Sonlu elemanlar formülasyonuna dayalı yer altı yapılarının deprem analizi
Earthquake analysis of underground structures based on finite element method formulation
Yazar: ABDURRAHMAN ÇUKAY
Danışman: PROF. DR. NAMIK KEMAL ÖZTORUN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Deprem analizi = Earthquake analysis ; Sığ temeller = Shallow foundations ; Tüneller = Tunnels

Özet:
Geçmiş yıllarda yer altı yapılarının deprem performansının yüzey yapılara göre daha güvenilir olduğuna dair yaygın bir inanış olsa da özellikle 1999 Kocaeli, 1995 Kobe ve 1999 Taiwan depremleri sonrası yer altı yapılarında gözlemlenen önemli ölçülerdeki hasarlar ve/veya göçmeler  bu yapıların da deprem hareketine karşı savunmasız kalabildiğini göstermiştir. Yapılan gözlemlerden sonra yer altı yapılarının deprem analizi gereksinimi daha yoğun hissedilmiş ve bu konu araştırmacıların çalışmalarında daha çok incelenmeye başlamıştır. Tünel ve kondüvi gibi yer altı yapılarının deprem tepkileri incelendiğinde en kritik deformasyonların tünelin kesit düzleminde gerçekleşen kayma deformasyonları olmuştur. Dolayısıyla yapılan çalışmalarda deprem analizleri daha çok tünel kesitinde gerçekleştirilmiş ve nümerik hesaplamalarda yapı, düzlem gerilme veya düzlem gerinme elemanları ile modellenmiştir. Yapılan nümerik çalışmalarda mevcut analiz programları kullanılmış ve bu programların sonlu elemanlar formülasyonunda düzleme dik eksen etrafındaki açısal yer değiştirme bileşeni bazı kabuller yapılarak hesaplanmıştır. Bu çalışmada öncelikle nispeten sığ gömülü dörtgen veya dairesel kesitli yer altı yapıların deprem analizi ile ilgili analitik, nümerik ve deneysel çalışmalar incelenmiştir. Daha sonra söz konusu yapıların statik ve dinamik analizini gerçekleştiren, içerisinde Microsoft Fortran Powerstation derleyicisinin kullanıldığı "KONYAP" (Kondüvi Yapısal Analiz Programı) geliştirilmiştir. Programda Prof. Dr. Namık Kemal Öztorun tarafından geliştirilmiş olan ve birçok programın yanı sıra "TUNAL" programında da kullanılmış olan dörtgen geometrili sonlu eleman formülasyonu kullanılmıştır. Programda kullanılan dörtgen elemanda birçok sonlu eleman programlarında bulunmayan düzleme dik eksen etrafındaki açısal vektörlere karşılık gelen formülasyonlar mevcuttur. Çalışmada "KONYAP" ile elde edilen statik ve deprem analizi sonuçları Sap2000 program sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucu "KONYAP" ile gerçekleştirilen analizlerde daha az elemanla daha hassas sonuçlar elde edildiği görülmüştür. İncelemelerde deprem analizi sonuçları ile elde edilen gerilmelerin ve iç kuvvetlerin, statik analiz ile elde edilen sonuçlardan çok daha büyük olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
Although there was a widespread view in the past years that the earthquake performance of underground structures are more reliable than surface structures, significant damages and/or collapses observed in underground structures, especially after the 1999 Kocaeli, 1995 Kobe and 1999 Taiwan earthquakes, have shown that these structures can also be vulnerable to earthquake movements. After the observations, the need for earthquake analysis of underground structures was felt more intensely and this subject started to be examined more in the studies of researchers. When the earthquake responses of underground structures like tunnels or cut and cover tunnels were investigated, the most critical deformations were the racking deformations in the section plane of the tunnel. Therefore, in the studies, earthquake analyzes were mostly carried out in the tunnel section and the structures was modeled with plane stress or plane strain elements in numerical calculations. Existing analysis programs were used in the numerical studies and the angular rotation component perpendicular to the plane was calculated approximately in the finite element formulation of these programs. In this study, initially analytical, numerical and experimental studies on earthquake analysis of relatively shallow buried rectangular or circular section underground structures were investigated. Later in the study, "KONYAP" (Kondüvi Yapısal Analiz Programı - Structural Analysis Program for Cut and Cover Tunnels), which performs the static and earthquake analysis of underground structures and in which Microsoft Fortran Powerstation compiler is used, was developed. In the generated program, the finite element formulation with rectangular geometry developed by Namık Kemal Öztorun and included in the "TUNAL" program as well as in many other programs was used. In the rectangular element used in the program, there are formulations corresponding to angular vectors perpendicular to the plane, which are not found in many finite element programs. In the study, the results of static and earthquake analysis found with "KONYAP" were compared with the results of the Sap2000 program. As a result of the comparison, it was concluded that more sensitive results were obtained with fewer elements in the analyzes performed with "KONYAP". It has been observed that the stresses and internal forces obtained with the results of the earthquake analysis are much greater than the results obtained with the static analysis.