Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
T.C.
SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
TÜRKİYE’DEKİ MEVCUT KEMER BARAJLARIN DEPREM
ETKİSİNDEKİ DAVRANIŞLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ
VE GÜÇLENDİRİLMESİ
Asuman Işıl ÇARHOĞLU
Danışman: Doç. Dr. Kasım Armağan KORKMAZ
DOKTORA TEZİ
İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI
ISPARTA – 2011
i
ĠÇĠNDEKĠLER
ĠÇĠNDEKĠLER ............................................................................................................. i ÖZET .......................................................................................................................... iv
ABSTRACT ................................................................................................................ vi ÖNSÖZ ve TEġEKKÜR ........................................................................................... viii SĠMGELER DĠZĠNĠ ................................................................................................... ix ġEKĠLLER DĠZĠNĠ..................................................................................................... xi TABLO DĠZĠNĠ ......................................................................................................... xv
1. GĠRĠġ ....................................................................................................................... 1
1.1. Kemer Barajların Genel Özellikleri .................................................................. 2
1.2. Kemer Baraj Geometrisi ................................................................................... 5 1.3. Kemer Barajlara Etki Eden Kuvvetler .............................................................. 7 1.4. Yapı Zemin EtkileĢimi ...................................................................................... 9 1.5. Statik ve Dinamik EtkileĢim ........................................................................... 11
2. KONU ĠLE ĠLGĠLĠ YAPILMIġ ÇALIġMALAR ................................................. 12
3. MATERYAL VE METOD .................................................................................... 29 3.1. Sonlu Elemanlar Yöntemi ............................................................................... 29
3.1.1. Eleman matrislerinin çıkarılması ............................................................. 32 3.1.2. Rijitlik matrisi .......................................................................................... 33
3.1.3. Sönüm matrisi .......................................................................................... 41
3.1.4. Kütle matrisi ............................................................................................. 42 3.2. Barajların Sonlu Elemanlar Yöntemiyle Analizi ............................................ 45 3.3. Ġncelenen Barajların Yapısal Özellikleri ......................................................... 46
3.3.1. Gökçekaya Barajı ..................................................................................... 48 3.3.2. Oymapınar Barajı ..................................................................................... 48
3.3.3. Karakaya Barajı ........................................................................................ 49 3.3.4. Gezende Barajı ......................................................................................... 49 3.3.5. Sır Barajı .................................................................................................. 50
3.3.6. Berke Barajı ............................................................................................. 50 3.3.7. Deriner Barajı ........................................................................................... 51 3.3.8. Ermenek Barajı......................................................................................... 51
4. BARAJ REZERVUAR SĠSTEMĠNĠN DĠNAMĠK ANALĠZĠ .............................. 52
4.1. Barajların Dinamik Analizi ............................................................................. 52
4.2. Adım Adım Çözüm Yöntemleri ...................................................................... 52 4.3. Barajların Sonlu Elemanlar ile Modellemeleri ............................................... 59
4.3.1. Gökçekaya Barajı ..................................................................................... 59 4.3.2. Oymapınar Barajı ..................................................................................... 60 4.3.3. Karakaya Barajı ........................................................................................ 61
4.3.4. Gezende Barajı ......................................................................................... 62 4.3.5. Sır Barajı .................................................................................................. 63
4.3.6. Berke Barajı ............................................................................................. 64 4.3.7. Ermenek Barajı......................................................................................... 65 4.3.8. Deriner Barajı ........................................................................................... 66
5. BARAJ REZERVUAR ZEMĠN ETKĠLEġĠMĠ ..................................................... 67 5.1. Gökçekaya Barajı Yapı Zemin Sistemi ........................................................... 69
5.2. Oymapınar Barajı Yapı Zemin Sistemi ........................................................... 70 5.3. Karakaya Barajı Yapı Zemin Sistemi ............................................................. 71
ii
5.4. Gezende Barajı Yapı Zemin Sistemi ............................................................... 72
5.5. Sır Barajı Yapı Zemin Sistemi ........................................................................ 73 5.6. Berke Barajı Yapı Zemin Sistemi ................................................................... 74 5.7. Ermenek Barajı Yapı Zemin Sistemi .............................................................. 75 5.8. Deriner Barajı Yapı Zemin Sistemi................................................................. 76
6. OLASILIKLI SĠSMĠK DEĞERLENDĠRME ........................................................ 77
6.1. Olasılıklı Sismik Analiz .................................................................................. 77 6.2. Sismik Hasar Eğrileri ...................................................................................... 79 6.3. Risk Seviyeleri ................................................................................................ 81 6.4. Kırılganlık Analizleri ...................................................................................... 83 6.5. Barajların Olasılıklı Sismik Analizleri ............................................................ 87
7. BARAJLARIN GÜÇLENDĠRĠLMESĠ ................................................................. 89 8. ARAġTIRMA VE BULGULAR ........................................................................... 98
8.1. Mod ġekillerinin KarĢılaĢtırılması .................................................................. 98
8.1.1. Gökçekaya Barajı‟nın mod Ģekillerinin karĢılaĢtırılması ......................... 99 8.1.2. Oymapınar Barajı‟nın mod Ģekillerinin karĢılaĢtırılması ......................... 99 8.1.3. Karakaya Barajı‟nın mod Ģekillerinin karĢılaĢtırılması.......................... 100 8.1.4. Gezende Barajı‟nın mod Ģekillerinin karĢılaĢtırılması ........................... 100
8.1.5. Sır Barajı‟nın mod Ģekillerinin karĢılaĢtırılması .................................... 101 8.1.6. Berke Barajı‟nın mod Ģekillerinin karĢılaĢtırılması ............................... 101
8.1.7. Ermenek Barajı‟nın mod Ģekillerinin karĢılaĢtırılması .......................... 102 8.1.8. Deriner Barajı‟nın mod Ģekillerinin karĢılaĢtırılması ............................. 102
8.2. Yer DeğiĢtirme Değerlerinin KarĢılaĢtırılması ............................................. 103 8.2.1. Gökçekaya Barajı‟nın yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ...... 103
8.2.2. Oymapınar Barajı‟nın yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ...... 105 8.2.3. Karakaya Barajı‟nın yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ........ 107 8.2.4. Gezende Barajı‟nın yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması .......... 109
8.2.5. Sır Barajı‟nın yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ................... 111 8.2.6. Berke Barajı‟nın yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması .............. 114 8.2.7. Ermenek Barajı‟nın yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ......... 116
8.2.8. Deriner Barajı‟nın yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ........... 118
8.3. Gerilme Değerlerinin KarĢılaĢtırılması ......................................................... 120 8.3.1. Gökçekaya Barajı gövdesindeki gerilme değerlerinin karĢılaĢtırılması. 120
8.3.2. Oymapınar Barajı gövdesindeki gerilme değerlerinin karĢılaĢtırılması. 123 8.3.3. Karakaya Barajı gövdesindeki gerilme değerlerinin karĢılaĢtırılması .. 126 8.3.4. Gezende Barajı gövdesindeki gerilme değerlerinin karĢılaĢtırılması..... 129 8.3.5. Sır Barajı gövdesindeki gerilme değerlerinin karĢılaĢtırılması .............. 132 8.3.6. Berke Barajı gövdesindeki gerilme değerlerinin karĢılaĢtırılması ......... 135
8.3.7. Ermenek Barajı gövdesindeki gerilme değerlerinin karĢılaĢtırılması .... 138 8.3.8. Deriner Barajı gövdesindeki gerilme değerlerinin karĢılaĢtırılması ...... 141
8.4. Taban Kesme Kuvvetlerinin KarĢılaĢtırılması .............................................. 144 8.4.1. Gökçekaya Barajı taban kesme kuvveti değerlerinin karĢılaĢtırılması .. 144 8.4.2. Oymapınar Barajı taban kesme kuvveti değerlerinin karĢılaĢtırılması .. 145
8.4.3. Karakaya Barajı taban kesme kuvveti değerlerinin karĢılaĢtırılması ..... 146 8.4.4. Gezende Barajı taban kesme kuvveti değerlerinin karĢılaĢtırılması ...... 147
8.4.5. Sır Barajı taban kesme kuvveti değerlerinin karĢılaĢtırılması................ 148 8.4.6. Berke Barajı taban kesme kuvveti değerlerinin karĢılaĢtırılması ........... 149 8.4.7. Ermenek Barajı taban kesme kuvveti değerlerinin karĢılaĢtırılması ...... 150
iii
8.4.8. Deriner Barajı taban kesme kuvveti değerlerinin karĢılaĢtırılması ........ 151
8.5. Yük-Yer DeğiĢtirme Değerlerinin KarĢılaĢtırılması ..................................... 152 8.5.1. Gökçekaya Barajı yük-yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ..... 152 8.5.2. Oymapınar Barajı yük-yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ..... 154 8.5.3. Karakaya Barajı yük-yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ....... 156 8.5.4. Gezende Barajı yük-yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ......... 158
8.5.5. Sır Barajı yük-yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması .................. 160 8.5.6. Berke Barajı yük-yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ............. 162 8.5.7. Ermenek Barajı yük-yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ........ 164 8.5.8. Deriner Barajı yük-yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması .......... 166
8.6. ANSYS ile SAP 2000 analizlerinin karĢılaĢtırılması .................................... 168
8.7. Yapı Zemin Sıvı EtkileĢimi ........................................................................... 169 8.7.1 Mod ġekillerinin KarĢılaĢtırılması .......................................................... 170 8.7.2. Yer DeğiĢtirme Değerlerinin KarĢılaĢtırılması ...................................... 174
8.7.3. Gerilme Değerlerinin KarĢılaĢtırılması .................................................. 178 8.8. Barajların Olasılıklı Sismik Değerlendirmesi ............................................... 190 8.9. Barajların Güçlendirme Analizi Sonuçlarının Değerlendirilmesi ................. 195
8.9.1. Gökçekaya Barajı güçlendirme analizi sonuçları ................................... 195
8.9.2. Oymapınar Barajı güçlendirme analizi sonuçları ................................... 196 8.9.3. Karakaya Barajı güçlendirme analizi sonuçları ..................................... 196
8.9.4. Gezende Barajı güçlendirme analizi sonuçları ....................................... 197 8.9.5. Berke Barajı güçlendirme analizi sonuçları ........................................... 197
8.9.6. Sır Barajı güçlendirme analizi sonuçları ................................................ 198 8.9.7. Ermenek Barajı güçlendirme analizi sonuçları ...................................... 198
8.9.8. Deriner Barajı güçlendirme analizi sonuçları ........................................ 199 9. TARTIġMA VE SONUÇLAR ............................................................................ 200 KAYNAKLAR ........................................................................................................ 205
ÖZGEÇMĠġ ............................................................................................................. 218
iv
ÖZET
Doktora Tezi
TÜRKĠYE’DEKĠ MEVCUT KEMER BARAJLARIN DEPREM
ETKĠSĠNDEKĠ DAVRANIġLARININ DEĞERLENDĠRĠLMESĠ VE
GÜÇLENDĠRĠLMESĠ
Asuman IĢıl ÇARHOĞLU
Süleyman Demirel Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü
ĠnĢaat Mühendisliği Anabilim Dalı
DanıĢman: Doç. Dr. Kasım Armağan Korkmaz
Dünyada ve Türkiye‟de baraj güvenliği her geçen gün önem kazanan bir konudur. Bu
konu geçtiğimiz yıllarda yaĢanan depremlerle daha da önemli bir hal almıĢtır. Sismik
olarak hareketli bir bölgede yer alan Türkiye‟de, enerji ihtiyacının karĢılanması ve
gelecek planlaması açısından, barajların, güvenli bir Ģekilde ayakta kalması oldukça
önemlidir. Türkiye, mevcut su potansiyeli ile, çeĢitli bölgelerinde çok sayıda baraj
bulundurmaktadır. Mevcut barajlar; gövde Ģekline göre dolgu barajlar ve beton
barajlar olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Dolgu barajlar; toprak dolgu barajlar, kaya
dolgu barajlar, ön yüzü beton kaplı kaya dolgu barajlardır. Beton barajlar ise; beton
ağırlık barajlar, payandalı beton barajlar, beton kemer barajlar ve silindirle
sıkıĢtırılmıĢ beton barajlardır. Kemer barajlar, mevcut barajlar içinde az sayıda
olmalarına rağmen ekonomik değerleri açısından oldukça önemlidir. Dolayısıyla,
mevcut sismik riske karĢı, ekonomik değerleri olan kemer barajların
değerlendirilmesi ve detaylı bir Ģekilde incelenmesinin gerekliği açıktır.
Bu tez çalıĢmasında, Türkiye‟de 2011 yılı itibarıyla mevcut olan tüm kemer barajlar
ele alınarak, bu barajların sismik risk değerlendirilmesi ve güçlendirilmesi
gerçekleĢtirilmiĢtir. Ġlk olarak, Türkiye‟deki kemer barajlar; Gökçekaya, Karakaya,
Gezende, Sır, Berke, Oymapınar, Ermenek ve Deriner Barajları detaylı olarak
incelenmiĢ ve analiz verileri DSĠ‟den elde edilmiĢtir. Barajlar SAP2000 ve ANSYS
sonlu elemanlar programları kullanılarak katı modelleme ile modellenmiĢ ve zaman
tanım alanında dinamik analizleri gerçekleĢtirilmiĢtir. Her baraja A, B ve C zemin
sınıflarına ait yirmi olmak üzere, toplamda altmıĢ deprem ivme kaydı uygulanmıĢtır.
Barajların boĢ ve dolu durumları için yer değiĢtirme, gerilme ve taban kesme kuvveti
değerleri elde edilerek bu değerler karĢılaĢtırılmıĢtır. Baraj-zemin-rezervuar
sisteminin deprem etkisi altındaki davranıĢlarını incelemek için bu sistemler ele
v
alınmıĢtır. Zeminlerin gerçek malzeme özellikleri programlarda girilerek
modellemeler gerçekleĢtirilmiĢtir. Her model için zaman tanım alanında dinamik
analizler gerçekleĢtirimiĢtir. Ardından, sismik riskin olasılıklı olarak
değerlendirilmesi için, kırılganlık analizleri gerçekleĢtirilmiĢ ve bu analizler
sonucunda elde edilen kırılganlık eğrileriyle barajların sismik riski, olasılıklı olarak
ifade edilmiĢtir. Son olarak, mevcut barajlar için geliĢtirilmiĢ olan uygulanabilir
nitelikte bir güçlendirme yöntemi sunulmuĢtur. Güçlendirme yönteminin etkinliğinin
belirlenmesi amacıyla zaman tanım alanında dinamik analizler gerçekleĢtirilmiĢtir.
Tez çalıĢması, toplamda dokuz bölümden oluĢmaktadır. Ġlk bölüm giriĢ bölümü olup
bu bölümde konunun önemi, gerekli bilgiler, amaç ve kapsam verilmiĢtir. Ġkinci
bölümde literatür taraması gerçekleĢtirilmiĢ ve çalıĢmaya temel olan kaynak özetleri
sunulmuĢtur. Üçüncü bölümde barajlar sırasıyla tanıtılmıĢ ve sonlu elemanlar
yöntemi hesap adımları, yöntem ve analiz kabulleri gösterilmiĢtir. Dördüncü
bölümde, zaman tanım alanı yönteminden bahsedilmiĢ ardından, çalıĢma kapsamında
gerçekleĢtirilen dinamik analiz verilmiĢ ve analizde kullanılan SAP2000 ve ANSYS
programları ile hazırlanan katı modellemeler anlatılmıĢtır. BeĢinci bölümde baraj
rezervuar zemin etkileĢimi sunulmuĢtur. Tüm barajlar, zemin etkileri de dikkate
alınarak modellenmiĢ ve yapı-zemin-rezervuar etkileĢimi irdelenmiĢtir. Altıncı
bölümde barajlara ait olasılıklı sismik riski ifade etmek için kırılganlık analizleri
verilmiĢtir. Yedinci bölümde barajların güçlendirilmesi için bir yöntem sunulmuĢ ve
bu yöntemin ayrıntıları bu bölüm kapsamında ele alınmıĢtır. Sekizinci bölümde
araĢtırma bulguları verilmiĢ, elde edilen analiz sonuçları değerlendirilmiĢtir. Önceki
bölümlerde verilen analizlerin sonuçları ise bu bölümde karĢılaĢtırmalı olarak
verilmiĢtir. Dokuzuncu bölümde de sonuçlar verilmiĢtir.
Sonuç olarak, tez çalıĢması kapsamında, Türkiye‟deki tüm kemer barajlar ele
alınmıĢ, baraj-zemin-rezervuar sistemleri kapsamlı Ģekilde değerlendirilmiĢ ve
mevcut barajların güçlendirilmesi için uygulama önerisi sunulmuĢtur. Bu anlamda,
tez çalıĢması Türkiye‟deki mevcut kemer barajların sismik risk değerlendirmesinin
gerçekleĢtirilmesi ve çözüm önerileri sunması açısından önemli bir boĢluğu
doldurmuĢtur.
Anahtar Kelimeler: Kemer barajlar, sismik değerlendirme, baraj-zemin-rezervuar,
olasılıklı analizler, güçlendirme, zaman tanım alanında dinamik analizler.
2011, 218 sayfa
vi
ABSTRACT
Ph.D. Dissertation
EARTHQUAKE BEHAVIOR ASSESMENT AND STRENGTHENING OF
EXISTING ARC DAMS IN TURKEY
Asuman IĢıl ÇARHOĞLU
Süleyman Demirel University
Graduate School of Applied and Natural Sciences
Department of Civil Engineering
Advisor: Assoc. Prof. Kasım Armağan KORKMAZ, PhD
Dam safety becomes a critical part of important issues day by day in the world and
Turkey due to the recently experienced earthquakes. To plan future and meet the
energy demands of Turkey- a country with high seismic risk-, dams need to supply
the energy demands safely. In Turkey, with an existing water potential, there are
many existing dams in different regions of the country. The existing dams can be
categorized in two titles in terms of their body structures: these are fill dams and
concrete dams. Fill dams include earth-fill dams, rock-fill dams and concrete covered
rock-fill dams. Concrete dams include concrete gravity dams, concrete counter fort
dams, concrete arch dams and roller compacted concrete dams. Arch dams exist in a
smaller portion of the all. However their economic values are considerably high.
Therefore, it is necessary to evaluate and exam the arch dam structures in detail.
In the present dissertation, seismic risk assessment of existing arch dams in Turkey
by 2011 is carried out with different approaches. First, existing arch dams:
Gokcekaya, Karakaya, Gezende, Sir, Berke, Oymapinar, Ermenek and Derinder
Dams are examined in detail by having their real structural data from DSI. Solid
models were developed for the time-history analyses in a 3-D environment. All arch
dams were modeled for the analyses by using SAP2000 and ANSYS software
programs based on Finite Element. For each model, twenty ground motion records
are applied for three different soil types as A, B and C, totaling in sixty records. The
obtained values are compared by analyzing empty and full conditions to find out
displacements, stresses and base shear forces. Later, dam-soil-reservoir interaction
was considered for the analyses of the considered existing arch dam structures. For
interaction, real soil properties were given in the analyses and soils were modeled
with dam structures. Accordingly, for seismic risk assessment, fragility analyses
were conducted. For each model, fragility curves were sketched and lastly, an
applicable strengthening method was proposed to increase the earthquake resistance
of the existing arch dam structures in Turkey.
vii
The dissertation involves nine sections. The first section is the introduction which
contains the importance of dam safety and dam behavior including necessary
information about the dams. Moreover, aims and goals are given here. The second
section contains the literature review including existing research and their
summaries. The third section introduces the eight dams and methodology. The fourth
section proposes steps for finite element method applications. Their analyses
methods and the dynamic analyses are given in this section. The fifth section
proposes an interaction for dam reservoir and soil. All of the dams that were modeled
according to soil features and structure-soil-reservoir interaction are presented here.
Section six gives the fragility analysis for the seismic risk assessment. Section seven
studies dam strengthening and examines its details. The section eight evaluates the
research findings and resulting analyses. the results of the analyses given in the
previous sections are compared in this section. The ninth section contains
conclusions.
As a conclusion, all the existing arch dams in Turkey are in the scope of this
dissertation and also reservoir systems are evaluated in detail and a strengthening of
existing arch dams is proposed. Therefore, the dissertation gives a valuable
knowledge in seismic risk evaluation of existing arch dams and provide applicable
solutions.
Key Words: Arch dams, seismic assessment, dam-soil-reservoir, probabilistic
approaches, strengthning, time history analysis.
2011, 218 pages
viii
ÖNSÖZ ve TEġEKKÜR
Doktora tez çalıĢmam sırasında, desteğini ve yardımlarını esirgemeyen çok değerli
doktora danıĢmanım Doç. Dr. Kasım Armağan KORKMAZ‟a en içten Ģükranlarımı
sunmak isterim. Tez çalıĢmama çok kıymetli katkılarıyla destek olan Prof Dr. Kadir
Güler, Doç. Dr. Tayfun Uygunoğlu, Doç. Dr. Fuat Demir ve Yrd. Doç. Dr. Kemal
TuĢat Yücel‟e teĢekkürü bir borç bilirim. Ayrıca, Prof. Dr. Abdullah Avey ve Doç.
Dr. Ömer Civalek‟e yoğun çalıĢma sürecindeki yardımlarından ötürü teĢekkür etmek
isterim. Dokuz Eylül Üniveritesi‟ndeki lisans eğitimim sırasında yetiĢmemde çok
büyük emekleri olan hocalarıma ve özellikle proje danıĢmanım Doç. Dr. Mehmet
Emin Kural‟a, yetiĢmemdeki emeklerinden ötürü teĢekkür etmek isterim. Ġstanbul
Teknik Üniversitesi‟ndeki yüksek lisans eğitimim boyunca desteklerini esirgemeyen,
sürekli yanımda olan tüm hocalarıma ve özellikle danıĢmanlarım Doç. Dr. Abdullah
GEDĠKLĠ ve Doç. Dr. B. Özden ÇAĞLAYAN‟a teĢekkürlerim kifayetsiz kalacaktır.
Doktora tez çalıĢmam sırasında, çalıĢmanın önemli kısımlarından biri olan
Türkiye‟deki mevcut kemer barajların projelerine ve verilerine eriĢimimi sağlayan
DSĠ Bölge Müdürlüğün‟den ĠnĢaat Mühendisi Osman Erkan‟a teĢekkürü bir borç
bilirim. Süleyman Demirel Üniversitesi‟ndeki pek kıymetli ve müstesna çalıĢma
arkadaĢlarıma, çok değer verdiğim öğrencilerime ve bilhassa hocalarıma içtenlikle
teĢekkür ederim. Maddi ve manevi desteklerini hiçbir zaman esirgemeyen,
öngörüleriyle, akademisyenlik sergüzeĢtimde, her daim bana destek olan, varlığımın
remzi, münevver aileme Ģükranlarımı sunmak isterim. Son olarak, çok sevgili ve
biricik kardeĢim Esma Çarhoğlu‟na da kucak dolusu sevgi ve teĢekkürlerimi sunmak
isterim.
Asuman IĢıl ÇARHOĞLU
ISPARTA, 2011
ix
SĠMGELER DĠZĠNĠ
A Yer değiĢtirme fonksiyonlarını belirleyen matris A Baraj memba yüzey alanı
a Eleman düğüm nokta sayısı
B Birim Ģekil değiĢtirme- yer değiĢtirme matrisi
C Sönüm matrisi
C Deprem ivmesinin yerçekimi ivmesine oranı
D Birim Ģekil değiĢtirme-gerilme matrisi
E Barajın elastisite modülü
e1, e2, e3 Doğrultman kosinüsleri
F(t) Kuvvet vektörü
Fijk ri, sj ve tk noktalarındaki F matrisi
G Kayma modülü
g Yerçekimi ivmesi
H Su derinliği
hi i‟inci düğüm noktası enterpolasyon fonksiyonu
K Tanjant rijitlik matrisi
M Kütle matrisi
M Sıvı kütlesi
mhni i düğüm noktasına eklenen kütlenin değeri
mh
cxi C yönünde meydana gelen depremden x yönünde eklenecek virtüel kütle
mh
cyi C yönünde meydana gelen depremden y yönünde eklenecek virtüel kütle
mh
czi C yönünde meydana gelen depremden z yönünde eklenecek virtüel kütle
P Hidrodinamik basınç
P Doğrusal olmayan dıĢ yük vektörü
T Periyot
t Zaman
μ Poisson oranı
U Doğrusal sistemin yer değiĢtirme vektörü
U Yer değiĢtirme vektörü .
U Hız vektörü
U DıĢ yük vektörü
W Sıvı yoğunluğu
Wn Doğal açısal frekans
wd Doğal açısal frekans
Y Su derinliğinin kret seviyesi
u Düğüm noktası yer değiĢtirmesi
v Düğüm noktası yer değiĢtirmesi
v,dv Hacim integrali
σ Eleman gerilmeleri
hi i‟inci düğüm noktası enterpolasyon fonksiyonu
x,y,z Genel koordinat sistemindeki elemanların herhangi bir noktasının
koordinatları
xi,yi,zi Genel koordinat sistemindeki elemanların i‟inci düğüm noktasının
koordinatları
x
ξ Sönüm oranı
u, v, w Elemanın her hangi bir noktasındaki yer değiĢtirmeleri
ui, vi, w Elemanın i‟inci düğüm noktasındaki yer değiĢtirmeleri
αijk ri, sj ve tk değerlerine bağlı sabitler
xi
ġEKĠLLER DĠZĠNĠ
ġekil 1.1. Tez çalıĢması akıĢ Ģeması ............................................................................ 2 ġekil 1.2. Sabit ve değiĢken merkezli kemer baraj ...................................................... 6
ġekil 1.3. Kemer barajlara etki eden hidrostatik su kuvvetleri .................................... 7 ġekil 1.4. Hidrodinamik basınç kuvveti ....................................................................... 9 ġekil 1.5. Statik ve dinamik etkileĢimdeki aĢamalar ................................................. 11 ġekil 2.1. Tez çalıĢması ile ilgili yapılmıĢ çalıĢmalar……………………………….12
ġekil 2.2. Tez çalıĢmasının geliĢtirilmesi ve yapılan çalıĢmalar ................................ 12
ġekil 3.1. Düzlem gerilme sonlu eleman modeli……………………………………30
ġekil 3.2. Düğüm noktalarının tanımlanması ............................................................ 32
ġekil 3.3. Global ve lokal koordinat sistemleri .......................................................... 34 ġekil 3.4. Düğüm noktaları 8 ile 20 arasında değiĢen düğüm noktalı üç boyutlu
eleman ......................................................................................................... 37 ġekil 3.5. Türkiye'deki kemer barajların konumu ...................................................... 47 ġekil 3.6. Gökçekaya Barajı‟nın Görünümleri ........................................................... 48
ġekil 3.7. Oymapınar Barajı görünümleri .................................................................. 48 ġekil 3.8. Karakaya Barajı görünümleri ..................................................................... 49 ġekil 3.9. Gezende Barajı görünümleri ...................................................................... 49 ġekil 3.10. Sır barajı görünümleri .............................................................................. 50
ġekil 3.11. Berke Barajı görünümleri ........................................................................ 50
ġekil 3.12. Deriner Barajı yapım aĢaması görünümleri ............................................. 51 ġekil 3.13. Ermenek Barajı görünümleri.................................................................... 51 ġekil 4.1. Kobe 16.01.1995 KJM000 depremine ait ivme zaman kaydı……………55
ġekil 4.2. Gökçekaya Barajı‟nın SAP 2000 (Sol) ve ANSYS (Sağ) programı ile
modellenmiĢ görünümleri .......................................................................... 59
ġekil 4.3. Oymapınar Barajı‟nın SAP 2000 (Sol) ve ANSYS (Sağ) programı ile
modellenmiĢ görünümleri .......................................................................... 60 ġekil 4.4. Karakaya Barajı‟nın SAP 2000 (Sol) ve ANSYS (Sağ) programı ile
modellenmiĢ görünümleri .......................................................................... 61 ġekil 4.5. Gezende Barajı‟nın SAP 2000 (Sol) ve ANSYS (Sağ) programı ile
modellenmiĢ görünümleri .......................................................................... 62
ġekil 4.6. Sır Barajı‟nın SAP 2000 (Sol) ve ANSYS (Sağ) programı ile modellenmiĢ
görünümleri ................................................................................................ 63
ġekil 4.7. Berke Barajı‟nın SAP 2000 (Sol) ve ANSYS (Sağ) programı ile
modellenmiĢ görünümleri .......................................................................... 64
ġekil 4.8. Ermenek Barajı‟nın SAP 2000 (Sol) ve ANSYS (Sağ) programı ile
modellenmiĢ görünümleri .......................................................................... 65 ġekil 4.9. Deriner Barajı‟nın SAP 2000 (Sol) ve ANSYS (Sağ) programı ile
modellenmiĢ görünümleri .......................................................................... 66 ġekil 5.1. Zemin sınıfları……………………………………………………………67
ġekil 5.2. Gökçekaya Barajı yapı zemin sistemi ........................................................ 69 ġekil 5.3. Oymapınar Barajı yapı zemin sistemi ........................................................ 70 ġekil 5.4. Karakaya Barajı yapı zemin sistemi .......................................................... 71
ġekil 5.5. Karakaya Barajı yapı zemin sistemi .......................................................... 72 ġekil 5.6. Sır Barajı yapı zemin sistemi ..................................................................... 73
ġekil 5.7. Berke Barajı yapı zemin sistemi ................................................................ 74 ġekil 5.8. Ermenek Barajı yapı zemin sistemi ........................................................... 75
xii
ġekil 5.9. Deriner Barajı yapı zemin sistemi.............................................................. 76
ġekil 6.1. Sismik Risk Analizi Öğelerinin ġematik Gösterimi……………………...78
ġekil 6.2. NEHRP standardındaki değerler ile çizdirilen sismik hasar eğrileri ......... 80 ġekil 6.3. Kırılganlık analizinin ve sismik değerlendirme sürecinin akıĢ Ģeması ...... 84 ġekil 6.4. Kırılganlık eğrilerinin Ģematik gösterimi ................................................... 85 ġekil 7.1. Güçlendirme döngüsü................................................................................89
ġekil 7.2. Barajların güçlendirilmesi ile ilgili bileĢenler............................................90
ġekil 7.3. Güçlendirme öncesi ve sonrasında çatlakların oluĢması………………...93
ġekil 7.4. Güçlendirme çeliğinin ve betonun gerilme Ģekil değiĢtirmesi .................. 94 ġekil 7.5. Barajların güçlendirme Ģekli ...................................................................... 94 ġekil 7.6. Sır Barajı‟nın güçlendirme sonrası detaylı ağ görünümü .......................... 96
ġekil 7.7. Barajların Güçlendirme Sonrası ağ görünümleri ....................................... 97 ġekil 8.1. Gökçekaya Barajı mod Ģekilleri…………………………..………………99
ġekil 8.2. Oymapınar Barajı mod Ģekilleri ................................................................. 99
ġekil 8.3. Karakaya Barajı mod Ģekilleri ................................................................. 100 ġekil 8.4. Gezende barajı mod Ģekilleri ................................................................... 100 ġekil 8.5. Sır Barajı mod Ģekilleri ............................................................................ 101 ġekil 8.6. Berke Barajı mod Ģekilleri ....................................................................... 101
ġekil 8.7. Ermenek Barajı mod Ģekilleri .................................................................. 102 ġekil 8.8. Deriner Barajı mod Ģekilleri..................................................................... 102
ġekil 8.9. Gökçekaya Barajı yer değiĢtirme değerleri .............................................. 103 ġekil 8.10. Oymapınar Barajı yer değiĢtirme değerleri............................................ 106
ġekil 8.11. Karakaya Barajı yer değiĢtirme değerleri .............................................. 108 ġekil 8.12. Gezende Barajı yer değiĢtirme değerleri................................................ 110
ġekil 8.13. Sır Barajı yer değiĢtirme değerleri ......................................................... 112 ġekil 8.14. Berke Barajı yer değiĢtirme değerleri .................................................... 115 ġekil 8.15. Ermenek Barajı yer değiĢtirme değerleri ............................................... 117
ġekil 8.16. Deriner Barajı yer değiĢtirme değerleri ................................................. 119 ġekil 8.17. Gökçekaya Barajı gerilme değerleri ...................................................... 121 ġekil 8.18. Gökçekaya Barajı gerilme Ģekilleri ........................................................ 122
ġekil 8.19. Oymapınar Barajı gerilme değerleri ...................................................... 123
ġekil 8.20. Oymapınar Barajı gerilme Ģekilleri ........................................................ 125 ġekil 8.21. Karakaya Barajı gerilme değerleri ......................................................... 126
ġekil 8.22. Karakaya Barajı gerilme Ģekilleri .......................................................... 128 ġekil 8.23. Gezende Barajı gerilme değerleri .......................................................... 129 ġekil 8.24. Gezende Barajı gerilme Ģekilleri ............................................................ 131 ġekil 8.25. Sır Barajı gerilme değerleri .................................................................... 132 ġekil 8.26. Sır Barajı gerilme Ģekilleri ..................................................................... 134
ġekil 8.27. Berke Barajı gerilme değerleri ............................................................... 135 ġekil 8.28. Berke Barajı gerilme Ģekilleri ................................................................ 137 ġekil 8.29. Ermenek Barajı gerilme değerleri .......................................................... 138 ġekil 8.30. Ermenek Barajı gerilme Ģekilleri ........................................................... 140 ġekil 8.31. Deriner Barajı gerilme değerleri ............................................................ 141
ġekil 8.32. Deriner Barajı gerilme Ģekilleri ............................................................. 143 ġekil 8.33. Gökçekaya Barajı taban kesme kuvveti değerleri .................................. 144
ġekil 8.34. Oymapınar Barajı taban kesme kuvveti değerleri .................................. 145 ġekil 8.35. Karakaya Barajı taban kesme kuvveti değerleri .................................... 146 ġekil 8.36. Gezende Barajı taban kesme kuvveti değerleri ...................................... 147
xiii
ġekil 8.37. Sır Barajı taban kesme kuvveti değerleri ............................................... 148
ġekil 8.38. Berke Barajı taban kesme kuvveti değerleri .......................................... 149 ġekil 8.39. Ermenek Barajı taban kesme kuvveti değerleri ..................................... 150 ġekil 8.40. Deriner Barajı taban kesme kuvveti değerleri ....................................... 151 ġekil 8.41. Gökçekaya Barajı boĢ durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ............... 152 ġekil 8.42. Gökçekaya Barajı dolu durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ............. 153
ġekil 8.43. Oymapınar Barajı boĢ durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ............... 154 ġekil 8.44. Oymapınar Barajı dolu durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ............. 155 ġekil 8.45. Karakaya Barajı boĢ durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ................. 156 ġekil 8.46. Karakaya Barajı dolu durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ................ 157 ġekil 8.47. Gezende Barajı boĢ durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ................... 158
ġekil 8.48. Gezende Barajı dolu durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ................. 159 ġekil 8.49. Sır Barajı boĢ durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ............................ 160 ġekil 8.50. Sır Barajı dolu durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi........................... 161
ġekil 8.51. Berke Barajı boĢ durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ....................... 162 ġekil 8.52. Berke Barajı dolu durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ...................... 163 ġekil 8.53. Ermenek Barajı boĢ durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi .................. 164 ġekil 8.54. Ermenek Barajı dolu durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ................. 165
ġekil 8.55. Deriner Barajı boĢ durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi .................... 166 ġekil 8.56. Deriner Barajı dolu durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ................... 167
ġekil 8.57. SAP 2000 ile ANSYS programları analiz sonuçlarının karĢılaĢtırılması
.................................................................................................................................. 168
ġekil 8.58. Gökçekaya Barajı zemin rezervuar sistemi mod Ģekilleri...................... 170 ġekil 8.59. Oymapınar Barajı zemin rezervuar sistemi mod Ģekilleri...................... 170
ġekil 8.60. Karakaya Barajı zemin rezervuar sistemi mod Ģekilleri ........................ 171 ġekil 8.61. Gezende barajı zemin rezervuar sistemi mod Ģekilleri .......................... 171 ġekil 8.62. Berke Barajı zemin rezervuar sistemi mod Ģekilleri .............................. 172
ġekil 8.63. Sır Barajı zemin rezervuar sistemi mod Ģekilleri ................................... 172 ġekil 8.64. Ermenek Barajı zemin rezervuar sistemi mod Ģekilleri ......................... 173 ġekil 8.65. Ermenek Barajı zemin rezervuar sistemi mod Ģekilleri ......................... 173
ġekil 8.66. Gökçekaya Barajı zemin rezervuar sisteminin yer değiĢtirmeleri ......... 174
ġekil 8.67. Oymapınar Baraj zemin rezervuar sisteminin yer değiĢtirmeleri .......... 174 ġekil 8.68. Karakaya Barajı zemin rezervuar sisteminin yer değiĢtirmeleri ............ 175
ġekil 8.69. Gezende Barajı zemin rezervuar sisteminin yer değiĢtirmeleri ............. 175 ġekil 8.70. Sır Barajı zemin rezervuar sisteminin yer değiĢtirmeleri ...................... 176 ġekil 8.71. Berke Barajı zemin rezervuar sisteminin yer değiĢtirmeleri.................. 176 ġekil 8.72. Ermenek Barajı zemin rezervuar sisteminin yer değiĢtirmeleri ............. 177 ġekil 8.73. Ermenek Barajı zemin rezervuar sisteminin yer değiĢtirmeleri ............. 177
ġekil 8.74. Gökçekaya Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme değerleri .......... 178 ġekil 8.75. Oymapınar Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme değerleri .......... 178 ġekil 8.76. Gökçekaya Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme Ģekli ................. 179 ġekil 8.77. Oymapınar Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme Ģekli ................. 180 ġekil 8.78. Karakaya Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme değerleri ............. 181
ġekil 8.79. Gezende barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme değerleri ............... 181 ġekil 8.80. Karakaya Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme Ģekli ................... 182
ġekil 8.81. Gezende barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme Ģekli ..................... 183 ġekil 8.82. Sır Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme değerleri ....................... 184 ġekil 8.83. Berke Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme değerleri .................. 184
xiv
ġekil 8.84. Sır Baraj zemin rezervuar sisteminin gerilme Ģekli ............................... 185
ġekil 8.85. Berke Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme Ģekli ......................... 186 ġekil 8.86. Ermenek Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme değerleri.............. 187 ġekil 8.87. Deriner Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme değerleri ................ 187 ġekil 8.88. Ermenek Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme Ģekli .................... 188 ġekil 8.89. Deriner Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme Ģekli ...................... 189
ġekil 8.90. Tüm zemin sınıfları için su etkisi dikkate alınmadan elde edilen X yönü
kırılganlık eğrileri ................................................................................... 191 ġekil 8.91. Tüm zemin sınıfları için su etkisi dikkate alınmadan elde edilen Y yönü
kırılganlık eğrileri ................................................................................... 192 ġekil 8.92. Tüm zemin sınıfları için su etkisi dikkate alınarak elde edilen X yönü
kırılganlık eğrileri ................................................................................... 193 ġekil 8.93. Tüm zemin sınıfları için su etkisi dikkate alınarak elde edilen Y yönü
kırılganlık eğrileri ................................................................................... 194
ġekil 8.94. Gökçekaya Barajı güçlendirme öncesi ve sonrası yer değiĢtirme değerleri
.................................................................................................................................. 195 ġekil 8.95. Oymapınar Barajı güçlendirme öncesi ve sonrası yer değiĢtirme değerleri
.................................................................................................................................. 196
ġekil 8.96. Karakaya Barajı güçlendirme öncesi ve sonrası yer değiĢtirme değerleri
.................................................................................................................................. 196
ġekil 8.97. Gezende Barajı güçlendirme öncesi ve sonrası yer değiĢtirme değerleri
.................................................................................................................................. 197
ġekil 8.98. Berke Barajı güçlendirme öncesi ve sonrası yer değiĢtirme değerleri ... 197 ġekil 8.99. Sır Barajı güçlendirme öncesi ve sonrası yer değiĢtirme değerleri........ 198
ġekil 8.100. Ermenek Barajı güçlendirme öncesi ve sonrası yer değiĢtirme değerleri
.................................................................................................................................. 198 ġekil 8.101. Deriner Barajı güçlendirme öncesi ve sonrası yer değiĢtirme değerleri
.................................................................................................................................. 199
xv
TABLOLAR DĠZĠNĠ
Tablo 1.1. Kalınlıklarına göre kemer baraj tipleri........................................................ 6 Tablo 3.1. Sonlu elemanlar çözüm yöntemi...............................................................31
Tablo 3.2. Sonlu elemanlar yönteminde yapılan kabuller..........................................31
Tablo 3.3. Türkiye‟deki kemer barajlar ve özellikleri ............................................... 47
Tablo 3.4. Barajlara ait malzeme özellikleri .............................................................. 47
Tablo 4.1. A zemin sınıfına ait deprem verileri …………………………………….56
Tablo 4.2. B zemin sınıfına ait deprem verileri ......................................................... 57
Tablo 4.3. C zemin sınıfına ait deprem verileri ......................................................... 58
Tablo 5.1. Yapı zemin rezervuar analizlerinde kullanılan depremlerin özellikleri....68
Tablo 5.2. Gökçekaya Barajı zemin özellikleri .......................................................... 69 Tablo 5.3. Oymapınar Barajı zemin özellikleri .......................................................... 70 Tablo 5.4. Karakaya Barajı zemin malzeme özellikleri ............................................. 71 Tablo 5.5. Gezende Barajı zemin malzeme özellikleri .............................................. 72 Tablo 5.6. Sır Barajı zemin malzeme özellikleri........................................................ 73
Tablo 5.7. Berke Barajı‟na ait zemin malzeme özellikleri......................................... 74 Tablo 5.8. Ermenek Barajı zemin malzeme özellikleri .............................................. 75 Tablo 5.9. Deriner Barajı zemin özellikleri ............................................................... 76 Tablo 6.1. ßH Hedef güvenilirlik indisleri…………………………………………..81
Tablo 6.2. Yapılar için limit durum olasılığı risk seviyeleri ...................................... 82
Tablo 6.3. Kırılganlık analizi uygulama adımları..................................................88
Tablo 7.1. Dinamik yükleme grupları kabul edilebilir sınırlar ve güvenlik faktörleri
……………………………………………………………………………….92
Tablo 7.2. Statik yükleme grupları kabul edilebilir sınırlar ve güvenlik faktörleri .. 92 Tablo 7.3. Güçlendirilen barajlara uygulanan deprem verileri .................................. 95
1
1. GĠRĠġ
Türkiye, mevcut su potansiyeli ile zengin bir ülke olup, çok sayıda baraja sahiptir.
Mevcut barajlar, taĢkın kontrolü, elektrik enerjisi üretimi, iklim düzenlenmesi,
erozyonun önlenmesi, su biriktirilmesi, sulama, içme, kullanma suyunun temini gibi
amaçlar için kullanılmaktadır. Toplumun temel ihtiyaçlarının karĢılanması ve
standartlarının yükseltilmesi yönündeki katkıları olcukça büyüktür. Mevcut
barajların Türkiye ekonomisinde önemli bir yeri vardır. Dolayısıyla, olası bir deprem
sonunda barajların hasar görmeleri, büyük kayıplar doğurabilir (Muvafık, 1993).
Sıradan mühendislik yapıları olmayan barajların güvenliği oldukça önemlidir.
Bu tez çalıĢmasında, bu noktadan hareketle, Türkiye‟de 2011 yılı itibarıyla mevcut
olan tüm kemer barajlar ele alınarak, bu barajların sismik risk değerlendirilmesinin
gerçekleĢtirilmesi amaçlanmıĢtır. Bu amaç doğrultusunda, farklı uygulamalarla
mevcut kemer barajların değerlendirilmesi ve güçlendirilmesi tez kapsamında
gerçekleĢtirilmiĢtir. Ġlk olarak, Türkiye‟deki mevcut kemer barajlar; Gökçekaya,
Karakaya, Gezende, Sır, Berke, Oymapınar, Ermenek ve Deriner Barajları detaylı
olarak incelenmiĢ ve analiz verileri DSĠ‟den elde edilmiĢtir. Barajlar SAP2000 ve
ANSYS sonlu elemanlar programları kullanılarak katı modelleme ile modellenmiĢ ve
zaman tanım alanında dinamik analizleri gerçekleĢtirilmiĢtir. Her baraja A, B ve C
zemin sınıflarına ait yirmiĢer olmak üzere, toplamda altmıĢ deprem ivme kaydı
uygulanmıĢtır. Barajların boĢ ve dolu durumları için yer değiĢtirme, gerilme ve taban
kesme kuvveti değerleri elde edilerek bu değerler karĢılaĢtırılmıĢtır. Baraj-zemin-
rezervuar sisteminin deprem etkisi altındaki davranıĢlarını incelemek için bu
sistemler de ele alınmıĢtır. Zeminlerin gerçek malzeme özellikleri programlarda
girilerek zorlu bir modelleme gerçekleĢtirilmiĢtir. Aynı Ģekilde, her model için
zaman tanım alanında dinamik analizler gerçekleĢtirimiĢtir. Ardından, sismik riskin
olasılıklı olarak değerlendirilmesi için, kırılganlık analizleri gerçekleĢtirilmiĢ ve bu
analizler sonucunda elde edilen kırılganlık eğrileriyle barajların sismik riski olasılıklı
olarak ifade edilmiĢtir. Son olarak mevcut barajlar için geliĢtirilmiĢ olan
uygulanabilir nitelikte bir güçlendirme yöntemi sunulmuĢtur. Güçlendirme
yönteminin etkinliğinin belirlenmesi amacıyla zaman tanım alanında dinamik
analizler gerçekleĢtirilmiĢtir.
2
Tez çalıĢması toplamda dokuz bölümden oluĢmaktadır. Ġlk bölüm giriĢ bölümü olup
bu bölümde konunun önemi, gerekli bilgiler, amaç ve kapsam verilmiĢtir. Ġkinci
bölümde literatür taraması gerçekleĢtirilmiĢ ve çalıĢmaya temel olan kaynak özetleri
sunulmuĢtur. Üçüncü bölümde barajlar sırasıyla tanıtılmıĢ ve sonlu elemanlar
yöntemi hesap adımları, yöntem ve analiz kabulleri sunulmuĢtur. Dördüncü bölümde,
zaman tanım alanı yönteminden bahsedilmiĢ, ardından, çalıĢma kapsamında
gerçekleĢtirilen dinamik analiz verilmiĢ ve analizde kullanılan SAP2000 ve ANSYS
programları ile hazırlanan katı modellemeler anlatılmıĢtır. BeĢinci bölümde baraj
rezervuar zemin etkileĢimi sunulmuĢtur. Tüm barajlar, zemin etkileri de dikkate
alınarak modellenerek, yapı-zemin-rezervuar etkileĢimi irdelenmiĢtir. Altıncı
bölümde barajlara ait olasılıklı sismik riski ifade etmek için kırılganlık analizleri
verilmiĢtir. Yedinci bölümde barajların güçlendirilmesi için bir yöntem sunulmuĢ ve
bu yöntemin ayrıntıları bu bölüm kapsamında ele alınmıĢtır. Sekizinci bölümde
araĢtırma bulguları verilmiĢ, elde edilen analiz sonuçları değerlendirilmiĢtir. Önceki
bölümlerde verilen analizlerin sonuçları bu bölümde karĢılaĢtırmalı olarak
verilmiĢtir. Dokuzuncu bölümde de sonuçlar verilmiĢtir. ġekil 1.1‟de tez
çalıĢmasının akıĢ Ģeması verilmiĢtir.
ġekil 1.1. Tez çalıĢması akıĢ Ģeması
1.1. Kemer Barajların Genel Özellikleri
Barajlar, gövde Ģekillerine göre, dolgu ve beton barajlar olmak üzere ikiye
ayrılmaktadır. Dolgu barajlar; toprak dolgu barajlar, kaya dolgu barajlar ve ön yüzü
beton kaplı kaya dolgu barajlar olarak sınıflandırılır. Beton barajlar ise; beton ağırlık
barajlar, payandalı beton barajlar, beton kemer barajlar ve silindirle sıkıĢtırılmıĢ
beton barajlar Ģeklinde sınıflandırılır (Tunç ve Ġrtem, 2006).
Barajlarin Sismik Analizi
Yapı-Zemin-Rezervuar Etkileşimi
Olasılıklı Sismik Risk Analizi
Barajların Güçlendirilmesi
3
Türkiye‟deki mevcut barajların büyük kısmını toprak dolgu tipindeki barajlar
oluĢturmaktadır. Sıralamada toprak dolgu barajların arkasından kaya dolgu tipindeki
barajlar gelmektedir. Türkiye‟deki mevcut barajların küçük bir kısımını kemer
barajlar oluĢturmaktadır. Türkiye‟de 2011 yılı itibariyle toplam sekiz kemer baraj
bulunmaktadır. Bu barajların içinde Deriner Barajı gövde yüksekliği açısından
dünyadaki yüksek barajlar arasındadır. Kemer barajlar mevcut barajlar içinde az
sayıda olmalarına rağmen ekonomik değerleri açısından oldukça önemlidir. Su
yükünü kemer etkisi ile yamaçlara aktararak ağırlık barajlarına göre önemli derecede
beton tasarrufu sağlamakta ve barajın yapılacağı coğrafyaya uygun olarak, narin kesit
avantajı da sunmaktadır. Kemer barajlar genellikle vadi Ģeklinin ve temel zeminin
uygun olduğu yerlerde daha fazla su enerjisinden yararlanmak için yapılmaktadır.
Ekonomik olmaları, kemer barajların önemli avantajlarındandır (Ülker ve SavaĢ,
2006). Ancak, analizlerinin çok karmaĢık olması, özel yapım tekniklerinin
kullanımına ihtiyaç duyulması ve inĢasının zaman alması kemer barajların
Türkiye‟de az olmasının baĢlıca nedenlerindendir (Fanelli ve Alberto, 1992).
Beton ağırlık barajları, bütün yükleri kendi ağırlıkları ile taĢırken, kemer barajlar
kendi ağırlıklarını ve dıĢ yükleri, kemer etkisiyle vadi yamaçlarına aktarmaktadır. Bu
nedenle kemer barajın inĢa edileceği vadi bu yükleri taĢıyabilecek dayanımda
olmalıdır. Kemer barajların inĢa edildiği vadiler, simetrik ve simetrik olmayan
vadiler olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Ancak, genellikle, baraj inĢa sahaları
simetrik olmamaktadır. Simetrik olmayan vadilerde inĢa edilen barajlarda anahtar
kesitin bir tarafında diğer tarafına göre daha uzun kemerler oluĢmaktadır. Bu tür
vadilerde bir kemer barajın her kenarı için bir referans düzlemi oluĢmaktadır. Dik
vadi yamaçları olması durumunda ise, kısa kenarlar ve kısa yarıçapı olan referans
düzlemleri oluĢmakta ve bu da barajlarda kemer etkisini arttırmaktadır. Uzun
kenarlar ise, barajlarda kemer etkisini azaltarak kemerin mesnetlere doğru
kalınlaĢmasını sağlamaktadır. Bu durumlarda, en büyük yer değiĢtirmeler, anahtar
kesitte değil, kemerlerin orta noktasına doğru olmaktadır. Simetrik olmayan
vadilerde, baraj, her kenarı için farklı eksen yarıçapına sahip olur. Bu nedenle, eksen
yarıçapları, her kenar için farklı uzunluğa sahiptir (Dumanoğlu ve Akköse, 2001).
4
Kemer barajlar, kret uzunluğu baraj yüksekliğinin altı ile on katını geçmeyecek
Ģekilde dar olan vadilerde inĢa edilmektedir. Bununla birlikte kemer kalınlığı
yüksekliğin % 60‟ından daha küçük olmalıdır (ErtaĢ, 1987). Kret uzunluğunun
yüksekliğine oranı üç veya daha az olmalıdır. Kret uzunluğunun yüksekliğine
oranının üç ile altı arasında olması durumunda, zemin kazısı yapılarak sağlam
zemine ulaĢılmakta ve buna uygun bir kemer baraj inĢa edilmektedir. Kret
uzunluğunun yüksekliğe oranının altıdan büyük olması halinde ise, baraj yeri
seçiminde özenli bir çalıĢma yapılmalıdır. Bu çalıĢma sonuçlarına göre geniĢ
vadilerde kemer baraj yapılabilir kararı alınabilir (Dumanoğlu ve Akköse, 2001).
Dar V tipi vadiler, kret uzunluğunun yüksekliğe oranı iki veya daha az olan
barajların inĢa edildiği vadilerdir. Bu tip vadilerin yamaçları genelde düz olmakta
nehir yatağına doğru birbirine yaklaĢmaktadır. Bu vadi tipi baraj üzerine gelen yükü
büyük oranda kemer etkisi ile yamaçlara aktarmaktadır. Bu nedenle V tipi vadiler,
kemer barajlar için en çok tercih edilen vadi tipidir. Kemerlerde aĢırı derecede çekme
gerilmesi olması istenmez. Bu nedenle baraj mümkün olduğunca fazla eğrilik
meydana getirecek Ģekilde olmalıdır. DüĢük seviyeli kemerlerde eğriliği artırmak
için dairesel yay merkezlerinin yerini değiĢtirerek kemer kalınlığı artırılabilir. GeniĢ
V tipi vadi, kret uzunluğunun yüksekliğe oranının beĢ veya daha fazla olduğu
barajların inĢa edildiği vadi tipidir. Kemer barajlarda bu oran en fazla on olmaktadır.
Bu tip vadilerin yamaçları çok dalgalı ya da çok belirgindir. Kemerlerin kalınlığı
yamaçlara doğru artarak doğrusal Ģekile gelebilir. Dar V tip vadilere kıyasla, bu tip
vadilerin kemer kalınlığı daha fazladır (Dumanoğlu ve Akköse, 2001). Dar U tipi
vadilerde ise, 0.25H yüksekliğinden fazla olan barajlarda yükün çoğu kemer etkisi ile
yamaca aktarılmaktadır. 0.25H yüksekliğinden az olan barajlarda ise, yükler konsol
etkisi ile en yakın noktaya aktarılmaktadır. Bu tür vadilerde kemerler uzun olmakta,
konsollar ise kısa ve kalın olmaktadır. Kemerler üst kısımlarda doğrusal kalınlıklı
olmakta, alt kısımlara doğru ise değiĢken kalınlıkta olmaktadır. Kemerler, vadinin
dar olması nedeniyle ince olmaktadır ve aĢağı kesimlerdeki kemerler kret yaklaĢtıkça
hemen hemen aynı uzunlukta olmaktadır (Dumanoğlu ve Akköse, 2001).
5
1.2. Kemer Baraj Geometrisi
Kemer Barajların geometrilerinin doğru ifade edilmesi ve analizlerde gerçek
geometrilerinin kullanılması gerçekçi sonuçların elde edilmesi açısından önemlidir.
Kemer barajlar, geometrik Ģekillerinden ötürü, en az çekme gerilmelerine maruz
kalacak Ģekilde, mevcut su yüklerini ve zati yükleri zemine aktarmayı sağlayan su
yapılarıdır. Deprem gibi dinamik yüklemeler ve bu yüklemeler altında yapıda
meydana gelecek doğrusal olmayan davranıĢlar, kemer özelliğinin tersi bir davranıĢ
etkisi oluĢturabilir. Yapının gerçek davranıĢını ifade edebilmek için geometrinin
mevcut yüklemeler altında geometrinin hesaplanması gerekir (Ülker ve SavaĢ, 2006).
Kemer barajların tasarımının zorluğu ve zaman alıcılığı, yaklaĢım karmaĢıklığını da
beraberinde getirir. Günümüzde kemer barajların tasarımında en çok kullanılan
yaklaĢımlardan biri, deneme ve yanılma yaklaĢımıdır. Bu yaklaĢım ile tasarımcı,
analize baĢlarken bir baĢlangıç Ģeması verir ve daha sonra analiz baĢlatılır. Eğer,
istenen tasarım özellikleri karĢılanırsa Ģema uygulanır. Aksi taktirde, barajın Ģekli
değiĢtirilerek, analize yeniden baĢlanır. Baraj Ģekli bu yaklaĢımla belirlenir. En iyi
Ģekil, birkaç Ģema ile oluĢur ve aralarından biri seçilerek analiz sonlandırılır. Seçilen
Ģemada, baĢlangıçtaki ilk adımlarda, gerekli analiz boyutları elde edilemez ve bu da
hesaplama zamanın uzamasına neden olur (Ülker ve SavaĢ, 2006).
Kemer barajlar kalınlıklarına, anahtar kesitine, simetrik olup olmamasına, memba ve
mansap yüzey eğriliklerinin karakteristiklerine bağlı olarak sınıflandırılmaktadır
(Ivan ve Roman, 1984). Ayrıca, kemer barajlar tasarlanırlarken tek ve çift eğrilikli
olmak üzere iki Ģekilde tasarlanırlar. Tek eğrilikli kemer barajlar planda eğriliğe
sahip olup, konsollar, yani düĢey kesitler düĢey veya doğru eğimli yüzeylere sahiptir.
Çift eğrilikli kemer barajlar ise plan ve yükseklik boyunca eğriliğe sahiptir. Çift
eğrilikli kemer barajlar, beton miktarları bakımından da tek eğrilikli kemer barajlara
göre daha avantajlıdır (Dumanoğlu ve Akköse, 2001). Bu durumda, sabit, değiĢken
merkezli ve değiĢken merkezli olmak üzere üç farklı kemer geometrisinden
sözedilebilir.
6
Sabit merkezli kemer barajlar merkezleri sabit bir noktada olan ve merkez açısı
değiĢen barajlardır. Bu barajlara, sabit yarıçaplı baraj da denilmektedir. DeğiĢken
merkezli sabit yarıçaplı kemer barajlar ise, merkez açısı 133o değerinde olan ve sabit
tutulan barajlardır. Bu barajlara, değiĢken yarıçaplı barajlar da denilmektedir. Bu tip
barajların, V Ģeklindeki dar vadilerde inĢa edilmesi daha uygundur. DeğiĢken
merkezli, değiĢken açılı çift eğrilikli kemer barajlara topografik koĢullar merkez
açısını sabit tutmaya elveriĢli olmadığı için, uygulamada sıklıkla rastlanmaktadır.
ġekil 1.2‟de sabit ve değiĢken merkezli kemer baraj görünümü verilmiĢtir (ÖziĢ
1993, Benli 1996). Kemer barajlar kalınlıklarına göre, ince kemer, orta kalınlıklı
kemer ve kalın ağırlık kemer olarak da sınıflandırılabilir. Tepe kalınlığının (TC) ve
taban kalınlığının (TB) yüksekliğe oranı ile tanımlanan kemer baraj tipleri Tablo
1.1‟de detaylı olarak ifadelendirilmiĢtir (Ağıralioğlu, 2005).
Tablo 1.1. Kalınlıklarına göre kemer baraj tipleri
Kemer Baraj Tipi TC / H TB / H TB / TC
Ġnce kemer 0.025-0.05 0.09-0.25 2.9-5
Orta kalınlıklı
Kemer
0.025-0.05 0.25-0.4 5-10
Kalın ağırlık kemer 0.05-0.1 0.5-1 8-15
100.140° µ
(0.2-0.5)H
133° H
(0.1-0.3)H
(a) Plan (b) Kesit (c) Plan (d) Kesit
ġekil 1.2. Sabit ve değiĢken merkezli kemer baraj
7
1.3. Kemer Barajlara Etki Eden Kuvvetler
Kemer barajlara etki eden kuvvetler, statik ve dinamik kuvvetler olmak üzere ikiye
ayrılır. Statik kuvvetler; barajın kendi ağırlığı ve su etkisidir. Dinamik kuvvetler ise;
deprem kuvveti ve su etkisinden gelen kuvvetlerdir. Barajın kendi ağırlığı, beton ve
barajdaki ek yapıların ağırlığından oluĢan yüktür. Baraj betonunda kullanılan
betonun birim hacim ağırlığı 24~25 kN/m3‟dür. Barajın statik analizinde barajın
kendi ağırlığından meydana gelen bileĢke statik kuvvet baraj ağırlık merkezine etki
etmektedir. Rezervuarda bulunan suyun itkisi ve ağırlığı hidrostatik basınç
kuvvetlerini oluĢturmaktadır ve aynı zamanda rezervuar seviyesindeki değiĢime de
bağlıdır. Suyun birim hacim ağırlığı 10 kN/m3 olarak alınmaktadır. ġekil 1.3‟de çift
eğrilikli kemer barajlara etki eden yatay hidrostatik su basıncı gösterilmektedir
(Akköse, 1997). Su itkisi ise Denklem (1.1)‟de verildiği gibi hesaplanmaktadır.
P=γw.H.A/2 (1.1)
Burada, P: bileĢke kuvvet; γw: suyun birim hacim ağırlığı; H: su yüksekliği; A: baraj
memba yüzey alanını ifade etmektedir.
ġekil 1.3. Kemer barajlara etki eden hidrostatik su kuvvetleri
Barajlar su tutan yapılar olmaları nedeniyle, sıvı-yapı etkileĢiminde bulunan
yapılardır. Deprem gibi dinamik bir etki söz konusu olduğunda yapı ve sıvı
birbirlerini önemli ölçüde etkiler. Rezervuar baraj etkileĢimi ile ilgili geliĢtirilen üç
8
yöntem mevcuttur. Bunlar; Euler yaklaĢımı, Lagrange yaklaĢımı ve kütle ekleme
yaklaĢımıdır. Euler yaklaĢımında, baraj davranıĢı, yer değiĢtirmeler, sıvının davranıĢı
ise basınçlar olarak ifade edilmektedir. Sıvı yapı ara yüzeylerinde ara yüzey
denklemleri kullanılmaktadır. Lagrange yaklaĢımında; baraj ve rezervuar yer
değiĢtirme cinsinden ifade edilmektedir. Baraj ve rezervuarda kullanılan değiĢken
aynı olduğu için ara yüzey denklemlerine ihtiyaç yoktur (Bayraktar, 1991).
Kütle ekleme yöntemi ilk olarak Westergard tarafından geliĢtirilmiĢtir (Westergard,
1933). Westergard barajın rijit ve sonsuz uzunlukta olup rezervuarın memba
doğrultusunda sonsuza uzandığını, suyun sıkıĢmaz olduğunu ve sıvı yüzey
dalgalarının oluĢmadığını kabul etmiĢtir (Westergard, 1933). Bu yaklaĢımda deprem
etkisinde oluĢan hidrodinamik etki barajla beraber titreĢen kütle olarak göz önüne
alınmaktadır. Kütle dağılımı tekil kütleler olarak baraj memba yüzeyindeki düğüm
noktalarının kütlelerine eklenerek rezervuarın hidrodinamik etkisi elde edilmektedir.
Tekil kütleler Denklem (1.2)‟de verildiği gibi hesaplanmaktadır.
m(z)=7/8*(w/g)√Hz (1.2)
Burada, m(z): Rezervuara bağlı kütle dağılımı, w: Suyun birim hacim ağırlığı, g:
Yerçekimi ivmesi, H: Rezervuar derinliği, z: Su yüzeyinden itibaren su derinliğidir.
Kemer barajlar gibi eğri yüzeye sahip yapılarda, Westergard bağıntısı ile elde edilen
tekil kütlenin ekleneceği düğüm noktasındaki baraj memba yüzey normali ile deprem
doğrultusu arasındaki açı analizlerde dikkate alınmalıdır (Westergard, 1933). Ayrıca,
yapı serbestlik dereceleri X, Y, Z yönlerinde dikkate alınırken deprem hareketi c
yönünde dikkate alınmaktadır. Su yüzeyinden itibaren Z kadar derinlikte X, Y, Z
yapı serbestlik derecelerine eklenmesi gereken kütleler Denklem (1.3) ve (1.4)‟de
gösterildiği Ģekilde ifade edilebilir (Priscu vd., 1985). Barajlarda, yapının sıvıya;
sıvının da yapıya katkısı önemlidir (Calayır ve Karaton, 2002a; Bayraktar vd., 2007).
ġekil 1.4‟de Westergard yaklaĢımındaki su kütlesinin derinliğiyle değiĢimi ve
hidrodinamik basınç kuvvetleri görülmektedir (Akköse, 1997).
9
mh
cxi = mhni e1; m
hcyi = m
hni e2; m
hczi = m
hni e3 (1.3)
e1= cosθcosα; e2= cosθcosβ; e3= cosθcosγ (1.4)
Burada; mh
ni ; Bu terim i düğüm noktasına eklenen kütlenin değerini göstermektedir.
mh
cxi; c yönünde meydana gelen depremden X yönünde eklenecek virtüel kütle;
mh
cyi; c yönünde meydana gelen depremden Y yönünde eklenecek virtüel kütle;
mh
czi; c yönünde meydana gelen depremden Z yönünde eklenecek virtüel kütledir.
H
Z
m(Z)
ġekil 1.4. Hidrodinamik basınç kuvveti
1.4. Yapı Zemin EtkileĢimi
Bir kemer baraj, baraj rezervuar ve deprem etkisi gibi yükleri karĢılayabilmek için
yeterli dayanıklılığa sahip zemin üzerine inĢa edilmelidir. Kemer barajlarda baraj ve
zeminin etkileĢim bölgesi diğer tür barajlara göre daha küçük olduğundan temelde
daha büyük basınç taĢımaya çalıĢmaktadır. Bir ağırlık barajından gelen yükü
taĢıyabilecek yeterlikteki basınç gerilmesine sahip bir zemin kemer baraj içinde
yeterli olmaktadır (Dumanoğlu ve Akköse, 2001).
Zeminin rijit olarak analizlere dahil edilmesi en çok karĢılaĢılan yaklaĢım olmakla
birlikte, baraj-zemin etkileĢim problemlerinin çözümlerinde kolaylık sağlamaktadır.
Baraj yapısının sert zeminlere oturması halinde, zeminin rijit olarak kabul edilmesi
uygun çözümler sağlayabilir. Ancak, zemin mukavemetinin düĢük olması halinde,
zeminin rijit kabul edilmesi yanlıĢ sonuçlar doğurabilir (Ülker ve SavaĢ, 2006).
10
Yapı zemin etkileĢimi ile ilgili ilk çalıĢmalar 1904 yıllarında Lamb tarafından
yapılmıĢtır (Filho vd., 1997; Livaoğlu, 2005). Bu çalıĢmanın etkisiyle Reissner,
1936‟da elastik homojen ve izotrop yarısonsuz ortam üzerinde bulunan dairesel rijit
temel sisteminin harmonik yükleme altındaki davranıĢını incelemiĢtir (Filho vd.,
1997; Reissner, 1936). 1970‟lerin baĢlarında ağır ve rijit yapılar için yapı zemin
etkileĢimi incelenmiĢtir (Youssef, 1998; Halbritter vd., 1998). Yapı, dıĢ yükleri
temelleri aracılığı ile zemine aktarmaktadır. Mesnet çökmeleri ve sismik yer
hareketleri nedeniyle oluĢan etkiler temel vasıtasıyla zeminden yapıya iletilmektedir.
Zeminin davranıĢı üst yapının davraĢını etkilemektedir. Bu durumda, barajların statik
ve dinamik yükler altında gerçek davranıĢının bilinmesi gereklidir (Livaoğlu, 2005).
Birçok heterojen malzeme gibi, zemin de çok karmaĢık mekanik özelliklere sahiptir.
Yükleme türüne göre zeminin mekanik özellikleri farklılık göstermektedir. Zemin,
doğal durumda üç eksenli basınç etkisindedir. Zeminin bu durumdaki dayanım, Ģekil
değiĢtirme özelliklerinin belirlenmesi zeminin davranıĢının bilinmesi açısından
oldukça önem taĢımaktadır. Zeminin kesme dayanımı ve birim Ģekil değiĢtirme
iliĢkisi en önemli mekanik özelliğidir. Bu nedenle zeminlerin davranıĢları kesme
dayanımlarına bağlıdır (Kramer, 1996). Zeminin mekanik özellikleri dikkate
alınırken boĢluk suyu basıncı, zeminin boĢluk oranı, doygunluk derecesi gibi
özellikler dikkate alınmalıdır. Zeminin dinamik özelliğini belirlemek oldukça zordur.
Statik durumda bile heterojen bir malzeme olan zeminin davranıĢının birçok
parametreye sahip olduğundan mekanik özelliklerinin belirlenmesi oldukça
karmaĢık olmasına rağmen deprem etkisinde özelliklerin belirlenmesi daha zordur.
Deprem etkisinde kalmıĢ olan yapıların hasar durumları incelendiğinde hasarların
nedenlerinden en önemlisinin tekrarlı ve dinamik yükler etkisinde kalmıĢ zemin
olduğu görülmektedir (Kramer, 1996). Zemin, farklı özellikteki yüklemelere farklı
tepkiler vermektedir. Bu durumda zeminlerin özellik ve davranıĢlarının
belirlenmesine çok dikkat etmek gereklidir. Elastisite modülü zeminlerin küçük ve
büyük Ģekil değiĢtirmeler etkisinde kalmasında oldukça etkilidir.
11
1.5. Statik ve Dinamik EtkileĢim
Yapı mekaniği problemlerinde doğrusal olmama nedenlerinden en önemlileri,
malzeme davranıĢından ve geometrisinden meydana gelen doğrusal olmayan
davranıĢtır (Karaton, 1998). ġekil 1.5‟de gösterildiği gibi, mekanik problemleri üç
aĢamadan oluĢmaktadır. Bu aĢamalar; denge koĢulunun sağlanması, uygunluk
koĢulunun sağlanması, malzemeler için gerilme Ģekil değiĢtirme iliĢkisinin
sağlanması Ģeklindedir. Ġlk iki aĢama, malzeme davranıĢı bakımından bağımsızdır.
Üçüncü aĢamada ise malzeme özelliği dikkate alınmaktadır. Malzeme davranıĢının
gerçekçi modellenmesi çözümü doğruluk oranını artırmaktadır. Bu bakımdan
malzemenin gerilme Ģekil değiĢtirme eğrisi özelliği büyük önem taĢımaktadır
(Dumanoğlu ve Akköse, 2003).
ġekil 1.5. Statik ve dinamik etkileĢimdeki aĢamalar
12
2. KONU ĠLE ĠLGĠLĠ YAPILMIġ ÇALIġMALAR
Tez çalıĢmasının ikinci bölümü kapsamında, kemer barajlarla ilgili olarak literatürde
mevcut çalıĢmalardan kesitler sunulmuĢtur. Günümüzde, baraj yapılarının sismik
değerlendirme çalıĢmalarına ıĢık tutan oldukça önemli çalıĢmalar mevcuttur. Bu
çalıĢmalar, ġekil 2.1‟de de gösterildiği gibi, kemer barajlarla ilgili çeĢitli konuları
kapsamaktadır. Mevcut çalıĢamalar, gelecekte barajlarla ilgili yapılacak olan
çalıĢmalara da yön vermekte ve yol göstermektedir.
Bugüne kadar konuyla ilgili yapılmış olan çalışmalar özetlenerek sunulmuştur. Konuyla ilgili çalışmalar dört ana başlıktan seçilmiş ve detaylı bir çalışma gerçekleştirilmiştir.
ġekil 2.1. Tez çalıĢması ile ilgili yapılmıĢ çalıĢmalar
ġekil 2.2. Tez çalıĢmasının geliĢtirilmesi ve yapılan çalıĢmalar
Konunun Belirlenmesi
Sistematik YaklaĢım
Ġlgili Kaynakların belirlenmesi
Gelinen Noktanın Belirlenmesi
ÇalıĢma konusuyla mevcut duruma yenilik getirme
13
Tez çalıĢmasının geliĢtirilmesi sırasında sistematik bir yol izlenmiĢtir. Bu sistematik
çalıĢma sırasında, öncelikle konu belirlenmiĢ, akabinde ilgili kaynaklar belirlenerek,
bu kaynaklar temel alınmıĢ ve mevcut literatüre yapılan çalıĢmayla yenilik
getirilmesi amaçlanmıĢtır. ġekil 2.2‟de tez çalıĢmasında uygulanan yaklaĢım
sunulmuĢtur. Tez çalıĢmasında konunun teorik kısmına derinlemesine inilmiĢ ve
öncelikle, teorik olarak gerçekleĢtirilen çalıĢmalar irdelenmiĢtir. Bunun yanında çok
sayıda mevcut çalıĢma incelenmiĢ ve bu kaynaklar, çalıĢmanın geliĢtirilmesinde
kullanılmıĢtır.
Bu çalıĢmaların ilklerinden olan Chopra‟nın (1967) barajlar üzerine yapmıĢ olduğu
çalıĢması, barajların ve baraj rezervuar sisteminin deprem etkisindeki davranıĢını iki
farklı durumda ele almıĢtır. Deprem sırasındaki su basıncının sistem ile olan
etkileĢimini incelemiĢtir. El Centro (1940) deprem ivme kayıtlarını kullanarak
analizler yapmıĢ rezervuarın baraj sisteminde oldukça büyük etkiye sahip olduğunu
göstermiĢtir.
Chopra‟nın dahil olduğu, kemer barajlarla ilgili olan çeĢitli diğer çalıĢmalar da
literatürde mevcuttur (Hall ve Chopra 1980; 1983; Fok ve Chopra 1985; 1986; Tan
ve Chopra 1995; 1996). Bu çalıĢmalarda araĢtırmacılar, kemer barajlarda suyun
sıkıĢabilme özelliğinden faydalanarak, baraj zemin etkileĢimini, baraj-su etkileĢimini
ve deprem davranıĢını incelemiĢlerdir. Bu çalıĢmalar, baraj yapılarının deprem
davranıĢının su etkisinin de dikkate alınarak belirlenmesi açısından önem
taĢımaktadır.
Chopra‟nın gerçekleĢtirdiği diğer yayınlarda, beton ağırlık ve toprak dolgu barajlar
için geliĢtirilen analiz yöntemlerini kemer barajlara uygulamıĢlardır. ÇalıĢmalarda
baraj rezervuar sistemini modelleyerek suyun hidrodinamik basınç etkileri altındaki
deprem davranıĢlarını belirlemiĢler ve elde ettikleri değerleri önceki çalıĢmalarla
karĢılaĢtırmalı olarak incelemiĢlerdir. Oldukça baĢarılı sonuçlar elde ederek, kemer
barajların analizlerine önemli bir katkı sağlamıĢlardır (Hall ve Chopra 1982; 1983).
14
Fenves ve Chopra (1987), 1978 yılında geliĢtirilen iki aĢamalı bir analiz yöntemini
gerçekleĢtirdikleri çalıĢmada basitleĢtirmiĢlerdir. BasitleĢtirilmiĢ analizde, baraj su
etkileĢiminin dikkate alınması oldukça önemli bir geliĢme olarak kaydedilmiĢtir.
Ayrıca, analiz kapsamında suyun sıkıĢtırılabilirliğine ek olarak, baraj temel kayaç
etkileĢimi etkilerini de dikkate almıĢlardır. Bu basitleĢtirilmiĢ analiz yönteminin,
1978 yılında geliĢtirilen yaklaĢımın yerine kullanılmasını önermiĢlerdir.
Chen ve Hou (1987), kemer barajların, sismik yer hareketine karĢı davranıĢını
incelemiĢlerdir. ÇalıĢmada, rezervuar etkisi, kütle yaklaĢım modeli ile dikkate
alınmıĢtır. Ayrıca, rezervuar suyunun sıkıĢmaz olduğunu kabul etmiĢlerdir. Dik
doğrultuda yayılan deprem dalgasının etkisini, doğrusal yer hareketleriyle
karĢılaĢtırdıklarında en büyük gerilmelerde artıĢ meydana geldiğini
gözlemlemiĢlerdir.
Zengin (1991), çalıĢmasında Torul Beton Barajı‟nın statik ve dinamik davranıĢını
incelemiĢtir. Betonun doğrusal elastik davrandığını ve zeminin, rijit olduğunu kabul
etmiĢtir. Barajın iki boyutlu modelini yaparak, statik analizlerini yapmıĢtır. TitreĢim
frekansları ve modlarını belirleyerek, toplanmıĢ kütle ve basitleĢtirilmiĢ yöntemle
karĢılaĢtırmıĢtır.
Ahmadi ve Razavi (1992), kemer barajlarda statik yüklerden kaynaklanan çatlakları
düĢey bloklar arasında yüzey elemanı kullanarak incelemiĢlerdir. Analizler
sonucunda çift eğrilikli kemer barajlarda, barajın ağırlığı nedeniyle düĢey bloklar
arasındaki düğüm noktalarının açılmasından kaynaklanan radyal yöndeki yer
değiĢtirmelerin arttırdığını göstermiĢlerdir.
Muvafık (1993), çalıĢmasında Karakaya kemer Barajı‟nın statik ve dinamik
davranıĢını incelemiĢtir. Zemin etkisi de dikkate alınarak, çalıĢmada, boĢ ve dolu
durum için analizler yapılmıĢtır. Analizlerde El Centro depremi için Housner
tarafından geliĢtirilen ivme spektrumu kullanılmıĢtır. Su hesabında Westergaard‟ın
eklenmiĢ kütle yöntemi kullanılmıĢ ve gerilme değerleri de Muvafık tarafından elde
edilmiĢtir.
15
Fuh-Chen (1994), çalıĢmasında, ele aldığı bir barajın rezervuar sisteminin doğrusal
olmayan dinamik analizlerini yapmıĢtır. Baraj rezervuar sistemini, sonlu elemanlar
yöntemini kullanarak modellemiĢlerdir. Hidrodinamik basınçların etkisi ile baraj
mansap ve membasında yer ivmesi nedeniyle oluĢan sayısal sonuçları deneysel
sonuçlarla karĢılaĢtırmıĢtır.
Bayraktar (1995), çalıĢmasında, deprem etkisindeki baraj rezervuar temel sisteminin
dinamik analizini yapmıĢtır. Ġki boyutlu değiĢken düğüm noktalı, katı ve sıvı
modelleri için Lagrange yaklaĢımını kullanarak çeĢitli programlar oluĢturmuĢtur. Bu
programlar MULSAP isminde ana bir programa eklenerek dinamik analizler
gerçekleĢtirmiĢtir.
Bayraktar vd. (1996), bir beton ağırlık barajı olan Sarıyar Barajı‟nın baraj-rezervuar-
temel sistemlerinin dinamik analizini Lagrange yaklaĢımı ile yapmıĢlardır.
AraĢtırmacılar, Lagrange yaklaĢımına göre iki boyutlu katı ve sıvı elemanları
modellemiĢler ve değiĢen yer hareketi etkisi altında dinamik analizler
gerçekleĢtirmiĢlerdir. ÇalıĢmalarında kendileri tarafından geliĢtirilen MULSAP
programından yararlanmıĢlardır. Analizlerde 1992 Erzincan depremini uygulamıĢ,
analiz sonucunda elde ettikleri değerleri karĢılaĢtırmıĢlardır.
Benli (1996), çalıĢmasında ele aldığı iki ve üç boyutlu baraj modelini kabuk eleman
olarak modellemiĢtir. Statik analiz ve konsol kiriĢ yöntemini kullanarak barajın boĢ,
yarı dolu ve tam dolu durumları için analizler yapmıĢtır. Elde ettiği gerilme
değerlerini önceki çalıĢmalarla karĢılaĢtırmıĢtır.
Calayır vd. (1996), hem Euler hem de Lagrange yaklaĢımlarını kullanarak ağırlık
baraj-rezervuar sistemini iki boyutlu modelleyerek deprem analizi yapmıĢtır ve sıvı
sıkıĢma değiĢim etkilerinin modal davranıĢlarını incelemiĢlerdir. Bununla birlikte bir
baraj-rezervuar sisteminin deprem tepkisini Lagrange yaklaĢımı kullanarak
incelemiĢlerdir. Lagrange ve Euler yaklaĢımı sonucunda elde edilen değerleri
karĢılaĢtırmıĢlardır.
16
Akköse (1997), kemer barajların doğrusal ve doğrusal olmayan statik ve dinamik
analizini yapmıĢtır. ÇalıĢmasında iki boyutlu analizler için elasto plastik malzeme
modeli ve Drucker-Prager akma yüzeyi, üç boyutlu analizlerde ise eğri tanımlama
modeli kullanmıĢtır. Ġki boyutlu ve üç boyutlu modeller oluĢturarak, iki boyutlu
analizlerin yeterli olup olmadığını incelemiĢtir.
Hall (1998), çalıĢmasında, Los Angeles‟daki Pacoima kemer barajını kabuk eleman
olarak modellemiĢtir ve barajın sismik analizi için bir yaklaĢım sunmuĢtur.
Rezervuar temel yapı etkileĢimini, çatlak oluĢumunu, iç sıvı basıncını, kayma
gerilmelerini ölçmek için bir algoritma geliĢtirmiĢtir. Analizler sonucunda kemer
barajlarda yer sarsıntısı sırasında büyük çatlakların olduğunu gözlemlemiĢtir.
Hudnut (1998) da çalıĢmasında, Los Angeles‟daki Pacoima barajını ele almıĢtır.
ÇalıĢmasında, plak tektonik hareketlerini ölçmede kullanılan farklı bir yöntem
kullanarak Ģekil değiĢtirmeleri deneysel olarak belirlemiĢtir. Günlük bölgesel sıcaklık
kayıtlarını kullanarak yıllık ve kısa periyotlu sıcaklık değiĢimleri etkisi altındaki yapı
davranıĢını incelemiĢtir. Zamana bağlı spektral analizler gerçekleĢtirerek, yer
değiĢtirme değerlerini belirlemiĢtir.
Szczesiak vd. (1999), çalıĢmalarında dalga yayılımı ve deprem analizlerinin kemer
barajların dayanımlarının belirlenmesinde oldukça önemli olduğunu belirtmiĢlerdir.
Ġki boyutlu dalga yayılma analizinin üç boyutlu temel baraj analizinin girdisi olarak
nasıl elde edilebileceğini göstermiĢlerdir. Yayılma hareketinin hesabı için yeni bir
yöntem geliĢtirmiĢlerdir. Yöntemi doğrulamak için de çeĢitli örnekler üzerinde farklı
çözümlemeler sunmuĢlardır.
Ohmachi ve Jalali (1999), kemer barajların yakın fay yer hareketi altındaki doğrusal
dinamik davranıĢlarını araĢtırmıĢlardır. ÇalıĢmada örnek olarak Amerika‟da 1967
yılında inĢa edilen Morrow Point Kemer Barajını seçmiĢlerdir. Bu barajı, kabuk
elemanlarla modellemiĢ ve 1994 Northridge Depremi ivme kayıtlarını kullanılarak
analiz ederek detaylı bir araĢtırma yapmıĢlardır.
17
Camara (2000), kemer baraj-rezervuar-temel sistemlerinin sismik davranıĢını
belirlemek için bir yöntem geliĢtirmiĢtir. AraĢtırmacı, ele aldığı barajı kendisi
tarafından geliĢtirilen bir yöntem kullanarak sonlu elemanlarla, rezervuar ve temel
sınır elemanlar kullanarak incelemiĢtir. Camara, gerçekleĢtirdiği analizler sonucunda
baraj üzerindeki dinamik etkileri incelemiĢtir.
Mojtahedi (2000), çalıĢmasında, Los Angeles‟daki Pacoima baraj gövdesine
yerleĢtirilen ivme ölçerler ile 1994 Northridge depremi sırasında ölçülen deprem
kayıtlarını elde ederek sismik analizler gerçekleĢtirmiĢtir. Barajın matematik
modelini ve baraj temel ara yüzeyinde bir varsayım yaparak, barajın deprem etkisi
altındaki davranıĢını incelenmiĢtir. Mojtahedi, çalıĢması kapsamında elde ettiği
model analizi sonuç değerleri ile barajda ölçülen değerler arasında farklılıklar
gözlemlemiĢlerdir.
Nasserzare vd. (2000), gerçekleĢtirdikleri çalıĢma kapsamında geliĢtirdikleri yeni ve
uygulanabilir olan bir yöntem ile, rezervuarı kısmi dolu olan kemer barajın titreĢim
verilerinden yararlanarak hidrodinamik etkiler altındaki doğal frekansı ve modları
belirlemiĢ, ve rezervuarın hidrodinamik basıncını da sınır eleman yöntemini
kullanarak incelemiĢlerdir.
Ahmadi vd. (2001), kemer baraj-rezervuar sistemlerinin sonlu eleman analizleri için
doğrusal olmayan malzeme modelleri geliĢtirmiĢlerdir. Analizlerde deprem
dalgalarını ve suyun sıkıĢabilirliğini dikkate almıĢlardır. Deprem bölgelerindeki
kemer barajların güvenliği için bu modelin kullanılabilir olduğunu çalıĢmalarının
sonuçlarında vurgulamıĢlardır.
Chuhan vd. (2001), sonlu eleman yöntemine dayalı geliĢtirdikleri yaklaĢımı iki farklı
kemer baraj modelinde uygulayarak, çeĢitli analizler yapmıĢlardır. Analizlerinde
farklı yapısal katsayıları kullanarak kemer baraj-rezervuar etkileĢimini
değerlendirmiĢlerdir. Suyun sıkıĢabilirlik etkisini dikkate almıĢ ve yansıma
katsayılarındaki değiĢimi araĢtırmıĢlardır.
18
Hancer vd. (2001), Sarıyar barajını ele almıĢlar, bu baraj üzerinde, rezervuar zemin
sisteminde zemin sönüm oranının etkisini incelemek için stokastik dinamik analizleri
gerçekleĢtirmiĢlerdir. Sistem, sonlu elemanlar modeli ile modellenmiĢtir. San Fernando
depremi sırasında kaydedilen deprem kaydını uygulamıĢladır. Analizlerinde sönüm
oranının artması ile yer değiĢtirme ve gerilmelerin arttığını gözlemlemiĢlerdir.
Oskouei ve Dumanoğlu (2001), beton ağırlık barajların dinamik analizini
yapmıĢlardır. Yapı ve sıvıyı yer değiĢtirmeye dayalı yaklaĢım ile temsil etmiĢlerdir.
Barajı sonlu elemanlar yöntemi ile modelleyerek barajın boĢ ve dolu durumları için
analizler ve farklı sönüm oranları için incelemeler yapmıĢlardır. Kuvvetli yer ivmesi
etkisi altında çatlakların oluĢtuğunu belirlemiĢlerdir. Rezervuarın dolu olduğu
durumlarda gerilmelerin oldukça arttığını göstermiĢlerdir.
Calayır ve Karaton (2002a), Karakaya Kemer Barajı‟nın doğrusal olmayan dinamik
davranıĢını baraj-rezervuar etkileĢimini dikkate alarak incelemiĢlerdir. Rezervuar
davranıĢını Lagrange ve Euler yaklaĢımlarıyla, betonun doğrusal olmayan
davranıĢını da Drucker akma modeli ile temsil ederek, doğrusal olmayan dinamik
analizler gerçekleĢtirmiĢlerdir. Analizlerde, 1952 yılında meydana gelen Taft
depremi ivme kayıtlarını uygulamıĢlardır. ÇalıĢma sonucunda farklı kabuller altında
elde edilen değerlerin birbirine yakın olduğu belirtilmiĢtir.
Calayır ve Karaton (2002b), 2002 yılındaki bi