Derin kazı ve destek sistemli bir saha için dinamik saha tepki analizleri
Dynamic site response analyses for a site with a deep excavation support system
- Tez No: 983709
- Danışmanlar: PROF. DR. GÜRKAN ÖZDEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Deprem mühendisliğinde yapıların sismik performansı yalnızca yapısal sistemin özelliklerine değil, aynı zamanda zeminin dinamik özelliklerine de doğrudan bağlıdır. Bu bağlamda, saha tepki analizleri; yer hareketinin zemin katmanları içinde yayılması sırasında uğradığı değişiklikleri anlamayı ve yüzeydeki hareketi tahmin etmeyi amaçlayan temel mühendislik uygulamalarından biridir. Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği (TBDY), 2018 yılındaki yürürlüğe girişinden itibaren, belirli zemin sınıfları için bu analizlerin yapılmasını zorunlu kılmıştır. Yerel zemin koşulları, yüzeye ulaşan yer hareketinin genliğini ve frekans içeriğini önemli ölçüde etkileyebilir. Özellikle yumuşak, kalın veya heterojen zemin profillerinde bu etkilerin göz ardı edilmesi, yapısal tasarımda ciddi eksikliklere yol açabilir. Farklı saha tepki analizi yöntemleri arasında en yaygın kullanılan yöntem, tek boyutlu (1D) saha tepki analizidir. Bu yöntem, yatay doğrultuda süreklilik arz eden, yatay katmanlı zemin profillerinin düşey doğrultuda sismik dalga yayılımı varsayımı altında modellenmesine uygundur. Böyle katmanlı ortamlarda, farklı dinamik özelliklere sahip katman sınırlarında meydana gelen yansıma ve kırılmalar, dalga yayılım karakteristiklerini değiştirerek yüzey hareketini şekillendirir. 1D analizler, bu dalga yayılım mekanizmalarına bağlı olarak spektral özelliklerin ve büyütme katsayılarının hesaplanmasına olanak tanır. Türkiye, yüksek sismik tehlikeye sahip aktif tektonik kuşaklar üzerinde yer almakta olup, nüfusun büyük kısmı deprem riski altındaki bölgelerde yaşamaktadır. Eski yapı stoğu, düzensiz şehirleşme ve kontrolsüz göç gibi nedenlerle son yıllarda kentsel dönüşüm projeleri hız kazanmıştır. Bu dönüşüm sürecinde, bodrum kat yoğunluğu fazla olan ve yüksek katlı yapıların inşa edildiği projelerde derin kazı destek sistemleri ve derin temel elemanlarının kullanımı yaygınlaşmıştır.Ancak, bu tür sistemlerin zeminlerin dinamik davranışı üzerindeki etkisi yeterince araştırılmamıştır. Saha tepki analizlerinde genellikle yalnızca doğal zemin profili dikkate alınmakta, iksa sistemleri veya temel elemanları gibi mühendislik yapılarının zemin-yapı etkileşimine olan etkileri göz ardı edilmektedir. Oysaki, zemin profili 1D analize uygun görünse dahi, bir iksa sistemindeki yapısal bileşenlerin rijitliği veya geometrik konfigürasyonu analiz sürecini doğası gereği iki ya da üç boyutlu hale getirebilir.Bu çalışmada, zaman tanım alanında iki boyutlu sonlu eleman analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda, doğrusal olmayan zemin davranışı dikkate alınmış ve serbest alan (free-field) sınır koşulları altında hem bir boyutlu hem de iki boyutlu saha tepki analizleri yapılmıştır. İki boyutlu modellerde, yapısal etkileri temsil eden iksa sistemleri de modellenmiş ve bu sistemlerin zeminin dinamik davranışı üzerindeki etkisi değerlendirilmiştir. Modelleme sürecinde, kazı bölgesindeki iksa sistemine ait elemanların (soket bölgesi hariç) yatay ötelenmeleri sınırlandırılmış, böylece kazı sırasında meydana gelebilecek kontrolsüz yatay deformasyonların analiz üzerindeki etkisi azaltılmaya çalışılmıştır. Sınır koşulları, dalga yayılımını gerçekçi şekilde temsil edecek biçimde tanımlanmıştır. Modelin yan sınırlarında, sismik dalgaların yapay yansımalarını önlemek amacıyla serbest alan (free-field) sınır koşulları uygulanmış; alt sınırda ise hem giriş hareketini zemine aktarabilmek hem de yansıyan dalgaları önlemek amacıyla uyumlu taban (compliant base) tanımlanmıştır. Gerçekleştirilen analizler sonucunda, diyafram duvar gibi mühendislik yapı elemanlarının varlığı, zemin yüzeyinde elde edilen spektral ivme ve zamana bağlı ivme değerlerini anlamlı şekilde etkilemiştir. Yapısal elemanlar, zemin davranışında özellikle kısa periyot aralıklarında ivme büyütmesini artırıcı yönde etkiler oluşturmuştur. Bu bulgular, sadece doğal zemin profiline dayalı analizlerin yetersiz kalabileceğini ve mühendislik yapı elemanlarının modele dahil edilmesinin önemini açıkça ortaya koymaktadır. Yapılan analizler sonucunda, diyafram duvarın temel seviyesindeki ivme genliklerini genel olarak artırdığı belirlenmiştir. Serbest alan koşullarına kıyasla, maksimum ivmelerde ortalama yaklaşık %10, minimum (negatif) ivmelerin mutlak değerlerinde ise yaklaşık %14 oranında artış gözlenmiştir. Genel eğilim, tüm deprem kayıtlarında ivme genliklerinin artış yönünde olduğu, yalnızca bazı kayıtlarda sınırlı azalmalar meydana geldiği yönündedir. Bu durum, diyafram duvarın zemin dinamik davranışını belirli koşullarda büyütücü, bazı koşullarda ise kısmen sönümleyici yönde etkileyebileceğini göstermektedir. Öte yandan deprem kayıtları sırasında diyafram duvarlı analizlerde aşırı boşluk suyu basıncının temel izdüşümü boyunca ani arttığı gözlemlenmiştir. Bu durum efektif gerilmelerin azalmasına ve neticede zemin dayanımının da azalmasına yol açar. Böyle senaryolarda zeminin iyileştirilmesi kaçınılmazdır. Jet grout, derin karıştırma (DSM) veya drenaj uygulamalarıyla zemin rijitliği artırılarak bu riskler kontrol altına alınır. Gelecek araştırmalar kapsamında, farklı diyafram duvar geometrileri, zemin türleri ve temel konfigürasyonlarının etkilerini içeren parametrik çalışmalar yapılması önerilmektedir. Özellikle, kazı destek sistemleri ve temel elemanlarının hem zemin hem de yapı tepkisi üzerindeki etkilerinin enerji temelli ölçütlerle (örneğin Arias yoğunluğu gibi) değerlendirilmesi, saha tepki analizlerinin kapsamını zenginleştirecek ve mühendislik uygulamaları için daha gerçekçi çözümler sunacaktır.
Özet (Çeviri)
In earthquake engineering, the seismic performance of structures is not solely dependent on the structural system but is also directly influenced by the dynamic properties of the underlying soil. In this context, site response analyses are among the fundamental engineering procedures used to understand how ground motion is altered as it propagates through soil layers and to estimate the resulting surface motion. These analyses have been mandated for certain soil classifications under the Turkish Building Earthquake Code (TBDY) since its enforcement in 2018. Local site conditions can significantly affect both the amplitude and frequency content of ground motions arriving at the surface. Neglecting these effects, especially in soft, thick, or heterogeneous soil profiles, may result in considerable deficiencies in structural design. Among various site response analysis methods, one-dimensional (1D) site response analysis is the most commonly employed. This method is suitable for soil profiles that can be idealized as horizontally layered and laterally continuous, assuming seismic waves propagate only in the vertical direction. In such stratified media, reflections and refractions at layer boundaries with different dynamic properties alter the wave propagation characteristics, ultimately modifying surface ground motion. 1D analyses allow the computation of spectral characteristics and amplification factors based on these wave propagation mechanisms. Turkey lies on active tectonic zones with significant seismic potential. As a result, most of its densely populated cities are located in earthquake-prone areas. Given the aging building stock, unplanned urbanization, and irregular migration, urban transformation projects have accelerated in recent years. During this transformation process, the use of deep excavation support systems and deep foundation elements has become common in high-rise and basement-intensive projects However, the influence of such systems on the dynamic behaviour of soils has not been sufficiently investigated. Site response analyses typically focus only on the natural soil profile, while the impact of engineering structures like retaining systems and foundation elements on soil-structure interaction is often overlooked. In reality, even if a soil profile appears suitable for 1D analysis, the stiffness of structural components in a retaining system or their geometric configuration can render the analysis inherently two- or even three-dimensional. As part of this study, two-dimensional finite element analyses were conducted in the time domain. In this context, nonlinear soil behaviour was taken into account, and both one-dimensional and two-dimensional site response analyses were performed under free-field boundary conditions. Additionally, in the two-dimensional models, retaining systems representing structural effects were also modelled, and their influence on the dynamic behaviour of the soil was evaluated. During the modelling process, lateral displacements of the retaining system components within the excavation zone (excluding the socket region) were constrained in order to limit uncontrolled horizontal deformations that may occur during excavation. This approach aimed to minimize the influence of excavation stages on the analysis. The boundary conditions were defined to realistically simulate wave propagation. Free-field boundaries were applied along the lateral edges to prevent artificial reflections of seismic waves from the model limits. At the bottom boundary, a compliant base was implemented to allow input motion transmission while preventing wave reflections. The numerical analyses conducted as part of this study demonstrated that the presence of diaphragm walls and similar embedded structural systems can significantly influence seismic wave propagation and surface motion characteristics. In the majority of the earthquake scenarios analyzed, the models incorporating retaining structures resulted in noticeably higher spectral acceleration values at the surface, particularly in the short-period range. This indicates that such structural elements can amplify seismic demand, potentially altering the expected performance of overlying structures. The analysis results indicate that the presence of a diaphragm wall generally increases the acceleration amplitudes at the base level. Compared to the free-field condition, the average increase was approximately 10% in maximum accelerations and about 14% in the absolute values of minimum (negative) accelerations. The overall trend shows an increase in acceleration amplitudes for all earthquake records, with only a few cases exhibiting minor reductions. These findings suggest that the diaphragm wall may amplify ground dynamic response under certain conditions while acting partially damping under others. On the other hand, during the earthquake records, it was observed that excess pore water pressure suddenly increased along the foundation projection in diaphragm-wall analyses. This situation leads to a reduction in effective stress and, consequently, a decrease in soil strength. In such scenarios, soil improvement becomes inevitable. By applying methods such as jet grouting, deep soil mixing (DSM), or drainage systems, soil stiffness can be enhanced and these risks can be controlled. Moreover, it was observed that the effect of these structures is not uniform across all frequencies. While short-period amplifications were prominent, variations also occurred at mid and long periods depending on the geometry and stiffness of the structural elements and the dynamic properties of the soil profile. These findings underscore the importance of accounting for soil–structure interaction effects, even in conditions that may initially appear suitable for simplified 1D analyses. The study also highlights that excluding embedded structures from the numerical model could lead to underestimation or mischaracterization of ground motion demands. As modern urban development increasingly involves deep basements and retaining systems, the conventional assumption of a natural soil profile without structural interference may no longer be valid for seismic design in dense urban contexts. Further studies are recommended to carry out comprehensive parametric investigations that examine the influence of various diaphragm wall configurations, soil types, and foundation geometries. In particular, future analyses should incorporate energy-based intensity measures—such as Arias intensity—to evaluate how seismic energy is transferred and dissipated in systems with embedded structural elements. Such an approach would provide a more complete understanding of seismic demand and enable engineers to develop safer, more realistic, and economically optimized designs for urban environments that include deep excavation systems. The findings indicate that idealized spectra based only on generalized soil classifications may be insufficient for cases where buildings with basements surrounded by rigid retaining systems such as diaphgram walls, and that multidimensional analyses incorporating soil-structure interaction yield more realistic results, with noticeably increased spectral acceleration values in the short-period range. Yet, the necessity of three-dimensional analyses becomes more apparent in buildings with extensive base areas, particularly in regions where geological formations vary significantly.
Benzer Tezler
- Khasab — Tibat (Umman) sahil yolu şevlerinde kaya düşmesiriski azaltma yöntemlerinin araştırılması
Investigation of rockfall risk reduction methods on Khasab-Tibat (Oman) coastal road slopes
ZUHAL SOYLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Jeoloji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiJeoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YILMAZ MAHMUTOĞLU
- Öngermeli ankrajlı kesişen kazıklı iksa sistemi: Bir vaka analizi ve nümerik olarak incelenmesi
Prestressed anchored secant pile wall: A case study and numerical analysis
GİZEM UÇAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSAFFA AYŞEN LAV
- Güncel killi dolgu zeminde gerçekleştirilen derin kazı İksa Sisteminin davranışı: Bir vaka analizi
Behaviour of a deep excavation Shoring System in current clayey fill: A case study
BATUHAN AKGÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BERRAK TEYMÜR
- Derin kazı projelerinde aletsel gözlemlerin önemi ve sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmesi
Importance of geotechnical insturmentation in deep excavation projects and analyzsis with finite element method
CANSU YILDIZ ÇELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BERRAK TEYMÜR
- Basınç tipi zemin ankraj davranışının sayısal analizler ve saha deneyleri ile incelenmesi
Investigation of compression ground anchor behaviour through numerical analyses and field tests
GÖKALP DEMİRCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RECEP İYİSAN