4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji ... · VAKA ANALİZİ: BİR METRO İSTASYONU VİYADÜK GEÇİŞ PROJESİNİN ... Örnek olarak sunulması açısından sahada gözlemlenen

4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı

11-13 Ekim 2017 – ANADOLU ÜNİVERSİTESİ – ESKİŞEHİR

1

VAKA ANALİZİ: BİR METRO İSTASYONU VİYADÜK GEÇİŞ PROJESİNİN

SİSMİK ZEMİN - KAZIKLI RADYE TEMEL ETKİLEŞİMİ DEĞERLENDİRMESİ

M. Ilgaç1 , G. Can2 ve K. Ö. Çetin

3

1 Araş. Gör., İnşaat Müh. Bölümü, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Ankara

2 Araş. Gör., İnşaat Müh. Bölümü, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Ankara 3 Prof. Dr., İnşaat Müh. Bölümü, Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Ankara

E-posta: [email protected], [email protected], [email protected]

ÖZET:

Bu çalışma bir metro viyadük projesi için tasarlanan viyadük ayaklarının, kazıklı radye temel sisteminin deprem

yükleri altında temel zemini ile etkileşiminin belirlenmesini amaçlamaktadır. Bildiri kapsamında öncelikle mevcut

jeoteknik ve jeofizik verilerin özeti ile analizlere esas idealize zemin profili sunulacaktır. Müteakiben, sayısal

modelleme çalışmasının detayları ve sonuçları sıralanacaktır. Sayısal modellemede üst yapı ile temel sistemini

ayrıştırılmış analizleri sonrası sonuçların bütünleştirilmesi prensibine dayalı alt-sistem yönteminin kullanılması

benimsenmiştir. Bu yöntem ile baret kazıklara 1000 yıllık tekerrür süreli tasarım depremi sonucu etkiyecek tesirler

saptanmıştır. Bu amaca yönelik olarak 1 boyutlu (1-B) serbest saha analizleri kapsamında, DeepSoil yazılımı

kullanılarak her ayakta 7 farklı deprem kaydının birbirine dik 2 yönü için ayrı ayrı olmak üzere toplam 14 serbest

saha sismik tepki analizleri gerçekleştirilerek serbest saha davranışı belirlenmiştir. Kazık tesirlerini belirlemek için

sonlu elemanlar yazılımı kullanılarak temel ve baret kazıkları 6 aks için ayrı ayrı modellenmiştir. Çerçeve analiz

yöntemi kullanılarak, sonlu elemanlar modelinde, serbest saha analizinden elde edilen deplasmanları yakalamak

üzere yarı statik analiz yöntemi kullanılarak eşdeğer ivme etki ettirilerek kazık zemin etkileşimi sonucunda oluşan

tesirlerin hesaplanması amaçlanmıştır. Son aşamada ise üstyapı ve altyapının birlikte etkileştiği global modelde

zemin - kazık altsisteminin davranışını modellemek için gerekli olan kinematik rijitlik matrisi geliştirilmiştir.

Kinematik rijitlik matrisinin elde edilmesinde RocScience-RS3 yazılımı kullanılarak 3 boyutlu analizler

gerçekleştirilmiştir. Bu bildiri kapsamında 6 aks arasında en kritik tesirlerin gözlendiği 6. aks (adv-07) sonuçları

sunulacaktır.

ANAHTAR KELİMELER: Deprem, Dinamik Analiz, Serbest Saha Analizi, Çerçeve Analizi

ABSTRACT:

The purpose of this study is to evaluate the performance of viaduct piers designed for a metro viaduct project and

to assess the soil-pile (BARET) foundation interaction under dynamic loading. Within the scope of the study,

firstly, the geotechnical and geophysical data will be discussed along with the ideaized soil profiles and

geotechnical soil parameters. Subsequently, the details and results of the numerical modeling will be presented.

As part of numerical modelling, the sub-system method, based on the principle of de-coupled analyses of the

superstructure and the foundation system, has been adopted. By this method, the response of the piled foundation

system is determined for 1000 year return period design earthquake. As part of free field site response analyses, a

total of 14 earthquake records was used. These 1-D site response analyses were performed with DeepSoil software.

Then, with the aim of determining the response of the piled foundation, finite element models were developed for

6 axes of the viaduct system. On the basis of simplified frame analysis method, the free field displacement

envelopes were applied at the boundaries of the piled foundation finite element model to assess the response of

the system. Finally, the kinematic stiffness matrix, which is necessary for modeling the behavior of the soil-pile

subsystem, was developed which is needed to “combine” the decoupled superstructure and substructure responses.

The 3-D kinematic stiffness matrix was developed by using RocScience RS3 software. In this study, the results of

the 6th axis (adv-07) will be presented where the most critical effects are observed.

mailto:[email protected]





2

KEYWORDS: Earthquake, Soil-Structure-Earthquake İnteraction, Dynamic Analysis, Free-Field Analysis,

Simplified Frame Analysis

1. GİRİŞ

Bildiri içeriğinde öncelikle mevcut jeoteknik ve jeofizik verisi ile analizlere esas idealize zemin profilinin

geliştirilmesi üzerinde durulacaktır. Müteakiben sayısal modelleme çalışmasının detayları ve sonuçları

sunulacaktır. Sayısal modellemede üst yapı ile temel sisteminin (zemin ve kazıklı temel elemanlarının) ayrı ayrı

analizi sonrası sonuçların bütünleştirilmesi prensibine dayalı "alt-sistem yöntemi" benimsenmiştir. Bu yöntem ile

derin temel sistemine 1000 yıllık tekerrür süreli tasarım depremi sonucu etkiyecek tesirler saptanmıştır.

Bu amaçla, öncelikle serbest saha analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu analizlerde 7 adet deprem kaydı kullanılmıştır.

6. aks bölgesinde dik 2 yön için toplam 14 kayıt, 1 boyutlu (1-B) serbest saha analizleri kapsamında DeepSoil

yazılımı kullanılarak idealize zemin profiline uygulanmış, deprem sonrası serbest saha tepki davranışı (gerilmeler,

gerinmeler, ivme ve yatay deplasmanlar) belirlenmiştir.

Kazık tesirlerini modellemek amacıyla sonlu elemanlar yazılımı kullanılarak temel kazıkları 6. aks için iki boyutlu

modellenmiştir. DeepSoil yazılımı ile elde edilen serbest saha yatay deplasman değerlerini, kazıkların

yerleştirileceği lokasyonda elde etmek üzere sistem çerçeve sınırlarından eşdeğer ivme ile itilmiştir. Devamında

bu deplasmanlar sonrası temel ve kazık elemanlarına etkiyen tesirler (eksenel kuvvet, kesme ve moment değerleri)

elde edilmiştir. Son aşamada ise üstyapı ve altyapının birlikte etkileştiği global modelde zemin - kazık

altsisteminin davranışını modellemek için gerekli olan kinematik rijitlik matrisi geliştirilmiştir. Kinematik rijitlik

matrisinin elde edilmesinde RocScience RS3 yazılımı kullanılarak 3 boyutlu analizler gerçekleştirilmiştir.

2. İDEALİZE ZEMİN PROFİLİ VE GEOTEKNİK ZEMİN PARAMETRELERİ

Geçiş viyadüğü temsili zemin profili Şekil 1’de gösterilmiştir. Kenar ayaklar haricinde 6 orta ayak üzerine

konumlandırılan viyadüğün baret kazıklı temel sistemi için analizler gerçekleştirilmiştir. Bu bildiri kapsamında

sayfa kısıtlamaları dolayısıyla en kritik olduğu belirtilen 6. aksı (ADV 07) için analiz sonuçları sunulacaktır.

Şekil 1. Viyadük Güzergahı

Geoteknik saha araştırmaları sonucunda elde edilen veriler kullanılarak 6 numaralı aks için idealize profil ve

parametreleri belirlenmiştir ve kullanılan idealize profil Şekil 2’de sunulmuştur.



3

Şekil 2. Altı nolu aks için idealize zemin profili

3. MEVCUT SİSMİK TEHLİKE ANALİZ ÇALIŞMASI SONUÇLARI

Tasarıma esas 1000 yıllık tekerrür süresine sahip 7 deprem kaydı (7 kayıt, 2 yön toplam 14 kayıt) Tablo 1’de

özetlenmiştir. Kayıtların % 5 sönüm oranı için elastik tepki spektrumları ise Şekil 3’de sunulmuştur.

Tablo 1. 1000 yıllık tekerrür süresine sahip 7 deprem kaydı

Şekil 3. 1000 yıllık tekerrür süresine tekabül

eden ölçeklendirilmiş 7 yer hareketi spektral

ivme periyot grafiği (% 5 sönüm için)

1-B serbest saha analizleri için sönüm oranı ve modül azalım eğrileri seçilmiştir. Kohezyonlu birimler için

plastisite indisine (PI) ve kayma birim deformasyonuna bağlı olarak sönüm ve modül azalım ilişkileri değişiklik

göstermektedir. Örnek olarak sunulması açısından sahada gözlemlenen PI değeri en düşük (PI=6) ile en yüksek

(PI=56) tabakaları temsil eden eğriler ile kaya için Schnabel (1972) tarafından önerilmiş eğriler Şekil 4 ve 5’te

gösterilmiştir.



4

Şekil 4. Makaslama birim deformasyona tekabül

eden G/Gmaks değerleri

Şekil 5. Makaslama birim deformasyona tekabül eden

sönümlenme oranı değerleri

6. aks için serbest saha analizlerine esas teşkil eden tüm birimler Şekil 6’da özetlenmiştir. Bu birimlerin sağında

sönüm oranı ve modül azalım eğrilerinin seçiminde kullanılan parametreler verilmiştir. Serbest saha analizleri

kapsamında tanımlanan tabakalar ve geoteknik parametreler Şekil 7’de gösterilmiştir.

6 Nolu aks

Dolgu KİL (PI=20) Kil, Siltli Kil KİL (PI=48)

Kil, Siltli Kil, Kumlu Kil ve Killi Kum KİL (PI=53)

Çakıllı Killi Kum-Kumlu Kil KİL(PI=10)

Kumtaşı-Silttaşı SCHNABEL

Şekil 6. Serbest saha (DeepSoil) analizlerine esas zemin profili (6 nolu aks için)

Şekil 7. Serbest saha (DeepSoil) esas geoteknik parametreler (6 nolu aks için)

4. SERBEST SAHA SİSMİK TEPKİ ANALİZLERİ

Zemin-kazık alt sisteminin sismik performans analizlerinden önce serbest saha davranışının belirlenmesi amacıyla

bir boyutlu eşdeğer-doğrusal tepki analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizlere esas idealize zemin profilleri bir

önceki bölümde Şekil 6-7’de sunulmuştur. Kazık tesirlerinin belirlenmesi amacıyla gerekli olan serbest sahada

oluşan yatay deplasman zarfları DeepSoil yazılımı kullanılarak saptanmıştır. Bu analiz sonuçları Şekil 8’de

sunulmuştur.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0.0001 0.01 1

G/G

ma

ks

Makaslama Birim Deformasyon (%)

0

5

10

15

20

25

30

0.0001 0.01 1

Sö

nü

mle

nm

e O

ran

ı

Makaslama Birim Deformasyon (%)

Clay PI=6-

Vucetic and

Dobry (1991)

Clay PI=56-

Vucetic and

Dobry (1991)

Rock-

Schnabel

(1972)



5

7 deprem kaydının yarattığı bu deplasman zarflarının ortalaması yüzeyde 16 cm ve 50 m derinlikte yaklaşık 3 cm

mertebelerinde elde edilmiştir. DeepSoil yazılımı ile elde edilen serbest saha yatay deplasman değerlerini (yüzeyde

16 cm ve 50 m derinlikte yaklaşık 3 cm), kazıkların yerleştirileceği lokasyonda elde etmek üzere sistem çerçeve

sınırlarından eşdeğer ivme ile itilmiştir. Sonrasında elde edilen bu eşdeğer ivme değeri sonlu elemanlar modeline

etki ettirilerek baret kazıklı temel sistemi tesirleri elde edilecektir.

Şekil 8. 6 nolu aks için iki yönde oluşan yatay deplasman zarfları (14 kayıt için)

4. SAYISAL MODELLEME ÇALIŞMASI VE SONUÇLARI

Temel altında kazıklara etkiyen tesirleri saptamak amacıyla çerçeve analizi sonucu elde edilen eşdeğer ivme sonlu

elemanlar modeline uygulanarak 6. aks her iki yönde de incelenmiştir. Analiz edilen kesit Şekil 9’da gösterilmiştir.

Şekil 9. Toplam 8 adet H perde (baret) kazıklı derin temel sistemi

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 0.2 0.4

Der

inli

k (

m)

Yatay Deplasman (m)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

-0.4 -0.2 0

Der

inli

k (

m)

Yatay Deplasman (m)

Results - scaled_rsn164_impvallh_h-cpe147

Results - scaled_rsn164_impvallh_h-cpe237

Results - scaled_rsn1614_duzce_1061-e

Results - scaled_rsn1614_duzce_1061-n

Results - scaled_rsn1626_sitka_212v5090

Results - scaled_rsn1626_sitka_212v5180

Results - scaled_rsn1633_manjil_abbar--l

Results - scaled_rsn1633_manjil_abbar--t

Results - scaled_rsn1787_hector_hec000

Results - scaled_rsn1787_hector_hec090

Results - scaled_rsn6948_darfield_oxze

Results - scaled_rsn6948_darfield_oxzn

Results -

scaled_rsn8597_sierra.mex_ciswshneResults -

scaled_rsn8597_sierra.mex_ciswshnn



6

(a)

(b)

Şekil 10 Uzun yön için 6 nolu aks baret kazıkları kritik tesirleri

(a) Moment (b) Kesme Kuvveti

Tablo 3'te kazıklara etkiyen deplasman ve tesirlerin maksimum değerleri özetlenmiştir.

Tablo 3. Derin temel sistemi için hesaplanan maksimum deplasman ve tesirler

Itoplam (m4) Atoplam

(m2)

Maksimum Yatay

Temel Deplasmanı

(cm)

Maksimum Moment

(kNm/1m)

Maksimum Kesme

(kN/1m)

Uzun

Yön

Kısa

Yön Uzun Yön Kısa Yön Uzun Yön Kısa Yön Uzun Yön Kısa Yön

281.9 49.3 96 5.5 10.9 7163 5084 1170 867.3

5. KİNEMATİK RİJİTLİK MATRİSİNİN GELİŞTİRİLMESİ

Bildirinin bu bölümünde üstyapı analizleri sırasında zemin-kazık altsistemini modellemek için gerekli olan

kinematik rijitlik matrisinin geliştirilmesi sunulacaktır. Proje kapsamındaki dinamik performans analizlerinin,

Teknik Önermeler'de anılan "alt-sistem yöntemi" (Aydınoğlu, 2011) uyarınca gerçekleştirilmiştir. (Şekil 11).

Teknik önermeler uyarınca, bu matris Şekil 12'de gösterilen doğrultulardaki yanal ve açısal rijitlik katsayılarını

içermektedir, ilgili matris elemanları ve birimleri ise Denklem 1'de tariflenmiştir.

(1)



7

Şekil 11.2 Altsistem yöntemi modeli

(Aydınoğlu, 2011'den alınmıştır)

Şekil 12. Kinematik etkileşim matrisi eleman

tanımları

Yapılacak analizlerin ilk adımı, statik koşullar altındaki gerilme durumunun sağlıklı ve gerçeğe uygun şekilde

tespiti olduğundan, önce inşaat ve imalat aşamaları ile uyumlu olacak şekilde ilgili yapılar Rocscience RS3 3

boyutlu sonlu elemanlar yazılımı kullanılarak modellenmiştir (sırası ile aşamalı kazı, derin temel sistemi

elemanları ve sonsuz rijitlikteki radye temel modellenmiş, yapı yükleri ise "altsistem yöntemi" ile uyumlu şekilde

tariflenmiştir). Kinematik sistem rijitlik matrisi elemanlarını belirlemek amacıyla kurulan (örnek teşkil etmesi için

6. aks seçilmiştir) üç boyutlu sonlu elemanlar modeli Şekil 13'te sunulmuştur.

Yedi farklı deprem seviyesi için, serbest saha koşullarında oluşacak maksimum kayma birim deformasyon

değerleri, bir boyutlu eşdeğer doğrusal analizler ile tahmin edilmiştir. Bu deprem seviyeleri için 4-35 cm

mertebelerinde olması beklenen birim deformasyonları üretecek mertebelerdeki tesirler (yatay kuvvet ya da

moment) rijit radye temel üzerine tatbik edilmiştir. 6. aks için 3 boyutlu model oluşturulmuş, sisteme 4 yönde

kuvvet etki ettirilmiştir. Şekil 14’te 3 boyutlu model üzerine x ekseni yönünde etki ettirilen 10000 kN yük sonucu

elde edilen deformasyonlar gösterilmiştir.

Şekil 13. Üç boyutlu sonlu elemanlar modeli (6. Aks)

Şekil 14. Kinematik sistem rijitlik

matrisi elemanlarının belirlenmesi için

elde edilen deformasyonlar



8

Gerçekleştirilen 3 boyutlu analizler ile oluşacak deformasyonlar (her iki yatay yöndeki deplasman ve açısal

dönme) belirlenmiş ve kuvvet - deformasyon ilişkisi uyarınca kinematik sistem rijitlik matrisi oluşturulmuştur.

Geliştirilen matrisler Denklem 2’de sunulmuştur.

𝐾 = [

3.55𝐸 + 05 5.52𝐸 + 08 8.43𝐸 + 08 7.85𝐸 + 07− − − 3.35𝐸 + 05 2.37𝐸 + 08 1.41E + 09− − − − − − 2.43𝐸 + 07 5.68E + 08− − − − − − − − − 1.10E + 07

] (2)

6. ÖZET ve SONUÇLAR

Bu bildiri, bir metro istasyonu viyadük geçiş projesi için tasarlanan altıncı aks viyadük ayağının kazıklı radye

temel sisteminin deprem yükleri altında zeminle etkileşiminin belirlenmesi ve dinamik yükler altındaki

performansını değerlendirmek amacıyla hazırlanmıştır.

İnceleme alanında kalınlığı 4-8.5 m arası değişen yapay dolgu malzemisini takiben 10-35 m kalınlığında SPT-N

değerleri oldukça düşük Kil-Siltli Kil tabakası gözlenmiştir. Bu tabakaların altında değişik ayrışma derecelerine

sahip iki adet Kumtaşı-Şeyl ardalanması bulunduğu saptanmıştır.

Sayısal modellemede öncelikle üst yapı ile temel sisteminin (zemin ve kazıklı temel elemanları) ayrı ayrı analizi

sonrası sonuçların bütünleştirilmesi prensibine dayalı "alt-sistem yöntemi" benimsenmiştir. Bu yöntem ile baret

kazıklarına 1000 yıllık tekerrür süreli tasarım depremi sonucu etkiyecek tesirler saptanmıştır.

Bu amaçla, öncelikle serbest saha analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu analizlerde 7 adet deprem kaydı kullanılmıştır.

6. aks lokasyonunda dik 2 yön için toplam 14 kayıt 1 boyutlu (1-B) serbest saha analizleri kapsamında DeepSoil

yazılımı kullanılarak idealize zemin profiline uygulanmıştır. Bu analizler sonucunda 6. aks bölgesinde 4-35 cm

mertebelerinde yatay deplasman değerleri hesaplanmıştır. 7 deprem kaydının yarattığı bu deplasman zarflarının

ortalaması yüzeyde 16 cm ve 50 m derinlikte yaklaşık 3 cm mertebelerinde elde edilmiştir. DeepSoil yazılımı ile

elde edilen serbest saha yatay deplasman değerlerini (yüzeyde 16 cm ve 50 m derinlikte yaklaşık 3 cm), kazıkların

yerleştirileceği lokasyonda elde etmek üzere sistem çerçeve sınırlarından eşdeğer ivme ile itilmiştir. Temeller

üzerine konumlandırılan kazıkların sayıları her iki yönde farklılık gösterdiği için dik iki yönü modellemek üzere

2 farklı model oluşturulmuştur. Serbest saha analizleri ile uyumlu olduğu saptanan eşdeğer ivme sisteme etki

ettirilerek temel ve kazık elemanlarına etkiyen tesirler dik iki yön için kesme kuvveti 867-1170 kN/m, moment

5084-7163 kN.m/m ve maksimum yatay temel deplasman 5.5-10.9 cm olarak elde edilmiştir.

Son aşamada ise üstyapı ve altyapının birlikte etkileştiği global modelde zemin - kazık altsisteminin davranışını

modellemek için gerekli olan kinematik rijitlik matrisi geliştirilmiştir. Kinematik rijitlik matrisinin elde

edilmesinde RocScience RS3 yazılımı kullanılarak 3 boyutlu analizler gerçekleştirilmiştir.

7. REFERANSLAR

Aydınoğlu, M.N. (2011). Zayıf Zeminlerde Yapılan Binalarda Dinamik Yapı-Kazık-Zemin Etkileşimi İçin

Uygulamaya Yönelik Bir Hesap Yöntemi, Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitü- sü, Deprem

Mühendisliği Bölümü, Rapor No: 2011/1

Vucetic, M., Doby, R. (1991). "Effect of soil plasticity on cyclic response" J. Geotech. Eng., 117(1), 89-107.

Schnabel, P.B., Lysmet, J., Seed, H. B. (1972). "SHAKE A computer program for earthquake reponse analysis of

horizontally layered sites", Report No. EERC 72-12, College of Engineering, Univ. of California, Berkeley, CA.

Documents

4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji ... · VAKA ANALİZİ: BİR METRO İSTASYONU VİYADÜK GEÇİŞ PROJESİNİN ... Örnek olarak sunulması açısından sahada gözlemlenen