Geri Dön

Numerical study on the effect of tunnel on liquefiable soil on the surface settlement

Sıvılaşan zeminlerde tünelin yüzey oturmasına etkisinin sayısal analizi

  1. Tez No: 948381
  2. Yazar: SELDA ATAROD
  3. Danışmanlar: PROF. DR. AYFER ERKEN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  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: 149

Özet

Depremler, yüzey ve yer altı altyapısına geniş çapta zarar verebilen en yıkıcı doğal afetler arasındadır. Türkiye gibi sismik olarak aktif bölgelerde, su, gaz ve iletişim hatları gibi yaşam hatları sistemleri ve tüneller gibi yer altı yapılarının korunması ve dayanıklılığı son derece önemlidir. Bu sistemlere deprem sırasında gelebilecek zararlar, acil müdahale süreçlerini ciddi şekilde aksatabilir, iyileşme operasyonlarını geciktirebilir ve uzun vadeli sosyo-ekonomik etkilere yol açabilir. Özellikle 6 Şubat 2023 Kahramanmaraş depreminde, gömülü altyapılarıda büyük hasarlar gözlenmiştir. Bu gözlemler, yer altı sistemlerine yönelik sismik risklerin değerlendirilmesi ve azaltılmasına yönelik daha ileri mühendislik yaklaşımlarının gerekliliğini ortaya koymuştur. Bu çalışma, sıvılaşma potansiyeli olan kumlu zeminde gömülü olan tünel sisteminin dinamik davranışını, farklı büyüklükteki depremler altında doğrusal olmayan zemin davranışı ve zemin-yapı etkileşimi incelemektedir. Şehir altyapısının önemli bileşenleri olan gömülü tünellerin, büyük depremler sonrasında özellikle Türkiye gibi sismik olarak aktif bölgelerde, çalışabilir durumda kalması gerekmektedir. 2023 Kahramanmaraş depremleri gibi yıkıcı, büyük ve karmaşık zemin hareketinin hesaba katabilen doğru modelleme yaklaşımlarının önemini bir kez daha vurgulamaktadır. Bu çalışma, bu gereksinimleri karşılayacak gelişmiş mühendislik çözümleri sunmayı amaçlamaktadır. Çalışmada, Sonlu Elemanlar Yöntemi (FEM) tabanlı bir sayısal modelleme yaklaşımını kullanmakta ve OpenSEES platformu, modelleme ve analiz kullanılmaktadır. İki boyutlu model, tipik bir gömülü tünel yapılandırmasını temsil etmek üzere geliştirilmiştir. Zemin profili 100 metre uzunluğunda ve 30 metre derinliğindedir ve 4 metre boyutunda, 2 metre derinliğe yerleştirilmiş bir kare tünel içerir. Yeraltı su seviyesi yüzeyde kabul edilmiştir. Model, 9 düğümlü kuadratik dörtgen elemanlar (QuadUP) ile ağlara bölünmüş olup, 1 metrelik eleman boyutu, fazla hesaplama maliyeti olmadan yeterli sayısal çözünürlük sağlamak için seçilmiştir. Bu çalışmada, zeminlerin sismik yük altında karmaşık davranışını modellemek için PDMY02 constitüatif modeli kullanılmıştır. Bu model, zemin tepkisinin temel özelliklerini, boşluk suyu basıncı üretimi, yatay ve dikey yöndeki yer değiştirmeler ve kayma gerilmeleri gibi faktörleri yakalamaktadır. Çalışmada doğru sonuçlar elde edilebilmesi için, kalibre edilmiş model parametreleri kullanılmıştır.Dinamik analizler için kullanılan sismik kayıtlar, 2023 Kahramanmaraş depreminin Antakya ve Arsuz kayıtları gibi büyük ve karmaşık fay kırılmalara sahip kayıtlar ve 1999 Kocaeli depreminden Sakarya ve İzmit kayıtlarıdır. Bu girişler, modelin tabanına yatay olarak yayılan kayma dalgaları şeklinde uygulanmıştır. Başlangıçta, yapısız bir analiz yapılmış ve zeminin sismik tepkisi değerlendirilmiştir. Ardından, tünel modelde yerleştirilmiş ve dinamik analizler tekrarlanmıştır. Her iki durumda—serbest alan ve zemin-tünel sistemi—elde edilen sonuçlar karşılaştırılarak, yapının zemin tepkisi üzerindeki etkisi değerlendirilmiştir. Çalışmada ayrıca, relatif sıkılık ve depremin etkisi araştırılmıştır. Relatif sıkılık, granüler zeminlerin rijitliğini ve dayanıklılığını etkileyen önemli bir parametre olup, yeraltı yapıların sismik olaylar sırasında davranışını belirlemekte büyük rol oynamaktadır. Sayısal modellerde zeminlerin relatif sıkılığı değiştirilerek, farklı sıkılık seviyelerinin zemin tepkisi ve tünel sisteminin genel davranışı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu parametre, sıvılaşma potansiyelini anlamada ve tünel deformasyonları ve stabilitesi üzerindeki etkilerini araştırmada oldukça önemlidir. Ayrıca, deprem etkisi de incelenmiş ve sismik özellikleri (maksimum ivme ve süre) ile yer-yapı etkileşimi üzerine nasıl bir etkisi olduğunu değerlendirilmiştir. Çalışma, 2023 Kahramanmaraş depremi ile 1999 Kocaeli depremi gibi farklı yer hareketi kayıtlarını dikkate alarak, çeşitli zemin hareketi koşullarını kapsamaktadır. Bu giriş hareketleri, modelin tabanına uygulanarak, tünelin dinamik cevabı üzerine olan etkileri dikkatlice analiz edilmiştir. Sonuçlar, deprem varyasyonların, zemin yer değiştirmeleri boşluk suyu basıncı gelişimi ve tünel yapısı üzerindeki gerilimler gibi faktörler üzerinde önemli etkiler yarattığını göstermiştir. Bu çalışmanın ilk bölümünde, tez çalışmasının hedefi ve önemi anlatılmıştır. Ikinci bölümde tez çalışmasıyla ilgili daha önce yapılmış olan araştırmalar ve elde ediden sonuçlar verilmiştir. Üçüncü bölümde analizlerde kullanılan model geometrisi, seçilen referans çizgileri ve derinlikler, kullalınan Sonlu Elemn (SE) açık kaynak programı OpenSees, sınır koşulları ve materiyaller detaylı olarak yer almaktadır. Dördüncü bölümde çalışmada kullanılan zemin materiyalinin doğru sonuçlar verdiğini ıspatlamak için yapılan doğrulama yeralmaktadır. Bu bölümle labortuvar deney (tekrarlı basit kesme deneyi) verileri ve SE programıyla tekrarlı basit kesme deneyinin simülasyonu kullanılarak elde edilen sonuçlar kıyaslanmış ve kullanılan materiyalin, analizlerde güvenilir sonuçlar verdiği görülmüştür. Beşinci bölümde bu çalışmada kullanılar deprem kayıtları detaylı anlatılmıştır. Kayıtlarda yapılan baseline correction ve ana kayaya indirme işlemleri, kayıtların maksimum ivmeleri, süreleri ve diğer özellikleri verilmiştir. Altıncı bölümde yapısız, serbest alan analizlerinin tamami yer almaktadır. Her bir analizin ivme, yatay ve düşey yer değiştirmeleri ve boşlık suyu basıncının zamana bağlı değişimi verilmiştir. Röretif sıkılık ve deprem ve yeraltı su seviyesinin etkisi serbest alan analizlerinde incelenmiştir. Yedinci bölümde modele kare tünel eklenmiş ve farklı röretif sıkılık ve deprem kayıtları kullanılarak elde edilen analiz sonuçları yer almaktadır. Bu bölümde her bir analizin sonuçları belirlenen referans çizgilerdeki belirli derinlikteki noktalarda, ivme, yatay ve düşey yer değişikliği ve boşluk suyu basıncının zamana bağlı değişimi verilmiştir. Röretif sıkılık ve depremin etkisi ayrıca araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, serbest alan analiz sonuçlarıyla kıyaslanmıştır. Sekizinci bölümde bu çalışmadan elde edilen bütün sonuçlar yorumlanmıştır.

Özet (Çeviri)

Earthquakes are among the most devastating natural hazards, often causing widespread surface and underground infrastructure damage. In seismically active regions, such as Türkiye, the protection and resilience of underground structures such as lifeline systems (including water, gas, and communication pipelines), tunnels, and manholes are paramount. Damage to these systems during earthquakes can severely disrupt emergency response, delay recovery operations, and lead to long-term socio-economic impacts. Recent seismic events, particularly the February 6, 2023, Kahramanmaraş earthquake sequence, have demonstrated the vulnerability of buried infrastructure under complex fault rupture scenarios and prolonged strong shaking. These observations have intensified the need for advanced engineering approaches to assess and mitigate seismic risks to underground systems. This thesis focuses on the dynamic behavior of structural systems embedded in soils with liquefaction potential, emphasizing nonlinear soil behavior and soil–structure interaction under strong ground motion. As essential components of urban infrastructure, buried tunnels must remain operational after major earthquakes, especially in seismically active regions like Türkiye. Recent destructive events, including the February 6, 2023, Kahramanmaraş earthquakes, have highlighted the necessity of accurate modeling approaches to consider the complexities of earthquake and soil response, particularly under conditions involving multi-fault ruptures and long shaking durations. This study employs a series of numerical modeling approachs using the Finite Element Method (FEM), consuming the OpenSEES platform as a pre- and post-processing environment. Initially, a free-field analysis was conducted without a structure to meassure the soil's independent seismic response. Within this framework, a 2D fully coupled effective stress analysis was developed. Subsequently, the tunnel was incorporated into the model, and dynamic analyses were repeated. A two-dimensional plane strain model was developed to represent a typical buried tunnel configuration. The soil media is 100 meters long and 30 meters deep, and contains a square tunnel with a dimension of 4 meters, buried 2 meters below the surface. The groundwater table was accepted to be at the ground level. The model was meshed using 9-node quadratic quadrilateral elements with pore pressure capabilities (QuadUP), and a 1-meter element size was selected to ensure sufficient numerical resolution without excessive computational cost. The PDMY02 (Pressure-Dependent Multi-Yield 02) constitutive model was used to model the complex behavior of the soil during seismic excitation. This model records fundamental features of soil performance, including excess pore water pressure generation, displacements in both horizontal and vertical directions, and shear strains. Model parameters were validated to ensure accuracy before application to the fullscale system. Nevada sand with various relative densities was utilized during this thesis to study the effect of Dr on the dynamic behavior of sands. Various seismic inputs for the dynamic analyses were the Antakya and Arsuz ground motion records from the 2023 Kahramanmaraş earthquake, which is characterized by strong intensity and complex rupture patterns, and Sakarya and Izmit records from the 1999 Kocaeli earthquake. The inputs were horizontally applied as shear waves at the model's base to study the effect of maximum acceleration and loading time on dynamic effects. This study compared results from two cases, free field and soil tunnel system, to understand how the structure influences ground response. It examined how relative density and input motion characteristics impact the seismic response of buried tunnel systems. Relative density significantly affects the stiffness and strength of granular soils, impacting how underground structures behave during earthquakes. This study examined how altering soil density in numerical models influences ground response and tunnel system behavior. Understanding relative density is crucial for predicting the liquefaction potential of soil and its influence on tunnel deformation and stability. The study examined how different seismic records' characteristics, such as amplitude, frequency, and duration, affect soil-tunnel interaction. Results indicated that variations in input motion significantly impact soil displacements, pore pressure development, and tunnel structure stresses.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    609259

    Seismic performance of tunnel in liquefiable soil

    Sıvılaşabilen zemin tüneli sismik performansı

    MOHSEN FATHIEH

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deprem Mühendisliği ve Afet Yönetimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYFER ERKEN

  2. Tez No

    921252

    Depremde su kaldırma etkisi altındaki borularda zemin yapı etkileşiminin sayısal analizlerle incelenmesi

    Study of seismic soil structure interaction for buried pipes below groundwater table using numerical analysis

    MÜNİRE DÜLGER

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Deprem MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAVVANUR KILIÇ

  3. Tez No

    474907

    An experimental and numerical study on the combustion characteristics of pool fires in tunnels

    Tünellerde gerçekleşen havuz yangınlarının yanma karakteristikleri üzerine deneysel ve sayısal çalışma

    SINA SHAFEE

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AHMET YOZGATLIGİL

  4. Tez No

    488100

    Evsel tip soğutucularda kullanılan eksenel fan ve hava yönlendirme muhafaza yapısının ürün gürültüsüne etkisi ve gürültü düşürülmesi

    An experimental and numerical study on the effect of shroud on axial fan noise

    KORAY ERDOĞAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Makine MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ŞEVKET ÖZGÜR ATAYILMAZ

  5. Tez No

    826551

    Experimental and numerical study on pseudo-shock structures in a mixed compression rectangular supersonic intake

    Karma sıkıştırmalı dikdörtgen ses-üstü bir hava alığında benzetik şok yapıları üzerine deneysel ve sayısal çalışma

    ALİ CAN ÖZER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YUSUF ÖZYÖRÜK

Geri Dön