Kazıklı bir rıhtım yapısının deprem performansının incelenmesi
Investigation on earthquake performance of a piled wharf structure
Yazar: NİLGÜN MERVE ÇAĞLAR
Danışman: PROF. DR. KADİR GÜLER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Rıhtım ve iskele tipi yapılar deniz taşımacılığının en önemli birleşenlerinden biridir. Deniz taşımacılığı günümüzde ticari faaliyetler ve yolcu taşımacılığı amacıyla kullanılmaktadır. Ticari taşımacılıkta, bir defada çok fazla yükün çok uzak mesafelere taşınabilmesi, taşınan malın minimum düzeyde hasar görmesi ve yol yapım/bakım masraflarının olmaması sebebiyle en çok tercih edilen ulaştırma türü denizyolu taşımacılığıdır.
Ülkemizde bulunan 8400 km'den daha fazla kıyı şeridi deniz taşımacılığını avantajlı bir konuma getirmektedir. Bugün, ülkemizdeki dış ticaret yükünün %87'si deniz yolu ticareti ile gerçekleştirilmektedir. Dünyada ise, 18.3 trilyon dolarlık ticaretin 11 trilyon dolara karşılık gelen %60'lık kısmı, deniz yolu ile yapılmaktadır. Ticaret faaliyetlerinin yanı sıra, yolcu taşımacılığında da deniz yolu tercih edilmektedir. Rakamlar itibariyle 2013 yılında yaklaşık 168 milyon yolcu ve 11 milyon 498 bin araç deniz yolu ile taşınmıştır [1].
Türkiye, kuzeyde Saroz körfezinden başlayıp, Marmara Denizi, Sapanca Gölü, Adapazarı ve Erzincan üzerinden geçerek Van Gölü'ne kadar uzanan Kuzey Anadolu fay hattı, doğuda Hatay grabeninden başlayıp Kahramanmaraş, Adıyaman ve Elazığ ovalarından geçerek Bingöl'e kadar uzanan Doğu Anadolu fay hattı, batıda ise Ege Bölgesi'nde kuzeyden güneye uzanan çok sayıda fay hattının oluşturduğu Batı Anadolu fay hattının bulunduğu depremselliği yüksek bir bölgede yer almaktadır. Bu sebeplerden dolayı, yapıların depreme karşı tasarımı ciddi bir önem arz etmektedir.
Bu çalışmada, enine yönde 22.20 m, boyuna yönde 39.70 m uzunluğundaki anolardan oluşan bir rıhtım yapısının deprem etkisi altındaki performansı incelenmektedir. Yapı, her biri 120 cm çapındaki boyuna yönde 7.50 m aralıklarla yerleştirilmiş 6 sıra, enine yünde ise 6.00 m aralıklarla yerleştirilmiş 4 sıra olmak üzere toplam 24 adet betonarme kazıktan, tabliyenin enine doğrultusunda yerleştirilmiş 22.20 m uzunluğundaki 2.20 m yüksekliğindeki 6 adet kazık başlığından ve 25.0 cm yüksekliğindeki prekast ve 25.0 cm yerinde dökme döşeme elemanlarından ve 35 adet 70.0 cm yüksekliğindeki prekast kiriş elemanlarından oluşmaktadır. Üst yapıyı oluşturan tabliye elemanlarında C35 kalitesinde beton ve S420 kalitesinde donatı çeliği, betonarme kazıklarda is C40 kalitesinde beton ve S420 kalitesinde donatı çeliği kullanılmıştır.
Yapı 3 boyutlu analiz yapabilen SAP2000 Ver.16.0.0 programı kullanılarak düşey ve yatay yükler altında analiz edilmiştir.
Yapının analizi için oluşturulan SAP2000 matematik modelinde zemin, "Winkler yayları" kullanılarak DLH-DTY 2008 de belirtilen esaslar uygulanarak temsil edilmiştir. "Winkler yayları" zemini oluşturan katmanların özelliklerine bağlı kalınarak belirlenmiştir.
Deprem etkisi altında analiz, lineer ve nonlineer olmak üzere iki ayrı model kullanılarak yapılmıştır. 50 yılda aşılma olasılığı %50 olan "D1" depremi etkisi altında elastik olarak çözülmüştür. "D1" depremine göre analiz için mod birleştirme yöntemi tercih edilmiştir.
Düşey yükler ve "D1" depremi yatay etkisi altında elemanlarda oluşan en büyük iç kuvvetler belirlenmiş ve boyutlandırma ile betonarme tasarımı yapılmıştır.
50 yılda aşılma olasılığı %10 olan "D2" depremi etkisi altında ise yapının lineer ötesi davranışı incelenmiştir. Lineer ötesi davranışın incelenmesinde zeminin ve yapıyı oluşturan malzemelerin nonlineer davranışı göz önünde bulundurulmuştur. Yapının not-lineer davranışının incelenmesi amacıyla plastik mafsal hipotezinden yararlanılmıştır.
Yapının performans değerlendirmesi, plastik mafsallarda oluşan dönme miktarlarının belirlenmesi ile tamamlanmıştır.

Abstract:
The wharf structures are one of the vital elements of the marine transportation. At the present time, marine transportation is used in commercial activities and passenger transportation. The most preferable type of the transportation in commercial activities is the marine transportation due to advantages it provides. As an example, by comparison with the highway transportation, much more goods can be carried to long distances with minimum damage. Moreover, there is no hidden cost like highway construction or maintenance of the roads.
8400 km coastal area makes our country favorable for marine transportation. In our country, 87% of foreign trade is completed via marine transportation in our country. In the global view, 11 trillion dollars (60%) of total trade amounting 18.3 trillion dollars in the world is completed via marine transportation. In addition to commercial activities, marine transportation is also favored among passenger transportation. In more specific, approximately 168 million passengers and 11 million 498 thousand vehicles are transported by sea routes in 2013 [1].
In geological perspective, Turkey located in a region which has high level of seismicity. Defining the boundaries of fault zones; North Anatolian fault line starts from Saroz Gulf, passing by Marmara Sea, Sapanca Lake, Adapazarı and ends on Van Lake. East Anatolian fault line starts from Hatay graben in the East, passing by Kahramanmaraş, Adıyaman and Elazığ plain and extends over Bingöl. In the west side, West Anatolian fault line is formed with many fault lines from north to south of Aegean region. Thus, seismic design of structures has a high level of importance in our country. High level of seismicity of the region makes seismic resistant design of the structures extremely important part of the design. Hence wharf structures must be designed to resist earthquake forces.
In this study, seismic performance of a wharf structure is investigated. The structure is located on the west side of the Turkey. The earthquake parameters are determined according to DLH-DTY 2008 Appendix A, by using the coordinates of the structure
The wharf structure allows berthing only from one side and formed with anos having dimensions 22.20 m in transverse direction and 39.70 m in longitudinal direction. The upper level of the deck is +3.00 m., the dredging level is -14.50 m. and the bottom level of the piles is -31.0 m. The upper level of the rock fill is +0.00 m and the slope is 2/3.
Structural elements are the 24 reinforced concrete piles with approximately 32.0 m length and 120.0 cm diameter each, 6 pile caps, precast and cast-in-situ slabs and 35 precast beams.
The piles are placed 6 in a row by 7.50 m spacing in longitudinal direction and 4 in a row by spacing 6.00 m in transverse direction. The pile caps are placed in transverse direction of deck having 22.20 m length and 2.20 m height. The precast and cast-in-situ slabs of deck are having 25.0 cm height each. The precast beams are having 70.0 cm height.
C35 quality concrete and S420 quality reinforcement steel is used in the deck members forming the superstructure. In the reinforced concrete piles, C40 quality concrete and S420 quality reinforcement steel is used. According to DLH-DTY 2008, concrete quality C40 is the minimum limit of the material used in piles and C30 for the upper structure.
The structure has been analyzed under vertical and lateral loads with SAP 2000 Ver.16.0.0 software which is capable for 3D analysis of structures.
In the SAP 2000 mathematical model of the structure for the structural analysis, the precast beams, pile caps and piles are represented by frame elements while soil is represented using "Winkler springs" by application of the rules specified in DLH-DTY 2008.
The "Winkler springs" are identified by using the properties of layers forming the soil. The soil is modelled both linear and non-linear in two different SAP 2000 models. Linear springs are used in linear analysis. During the non-linear analysis the soil is represented by plastic (Wen) springs for both upper bound and lower bound of the soil.
The analysis under seismic effects has been completed using two different models which are linear and non-linear. Elastic analysis is made under "D1" earthquake effect which has a probability of exceedence 50% in 50 years. Mode superposition method is used in the analysis for "D1" earthquake.
The maximum internal forces governed the members under vertical loads and lateral effects of "D1" earthquake are identified. Reinforced concrete designs are made together with setting the element dimensions. The crack width check, which is limited with 0.2 mm, is performed under "D1" earthquake effect.
Non-linear behavior of the structure is investigated under "D2" earthquake effect which has a probability of exceedence 10% in 50 years. During this investigation, non-linear behavior of materials forming soil and structure is considered.
During the nonlinear analysis material mechanical properties are factored according to DLH-DTY 2008.
Plastic hinge hypothesis is used for the investigation of non-linear behavior of the structure. Plastic hinges are identified where the deck and the piles are joined to each other and at the zone pile penetrated into the rock fill.
Nonlinearity of the elements formed the structure is considered by calculating the capacity of the section at yield point and collapse point for each. Software named "Extract" is used for obtaining the moment-curvature relationship of the section. The moment-curvature relation is idealized by bi-linearization. The hinge properties are defined due to the outcomes of the "Extract" for each section.
The performance evaluation of the structure is completed with obtaining the rotations developed at the plastic hinges by using. The plastic rotations are obtained from SAP
2000 model and the elastic rotations are calculated due to the location of the hinge by using limitations of the DLH-DTY 2008.
In consequence of this study, the most critical sections of the structure under earthquake effect are detected. The maximum damaged ones are the piles located at the edges of the structures. Moreover, for this study the elements formed the upper structure stand within the elastic limits as anticipated by DLH-DTY 2008.
The analysis shows that the structure is adequate for resisting the applied earthquake effects. The plastic rotation occurrence is observed only on the piles which are does not exceed the allowed limits.
The nonlinear behavior of the structure is examined for both upper bound properties of the soil and the lower bound properties of the soil. The differences are compared with each other.
The plastic hinge distribution on the piles is examined and compared under upper bound and lower bound properties of the soil.