Geri Dön

Üst tabaka kalınlığının sıvılaşma davranışına etkisinin sayısal analizlerle incelenmesi

Investigation of the effect of upper layer thickness on liquefaction behavior through numerical analyses

PDF İndir

  1. Tez No: 947993
  2. Yazar: BURAK OKUR
  3. Danışmanlar: PROF. DR. RECEP İYİSAN
  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: 159

Özet

Depremler tarih boyunca dünya genelinde en sık rastlanan ve yıkıcılığı en yüksek olan doğal afetler arasında yer almakta, insan yaşamını tehdit eden etkileri ve meydana getirdiği tahribatla toplumları derinden sarsmaktadır. Yerkürenin farklı bölgelerinde ani ve kontrolsüz bir şekilde gerçekleşen depremler yalnızca çok sayıda insanın hayatını kaybetmesine neden olmakla kalmamakta aynı zamanda yerleşim alanlarının büyük ölçüde hasar görmesine, mühendislik yapılarının işlevini yitirmesine ve can kayıplarının yaşanmasına yol açmaktadır. Depremlerden etkilenen bölgelerde konutların yıkılması veya ağır hasar görmesi nedeniyle barınma ihtiyacı karşılanamamakta, güvenli yaşam alanlarının oluşturulması zorlaşmakta ve altyapı sistemlerinin çökmesi sonucu temel hizmetlerin sürekliliği sağlanamamaktadır. Deprem felaketlerinin yol açtığı yapısal hasarların en temel nedenlerinden biri, kuvvetli yer hareketi sırasında zemin tabakalarında meydana gelen deformasyonlardır. Bu deformasyonların büyüklüğü zeminlerin mühendislik özelliklerine ve zemine iletilen sismik enerjiye bağlı olarak farklılık göstermektedir. Özellikle deprem koşulları altında suya doygun kumlu zeminlerde oluşan deformasyonlar risk unsurları olarak değerlendirilmekte ve mühendislik yapılarının maruz kaldığı hasarların mertebelerini önemli ölçüde artırmaktadır. Bu bağlamda kuvvetli yer hareketi esnasında drenajsız koşullar altında gerçekleşen hızlı yükleme süreci zemin içerisindeki boşluk suyu basıncının ani ve aşırı bir şekilde artmasına sebebiyet vermekte, bu artış ise efektif gerilmenin düşmesine neden olmaktadır. Bu durum suya doygun kumlu zeminlerde mühendislik literatüründe sıvılaşma olarak bilinen bir davranışın ortaya çıkmasına yol açmaktadır. Kuvvetli yer hareketi sırasında boşluk suyu basıncının ani artışıyla birlikte efektif gerilmenin azalması sonucu meydana gelen sıvılaşma, zemin tabakalarının rijitliklerini ve mukavemetlerini kaybetmelerine neden olmaktadır. Bu zemin davranışı sıvılaşma kaynaklı aşırı oturma problemlerine, taşıyıcı sistem elemanlarında düzensiz yer değiştirme, stabilite kayıpları ve yapıların devrilmesi gibi çok çeşitli mühendislik sorunlarına yol açmakta olup yapı güvenliğini ve bütünlüğünü ciddi mertebede tehlikeye atan bir geoteknik problem olarak değerlendirilmektedir. Dolayısıyla geoteknik mühendisliği kapsamında deprem kaynaklı yıkıcı etkilerin önlenmesi veya en aza indirgenmesi amacıyla gerçekleştirilen analiz, tasarım ve iyileştirme çalışmaları büyük bir öneme sahiptir. Bu doğrultuda kuvvetli yer hareketleri sırasında zemin tabakalarının dinamik davranışların belirlenmesi ve bu davranışların mühendislik yaklaşımları ile sayısal olarak modellenebilmesi, yapıların sismik performanslarının değerlendirilmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Zeminlerin deprem yükleri altındaki rijitlik, sönüm oranı, kayma dalgası hızı, zemin büyütmesi ve sıvılaşma potansiyeli gibi özelliklerinin belirlenmesi yapı-zemin etkileşiminin güvenilir bir şekilde analiz edilmesine olanak tanımakta böylece tasarım aşamasında daha dayanıklı ve güvenli sistemlerin oluşturulmasına katkı sağlamaktadır. Bu nedenle zemin tabakalarının doğrusal olmayan dinamik davranışının laboratuvar, arazi deneyleri ve sayısal modellemeler aracılığıyla detaylı bir biçimde incelenmesi önem arz etmektedir. Bu çalışma, serbest saha koşullarında deprem yükleri altında suya doygun kumların dinamik davranışlarını incelemek, sıvılaşabilir kum tabakası üzerinde yer alan sıvılaşma potansiyeli bulunmayan üst yüzey kum tabakasının etkisini modelleyerek sıvılaşma kaynaklı deformasyonları öngörmeye katkı sağlamak ve böylece yapı güvenliği ile tasarım sürecinde karşılaşılabilecek sorunları en aza indirgemek amacıyla gerçekleştirilmiştir. Bu doğrultuda literatürde yaygın şekilde kullanılan ampirik yöntemlerden biri olan Ishihara kriteri temel alınmıştır. Bu yöntem sıvılaşabilir kum tabakası üzerinde sıvılaşma potansiyeli bulunmayan bir zemin tabakası bulunması durumunda sıvılaşma kaynaklı yüzey hasarını tahmin etmek amacıyla geliştirilmiştir. Yöntem farklı pik yüzey ivme değerleri ile sıvılaşma potansiyeli bulunmayan üst tabaka ve altında yer alan sıvılaşabilir kum tabakasının kalınlıklarını dikkate alarak sıvılaşma kaynaklı yüzey hasarını değerlendirmektedir. Bu kriter doğrultusunda sıvılaşma potansiyeli bulunmayan üst tabaka kalınlığının sıvılaşma davranışı üzerindeki etkilerini incelemek amacıyla iki boyutlu dinamik analizler gerçekleştirilmiştir. Analizlerde kullanılmak üzere farklı deprem kaynak özelliklerine sahip ivme-zaman kayıtları seçilmiş akabinde zemin kesitlerinin oluşturulmasında üst tabaka için rölatif sıkılığı %75 olan Ottawa kumu altındaki sıvılaşabilir kum tabakası için ise rölatif sıkılığı %35 olan Ottawa kumu kullanılmıştır. Zeminlerin mühendislik özellikleri Ottawa kumu üzerinde gerçekleştirilen dinamik basit kesme deneylerinin sonuçları temel alınarak sayısal analizlerde sıvılaşma davranışının modellenmesinde sıklıkla kullanılan PM4Sand bünye denklemleri için kalibre edilmiştir. Farklı zemin tabaka kalınlıkları ve yeraltı su seviyesi kombinasyonlarına sahip kesitler seçilen deprem kayıtlarıyla birlikte kullanılarak sonlu elemanlar yöntemiyle çalışan Plaxis2D yazılımı aracılığıyla iki boyutlu dinamik analizler gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın başlangıcında, sıvılaşma davranışını modelleyebilmek amacıyla UBC3D-PLM ve PM4Sand bünye denklemleri kullanılarak bir boyutlu dinamik analizler gerçekleştirilmiştir. Bu analizlerde rölatif sıkılık değerleri %35, %55 ve %75 olan Ottawa kumu için anakaya üzerinde kaydedilmiş toplamda 6 farklı kuvvetli yer hareketi verisi kullanılarak farklı rölatif sıkılık değerlerine sahip kum tabakaların sıvılaşmaya karşı davranışları ve bu süreç sonucunda meydana gelen oturma miktarları incelenmiştir. Çalışmanın ana araştırma konusu olarak, sıvılaşma davranışı üzerinde üst tabaka kalınlığının etkisini değerlendirmek amacıyla toplam 20 m kalınlığındaki zemin kesitleri üzerinde iki boyutlu dinamik analizler gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda, sıvılaşma potansiyeli bulunmayan üst yüzey tabaka kalınlıklarının 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 ve 20 m olacak şekilde zemin kesitleri oluşturmuştur. Oluşturulan zemin kesitlerine anakaya üzerinde alınmış toplamda 11 adet kuvvetli yer hareketi kaydı 0.2, 0.3, 0.4 ve 0.5g ivme değerlerine ölçeklendirilerek sayısal analizler gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonucunda farklı ivme değerlerine, tabaka kalınlıklarına ve rölatif sıkılık değerlerine bağlı olarak sıvılaşma kaynaklı meydana gelen oturmalar incelenmiş, elde edilen veriler uyarınca regresyon analizleri yapılmış ve mühendislik uygulamalarında pratik amaçlar doğrultusunda kullanılmak üzere hem bağıntı olarak hem de grafiksel biçimde alternatif çözüm önerisi sunulmuştur.

Özet (Çeviri)

Throughout history, earthquakes have been among the most frequent and destructive natural disasters worldwide, profoundly impacting societies due to their life-threatening effects and extensive devastation. Occurring suddenly and uncontrollably in various regions of the Earth, earthquakes not only cause significant loss of human life but also lead to widespread damage to residential areas, render engineering structures nonfunctional, and result in substantial economic losses. In earthquake-affected regions, the destruction or severe damage of housing prevents the fulfillment of shelter needs, complicates the creation of safe living environments, and, due to the collapse of infrastructure systems, disrupts the continuity of essential public services. One of the primary causes of structural damage resulting from earthquake disasters is the deformation occurring within soil layers during strong ground motions. The magnitude of these deformations vary depending on the engineering properties of the soils and the characteristics of the seismic energy transmitted to the soil. In particular, deformations that develop in saturated sandy soils under dynamic loading conditions, such as those induced by earthquakes, are considered significant risk factors and substantially contribute to the extent of structural damage. In this context, the rapid loading process occurring under undrained conditions during strong ground motion leads to a sudden and excessive increase in pore water pressure within the soil, which in turn results in a decrease in effective stress. This phenomenon gives rise to a behavior known in the engineering literature as liquefaction, especially in saturated sandy soils. Liquefaction, triggered by the rapid build up of pore water pressure and the consequent reduction in effective stress during strong seismic events, causes soil layers to lose their stiffness and strength. This geotechnical behavior leads to a wide range of engineering problems, including excessive settlements due to liquefaction, irregular displacements in structural elements, loss of stability, and in some cases, complete overturning of structures. As such, liquefaction is regarded as a critical geotechnical issue that severely jeopardizes structural safety and integrity. Therefore, within the scope of geotechnical engineering, analysis, design, and ground improvement efforts aimed at preventing or minimizing the destructive effects of earthquakes hold significant importance. In this regard, a thorough understanding of the dynamic behavior of soil layers under strong ground motion, as well as the numerical modeling of such behavior using engineering approaches, plays a vital role in the assessment of the seismic performance of structures. Determining soil properties under seismic loading such as stiffness, damping ratio, shear wave velocity, site amplification, and liquefaction potential enables reliable soil-structure interaction analyses and contributes to the development of more resilient and safer systems during the design phase. For this reason, the nonlinear dynamic behavior of soil layers must be investigated in detail through laboratory tests, in-situ measurements, and numerical modeling techniques. In order to predict liquefaction potential and the deformations that may arise due to liquefaction, numerous numerical and empirical analysis methods have been developed in the literature. Numerical methods commonly rely on numerical solution techniques such as the finite element or finite difference methods to model the nonlinear behavior of soil layers under dynamic loading conditions. In contrast, empirical methods have been established through the correlation of laboratory test results with field observations and data. Within the framework of empirical methods, a comprehensive analytical approach has been adopted by evaluating data obtained from cyclic loading-based laboratory tests alongside field observations gathered from past earthquake events. These methods provide significant empirical correlations aimed at improving the understanding of soil stiffness, pore water pressure development, and deformations under cyclic loading conditions. In this context, key parameters such as the factor of safety against liquefaction and the cyclic stress ratio, commonly used in liquefaction potential assessments, have been correlated with field test results, particularly the SPT blow counts. As a result, such empirical methods contribute to the estimation of liquefaction potential and associated volumetric strain of soil layers under various loading conditions. Numerical methods are frequently employed using finite element or finite difference techniques to model the nonlinear dynamic behavior and hardening-strain characteristics of soil layers. Through such analyses, time-dependent changes within soil layers during strong ground motions, liquefaction behavior, and the associated deformation mechanisms can be investigated in detail. The reliability of these detailed modeling studies largely depends on the ability of the selected constitutive models to realistically represent in-situ soil conditions and on the accurate definition of corresponding engineering parameters. Errors in parameter selection can compromise the accuracy of the modeling process and significantly affect the validity of the analysis results. Therefore, the use of laboratory and field test data that are both reliable and representative of actual site conditions is of critical importance for the success of numerical analyses. When these considerations are taken into account, numerical analyses offer the capability to simulate, with high accuracy, the behavior of soils under dynamic loading conditions such as earthquakes, including seismic wave propagation and changes in pore water pressure. As a result, the performance of both soil layers and their interacting engineering structures under various seismic scenarios can be evaluated, and potential liquefaction-prone zones can be identified in advance, enabling the design of appropriate geotechnical mitigation measures. In this study, to determine the dynamic behavior of saturated sands under cyclic loading in free-field conditions, to contribute to the prediction of liquefaction-induced settlements by modeling the influence of a non-liquefiable upper sand layer overlying a liquefiable sand layer, and ultimately to minimize structural safety issues and challenges that may arise during the design process. In this context, the Ishihara criterion, one of the widely used empirical methods in the literature, was adopted. This method was developed to predict surface manifestations of liquefaction when a non-liquefiable soil layer exists above a liquefiable sand layer. It evaluates the relationship between the thicknesses of the non-liquefiable upper layer and the underlying liquefiable layer, taking into account different peak ground acceleration values. In line with this criterion, two-dimensional dynamic analyses were performed to investigate the effects of the non-liquefiable surface layer thickness on liquefaction behavior. For this purpose, acceleration time histories with various characteristics were selected. In generating the soil profiles, Ottawa sand with a relative density of 75% was used for the non-liquefiable upper layer, while Ottawa sand with a relative density of 35% was used for the underlying liquefiable layer. The engineering properties of the soils were calibrated for use with the PM4Sand constitutive model, commonly utilized in the numerical modeling of liquefaction behavior, based on the results of cyclic direct simple shear tests conducted on Ottawa sand. Soil profiles with varying combinations of layer thicknesses and groundwater table depths were analyzed using the selected earthquake records. Two-dimensional dynamic analyses were carried out using the Plaxis 2D software, which operates based on the finite element method. In the initial phase of the study, to simulate the liquefaction behavior of sandy soils one-dimensional dynamic analyses were conducted using the UBC3D-PLM and PM4Sand constitutive models. In these analyses, a total of 6 different strong ground motion records, originally recorded on rock outcrop, were utilized to model the liquefaction behavior of Ottawa sand with relative densities of 35%, 55%, and 75%. The liquefaction resistance and resulting settlement behavior of sand layers with different relative densities were evaluated. As a main research topic of the study, two-dimensional dynamic analyses were performed on 20-meter-thick soil profiles to evaluate the influence of the non-liquefiable surface layer thickness on liquefaction behavior. For this purpose, soil profiles were constructed with varying non-liquefiable surface layer thicknesses of 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, and 20 meters. A total of 11 strong ground motion records, obtained from rock outcrop, were scaled to peak ground acceleration levels of 0.2g, 0.3g, 0.4g, and 0.5g and applied to the generated soil profiles for numerical simulations. As a result of the study, liquefaction-induced settlements were evaluated based on varying peak ground acceleration, layer thicknesses, and relative density values. Regression analyses were then conducted using the collected data, and alternative solution approaches were proposed in both empirical equation form and graphical representation, aimed at providing practical tools for geotechnical engineering applications.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    439504

    Numerical modelling on behavior of flexible underground pipelines under seismic loads

    Sismik yükler altında gömülü esnek boruların davranışı üzerine sayısal modelleme

    EHSAN YAHYAVI ZANJANI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ESRA ECE BAYAT

    YRD. DOÇ. DR. HAKKI ORAL ÖZHAN

  2. Tez No

    859908

    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

    Türkçe

    2024

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. RECEP İYİSAN

  3. Tez No

    166397

    Silt tabakalı kum zeminlerin tekrarlı yükler altındaki dinamik davranışları

    Dynamic behaviors of sands including silt layers under cyclic loads

    HÜSEYİN TUNÇOK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2005

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYFER ERKEN

  4. Tez No

    457140

    Behavior of composite bridge under effect of thermal loading

    Kompozit köprülerın ısıl yükler altında davranışı

    HESHAM ABDULATEF NUMAN AL ADHAMI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    İnşaat MühendisliğiGaziantep Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA ÖZAKÇA

    YRD. DOÇ. DR. NİLDEM TAYŞİ

  5. Tez No

    285236

    Tabakalı zeminlere oturan yüzeysel temellerin taşıma gücü analizi

    Bearing capacity of shallow foundations on layered soils

    SUPHİ CİVELEK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    İnşaat MühendisliğiÇukurova Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA LAMAN

Geri Dön