Açık deniz yapılarının sıvılaşabilen tabakalar üzerindeki davranışı
Behaviour of offshore structures seated on liquefiable soils
Yazar: MURAT ERGENOKON SELÇUK
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET BERİLGEN ; PROF. DR. KUTAY ÖZAYDIN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geoteknik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Deprem Mühendisliği = Earthquake Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Dalgakıran = Breakwater ; Deneysel inceleme = Experimental research ; Deprem = Earthquake ; Sıvılaşma = Liquefaction

Özet:
Depremler, mevcut yerleşim şartlarına da bağlı olarak büyük can ve mal kayıplarına sebep olmaktadır. Modern kentlerin deprem etkilerine karşı dayanıklı yapılarla donatılması gereği açıktır. Liman yapılarının bir deprem sonrası sahip olduğu ekonomik değeri devam ettirebilmesi ve deprem sonrası yardımların kentlere ulaştırılabilmesindeki görevini yerine getirebilmesi için depreme karşı da dayanıklı yapılar olması gereklidir. Beklenen bu performansı sağlayabilmesi için, normal koşullarda dalgaların etkilerini sınırlamak için oluşturulan dalgakıranlar, deprem etkilerine de dayanacak şekilde tasarlanmalıdır.Taş dolgu dalgakıranlar esnek deniz yapılarıdır. Dolgu tipi bir ağırlık yapısı olmaları nedeniyle toprak barajlara kısmen benzemektedirler. Aralarındaki en önemli farklar: barajların geçirimsiz olması ve barajların tek taraflı olarak su tutmasıdır. Barajların gövde şevlerinde genellikle taş kaplama kullanılmakta, dalgakıranlarda ise farklı geometrilere sahip beton bloklar da kullanılmaktadır.Bu tez çalışması kapsamında, laboratuar ortamında oluşturulan büyük bir sarsma tankı yardımı ile 1g ölçekli model deneyler gerçekleştirilmiştir.Model deneylerde sıvılaşabilir bir kum temel zemini üzerinde oluşturulan dalgakıran kesiti tabanında çevrimli yatay yerdeğiştirmeler uygulanmıştır.Model deneylerde kullanılacak kum zemine ait mühendislik parametreleri elde etmek için laboratuvarda statik ve dinamik deneyler yapıılmış, ardından model deneyler gerçekleştirilmiştir. İki ana aşamada yapılan model deneylerin birinci aşamasında deniz tabanında yeralan kum çökellerinin, ikinci aşamada ise sıvılaşabilen kum tabaka üzerine inşa edilen dalgakıranların dinamik davranışının incelenmesi amaçlanmıştır.Bu kapsamda, 40 cm kalınlığında Dr=%40 rölatif sıkılıkta temel zemini teşkil edecek kum tabakası üzerine 1:2 şev eğiminde 40 cm yüksekliğinde bir dalgakıran kesiti oluşturularak, dalgasız ortamda deprem etkisindeki temel zemininin sıvılaşma davranışı ve bunun dalgakıran üzerindeki etkisi incelenmiştir. Uygulanan tekrarlı gerilmelerin şiddeti arttıkça temel zemini içinde boşluksuyu basıncının ilk çevrimlerden itibaren hızla artmakta olduğu ve başlangıç efektif gerilme seviyelerine ulaştığı görülmüş, buna bağlı olarak da sıvılaşan kum zemin üzerine inşa edilen dalgakıran kesitinde büyük oranda deformasyonlar meydana geldiği gözlemlenmiştir. Dinamik (çevrimsel) yüklemeler maruz kalmış bir dalgakıran kesiti üzerinde tekrarlanan çevrimsel yüklemeler altında boşluksuyu basıncı artışlarının çok daha sınırlı kaldığı, hasar gören kesitler onarıldıktan sonra yeniden çevrimsel gerilmelere maruz bırakıldığında dalgakıran kesitinde meydana gelen deformasyonların azaldığı gözlemlenmiştir. Dinamik davranışta meydana gözlenen bu iyileşmenin, gevşek kum temel zeminin daha önceki çevrimsel yüklemeler altında sıkışması sonucu sıvılaşma direncinin artmasına bağlı olduğu sonucuna ulaşılmıştır.Model deneylerinde gözlenen davranışı analitik olarak incelemelek amacı ile DIANA sonlu elemanlar programı kullanılarak nümerik analizler gerçekleştirilmiştir. Dalgakıran davranışı hakkında ön bilgilere ulaşmak için gerçekleştirilen statik elastik analizler sonucunda kendi ağırlığı altında oturmaların elastik seviyelerde kaldığı sonucuna ulaşılmış, özdeğer analizleriyle sistemin kuru haldeki ve su altındaki hakim frekansları elde edilmiştir. Ortamdaki suyun sistem kütlesine dinamik katkısı olduğundan hakim frekansdaki değişim ortaya çıkarılmıştır. Sonlu elemanlar programında sıvılaşma analizleri için kullanılan Towhata-Iai bünye için sıvılaşma malzeme parametreleri, daha önce laboratuarda gerçekleştirilen çevrimli basit kesme deneyi sonuçları modellenerek elde edilmiştir. Sıvılaşma analizleri sonucunda elde edilen boşluksuyu basıncı oranlarının ölçüm sonuçlarıyla oldukça uyumlu olduğu gözlenmiştir.

Abstract:
Earthquakes can cause great life and property loss depending on settlement conditions. It is obvious that modern cities should be equipped with structures that can resist earthquake effects. Port structures should be earthquake resistant in order to sustain their economic values and also for post earthquake aid to reach cities. To achieve the expected performance, breakwaters which are built to limit the effects of waves must also be to withstand earthquakes.Rubble mound breakwaters are flexible sea structures. Since these are gravity structures they are similar to earth dams. The most important differences between rubble mound breakwaters and earth dams are; dams are non permeable and hold water on one side. Only cover stones are generally used on slopes of dam bodies, as for breakwaters concrete blocks of different geometry can also be used.For this thesis work, laboratory tests are carried out on a 1g model built in a tank moundated on shaking base. The breakwater model is built on a liquefiable sand deposit andonde dimensional cyclic horizontal movement is applied at the base of the model.Static and dynamic laboratory experiments are performed to obtain engineering properties of sand used for the base layer and then model experiments are carried out. The model experiments are carried out in two stages. At first the dynamic behaiour of a loose sand deposit at the sea base and then the dynamic behaviour of a breakwater built on such a deposit are investigatedFor the mode tests a 40 cm high breakwater section with ½ side slopes on a 40 cm thick sand layer is constructed. The dynamic behaviour sand foundationlayer and the breakwaterin a waveless medium are investigated under the influence of a cyclic base motion. Pore water pressures are in the sand layer are observed to increase starting from first cycles of loading and under strong cyclic motions reach the initial vertical effective stress causing large deformations in the breakwater constructed on liquefying sand. When the damaged cross sections are repaired and subjected to repeated cyclic loading it is observed that the increase in porewater pressures are limited and deformations occuring in breakwater are decreased. Improvement in the dynamic behaviour of breakwater is believed to be mainly due to increase in liqeufaction resistance as a result of densification in foundation layer.Numerical analysis are also carried out using DIANA finite element program to investigate the behaviour of model breakwaters. The static analyses have shown that displacements of breakwater under gravity load is in elastic range. Eigenvalue analysis, are performed to obtain fundemantal frequency of breakwater model in dry condition and under water conditions. Because the repsence of water in model experiments has a dynamic contribution on system mass, changes in frequecy of fundemantal period of structure are observed. Liquefaction analysis in the finite element program used utilizes Towhata-Iai constitutive model. The liquefaction parameters in the materail model are estimated from cyclic simple shear experiments carried out in laboratory. As a result of liquefaction analyses, It is observed that the copmuted porewater pressure ratio values are in rather good agreement with the measurements values in model experiments.