Yüzeysel temelli yapılarda sıvılaşmaya bağlı oturmaların sayısal analizi
Numerical simulation of liquefaction induced settlements on shallow founded structures
Yazar: AYÇA KIRAN
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA KUBİLAY KELEŞOĞLU
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Deprem = Earthquake ; Dinamik analiz = Dynamic analysis ; Sıvılaşma = Liquefaction

Özet:
Büyük depremler esnasında ve sonrasında çok sayıda yapının ciddi ölçüde zarar gördüğü hatta bazen yıkıldığı gözlenmiştir. Yapılarda deprem kaynaklı meydana gelen hasarlar incelendiğinde, bu hasarların genellikle zemin profili ile doğrudan ilgili olduğu anlaşılmıştır. Suya doygun ince daneli zeminlerde karşılaşılan başlıca problem sıvılaşma olarak tanımlanabilir. Sıvılaşma kaynaklı oturmalardan kaynaklanan yapısal hasarlar özellikle yerleşim alanlarının sıvılaşma riskini belirlemek için kapsamlı araştırmalar yapılmasına neden olmuş ve bu konu sahip olduğu kritik öneme uygun olarak yönetmeliklerde de yer almaya başlamıştır. 
Sıvılaşma kaynaklı oturmaların belirlenmesi amacıyla yapılan çalışmalarda çok sayıda farklı ampirik ve/veya analitik yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntemlerin büyük çoğunluğu, zeminin hacimsel davranışına bağlı gelişen mekanizmalara odaklanmakta ve kayma kaynaklı oturma mekanizmalarını çoğunlukla ihmal etmektedir. Sıvılaşma kaynaklı oturmaların, büyük oranda deprem esnasında mobilize olan kayma kaynaklı oturma mekanizmaları tarafından yönetildiği bilinmektedir. Sıvılaşma kaynaklı oturmaların tahmin edilebilmesi için en gerçekçi yaklaşımlardan bir tanesi zemin profili, yeraltı su seviyesi, yapısal özellikler ve deprem hareketinin bütünleşik olarak modellenebildiği zemin-yapı etkileşimini de hesaba katan doğrusal olmayan dinamik analiz yöntemlerinin kullanılmasıdır. Bu tip sayısal analizler hem sıvılaşma hem de modelleme konusunda özel bilgi birikimi ve tecrübe gerektirmektedir. Son yıllarda, sıvılaşma konusunda sayısal yöntemler ve zemin modelleri (PM4SAND vb.) kullanılarak çok sayıda araştırma yapılmıştır. 
Bu çalışma kapsamında yürütülen analizlerin ana amacı, sıvılaşma kaynaklı oturmalara etki eden önemli "zemin-yapı-deprem parametrelerinin" belirlenmesi ve deplasmanların bu parametrelere bağlı olarak ne şekilde değiştiğinin anlaşılmasıdır. Ayrıca deprem sırasında, deprem hareketinin ve mobilize olan ilave boşluk suyu basınçlarının sıvılaşan tabaka içindeki davranışı ile sıvılaşmayan tabakalarla arasındaki etkileşimi de incelenen konular arasında yer almaktadır. Çalışmanın ilk aşamasında farklı parametrelerle toplamda 1080 model analiz edilmiştir. Parametrik sayısal analiz sonuçlarına göre, sıvılaşma kaynaklı oturmaları etkileyen başlıca zemin özellikleri sıvılaşan tabakanın rölatif sıkılığı, sıvılaşan tabaka kalınlığı ve kabuk tabaka kalınlığıdır. Sıvılaşma kaynaklı oturmaları etkileyen önemli yapısal özellikler ise temel genişliği/yapı yüksekliği oranı ve üstyapıdan aktarılan gerilme olarak sıralanabilir. Sıvılaşma kaynaklı oturmaları etkileyen belirleyici deprem özellikleri ise PGV, Ia, CAV, CAVdp olarak tespit edilmiştir. 
Son yıllarda yapılan çalışmalarda sıvılaşma kaynaklı hasarların LSN sıvılaşma indeksi ile oldukça uyumlu olduğunu gösteren bulgular yer almaktadır. Ancak zemin özelliklerini tek bir sayıya indirgeyerek hesap yapmak ve sıvılaşmayla ilgili yorum yapmak her ne kadar pratik olsa dahi, bu sonucun ne kadar gerçekçi olduğunu ve farklı zemin koşullarında oturmalar bakımından ne kadar temsili olduğunu tartışmak gerekir. Bu belirsizliği incelemek üzere, bu çalışmanın ilerleyen bölümlerinde LSN değeri benzer olan dört farklı tabakalanmaya zemin modeli oluşturulmuştur. FLAC sonlu farklar yazılımı ile oluşturulan dört farklı zemin modeline ait dinamik analizlerden hesaplanan deplasman değerleri mukayese edilmiş ve modeller arasında önemli farklar olduğu anlaşılmıştır. Sıvılaşma kaynaklı oturmalar, depreme ait CAV, Ia gibi parametrelerden etkilendiği gibi ve sıvılaşan tabakanın konumundan ve hatta sıvılaşan zeminin tek veya çok tabakalı olmasından da etkilenmektedir. 
Sıvılaşan tabakanın mukavemet özelliklerinin sabit kaldığı ve derinlikle birlikte arttığı ve iki farklı model üzerinde yapılan analiz sonuçları da kendi içinde önemli ölçüde farklılaşmaktadır. Sıvılaşan tabakanın heterojen özellikte olması halinde, maksimum yer ivmesi değeri sıvılaşan tabaka içerisinde zemin yüzeyine doğru artış gösterirken, sıvılaşan tabakanın homojen olması durumunda maksimum yer ivmesi sıvılaşan tabaka içerisinde zemin yüzeyine doğru büyük oranda küçülerek devam etmektedir. Sıvılaşan iki tabaka arasındaki sıvılaşmayan tabaka örneğinde ise sıvılaşmayan tabaka kalınlığı arttıkça temel oturmalarının azaldığı görülmüştür.
Tüm bu örnekler, sıvılaşma kaynaklı oturma problemini oluşturan ana unsurlar olan zemin-yapı-deprem özellikleri, hesaplanan oturma değerlerini ayrı ayrı etkileyebildiğini göstermektedir. Bu üç ana unsuru makul seviyede dikkate alabilen genel kabul görmüş bir hesap yöntemine halen ihtiyaç olmakla birlikte, sayısal analizler bu eksikliği gidermek için güçlü araçlar olarak kullanılabilmektedir. Sayısal yöntemlerle yapılan dinamik analizler her ne kadar özel bilgi birikimi ve tecrübe gerektirse de deprem sırasında ve sonrasında gözlenen zemin-yapı etkileşiminin en makul seviyede tanımlanabildiği yaklaşım olarak gösterilebilir.

Abstract:
It has been observed that many buildings were seriously damaged, sometimes even collapsed, during and after major earthquakes. As the earthquake-induced damages were observed, it was understood that not only the structural defects but also local soil conditions are the direct reasons of a structural collapse. The main problem observed in saturated fine-grained soils can be defined as liquefaction. The severe damage caused by liquefaction-induced settlements has led to extensive research on the subject to determine the risk of liquefaction of residential areas, and liquefaction has started to take place in the regulations in accordance with its critical importance.
Various amount of empirical and/or analytical methods have been developed for the determination of liquefaction-induced settlements. The majority of these methods focus on the mechanisms that develop due to the volumetric behaviour of the soil and mostly neglect the shear-induced settlement mechanisms. It is well-known that liquefaction-induced total settlements are governed by shear-induced settlement mechanisms mobilized during earthquakes. One of the possible approaches for estimating the liquefaction-induced settlements is to use nonlinear dynamic analysis methods that take into account the soil-structure interaction, where soil profile, groundwater level, structural features and earthquake motion can be modelled. Such numerical analysis requires special knowledge and expertise in both liquefaction and modelling. A considerable number of researches have been carried out by using numerical methods and soil models (PM4SAND, etc.) on liquefaction in recent years. 
The main purpose of the analyses carried out within the scope of this study is to determine the crucial "soil-structure-earthquake parameters" affecting the liquefaction-induced settlements and to determine how and what extend the displacements change depending on these parameters. In addition, the interaction of earthquake motion and mobilized excess pore water pressures within the liquefied layer and between the non-liquefied layers during the earthquake is also analysed. Through varying parameter a total of 1080 different models are analyzed. Based on the parametric numerical analyses, the main soil properties affecting the liquefaction-induced settlements are the relative density of the liquefied layer, the liquefied layer thickness and the crust layer thickness. Structural properties affecting the liquefaction-induced settlements can be listed as the ratio of foundation width/structure height and the stress transferred from the superstructure. The most important earthquake properties affecting liquefaction-induced settlements were determined as PGV, Ia, CAV, CAVdp. 
In recent studies, there are studies showing that liquefaction-induced damage is highly compatible with the LSN liquefaction index parameter. However, although it is practical to calculate the soil properties by reducing them to a single number and to comment on liquefaction, it is necessary to discuss how realistic this result is and how representative it is in terms of settlements in different soil conditions. In order to discuss this uncertainty, four different soil stratification with similar LSN values were modelled later in this study. The displacement calculated from the dynamic analyses of four different soil models created with the FLAC finite difference software were compared and the results clearly indicate that there are significant differences between the models. Liquefaction-induced settlements are affected by earthquake parameters such as CAV, Ia, as well as the location of the liquefied layer and even whether the liquefiable soil is single or multi-layered. 
The results of the analysis made on two different models, in which the strength properties of the liquefied layer and remain constant increase with depth, also differ significantly within each other. If the liquefied layer is heterogeneous, the maximum ground acceleration value increases towards the soil surface in the liquefied layer, on the other hand if the liquefied layer is homogeneous the maximum ground acceleration continues to decrease towards the soil surface in the liquefied layer. In the example of the non-liquefied layer between the two liquefied layers, it was observed that the foundation settlements decreased as the thickness of the non-liquefied layer increased.
All these examples show that soil-structure-earthquake properties, which are the main elements that constitute the liquefaction-induced settlement problem, can affect the calculated settlements individually. Although there is still a need for a generally accepted calculation method that can reasonably take these three main elements into account, numerical analysis can be used as a powerful tool to fill this gap. Although dynamic analyzes with numerical methods require special knowledge and experience, when used responsibly, the soil-structure interaction observed during and after the earthquake can be defined at the most reasonable level.