Derin deniz deşarjı borularının dinamik yükler altındaki davranışı
Behavior of deep sea discharge pipes under dynamic loads
Yazar: GÖKHAN SÜRÜCÜSOY
Danışman: PROF. DR. AYFER ERKEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Deniz deşarj sistemleri = Marine discharge systems ; Deniz deşarjı = Sea discharge ; Su altı boru hattı = Underwater pipeline

Özet:
Derin Deniz Deşarjı yeterli arıtma kapasitesine sahip olduğu mühendislik çalışmaları ile tespit edilen, alıcı ortamlarda denizin seyreltme ve doğal arıtma süreçlerinden faydalanmak amacıyla atık suların sahillerden belirli uzaklıklarda deniz dibine boru ve difüzörlerle deşarj edilmesidir. Günümüzde son yıllarda yerleşim bölgelerine yakın gerçekleşen büyük depremlerden sonra altyapı tesisleri ile deşarj boru hatları üzerinde ciddi hasarlar olduğu gözlenmiştir. Bunun sonucu olarak yapılarının sismik etkiler altındaki davranışı ile ilgili araştırmalar artmıştır. Ancak bunların birçoğu üst yapılarla ilgili olup altyapılarla ilgili araştırmalar sınırlı kalmıştır. Fakat oluşan hasarların büyüklüğü ve deşarj hatlarında meydana gelen sorunlar boru hattı sistemlerinin yapılırken depreme güvenli tasarlanması ve mevcut sistemlerinde  deprem performanslarının önceden değerlendirilmesi gerekliliğini gündeme getirmiştir.
Bu tezde Marmara Ereğlisi deprem bölgesinde, deniz kıyısından itibaren 4500 m uzunluğunda 47.5 m derinliğinde, deniz tabanına gömülü  3000 mm çapında 110 mm et kalınlığında ön gerilmeli beton borunun farklı zemin özelliklerinde ve deprem etkisindeki davranışı incelenmiştir. Atık su deşarj noktasına, deniz dibine gömülmüş veya döşenmiş kanallar ve borular vasıtasıyla taşınır. Deşarj sisteminin bu aşamasında tayin edilecek boru bir çok parametre göz önüne alınarak belirlenmektedir. Deniz tabanı taraması, zemin özellikleri, proje güzergahı ve bölgedeki deprem durumu hassasiyetle incelenmelidir. Bu çalışmada öncelikli olarak farklı boru döşeme yöntemleri ve dayanıklı boru tasarımı hakkında bilgiler verilmektedir. Kullanılacak inşa yöntemine göre boruları teknik özellikleri ve işletme koşulları bakımından ele almak gerekmektedir. İnşa yöntemi ile boru cinsinin özellikleri uyumlu olmalıdır. Deşarj boruları esneklik, dayanıklılık ve ağırlık açısından birbirinden farklı özelliklere sahiptir. Altyapı sistemlerinde farklı amaçlar için çok çeşitli borular kullanılsa da derin deniz deşarjı yapılarında ön gerilmeli beton boru, yüksek yoğunluklu polietilen boru, cam takviyeli plastik boru, dışı beton kaplı çelik boru, dökme demir boru ile PVC ve polietilen borular tercih edilmektedir. Bunlar arasında dışı beton kaplı çelik boru ile ön gerilmeli beton borular öne çıkmakta ve günümüzde başarılı uygulamaları yapılmaktadır. 
Çalışma kapsamında deprem bölgelerinde inşa edilecek deniz tabanına gömülü derin deniz deşarjı borularının deprem etkisindeki davranışını incelemek ve oluşacak boru ve zemin deplasmanlarını tayin etmek amacıyla plaxis sonlu elemanlar programıyla bir tanesi karada ve dört tanesi denizde olmak üzere 5 farklı zemin kesitinde analizler yapılmıştır. Zemin sıvılaşması deprem boyunca hasarın en önemli nedeni olarak karşımıza çıkmaktadır. Deşarj hattı güzergahı boyunca zemin tabakalarının sıvılaşabilirliğini incelemek amacıyla 3 farklı zemin kesitinde Youd ve ark., 2001 yaklaşımı ile sıvılaşma durumu incelenmiştir. Derin deniz deşarjı tabakalarının sıvılaşabilirliğinde öncelikli amaç sıvılaşma potansiyelininin ciddi bir risk oluşturup oluşturmadığının belirlenmesi, sonraki aşamada potansiyel sıvılaşma etkisinin değerlendirilmesidir. Sıvılaşmanın bir sonucu olarak zemin tabakaları içindeki derin deniz deşarj borularının yüzeye doğru hareket etme eğilimleri mevcuttur. Bu da bakım ve tamir maliyetleri oldukça yüksek olan deşarj yapılarında büyük önem teşkil etmektedir. Sıvılaşmanın olduğu kesitlerde gerekli önlemler alınmalı, boru hattı güzergahında gerekli iyileştirmeler yapıldıktan sonra inşa işlemine başlanmalıdır.
Bu tez çalışmasında farklı zemin kesitlerinde boru hatlarının dinamik yük altındaki davranışını incelemek amacıyla Plaxis sonlu elemanlar programının HSsmall modeli kullanılmıştır. Deprem analizlerinde kullanılmak üzere 17.08.1999 tarihinde Kocaeli depreminde Tekirdağ Marmara Ereğlisi Kaymakamlık Binası'nda ölçülen M=7.4 büyüklüğündeki ivme kaydı alınarak beş ayrı zemin profilinin ve zeminlerdeki boruların bu dinamik etki altında nasıl davranış göstereceği incelenmiştir. Bu deprem kaydına ait maksimum ivme 0.1 g'dir. Daha sonra deprem kaydı büyütülerek 0.3 g ile analizler tekrarlanmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak yapılan çalışma ile küçük ve büyük deprem durumlarında dinamik yükleme sonucu yer değiştirmelerin oldukça farklılık gösterdiği ve büyütülmüş deprem kaydı ile deplasmanların arttığı gözlenmiştir.

Abstract:
Pipelines are the engineering structures that have long been used for the purposes of transportation and transmission. First examples of pipelines are seen as water and sewerage lines. Because of economical, safety and environmental advantages pipelines are still important means of transportation and they are used for wide variety of purposes. Water mains, sewerage lines, drain lines, heat distribution lines, electric, telephone and television conduits, culverts, metro tunnels, petrol and gas lines are examples of pipelines which are essential in industry and modern life.  
Deep Sea Discharge is the discharge of waste water to the marine bottoms by pipes and diffusers at certain distances from the seaside in order to benefit from natural dilution and treatment processes of the receiving marine environment with sufficient treatment capacity which is determined by engineering studies. Marine outfall systems are composed of submarine pipeline transmitting wastewater, diffusers and pumping system. Diffusers generally replaced at the end of pipeline have the multiports at certain intervals and diameters to discharge wastewater by dilution. They can be also built as laid freely on sea bottom, suspended at the artificial weights and buried under the sea bottom. 
Marine outfall systems have long been used for the dis-charge of industrial and domestic efﬂuent as a means of increasing its dilution in, and improving the assimilative  capacity of, the receiving environment. In recent years serious damage is observed on the infrastructure and discharge pipelines after powerful earthquakes near settlement areas. As a result, research on the behavior of structures under seismic influence has increased. Nonetheless, most of this research is related to superstructures and research about infrastructure is limited. However, the magnitude of the damage and the problems that arise in the discharge lines have led to the necessity of safe design of pipeline systems and the pre-evaluation of earthquake performances in existing systems. Therefore, the behavior of the pipes used in the deep discharge system structures, which is one of the topics that have been of interest in our country in recent years, should be investigated according to the region where the project will be applied, earthquake condition and soil properties.
In this thesis, the behavior of pre-stressed concrete pipe 4500 m long with a diameter of 3000 mm and wall thickness of 110 mm, buried in the sea bottom at 47.5 m depth has been investigated in various ground characteristics and under earthquake influence. The wastewater is transported to the discharge point by means of ducts and pipes buried or laid on the sea floor. Design of buried pipes requires a comprehensive work to meet technical and economical criteria. Besides the construction costs, maintenance costs and project life of pipeline should also be taken into account. Therefore type of pipeline, physical and chemical properties of material to be conveyed and pipe material should be considered. Chemical and physical interaction between pipe material and the surrounding soil or the material conveyed may cause abrasion, corrosion and decaying of pipe which will affect the life of pipeline and maintenance costs. Therefore in order to operate the pipeline with high performance through the project life, selection of pipe material is a very important issue. Resistance to physical and chemical abrasion, strength, durability, transportation and installation easiness and cost issues should be considered to select suitable pipe material. Along with the issues such as object of pipeline, chemical and physical properties of material to be conveyed, type of pipe material and installation techniques non- homogenous structure of soils in nature necessitates a comprehensive study for design of buried pipes. In buried pipe systems soil is not only used as foundation on which the pipe is laid, also as an structural engineering material to support the load carrying performance of pipes. 
At this stage of the discharge system, the pipe is determined by considering many parameters. The survey of the seabed, the soil characteristics, the project route and the earthquake situation in the region should be thoroughly examined. In this study, information about different pipe laying methods and durable pipe design are given primarily. It's needed to approach the pipes by technical characteristics and according to management conditions in line with preferred building method. The characteristics of the pipe type should be in harmony with the building method. Discharge pipes have many different specifications from each other in elasticity, durability and weight. Although there are many different types of pipes are used in infrastructure systems, pre-stressed concrete pipes, high density polyethylene pipes, glass reinforced plastic pipes, concrete coated steel pipes on the outer surface, cast iron pipes, PVC and polyethylene pipes are preferred for deep sea discharge structures. Among these concrete coated steel pipes on the outer surface and pre-stressed concrete pipes are prominent and successful applications are made nowadays.
Within the scope of the study, 5 different ground sections were analyzed with Plaxis Finite Elements program, one on the land and four on the sea, in order to examine the earthquake effects on the deep sea discharge pipes buried in the seabed and to determine the pipe and ground displacements to be formed. First purpose of this study is to predict the displacement after the earthquakes especially design of the construction of the deep sea discharge in earthquake zones, İf necessary to take preventation before. For his purpose, finite element program which is developed for the soil problems used for analyses. Purpose is to view the behaviour of the discharge pipelines after the earthquake with this analyses. Condition of soil around pipe and pipe metariel parametres are considered to study for these discharge pipelines seismic behaviour. Ground liquefaction is the most important reason for damage during the earthquake. Liquefaction is a phenomenon in which the strength and stiffness of a soil is reduced by earthquake shaking or other rapid loading. Liquefaction and related phenomena have been responsible for tremendous amounts of damage in historical earthquakes around the world. Liquefaction occurs in saturated soils, that is, soils in which the space between individual particles is completely filled with water. This water exerts a pressure on the soil particles that influences how tightly the particles themselves are pressed together. Prior to an earthquake, the water pressure is relatively low. However, earthquake shaking can cause the water pressure to increase to the point where the soil particles can readily move with respect to each other.
In order to examine the liquefaction of the ground plates along the discharge line route, the liquefaction situation in 3 different ground sections was investigated with Youd et al., 2001 approach. In studying the liquefaction of deep sea discharge layers, the primary objective is to determine firstly the potential for liquefaction poses a serious risk, and then assessing the potential liquefaction effect. As a result of liquefaction, there is a tendency of the deep sea discharge pipes in the ground layers to move towards the surface. This constitutes a great importance in the discharge structures whose maintenance and repair costs are quite high. The necessary measures should be taken in the sections where liquefaction occurs and the construction process should start only after necessary improvements are made on the pipeline route.
In this thesis study, the HSsmall model of the Plaxis Finite Elements program was used to investigate the behavior of pipelines under dynamic loads in different ground sections. In order to be used in earthquake analyzes, records in 17.08.1999 and M = 7.4 E-W in Tekirdağ Marmara Ereğlisi District Governor's Office were studied and how the five different soil profiles and the pipes on the ground would behave under this dynamic effect were examined. Maximum acceleration belonging to this earthquake record is 0.1 g. Afterwards earthquake record was magnified and analysis was repeated with 0.3 g and results were compared.
As a result of the study, it is observed that dynamic load displacements are very different in small and big earthquake situations and displacements are increased by magnified earthquake record. After the dynamic loads pipes under bad soil conditions are displaced more.