Gömülü boruların sismik yükler altında doğrusal olmayan analizi
Nonlinear analysis of embedded pipes under seismic loads
Yazar: FURKAN ŞEN
Danışman: DOÇ. DR. BEYZA TAŞKIN AKGÜL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Beton borular = Concrete pipes ; Deprem analizi = Earthquake analysis ; Dinamik analiz = Dynamic analysis ; Gömülü cisimler = Buried matters ; Çelik borular = Steel pipes

Özet:
Ülkemizde gömülü boruların depreme dayanıklı tasarımına ilişkin bir yönetmelik bulunmamaktadır. Bu yüzden gömülü boruların deprem etkisi altındaki davranışının incelenmesi ülkemizde büyük önem taşımaktadır. Bu tez çalışmasında, gömülü boruların davranışını etkileyebilecek parametreler belirlenmiş ve bu parametrelerin değişmesi durumunda borunun deprem etkisi altındaki davranışının nasıl değiştiği araştırılmıştır. Gömülü borularla ilgili ilk çalışmalar gömülü borulara etkiyen yüklerin belirlenmesi üzerine olmuştur. Burada en önemli kavramlardan bir tanesi projeksiyon kavramıdır. Eğer boruya etkiyen yük üzerindeki zemin prizmasının ağırlığından daha fazla ile negatif projeksiyonlu, daha az ise pozitif projeksiyonlu, eğer eşit ise nötr projeksiyonlu boru olarak adlandırılır. Rijit borular özel boru kurulum yöntemleri kullanılmadığında negatif projeksiyona, esnek borular ise pozitif projeksiyona maruz kalırlar. Boru kurulum yöntemleri 4 ana başlıkta incelenebilir. Bunlardan ilki olan hendek durumunda boru kendini tutabilen ve örselenmemiş bir zeminde nispeten dar bir hendeğe yerleştirilir, daha sonra doğal zemin seviyesine kadar dolgu inşa edilir. İkincisi olan pozitif projeksiyon durumunda boru tepesi doğal zeminin üzerine çıkacak şekilde nispeten sığ kanallara yerleştirilip üzerine bir miktar dolgu inşa edilir. Negatif projeksiyon durumunda ise boru tepesi doğal zeminin altında kalacak şekilde sığ hendeklere yerleştirilip doğal zemin seviyesinin üzerinde bir dolgu inşa edilir. Tünel açma durumu geleneksel açık kazı yöntemlerinin mümkün olmadığı, daha çok derin boru kurulumlarının gerektiği durumlarda kullanılır [10]. Bu tez çalışmasında gömülü boruların üç boyutlu doğrusal olmayan dinamik analizleri yapılmıştır. Bu analizleri gerçekleştirmek için bir model seçimi yapmak gerekir. Geçmişten günümüze gömülü boruları analiz etmek için basitten karmaşığa birçok model önerilmiştir. Basit modellerde zemin-boru etkileşimi göz önüne alınmazken, karmaşık modellerde zemin ve boru ayrı ayrı modellenir. Bu modellerde zemin üç boyutlu sonlu elemanlarla boru ise kabuk elemanlarla modellenir. Ancak karmaşık modelleri analiz etmek için hem yüksek bilgisayar kapasiteleri hem de önemli miktarda zaman gerekir. Bu çalışmada American Lifelines Alliance'ın 2001 yılında Gömülü Çelik Boruların Tasarımına Yönelik Yönergesinde [38] önerdiği analitik model kullanılmıştır. Modelde boru hattı kiriş elemanlarla, zemin ise üç doğrultuda ayrık ve doğrusal olmayan yaylarla modellenir. Hem laboratuvar hem saha deneyleri zemin kuvvetleri maksimuma ulaştıktan bir süre sonra azaldığını gösterse de bu yönetmelikte zemin kuvvetleri maksimuma ulaştıktan sonra sabit olduğunu kabul etmiştir. Yönetmelikteki model derin boruları analiz etmek için uygun olmamakla birlikte üniform zemin koşulları için geçerlidir. Elbette bu modeli kullanırken bazı varsayımlarda bulunmak gerekmektedir. Yapılan varsayımlar aşağıdaki gibi sıralanabilir. Birincisi, zemin üzerindeki hareketli yükler ihmal edilmiştir. İkincisi, boru yeraltı su seviyesinin üzerine yerleştirilmiştir. Böylece sıvılaşmanın etkileri dikkate alınmamıştır. Üçüncüsü, sıkı ve gevşek kum ayrımı zeminin içsel sürtünme açısına bağlı olarak yapılmıştır. Bunun sebebi kumlarda kohezyon sıfır olduğundan Mohr-Coulumb göçme düzlemi üzerindeki kayma gerilmeleri sadece zeminin içsel sürtünme açısına bağlı olmasıdır. Dördüncü ve son varsayım ise analizlerde boru iç basıncı göz ardı edilmiştir. Literatürde ALA 2001 [38]'in önerdiği modelin yeterli yaklaşıkta olduğu gösterilmiş ve birçok bilim insanı tarafından kullanılmıştır [39,40,44,45,46]. Tez çalışmasında da bu model kullanılmıştır. Modelde borunun uzunluğu 1200 metre olarak seçilmiş ve 1 metrelik sonlu eleman ağı kullanılmıştır. Gümülü boruların sismik davranışını etkileyebilecek parametrelerden olan gömülme derinliği, zemin cinsi, boru malzemesi, sınır koşulları, boru çapı, et kalınlığı parametrik olarak değiştirilip 3D zaman tanım alanlı doğrusal olmayan dinamik analizler ile yapılmıştır. Analizleri yapmak için Sap2000 paket programı kullanılmıştır. Analiz çıktılarından olan eksenel, yatay ve düşey yer değiştirmeler ayrı karşılaştırılmış ve grafikler halinde sunulmuştur.

Abstract:
There is no code regarding the earthquake resistant design of embedded pipes in our country. Therefore, it is of great importance to examine the behavior of embedded pipes under earthquakes excitations in our country. In this thesis, the parameters that can affect the behavior of buried pipes are specified and it is investigated how the behavior of the pipe under earthquake excitations changes when these parameters change. The first studies on buried pipes were on the determination of loads acting on buried pipes. One of the most important concepts here is the concept of projection. If the load acting on the pipe is more than the weight of the ground prism, it is called a negative projection, if it is less, it is called a positive projection, if it is equal, it is called a neutral projection tube. Rigid pipes are subject to negative projection, while flexible pipes are subject to positive projection when special pipe installation methods are not used. Pipe installation methods can be examined under 4 main headings. In the first of these, in the case of a trench, the pipe is placed in a relatively narrow trench in a self-sustaining, undisturbed ground, then backfill is built up to the natural ground level. In the case of the second, positive projection, the pipe is placed in relatively shallow channels so that the top rises above the natural ground and some fill is built on it. In the case of negative projection, the pipe is placed in shallow trenches with the top below the natural ground and an embankment is built above the natural ground level. Pipe-jacking is used where traditional  excavation methods are not possible, but rather deep pipe installations are required [10]. Marston's work was mostly focused on rigid pipes. For flexible pipes, he proposed a load calculation method for the special case where pipe and floor are at the same rigidity. Since the pipe and the floor are at the same rigidity, the calculated load is homogeneously distributed on the pipe and the floor. This load is the minimum load that can affect the flexible pipes [1]. For the calculation of flexible pipes, the load calculation method proposed by Marston's narrow trench theory can also be used. However, the load acting on the flexible pipes will never be at these levels. Spangler stated that the load to be used in the calculation of flexible pipes is somewhere between the maximum load calculated in Marston theory and the minimum load calculated for the special case and suggested the use of prism load. The prism load is defined as the weight of the ground on the pipe [7]. Later, Spangler conducted studies to determine the deformations in flexible pipes and proposed the Iowa fomula. In this formula, the load on the pipe is calculated according to Marston theory. He assumed that the vertical reaction of the soil is equal to the vertical load and the reaction is uniformly distributed along the bedding angle. It is accepted that the horizontal reaction is distributed parabolically in the 100 degree part of the pipe. He used the passive resistance module of the soil in the calculation of the horizontal reaction and defined the passive resistance module as the pressure that occurs when the pipe moves a unit distance horizontally against the soil. In addition, the calculated deformation increased with the deformation lag factor. This is because the maximum load on the pipe is not reached immediately after pipe installation unless the filler on the pipe is compressed at a high density. This increase in load will cause time dependent deformations. Spangler therefore increased the pipe deformation with a deformation lag factor ranging from 1-2. In this thesis, three-dimensional nonlinear dynamic analyzes of buried pipes were performed. To perform these analyzes, it is necessary to make a model selection. Many models from simple to complex have been proposed to analyze buried pipes from past to present. In simple models, soil-pipe interaction is not taken into account, while in complex models, the soil and pipe are modeled separately. In these models, the ground is modeled with three-dimensional finite elements and the pipe is modeled with shell elements. However, analyzing complex models requires both high computer capacities and a significant amount of time. In this study, the analytical model proposed by the American Lifelines Alliance in its Guidelines for the Design of Buried Steel Pipes in 2001 [38] was used. In the model, the pipeline is modeled with beam elements, and the soil with discrete and non-linear arcs in three directions. Although both laboratory and field tests show that the ground forces decrease after a while after reaching the maximum, this code assumes that the ground forces are constant after they reach the maximum. Although the model in the code is not suitable for analyzing deep pipes, it is valid for uniform ground conditions.. Of course, some assumptions must be made when using this model. The assumptions made can be listed as follows. First, live loads on the ground are neglected. Secondly, the pipe is placed above the groundwater level. Thus, the effects of liquefaction were not taken into account. Third, the separation of tight and loose sand is based on the internal friction angle of the soil. The reason for this is that the shear stresses on the Mohr-Columb failure plane depend only on the internal friction angle of the soil, since the cohesion is zero in sands. The fourth and last assumption is that the internal pipe pressure is ignored in the analysis. In the literature, the model proposed by ALA 2001 [38] has been shown to be an adequate approximation and has been used by many scientists [39,40,44,45,46]. This model is also used in this study. In the model, the length of the pipe is chosen as 1200 meters and a 1 meter finite element mesh is used. Burying depth, soil type, pipe material, boundary conditions, pipe diameter, wall thickness, which are the parameters that can affect the seismic behavior of the buried pipes, were changed parametrically, and 3D nonlinear dynamic time history  analyzes were performed. Sap2000 is used to perform the analysis. Axial, horizontal and vertical displacements, which are among the outputs of the analysis, are compared separately and presented in graphics.