Mevcut bina altındaki kumların sıvılaşabilirliğinin değerlendirilmesi
Evaluation of liquefaction potential of sands under existing buildings
Yazar: MURAT BATUHAN KOÇAK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ESRA ECE BAYAT
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geoteknik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Zemin sıvılaşması = Soil liquefaction

Özet:
Deprem esnasında oluşan hasarların, tehlikeli boyutlara ulaşmasında, arazi zemin tabakalarında sıvılaşma durumunun ortaya çıkması büyük rol oynamaktadır. Sıvılaşma, artan boşluk suyu basıncı ve efektif gerilmedeki azalmanın neticesi olarak kumlu birimlerin sıvı gibi davranması olarak tanımlanabilir. Sıvılaşma esnasında zemin dayanımını çok önemli derecede kaybetmektedir ve yapının güvenle taşınması ve dengesinin korunması zorlaşmaktadır.
Günümüzde, zeminin sıvılaşma potansiyelinin belirlenmesinde yaygın olarak "Basitleştirilmiş Sıvılaşma Analizi" olarak isimlendirilen prosedür kullanılmaktadır. Bu analiz, deprem kaynaklı oluşan yer hareketlerini temsilen  zeminde oluşan çevrimsel kayma gerilmesi oranıyla (CSR) zeminin sıvılaşmaya karşı direncini tanımlamak için kullanılan çevrimsel kayma direnci oranının (CRR) mukayese edilmesiyle yapılmaktadır. Sıvılaşma tetiklenme potansiyelinin belirlenmesinde kullanılan bu yöntem, sadece üzerinde yapı bulunmayan, eğimsiz, serbest saha koşulları için saha uygulamalarında  kullanılmaktadır. Mevcut bina altındaki zemine uygulamasında ise bina yükü kaynaklı zemine aktarılan ilave efektif gerilmeler ve kayma gerilmelerini dikkate alan Kα ve Kσ düzeltme faktörlerinin CRR ile çarpılması önerilir. Ancak, Kα faktörünün saha uygulamalarında tayin edilmesinin zor olması sebebiyle, bu düzeltme faktörünün ihmal edildiği analizler gerçekleştirilmektedir. 
Bu tez çalışması kapmasında, bina varlığının sıvılaşabilir bir kum tabakası üzerindeki etkisi araştırılmış ve bina varlığının etkisini de dikkate alacak şekilde basitleştirilmiş prosedür modifiye edilmiştir. Statik durumda var olan binanın varlığından kaynaklı olarak oluşan düşey gerilme artışı ve kayma gerilmesi değerleri Boussinesq yöntemi ile temel basıncı çizgisel yüklere çevrilerek hesaplanmıştır. Bu hesaplamalar neticesinde Kα (kayma gerilmesi düzeltme faktörü) ve Kσ (efektif gerilme düzeltme faktörü) tekrar hesaplanmış ve daha sonrasında CRR değeri tekrar belirlenmiştir. Bunun yanı sıra CSR değerlerinin hesaplanması esnasında efektif gerilme ve toplam gerilme değerleri bina varlığında tekrar hesaplanmıştır. Bu değişikler sonrasında elde edilen neticeler 1-B ve 2-B analizler ile mukayese edilmiş ve bu davranışın modifiye edilmiş basitleştirilmiş prosedür ile ifade gücü tartışılmıştır.
Yapılan tek boyutlu (1-B) analizlerde zemin profilinin yer tepki analizleri gerçekleştirilmiştir. Serbest saha koşulları için çevrimsel kayma gerilmesi oranı değerleri hem eşdeğer lineer hem de lineer olmayan analizler neticesinde elde edilmiştir. Bununla birlikte temel altında CSR değerlerinin belirlenmesi için kullanılan maksimum yer ivmesi değerleri de bu analizler neticesinde elde edilmiştir. 
Sonlu elemanlar yöntemine dayalı olarak gerçekleştirilen 2-B analizlerde, HS-Small ve UBC-Sand zemin modelleri kullanılmıştır. İki boyutlu analizler serbest saha koşulları altında ve bina varlığındaki zeminin davranışlarının anlaşılması adına her iki durum için de modellenmiştir. Bu analizler neticesinde serbest sahada yer tepki analizleri sonuçları elde edilmiştir. Bununla birlikte farklı iki temel taban basıncı altında temel varlığının ve farklı temel ağırlıklarının etkisi anlaşılmaya çalışılmıştır. Temel varlığının, boşluk suyu basıncı oluşumuna olan etkisi ve çevrimsel kayma gerilmesi oranlarına olan etkisi incelenmiştir. 
Serbest saha koşullarında yapılan tek boyutlu ve iki boyutlu yer tepki analizlerinin neticesi mukayese edilmiştir. Yapılan mukayese sonrası ana kaya üzerinde oldukça yakın maksimum ivme ve spektral ivme değerleri elde edilmiştir. Bu da modellerin birbirleri ile aynı şartlarda olduğunun göstergesidir. Bununla birlikte yüzeyde elde edilen spektral ivme değerleri de oldukça yakın değerler almıştır. Fakat iki boyutlu sonlu elemanlar yöntemi ile yapılan analizler ile tek boyutlu lineer olmayan analizlerin, yüzeyde verdikleri maksimum yer ivmelerinin daha yakın olduğu elde edilmiştir. Bununla birlikte çevrimsel kayma gerilmesi oranlarının da derinlikle birlikte yakınlık gösterdiği elde edilmiştir.
Temel altında yapılan sonlu elemanlar yöntemine dayalı deprem analizlerinde ise zeminin davranışının serbest sahaya nazaran oldukça değiştiği ve temelin köşe noktasında elde edilen maksimum ivmenin serbest saha koşullarında elde edilenden daha yüksek olduğu saptanmıştır. Temel geometrisinin ortasında ise ivme değerleri 100 kPa temel altında serbest sahaya nazaran daha düşük değerler almıştır. Bu durumun bir sonucu olarak temelin merkez hattında elde edilen çevrimsel kayma gerilmesi oranı değerleri serbest saha koşullarına nazaran daha düşük olurken, köşe hattında çok daha yüksek değerler almıştır ve temelin köşe noktasının daha tehlikeli gerilmelere maruz kaldığını göstermiştir.
UBC-Sand zemin modeline dayalı olarak gerçekleştirilen 2 boyutlu analizlerde temel varlığının aşırı boşluk suyu basıncına ve zeminin sıvılaşma potansiyeline etkisi araştırılmıştır. Yapılan analizlerin neticesi olarak temel varlığının temel altındaki zeminin, serbest saha koşullarına nazaran sıvılaşma karakterini değiştirdiği anlaşılmıştır. Temel varlığının, temel köşe hattındaki sıvılaşma duyarlılığını artırdığı fakat merkez hattında sıvılaşma potansiyelini azalttığı anlaşılmıştır. Temel taban basıncı artışının, bu etkileri artırdığı yapılan analizler sonucunda ortaya konmuştur.
Temelin merkez hattında sıvılaşma gerçekleşmemiş ve bu durum temelin merkez hattının serbest sahaya nazaran sıvılaşmaya olan duyarlılığının daha düşük olduğunu göstermiştir.
Deprem hareketi esnasında temelin köşe hattında sıvılaşan tabaka derinliğinin serbest sahadakinden farklı olması, bina varlığının sıvılaşma riskini daha da artırabileceğini göstermiştir. Temelin köşe hattında sıvılaşmanın kritik bir şekilde artış göstermesinin ana sebebinin, köşe hattında var olan statik kayma gerilmeleri olduğu belirlenmiştir.
Tez kapsamında yapılan çalışmalarda, basitleştirilmiş yöntem kullanılarak temelin merkez hattında ve köşe hattında sıvılaşma güvenlik sayıları hesaplanmıştır. Bu yapılan hesaplamalarda çevrimsel kayma gerilmesi oranları hem günümüzde kullanılan basit yaklaşımla hem de analizlerden gelen verilerle yapılmıştır. Çevrimsel kayma direnci oranının hesabında ise standart penetrasyon darbe sayıları esaslı yaklaşım kullanılmıştır.
Yapılan analizler neticesinde temel varlığından kaynaklı gerilme artışının ve kayma gerilmelerinin dikkate alınmasıyla modifiye edilmiş basitleştirilmiş yöntemin, çevrimsel kayma gerilmesi oranı değerlerinin sonlu elemanlar yöntemine dayalı metotlarla elde edilmesi durumunda, zeminin deprem esnasındaki sıvılaşma potansiyelinin belirlenebildiği anlaşılmıştır. Bununla birlikte olarak temel varlığının zeminin sıvılaşma karakterini değiştirdiği ve köşe hatlarında sıvılaşabilir derinliğin serbest saha koşullarına göre çok daha fazla olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
The paramount rule of damages imposed during earthquake due to liquefaction in soil layers have been pointed out by numerous researchers. By and large, liquefaction occurs when effective stress of sand drops immediately and excess pore pressure rises. Under structures bearing capacity of the sand during liquefaction decreases radically. Furthermore, structures built on liquefiable soil as a result of liquefaction can have stability problems, rocking or can be collapsed.
Nowadays, the simplified procedure has commonly been utilized to estime the liquefaction potential. In this analysis, cyclic stress ratio (CSR) due to soil's movement which is caused by an earthquake is compared by cyclic resistance ratio (CRR).  Cyclic resistance ratio is defined as soil resistance against liquefaction. To determine the potential of liquefaction, the simplified procedure solely considers the free-field condition when there is not any structure or slopes. The effective stress of the soil increases as a structure is built on the soil. In another word, when structure added on the top of a soil layer the foundation load of the structure increases the effective stress of soil. Moreover, for observing the structure effect on the soil, it is recommended that K and K correction factors should be multiplied with the CRR equation and static shear stress in the soil should be considered as well. Due to the fact that under K factor is difficult to determine under the foundation, its contribution is ignored and K is considered as one.
The scope of this thesis is analyzing the impact of the structure on the potential of liquefaction of sand under the structure and providing a modification for simplified procedure. The distributed load was converted to the strip load, then with the help of Boussinesq method, in the static condition, vertical effective stress increment and static shear stresses were calculated. As a result, the effect of structures on the Kα (shear stress correction factor) and Kσ (overburden correction factor) were estimated and then multiplied with CRR values. Besides, during the calculation of the values of CSR, the effect of structure on the effective stress and total stress were considered. Afterwards, the results obtained after these modifications were used to compare with the analysis results of 1-D and 2-D numerical analysis.
In 1-D analyses on the soil profile, the ground response analyses of the soil were conducted in free-field conditions. The equivalent linear and non-linear methods were employed to acquire cyclic stress ratio values. Additionally, peak accelerations (amax) values which were used for calculating CSR values with the simplified method under foundation, were obtained from these analyses. 
HS-Small and UBC-Sand soil models which use the finite element methods in 2-D analyses were utilized in dynamic analyses. In both soil models, free-field and under-foundation cases were modeled to compare the effect of foundation during liquefaction. As a result of free-field analyses ground response results were obtained. In addition, two different foundation loads were used to observe the effect of various stresses on the liquefiable soil. In the existence of foundation, the effects of foundation on excess pore pressure formation and cyclic stress ratios were examined.
The result of 1-D and 2-D ground response analyses for free-field were compared. amax and spectral acceleration values on the top of rock were relatively close together when it is compared in 1-D and 2-D analyses. These results indicate that both models operate properly and give the desired results. Also, the amax values on the surface were the close in both 1-D and 2-D analyses. UBC-Sand and HS-Small models gave closer results to non-linear 1-D analyses and maximum acceleration values were almost identical on these analyses on the surface. CSR values with depth were approximately the same in the analyses.
As a result of these comprehensive analyses, it is well understood that the behavior of the soil under foundation was altered during the earthquake and the maximum accelerations of soil are higher under the edge of foundation than free-field on the surface. The maximum acceleration under the center of 100 kPa foundation was lower than that of free-field. As a result of this situation, although the CSR values under the center of the foundation was lower than free-field, under the edge of foundation the CSR values are much higher than free-field. Under the edge of foundation soil exposed to much higher stresses.
In 2D analyzes based on the UBC-Sand model, the effect of foundation on the excess pore water pressure and potential liquefaction on the sand were investigated. As a result of the analyzes, it is evident enough that foundation changes liquefaction potential when it is compared to free-field conditions. It is obvious from analyses, albeit liquefaction potential increases under the edge of the foundation, it decreases under the center of the foundation. Increase in the surcharge pressure under the edge of foundation increases the potential of liquefaction.
In liquefiable soil, the points that at the free-field were liquefied, in presence of foundation and under the center of foundation at the same points liquefaction did not occur.
During the earthquake liquefaction potential differs under center of foundation from free-field.  The risk of liquefaction was raised under edge of foundation when it is compared to the free-field. It has been determined that the main cause of the critical increase in liquefaction at the corner line is the high shear stresses in the corner.
In these studies, analyses carried out within the scope of the thesis, factor of safety against liquefaction was calculated in the center line and corner of the foundation by using the simplified method. In these calculations, the cyclic shear stress ratio is given from both the simplified approach and the analyses. In the calculation of the cyclic shear resistance ratio, the approach based on the standard penetration test was used.
It has been understood that the simplified procedure is modified by considering the stress increase and the shear stresses originating from the basic analysis can be used to determine the liquefaction potential due to the earthquake if the cyclic shear stress ratio values are obtained by the finite element method. However, it has been determined that under the center of foundation the liquefaction characteristics have changed and that the liquefying potential with depth under the corner lines is much higher than in free-field.