanbul Teknik Üniversitesi bünyesinde tasarlanan ve 2022 009917 patent numarası ile tescillenen Geliştirilmiş Geçirimsiz Saydam Laminer Zemin Konteyneri (GGSLZK) kullanılarak çeşitli dinamik yükleme senaryoları altında deneyler gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda yenilikçi bir tasarım olarak sunulan 1.6x1.6 m2 kesit alanına sahip GGSLZK, geleneksel laminer kutulardan farklı olarak saydam ve geçirimsiz yapıda tasarlanmıştır. Saydam yapı, zemin katmanlarındaki deformasyonların izlenmesinİ sağlarken, geçirimsiz yapı ise suya doygun zeminlerde sıvılaşma potansiyelinin incelenmesine olanak tanımaktadır. Her bir laminer çerçeve, doğal dalga yayılımını yansıtacak şekilde serbest hareket edebilmekte ve yanal yükler altında bağımsız olarak deformasyona uğrayabilmektedir. Bu yaklaşımlar, laboratuvar ortamında zemin dinamik tepkisinin gerçeğe en yakın şekilde modellenmesini amaçlamaktadır. Proje kapsamında, konteyner 1.5 m derinliğinde kuru kum numunesiyle doldurulmuş; zemin profili, 85 cm derinliğe kadar orta-sıkı kum, ardından sıkı kum tabakası olarak oluşturulmuştur. Laminer zemin konteyneri, sarsma masası ile yanal yüklemelere maruz bırakılarak zemin numunesinin dinamik performansı incelenmiştir. Beş farklı deney seti çerçevesinde toplam 62 deney gerçekleştirilmiş; serbest saha, tekil kazık, grup kazık ve yüzeysel temelli yapı modelleri üzerinde analizler yapılmıştır. Bu tez çalışması kapsamında, farklı dinamik yükleme koşulları altında zemin profilinin tepkisini değerlendirmek için 10 adet serbest saha deney verisi analiz edilmiştir. Hem harmonik hem de deprem yüklemeleri uygulanmış; laminer konteynerin çeşitli derinliklerine yerleştirilen ivmeölçer ve deplasman ölçerlerle (LVDT) zemin davranışı izlenmiştir. Sarsma masası ile gerçekleştirilen yüklemeler sonucunda, yüzeyden tabana kadar ivme ve yer değiştirme tepkileri kaydedilmiştir Testlerde ölçülen ivme ve yer değiştirme verileri, MATLAB yazılımı kullanılarak bir dizi veri işleme adımından geçirilmiştir. Öncelikle, ham verilerde bulunan düşük ve yüksek frekanslı sinyal bozulmalarını ortadan kaldırmak amacıyla 0.5-15 Hz aralığında çalışan 4. dereceden Butterworth bant geçişli filtre uygulanmıştır. Bu filtreleme işlemi, zemin numunesinin dinamik tepkisini yansıtan frekans aralığının korunmasını ve veri setindeki gürültünün bastırılmasını sağlamıştır. Sonrasında, sinyalin genel eğilimdeki sapmaları ortadan kaldırmak amacıyla her bir kanal verisine doğrusal eğilim giderme (detrend) işlemi uygulanarak veriler sıfır ortalama etrafında stabilize edilmiştir. Filtrelenmiş ivme verileri üzerinden yer değiştirme değerleri sayısal integrasyon yöntemleri ile hesaplanmıştır. Bu süreçte, her integrasyon adımının ardından birikimli hata etkisini minimize etmek amacıyla ek filtreleme işlemleri uygulanmıştır. Bu veri işleme adımları sonucunda elde edilen ivme ve yer değiştirme verileri, laminer konteynerin ve zemin numunesinin dinamik yükler altındaki performansının değerlendirilmesine olanak tanımış ve sayısal analizlerle karşılaştırılabilir hale getirilmiştir. Deneysel veriler hem zaman tanım alanında hem de frekans tanım alanında değerlendirilmiştir. Zaman tanım alanında elde edilen ivme verileri derinliğe bağlı değişimi incelenmiştir. Spektral ivme grafikleri oluşturulmuş ve farklı yükleme senaryoları altında zemin profilinin dinamik tepkisi analiz edilmiştir. Sinyallere Fourier dönüşümü uygulanarak frekans ortamında zemin davranışı değerlendirilerek zemin profilinin hâkim frekans bileşenleri belirlenmiştir. Ayrıca, zemin yüzeyindeki en büyük ivme değerlerinin taban hareketine oranlanması ile zemin büyütmesi katsayıları hesaplanmış; böylece zemin profilinin farklı yükleme senaryoları altındaki büyütme etkisi ortaya koyulmuştur. Bu analizler, tabaka geçişleri, zeminin doğal periyodu ve zemin büyütmesi gibi parametrelerin belirlenmesine olanak tanımıştır. Laboratuvar deneylerinden elde edilen sonuçlar, laminer kutunun dinamik yüklemeler altında zemin davranışını izlemek için yeterli performansa sahip olduğunu göstermiştir. Deney düzeneği, frekans bileşenlerinin etkilerinin izlenmesi ve katmanlar arası dinamik etkileşimlerin değerlendirilmesi açısından uygun bulunmuştur. Çalışma kapsamında laboratuvar ölçümlerini desteklemek ve elde edilen verileri karşılaştırabilmek adına sayısal modelleme analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu doğrultuda DeepSoil v7.0 ve PLAXIS 2D yazılımları kullanılarak laboratuvar deney ölçeğinde modeller oluşturulmuştur. Saha ölçeğinde yapılan prototip modellemeler PLAXIS 2D yazılımı ile gerçekleştirilmiştir. Çalışmalarda, öncelikle zemin tabakalara ayrılarak her bir tabaka için zemine ait parametreler (birim hacim ağırlığı, kayma modülü, sönüm oranı vb.) laboratuvar deney sonuçları ve literatürden elde edilen referanslarla program içerisinde tanımlanmıştır. Saha ölçeğinde tanımlanan prototip model için zemin parametreleri kabul görmüş ampirik formüller ve uygun ölçek faktörleri (Wood, 2002) kullanılarak belirlenmiştir. Laboratuvar deney ölçeğinde, DEEPSOIL yazılımda, zemin tabakaları hem Eşdeğer Doğrusal (Equivalent Linear) hem de Doğrusal Olmayan (Nonlinear) analiz yöntemleriyle modellenmiştir. Eşdeğer Doğrusal analizlerde, zemin tabakalarının dinamik tepkisi iteratif bir yöntemle değerlendirilerek sabit kayma modülü ve sönüm oranı belirlenmektedir. Bu yöntem, zemin davranışını genelleştirilmiş bir yaklaşımla temsil etmiştir. Bunun aksine, Doğrusal Olmayan analizler, deformasyon düzeyine bağlı olarak kayma modülünün ve enerji sönümleme mekanizmalarının aktif hale geldiği bir yaklaşıma dayanmaktadır. Bu yöntem ile sayısal model, zemin davranışındaki heterojenliği daha hassas bir şekilde ele almıştır. PLAXIS 2D yazılımında zemin dinamik davranışını daha gerçekçi şekilde modellemek için HS Small modeli tercih edilmiştir. Bu model, kayma modülünün deformasyona bağlı olarak azalmasını ve histeretik sönümleme etkilerini dikkate alarak zemin tepkisinin daha doğru temsil edilmesini sağlamaktadır. PLAXIS 2D ile oluşturulan deneysel modelde, laminer konteyner hareketini yansıtmak amacıyla Tied Degree of Freedom (TDOF) sınır koşulu uygulanmış; bu yöntemle aynı derinlikteki düğüm noktaları yatay eksende senkronize hareket ettirilmiştir. Prototip modelde ise saha koşullarını daha gerçekçi şekilde yansıtmak için Free Field Boundaries ve Compliant Base sınır koşulları kullanılmıştır. Bu sınır koşulları ile yan kenarlardan dalga yansıması önlenmiş ve tabanda yarı-esnek bir yüzey tanımlanarak enerji kaybının daha doğru şekilde modellenmesi sağlanmıştır. Oluşturulan sayısal modellere, laboratuvar deneylerinde uygulanan yükleme kayıtları girdi hareketi olarak tanıtılmış ve analizler tamamlanmıştır. Yapılan analizler sonucunda, zemin profilinin dinamik davranışı ivme, yer değiştirme ve spektral ivme grafikleri üzerinden değerlendirilmiş; elde edilen veriler laboratuvar deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır. NL analiz yöntemi ve PLAXIS 2D analizlerinde elde edilen dinamik tepkilerin laboratuvar verileri ile yüksek uyum göstermesi, kayma modülünün deformasyona bağlı olarak güncellenmesinin zemin davranışını gerçekçi bir şekilde temsil ettiğini ortaya koymaktadır. Ayrıca, PLAXIS 2D yazılımında kullanılan Tied Degree of Freedom (TDOF) sınır koşulunun, laminer kutu deney düzeneğindeki yükleme koşullarını doğru şekilde yansıttığı ve sayısal modellerin laboratuvar verileri ile uyumlu sonuçlar ürettiği belirlenmiştir. Prototip model analizlerinde ise laboratuvar ortamı ile saha ölçeğindeki dinamik tepkiler arasında belirgin farklılıklar gözlemlenmiştir. Bu durum, zemin dinamik davranışının, zemin profilinin hâkim frekansı, kayma dalgası hızı ve tabaka kalınlığı gibi parametrelerle ilişkili olduğu göstermektedir. Sonuç olarak, deneysel bulgular ve sayısal analiz yöntemlerinin karşılaştırılması, analiz sonuçlarının doğruluğunu artırmak ve farklı yükleme senaryolarında hangi yaklaşımın daha uygun olduğunu belirlemek adına önemli veriler sunmuştur. Elde edilen sonuçlar, geliştirilen laminer zemin konteynerinin dinamik yüklemeler altındaki zemin tepkisini izlemek için uygun bir sistem olduğunu, ancak ölçek faktörleri uygulansa dahi yer tepki analizlerindeki değişkenlikler ve sınır koşulları sebebiyle model deneylerinin gerçek saha sonuçlarını tam olarak temsil etmediğini göstermiştir. Bu çalışma, deneysel ve sayısal modelleme yöntemlerinin birlikte kullanılmasının, zemin dinamik tepkisinin saha koşullarında nasıl değiştiğini belirlemek ve deprem etkisi altındaki zemin davranışını daha iyi anlamak adına gelecekteki araştırmalar için önemli katkılar sağlayacağını göstermiştir.

Özet (Çeviri)

Under the scope of civil and earthquake engineering, accurately modeling soil-structure interactions is crucial for ensuring structural safety and optimizing economic design. Understanding soil behavior under dynamic loading conditions is fundamental for assessing seismic effects and optimizing structural performance. Accordingly, experimental systems developed to investigate soil-structure interactions in laboratory settings enable reliable data acquisition by simulating field conditions. This study aims to evaluate the performance of a laminar experimental system used in dynamic soil analyses. In this context, various dynamic loading scenarios were applied in a controlled laboratory environment, and the dynamic responses of the soil profile at different depths were monitored and analyzed. Experimental and numerical analysis methods were employed to assess the consistency between the dynamic data obtained in the laboratory and the numerical simulations and to investigate the extent to which these data reflect the soil response under actual field conditions. The data analyzed in this study were obtained from the project titled“Development of Lateral Load-Displacement Behavior of Embedded Piles in Sandy Soils Under Earthquake Loading,”supported by the TÜBİTAK ARDEB 1001 (Project No: 119M624) Program. Within the scope of this project, a series of dynamic loading experiments were conducted using the Enhanced Impermeable Transparent Laminar Soil Container (EITLSC), which was designed at ITU and nationally patented under the patent nunber 2022 009917. As a novel design, EITLSC, with a cross-sectional area of 1.6x1.6 m², differs from conventional laminar box systems by being both transparent and impermeable. The transparent structure allows detailed monitoring of deformations occurring in all layers of the soil sample from the surface to the bottom, while the impermeable structure enables the sample to be saturated and the potential for liquefaction behavior to be examined. Additionally, each laminar frame of EITLSC can move independently, simulating natural wave propagation through the soil profile and allowing differential deformation under lateral loads. This configuration facilitates the step-by-step transfer of dynamic loads along the soil profile and monitoring of the independent dynamic responses of each layer. These features aim to model soil dynamic responses as realistically as possible in the laboratory and provide a framework for assessing how well the obtained data reflect field-scale soil responses. Within the project scope, a 1.5 m deep soil profile consisting of dry sand was prepared. The profile was composed of a medium-dense sand layer up to 85 cm depth, followed by a dense sand layer. The developed laminar soil container was subjected to lateral loading using a shaking table to assess the dynamic performance of the soil sample. Five different experimental setups were applied, and a total of 62 tests were conducted. The tests included various configurations, such as free-field scenarios, single piles, pile groups, and surface foundation models. In this study, 10 free-field test datasets were evaluated to investigate the dynamic response of the soil profile under different dynamic loading conditions. The datasets included both harmonic and real earthquake loading. Accelerometers and LVDT devices were strategically placed at various depths in the laminar soil container to monitor the soil response. Dynamic loading was applied using a shaking table, and acceleration and displacement responses were recorded from the surface to the bottom of the soil profile. The recorded acceleration and displacement data were processed using MATLAB. Initially, a 4th-order Butterworth bandpass filter operating in the 0.5-15 Hz range was applied to eliminate low- and high-frequency noise and to preserve the frequency range representing the dynamic response of the soil sample. Subsequently, baseline correction was performed to stabilize the data around a zero mean, minimizing the effects of signal drift. Numerical integration was then applied to the filtered acceleration data to calculate displacement values. To minimize cumulative errors during the integration process, additional filtering steps were incorporated. This data processing procedure enabled the dynamic performance of the laminar container and the soil sample under dynamic loading to be effectively evaluated and compared with numerical analysis results. Experimental data were analyzed in both the time and frequency domains. In the time domain, the depth-dependent variation of acceleration data was examined, and spectral acceleration graphs were generated to analyze the dynamic response of the soil profile under different loading scenarios. In the frequency domain, Fourier transformation was applied to assess the dominant frequency components of the soil profile. Additionally, the amplification ratios were calculated by comparing the peak acceleration values at the surface and the base, allowing the assessment of soil amplification effects under various loading conditions. These analyses enabled the identification of key parameters such as layer transitions, natural period, and soil amplification. The results obtained from the laboratory tests demonstrated that the design of the laminar box is suitable for evaluating the soil performance under dynamic loading and effectively capturing the influence of frequency components and interlayer interactions. To further validate the experimental findings and assess the numerical models, numerical analyses were conducted using DeepSoil v7.0 and PLAXIS 2D. Laboratory-scale models were developed in both software programs, while prototype-scale models were constructed in PLAXIS 2D to simulate field conditions. In the numerical modeling process, the soil profile was divided into layers, and soil parameters such as unit weight, shear modulus, and damping ratio were defined based on laboratory test results and relevant literature. For the prototype model, soil parameters were determined using established empirical formulas and appropriate scaling factors (Wood, 2002). In the laboratory-scale analyses using DeepSoil, the soil layers were modeled using both Equivalent Linear (EL) and Nonlinear (NL) analysis methods. In EL analyses, the dynamic response of the soil layers was evaluated iteratively, and a constant shear modulus and damping ratio were assigned for a specific strain level, representing a generalized soil behavior. In contrast, NL analyses accounted for shear modulus degradation and hysteretic damping based on the strain level, allowing a more precise representation of soil heterogeneity. In PLAXIS 2D, the Hardening Soil Small-Strain (HS Small) model was employed to accurately capture the dynamic behavior of the soil. The HS Small model considers the reduction in shear modulus with increasing strain and the effects of hysteretic damping, making it particularly suitable for dynamic analyses. Different boundary conditions were applied in the laboratory and prototype models in PLAXIS 2D. In the laboratory-scale model, the Tied Degree of Freedom (TDOF) boundary condition was applied to synchronize the horizontal displacements of nodes at the same depth, simulating the laminar box setup. In the prototype model, Free Field Boundaries were used to prevent wave reflection from the lateral boundaries, and a Compliant Base boundary was implemented to provide a semi-flexible base condition, allowing partial wave absorption and reflection. Numerical analyses were conducted using the input motion records from the laboratory tests. The dynamic behavior of the soil profile was evaluated through acceleration, displacement, and spectral acceleration graphs, and the results were compared with the laboratory data. The strong correlation between the NL analyses and PLAXIS 2D results and the laboratory data demonstrated the effectiveness of modeling shear modulus degradation and hysteretic damping in accurately representing soil behavior. Additionally, the TDOF boundary condition was found to effectively replicate the laboratory loading conditions, ensuring consistency between the numerical and experimental results. In the prototype model, discrepancies between the laboratory and field-scale responses were observed, indicating that the dynamic response of the soil is significantly influenced by parameters such as dominant frequency, shear wave velocity, and layer thickness. In conclusion, the comparison of experimental findings with numerical analysis results provided valuable insights into the accuracy of the analyses and the applicability of different modeling approaches under varying loading conditions. The findings demonstrated that the developed laminar soil container is effective in monitoring soil responses under dynamic loading. However, the prototype results demontrated that, although the scale factors are applied, model tests may not represent the prototype results due to the variations in site response and the boundary effects. This study highlights the importance of integrating experimental and numerical modeling methods to assess how soil dynamic behavior varies under field conditions, offering significant contributions for future research on soil behavior under seismic loading.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    826426

    Dynamic numerical analysis of typical monopile foundations for offshore wind turbine applications

    Deniz rüzgar türbini uygulamaları için tipik tek kazıklı temellerin dinamik sayısal analizi

    ABDUH KIWANUKA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    İnşaat MühendisliğiMersin Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZGÜR LÜTFİ ERTUĞRUL

  2. Tez No

    677010

    Erzincan ili olasılıksal sismik tehlike analizi ve zemin davranış analizi

    Probabilistic seismic hazard analysis and site response analysis of Erzincan province

    SEMA KURBAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSAFFA AYŞEN LAV

  3. Tez No

    636134

    Architectural retrofit of educational buildings towards nearly zero energy and cost optimal levels considering the life cycle and occupant comfort

    Yaşam döngüsü ve kullanıcı konforuna göre yaklaşık sıfır enerji ve optimal maliyet seviyelerine yönelik eğitim binalarının mimari yönden iyileştirilmesi

    NAZANIN MOAZZEN FERDOS

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LEYLA TANAÇAN

    PROF. DR. MUSTAFA ERKAN KARAGÜLER

  4. Tez No

    878652

    Prediction of pore pressure and deviatoric stress generation for liquefiable soils under cyclic loading using machine learning

    Sıvılaşabilen zeminlerde dinamik yükleme durumunda boşluk suyu basıncı ve deviatorik gerilme değişiminin makine öğrenmesi yöntemleriyle tahmin edilmesi

    ÖMER TUĞŞAD BİRİNCİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET BARIŞ CAN ÜLKER

  5. Tez No

    854863

    Test procedure and sample preparation for large scale soil structure interaction model tests in eitlsc

    GGSLZK'da büyük ölçekli yapı-zemin etkileşimi model testleri için numune hazırlama ve deney prosedürünün belirlenmesi

    ELVIN GURBANOV

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ESRA ECE BAYAT

Geri Dön