Zemine gömülü boruların sismik etkiler altındaki davranışının numerik analizler ile incelenmesi
Investigation of the behavior of buried pipelines under seismic loading by numerical analysis
Yazar: İREM TOPRAK GÜLNERGİZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BERRAK TEYMÜR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Boru hatları, su, petrol ve gaz gibi akışkanların taşınması için en güvenilir, ekonomik ve verimli araç olarak kabul edilmektedir. Zemine gömülü boru hatlarının can damarı olarak tanımlanması günlük yaşam için hayati önem taşıdığını belirtmektedir. Bir boru hattı iletim sistemi, geniş bir coğrafi alanı ve zemin koşullarını kat eden bir sistemdir ve bu nedenle çok çeşitli sismik tehlikelere karşı hassastır. Boru hattındaki yırtıklar veya şiddetli bozulmalar çoğunlukla fay hareketlerinden, heyelanlardan, sıvılaşmadan veya kaya ile zemin arasındaki ara yüzlerdeki ani diferansiyel hareketten kaynaklanan göreli hareketle ilişkilendirilmektedir. En yıkıcı hasarlar, faylanma ve sıvılaşmadan kaynaklanmaktadır.  
Bu çalışma kapsamında beton borular, dökme demir borular, yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE) borular, asbest çimento borular, çelik borular ve fiber takviyeli plastik borular olmak üzere boru çeşitleri hakkında bilgi verilmiştir. Bu boruların kullanım amaçları, kullanım yerleri, avantaj ve dezavantajlarından bahsedilmiştir. Zemine gömülü boru sistemleri günlük yaşamın içinde de doğrudan kullanıldığından su sistemleri, kanalizasyon sistemleri ve gaz hatları başta olmak üzere hangi alanlarda kullanıldıkları detaylandırılmıştır. 
Gömülü boru sistemlerinin tasarımı, boruların sismik davranışını etkileyen en önemli faktörlerden biridir. Rijit ve esnek borular tanıtılmış olup Marston yük teorisine göre hendek, hendek kuyuları ve borunun yataklanmasıyla ilgili bilgiler tez çalışması kapsamında sunulmuştur. Gömülü borulara etkiyen dış yükler rijit boru üzerine etkiyen yükler, esnek boru üzerine etkiyen yükler, trafik yükü ve deprem yükü olmak üzere açıklanmıştır. Rijit boru üzerine etkiyen yüklerin pozitif ve negatif projeksiyon durumları ile ilgili bilgiler verilmektedir. 
Yer hareketlerinin gömülü borular üzerinde etkileri incelenmiş olup kalıcı ve geçici yer hareketlerinin gömülü borularda neden olabileceği hasarlar anlatılmıştır. Fay hatları, zemine gömülü boru sistemlerinin bu fay hatlarından nasıl etkilenebileceği ve sonuçları incelenmiştir. Zemine gömülü boru hatlarının fay hattı geçen bölgelerden geçmemesinin neredeyse kaçınılmaz olduğu sonucuna varılmıştır. Böylece gömülü borunun meydana gelebilecek bir deprem neticesinde alabileceği hasarlar ön görülerek tasarımının buna göre yapılması gerektiği anlaşılmaktadır. 
Zemin ve gömülü boru etkileşimi zemine gömülü boruların sismik yükler altında davranışını doğrudan etkilemektedir. Çünkü gömülü borunun içinde bulunduğu zemin sismik yüklere maruz kaldıkça hareket etmekte ve böylece gömülü borunun deforme olmasına neden olmaktadır. Bu sebeple bu çalışma kapsamında önemli bir konu olan zemin-boru etkileşimi ile ilgili mevcut ve güncel araştırmalar konusunda bilgi verilmiştir. 
Zemine gömülü borular tasarım durumlarına göre bağlantı tipleri sebebiyle sürekli boru hatları parçalı boru hatları olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Buna göre geçici ve kalıcı yer hareketleri sebebiyle çeşitli hasarlara maruz kalmaktadırlar. Sürekli boru hatlarında çekme yenilmesi ve yerel burkulma gibi hasar meydana gelmekte olup 1999 Kocaeli depreminde pek çok gömülü boru hattında ilgili hasarlar gözlemlenmiştir. Ayrıca korozyon etkisiyle de zemine gömülü boru hatları üzerlerine gelen yükler neticesinde zarar görebilmektedir. Bu sebeple zemine gömülü boruların sismik yükler karşısında alabileceği hasarlar araştırılmış ve detaylıca sunulmuştur.  
Zemine gömülü boruların davranışlarını etkileyen pek çok faktör bulunmaktadır. Bunların içerisinde en önemli faktörlerden biri de borunun et kalınlığı ve gömme derinliğidir. Borunun fiziksel tasarımı sismik yükler altındaki davranışını etkileyebilmekte olup buna göre meydana gelebilecek deformasyonlar üzerinde etki edebilmektedir. Bu sebeple literatür araştırılmış ve güncel bilgiler detaylandırılmıştır. 
Geoteknik mühendisliğinde pek çok problemi modelleyebilmek ve çözümlemek amacıyla sonlu elemanlar analizleri kullanılmaktadır. Bunların en yaygın olanlarından biri de Plaxis 2D sonlu elemanlar programıdır. Bu tez çalışmasında geoteknik modellemeler Plaxis 2D programı kullanılarak yapıldığından program hakkında bilgiler verilmiş olup programda kullanılan bazı zemin modelleri sunulmuştur. Bunlar Mohr-Coulomb zemin modeli, pekleşen zemin modeli ve küçük şekil değiştirmeler ile pekleşen zemin modelidir (HSsmall). Zemin modellerinin çalışma prensipleri ve kullanılan parametreler hakkında bilgi verilmiştir. Çalışma kapsamında yapılan analizlerin tamamında HSsmall model kullanılmıştır. Buna göre modelleri tanımlamak için gerekli parametreler belirlenmiştir. Sıkı kum, gevşek kum, sıkı dolgu ve gevşek dolgu için parametreler belirlenmiştir. Buna göre kurulacak zemin modellerinde boru yatağı için sıkı kum veya gevşek kum kullanılmıştır. Zemin içerisine yerleştirilecek borunun dolgu malzemesi olarak ise sıkı dolgu veya gevşek dolgu kullanılmıştır. Böylece farklı kombinasyonlarda borunun sismik yükler altındaki davranışlarının incelenebilmesi amaçlanmıştır. Dinamik yükleme koşulları hakkında bilgi verilmiş olup genlik değeri 1 m/s2 olarak kabul edilmiştir. Tez çalışması literatürdeki çalışmalarla öncelikle kalibre edilmiştir. 1.66 Hz frekansa sahip harmonik yük dinamik analiz yapılmak üzere gevşek kum zeminden oluşan ve içerisinde boru bulunmayan modelin tabanından 10 s boyunca uygulanmıştır. Rayleigh sönüm parametreleri de sönüm oranları değiştirilmek suretiyle pek çok analiz neticesinde belirlenmiştir. İlgili analizlerde gevşek kum zemin kullanılmıştır. Analiz sonuçları neticesinde elde edilen ivme-zaman grafikleri incelendiğinde maksimum ivme değerlerinin yaklaşık 0.1 g geldiği görülmüş ve literatürdeki model sonucuyla paralellik sağlanmıştır. 
Modelin kalibrasyonu Plaxis 2D programında yapılan analizlerle sağlandıktan sonra modele gömülü boru yerleştirilmiştir. Gömülü boru olarak HDPE boru kullanılmış olup rijitlik özellikleri programa tanımlanmıştır. Model geometrisi için analizler neticesinde elde edilen ivme-zaman ve düşey yer değiştirme-zaman grafikleri incelenerek anlamlı sonuçların ortaya çıktığı zemin boyutları belirlenmiştir. Aynı zamanda oluşturulacak modellere etkitmek üzere verilecek olan harmonik yükün daha rijit bir zemin tabakası altından verilmesi gerektiği anlaşılmış olup modele 2 m kalınlığında çakıl tabakası tanımlanmıştır. İlgili çakıl zeminin parametreleri literatürden seçilmiş olup sönüm oranı ise farklı analiz sonuçlarıyla belirlenmiştir. 
Yapılan tez çalışması kapsamında gevşek kum ve sıkı kum zeminde zemine yerleştirilen gömülü borunun gömme derinliği değiştirilerek geoteknik analizler yapılmıştır. Maksimum ivme ve yer değiştirme değerleri zemin, dolgu ve boru üzerinden alanın farklı noktalara göre incelenmiştir. Sonrasında boru üzerine modellenen dolgu malzemeleri sıkı, gevşek ve fiberli dolgu olarak değiştirilerek maksimum ivme ve yer değiştirme değerleri incelenmiştir. Son olarak ise zemin modellerine verilen harmonik yüklerin frekansları değiştirilerek zemin, dolgu ve boruda meydana gelen değişimler araştırılmıştır. İlgili analizlerde hem sıkı kum sıkı dolgu kullanılan modeller hem de sıkı kum gevşek dolgu kullanılan modeller üzerinde gerçekleştirilmiş olup ivme ve yer değiştirme değerleri kaydedilmiştir. Aynı zamanda zemine gömülü boru modellerinde gerçek hayattaki durumun daha iyi yansıtılabilmesi için modellere Kocaeli depremine ait ivme kayıtları da verilmiş ve sonuçlar incelenmiştir.

Abstract:
Pipelines are recognized as the most reliable, economical and efficient means of transporting fluids such as water, oil and gas. The definition of buried pipelines as the lifelines indicates that it is vital for daily life. A pipeline transmission system is one that traverses a wide geographical area and ground conditions and is therefore susceptible to a wide range of seismic hazards. Pipeline ruptures or severe disruptions are most often associated with relative motion from fault movements, landslides, liquefaction, or sudden differential movement at the interfaces between rock and soil. The most devastating damages are due to faults and liquefaction.
Within the scope of this study, pipe types including concrete pipes, cast iron pipes, high density polyethylene (HDPE) pipes, asbestos cement pipes, steel pipes and fiber reinforced plastic pipes are presented. The usage purposes, usage areas, advantages and disadvantages of these pipes are mentioned. Since buried pipe systems are also used directly in daily life, the areas in which they are used, especially water systems, sewage systems and gas lines, are detailed.
The design of buried pipe systems is one of the most important factors affecting the seismic behavior of pipes. Rigid and flexible pipes are introduced and information about trench, trench wells and pipe bedding according to Marston load theory is presented within the scope of the thesis study. External loads acting on buried pipes are explained as loads acting on rigid pipes, loads acting on flexible pipes, traffic loads and earthquake loads. Information about the positive and negative projections of the loads acting on the rigid pipe is given.
The effects of ground movements on buried pipes have been investigated and the damages that may be caused by permanent and temporary ground deformations on buried pipes have been explained. Fault lines, how buried pipe systems can be affected by these fault lines and their results are examined. It has been concluded that it is almost inevitable that the pipelines buried in the ground will not pass through the regions where the fault line passes. Thus, it is understood that the design of the buried pipe should be made accordingly, by foreseeing the damages that may occur as a result of an earthquake.
The interaction between soil and buried pipe directly affects the behavior of buried pipes under seismic loads. Because the ground in which the buried pipe is located moves as it is exposed to seismic loads, thus causing the buried pipe to rupture. For this reason, information is given about current research on soil-pipe interaction, which is an important subject within the scope of this study.
Pipes buried in the ground are divided into two as continuous pipelines as segmented pipelines due to their connection types according to their design conditions. Accordingly, they are exposed to various damages due to temporary and permanent ground movements. Damages such as tensile failure and local buckling occur in continuous pipelines, and related damage was observed in many buried pipelines in 1999 Kocaeli earthquake. In addition, pipelines buried in the ground due to corrosion can be damaged as a result of the loads on them. For this reason, the damages that the pipes buried in the ground can take against seismic loads have been investigated and presented in detail.
There are many factors that affect the behavior of buried pipes. One of the most important factors among these is the wall thickness of the pipe and the burial depth. The physical design of the pipe can affect its behavior under seismic loads and can affect the deformations that may occur accordingly. For this reason, the literature was searched and current information was summarised.
Finite element analysis is used to model and solve many problems in geotechnical engineering. One of the most common of these is the Plaxis 2D finite element program. In this thesis study, since the geotechnical modeling is done using Plaxis 2D program, information about the program is given and some soil models used in the program are presented. These are the Mohr-Coulomb soil model, the hardening soil model, and the small strain-hardening soil model (HSsmall). Information about the working principles of the soil models and the parameters used are given.
The HSsmall model was used in all of the analyzes made within the scope of the study. Accordingly, the necessary parameters to define the models were determined. Parameters were determined for dense sand, loose sand, dense fill and loose fill. Accordingly, dense sand or loose sand is used for the pipe bed in the models. Dense fill or loose fill was used as the fill material of the pipe to be placed in the ground. Thus, it is aimed to examine the behavior of the pipe under seismic loads in different combinations. Information about dynamic loading conditions is given and the amplitude value is accepted as 1 m/s2. The thesis work was primarily calibrated with the studies in the literature. The harmonic load with a frequency of 1.66 Hz was applied for 10 s from the bottom of the model, which consists of loose sand soil and does not contain pipes, for dynamic analysis. Rayleigh damping parameters were also determined as a result of many analyzes by changing damping ratios. Loose sand soil was used in the related analyses. When the acceleration-time graphs obtained as a result of the analysis were examined, it was seen that the maximum acceleration values were approximately 0.1 g and the result was close to the result in literature.
After the calibration of the model was provided by the analyzes made in the Plaxis 2D program, the embedded pipe was placed in the model. HDPE pipe is used as buried pipe and its stiffness properties are defined in the program. By examining the acceleration-time and vertical displacement-time graphs obtained as a result of the analyzes for the model geometry, the soil dimensions that yielded meaningful results were determined. At the same time, it was understood that the harmonic load to be given to affect the models to be created should be given under a more rigid ground layer, and a 2 m thick gravel layer was defined for the model. The parameters of the relevant gravel ground were selected from the literature and the damping ratio was determined from the results of analysis of different damping ratios.
Within the scope of the thesis study, geotechnical analyzes were made by changing the burial depth of the buried pipe placed in the ground on loose sand and dense sand soil. The maximum acceleration and displacement values were examined according to different points of the area over the soil, fill and pipe. Afterwards, the filling materials modeled on the pipe were changed to dense, loose and fibrous fill materials and the maximum acceleration and displacement values were examined. Finally, the changes in the soil, fill and pipe were investigated by changing the frequencies of the harmonic loads given to the soil models. In the related analyzes, both the models with dense sand dense fill and the models with dense sand loose fill were carried out, and acceleration and displacement values were recorded. At the same time, acceleration records of the Kocaeli earthquake were given to the models in order to better reflect the real-life situation in buried pipe models and the results were examined.