Türkiye'deki mevcut kemer barajların deprem etkisindeki davranışlarının değerlendirilmesi ve güçlendirilmesi
Earthquake behavior assesment and strengthening of existing arc dams in Turkey
Yazar: ASUMAN IŞIL ÇARHOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. K. ARMAĞAN KORKMAZ
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Güçlendirme = Empowerment ; Kemer barajları = Arch dams

Özet:
Dünyada ve Türkiye'de baraj güvenliği her geçen gün önem kazanan bir konudur. Bu konu geçtiğimiz yıllarda yaşadığımız depremlerle daha da önemli bir hal almıştır. Sismik olarak hareketli bir bölgede yer alan Türkiye'de, enerji ihtiyacının karşılanması ve gelecek planlaması açısından, barajların, güvenli bir şekilde ayakta kalması oldukça önemli bir yer tutmaktadır. Türkiye, mevcut su potansiyeli ile, çeşitli bölgelerinde çok sayıda baraj bulundurmaktadır. Mevcut barajlar; gövde şekline göre dolgu barajlar ve beton barajlar olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Dolgu barajlar; toprak dolgu barajlar, kaya dolgu barajlar, ön yüzü beton kaplı kaya dolgu barajlardır. Beton barajlar ise; beton ağırlık barajlar, payandalı beton barajlar, beton kemer barajlar ve silindirle sıkıştırılmış beton barajlardır. Kemer barajlar mevcut barajlar içinde az sayıda olmalarına rağmen ekonomik değerleri açısından oldukça önemlidir. Dolayısıyla, mevcut sismik riske karşı, ekonomik değerleri olan kemer barajların değerlendirilmesi ve detaylı bir şekilde incelenmesinin gerekliği açıktır.Bu tez çalışmasında, Türkiye'de 2011 yılı itibarıyla mevcut olan tüm kemer barajlar ele alınarak, bu barajların sismik risk değerlendirilmesi ve güçlendirilmesi gerçekleştirilmiştir. İlk olarak Türkiye'deki kemer barajlar; Gökçekaya, Karakaya, Gezende, Sır, Berke, Oymapınar, Ermenek ve Deriner Barajları detaylı olarak incelenmiş ve analiz verileri DSİ'den elde edilmiştir. Barajlar SAP2000 ve ANSYS sonlu elemanlar programları kullanılarak katı modelleme ile modellenmiş ve zaman tanım alanında dinamik analizleri gerçekleştirilmiştir. Her baraja A, B ve C zemin sınıflarına ait yirmi olmak üzere, toplamda altmış deprem ivme kaydı uygulanmıştır. Barajların boş ve dolu durumları için yer değiştirme, gerilme ve taban kesme kuvveti değerleri elde edilerek bu değerler karşılaştırılmıştır. Baraj-zemin-rezervuar sisteminin deprem etkisi altındaki davranışlarını incelemek için bu sistemler de ele alınmıştır. Zeminlerin gerçek malzeme özellikleri programlarda girilerek modellemeler gerçekleştirilmiştir. Her model için zaman tanım alanında dinamik analizler gerçekleştirimiştir. Ardından, sismik riskin olasılıklı olarak değerlendirilmesi için, kırılganlık analizleri gerçekleştirilmiş ve bu analizler sonucunda elde edilen kırılganlık eğrileriyle barajların sismik riski, olasılıklı olarak ifade edilmiştir. Son olarak mevcut barajlar için geliştirilmiş olan uygulanabilir nitelikte bir güçlendirme yöntemi sunulmuştur. Güçlendirme yönteminin etkinliğinin belirlenmesi amacıyla zaman tanım alanında dinamik analizler gerçekleştirilmiştir.Tez çalışması toplamda dokuz bölümden oluşmaktadır. İlk bölüm giriş bölümü olup bu bölümde konunun önemi, gerekli bilgiler, amaç ve kapsam verilmiştir. İkinci bölümde literatür taraması gerçekleştirilmiş ve çalışmaya temel olan kaynak özetleri sunulmuştur. Üçüncü bölümde barajlar sırasıyla tanıtılmış ve sonlu elemanlar yöntemi hesap adımları, yöntem ve analiz kabulleri gösterilmiştir. Dördüncü bölümde, zaman tanım alanı yönteminden bahsedilmiş ardından, çalışma kapsamında gerçekleştirilen dinamik analiz verilmiş ve analizde kullanılan SAP2000 ve ANSYS programları ile hazırlanan katı modellemeler anlatılmıştır. Beşinci bölümde baraj rezervuar zemin etkileşimi sunulmuştur. Tüm barajlar, zemin etkileri de dikkate alınarak modellenmiş ve yapı-zemin-rezervuar etkileşimi irdelenmiştir. Altıncı bölümde barajlara ait olasılıklı sismik riski ifade etmek için kırılganlık analizleri verilmiştir. Yedinci bölümde barajların güçlendirilmesi için bir yöntem sunulmuş ve bu yöntemin ayrıntıları bu bölüm kapsamında ele alınmıştır. Sekizinci bölümde araştırma bulguları verilmiş, elde edilen analiz sonuçları değerlendirilmiştir. Önceki bölümlerde verilen analizlerin sonuçları ise bu bölümde karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Dokuzuncu bölümde de sonuçlar verilmiştir.Sonuç olarak, tez çalışması kapsamında, Türkiye'deki tüm kemer barajlar ele alınmış, baraj-zemin-rezervuar sistemleri kapsamlı şekilde değerlendirilmiş ve mevcut barajların güçlendirilmesi için uygulama önerisi sunulmuştur. Bu anlamda, tez çalışması Türkiye'deki mevcut kemer barajların sismik risk değerlendirmesinin gerçekleştirilmesi ve çözüm önerileri sunması açısından önemli bir boşluğu doldurmuştur.

Abstract:
Dam safety becomes a more important issue day by day in the world and in Turkey due to the recently experienced earthquakes. To plan future and meet the energy demands of Turkey- a country with high seismic risk-, dams need to supply the energy demands of the country safely. In Turkey, with an existing water potential, there are many existing dams in different regions of the country. The existing dams can be categorized in two titles in terms of their body structures: these are fill dams and concrete dams. Fill dams include earth-fill dams, rock-fill dams and concrete covered rock-fill dams. Concrete dams include concrete gravity dams, concrete counter fort dams, concrete arch dams and roller compacted concrete dams. Arch dams exist in a smaller portion of the all. However their economic values are considerably high. Therefore, it is necessary to evaluate and exam the arch dam structures in detail.In the present dissertation, seismic risk assessment of existing arch dams in Turkey built by 2011 is carried out with different approaches. First, existing arch dams: Gokcekaya, Karakaya, Gezende, Sir, Berke, Oymapinar, Ermenek and Derinder Dams are examined in detail by having their real structural data from DSI. Solid models were developed for the time-history analyses in a 3-D environment. All arch dams were modeled for the analyses by using SAP2000 and ANSYS software programs based on Finite Element. For each model, twenty ground motion records are applied for three different soil types as A, B and C, totaling in sixty records. The obtained values are compared by analyzing empty and full conditions to find out displacements, stresses and base shear forces. Later, dam-soil-reservoir interaction was considered for the analyses of the considered existing arch dam structures. For interaction, real soil properties were given in the analyses and soils were modeled with dam structures. Accordingly, for seismic risk assessment, fragility analyses were conducted. For each model, fragility curves were sketched and lastly, an applicable strengthening method was proposed to increase the earthquake resistance of the existing arch dam structures in Turkey.The dissertation involves nine sections. The first section is the introduction which contains the importance of dam safety and dam behavior including necessary information about the dams. Moreover, aims and goals are given here. The second section contains the literature review including existing research and their summaries. The third section introduces the eight dams and methodology. The fourth section proposes steps for finite element method applications. Their analyses methods and the dynamic analyses are given in this section. The fifth section proposes an interaction for dam reservoir and soil. All of the dams that were modeled according to soil features and structure-soil-reservoir interaction are presented here. Section six gives the fragility analysis for the seismic risk assessment. Section seven studies dam strengthening and examines its details. The section eight evaluates the research findings and resulting analyses. the results of the analyses given in the previous sections are compared in this section. The ninth section contains conclusions.As a conclusion, all the existing arch dams in Turkey are in the scope of this dissertation and also reservoir systems are evaluated in detail and the strengthening of existing arch dams is introduced. Therefore, the dissertation gives a valuable knowledge in seismic risk evaluation of existing arch dams and providing applicable solutions.