View
1
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
KONU: BETON BARAJ DEPREM ANALİZLERİ VE ÖRNEK ÇALIŞMALARSUNUM YAPAN: PROF.DR. BARIŞ BİNİCİ, ODTÜ
Ali R. Yücel, S. Melek Yılmaztürk, Alper Aldemir, Uğur Akpınar, Y.Doç.Dr. Yalın Arıcı
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
1. Geçmişten Günümüze Beton Barajların Sismik Tasarımı
2. İki Boyutlu Deprem Analizleri3. Üç Boyutlu Deprem Analizleri4. Tasarımda Elastik Ötesi Analiz
Sunum PlanıSunum Planı
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
“…Deprem esnasında barajgövdesi üzerine etki edenhidrodinamik basınç, barajön yüzünde bir miktar sukütlesi baraj ile birliktehareket edermişçesine biretki olarak ifade edilebilir...”
Geçmişten Günümüze - IGeçmişten Günümüze - I
Önemli Sonuçlar:• Suyun sıkıştırılabilir oluşu sebebi ile özellikle yüksek barajlarda ekli kütle metodu ile hesaplanan hidrodinamik yükler (Westergaard, Zangar Metotları) ciddi hatalar içerebilir.
• Suyun sıkıştırılabilirözelliğini dikkate alan rijitbaraj gövdesi kabulü iledinamik-deprem analizleriyöntemi önermiştir.
Geçmişten Günümüze - IIGeçmişten Günümüze - II1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Öngörüler•Rijit baraj gövdesi•Sıkıştırılamaz su davranışı•Rijit zemin
Öngörüler•Rijit baraj gövdesi•Sıkıştırılamaz su davranışı•Rijit zemin Neden daha İleri Analiz Gerekli?
• Dinamik yapı davranışı• Doğru hidrodinamik etkiler• Deprem hareketi• Yapı-zemin-rezervuar etkileşimi,
• Güvenli ve Ekonomik Tasarım
Klasik Stabilite MetoduKlasik Stabilite Metodu
Tasarım Kriterleri
– Güvenlik Katsayılar• Kayma, Devrilme– Sınırlı çekmelere izin verilir• Çatlama hesaba katılmaz• Gerilmeler genellikle sonucu
belirlemez
hh Su
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Baraj İsmi Deprem, Yıl, Mag. Yükseklik (m) PGA Hasar
Williams (1895) Loma Prieta, 1989, (7.1) 21 0.6 YokShih Kang (1977) Chi Chi, 1999 (7.6) 21.4 0.51 GöçmeBear Valley (1988) Big Bear, 1992 (6.6) 28 0.57 YokGohonmatsu (1900) Kobe, 1995 (7.2) 33 0.83 Yok
Kasho (1989) Tottori, 2000 (7.3) 46.4 0.54 HafifCrystal Spr. (1890) San Francisco, 1906 (8.3) 47 0.6 YokMiyatoko (1993) Tohoku, 2011 (9.0) 48 0.32 YokGibraltar (1990) Santa Barbara, 1925 (6.3) 52 0.3 YokAmbiesta (1956) Gemona‐Friuili, 1976 (6.5) 59 0.36 YokTakou (2007) Tohoku, 2011 (9.0) 77 0.38 Hafif
Mingtan (1990) Chi Chi, 1999 (7.6) 82 0.4 YokKoyna (1963) Koyna, 1967 (6.5) 103 0.6 Orta
Hsinfengkiang (59) Reservoir, 1962 (6.1) 105 0.5 AğırSefid Rud (1962) Manjil, 1990 (7.7) 106 0.7 AğırRapel (1968) Santiago, 1985 (7.8) 111 0.31 Hafif
Pacoima (1929) Northridge, 1994 (6.8) 113 0.53 OrtaShapai (2003) Wenchuan, 2008 (8.0) 132 0.38 HafifTechi (1974) Chi Chi, 1999 (7.6) 185 0.5 Orta
Beton Barajların Deprem Performansı (Nuss vd.) (PGA>0.3g)
Beton Barajların Deprem Performansı (Nuss vd.) (PGA>0.3g)
H<60 metre ve PGA 0.3-0.8 g için barajların performansı iyi, faya inşa hariç !!Daha yüksek barajlarda 0.3-0.7g PGA için hasar var !!
15m
0.751
4m
Mevcut
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 İki Boyutlu Yapı-Zemin Rezervuar Etkileşimi (Fenves ve Chopra 1984-1988)
İki Boyutlu Yapı-Zemin Rezervuar Etkileşimi (Fenves ve Chopra 1984-1988)
Amaç: Baraj Deprem Hasarlarını Anlamak/Baraj Tahkiki/ RehabilitasyonDikkate Alınan Hususlar:
� Dinamik yapı davranışı� Sıkıştırılabilir su� Tortu etkileri� Yapı-zemin etkileri (2 boyut yarı sonsuz düzlem)Sonuç: Herkesin kullanımına açık bir program: EAGD
BarajRezervuar
Kaya Zemin
Sediment agx
agy
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Üç Boyutlu Yapı-Zemin-Rezervuar Etkileşimi (Chopra vd. 1988-2008)Üç Boyutlu Yapı-Zemin-Rezervuar Etkileşimi (Chopra vd. 1988-2008)
Amaç: Dar Vadide Ağırlık ve Kemer BarajlarDikkate Alınan Hususlar:
� Dinamik yapı davranışı� Sıkıştırılabilir su� Tortu etkileri� Yapı-zemin etkileri (3 Boyut sınır elemanları)Sonuç: Herkesin kullanımına açık bir program: EACD
EACD Yapı-Zemin-Rezervuar Sonlu Eleman Modeli
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Tassoulas vd. Hipereleman Yaklaşımı (1984-2006)
Chopra ile Karşılaştırma
Dominguez vd. Sınır Elemanları Tekniği(1993-2006)
Diğer Yöntemler ve Doğrulama Çalışmaları
Diğer Yöntemler ve Doğrulama Çalışmaları
Chopra ile Karşılaştırma
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Amaç: 250m Yüksekliğinde Mauvoisin Barajında EACD Yaklaşımının Valpelline Depremi (1996) için Doğrulanması
Doğrulama Çalışması Mauvoisin Kemer Baraj
Doğrulama Çalışması Mauvoisin Kemer Baraj
SM04: akış yönü
SM04: akış yönü-dikÖlçümEACD Modeli
ÖlçümEACD Modeli
Ölçüm Bilgileri
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Doğrulama Çalışması, Outardes Ağırlık BarajıDoğrulama Çalışması,
Outardes Ağırlık Barajı
Hidrofon Grubu
Sarsma Cihazı
İvme Ölçerler
Amaç: 79m Yüksekliğinde Outardes Barajında EACD Yaklaşımının Sarsma Testleri ile Doğrulanması
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Ayrık Çatlak Modeli (Vecchio, 1989, 1990, Leger vd.,1995,2006)
� Bünye modelleri bilinen çatlak eksenlerinde formüle edilir.
Yayılı Çatlak Modeli (Vecchio, 1989, 1990, Leger vd.,1995,2006)
� Asal eksenlerde formüle edilir.
Elastik Ötesi AnalizlerElastik Ötesi Analizler
Plastisite/Tersinir Çevirim Modelleri (Ör. Maekewa vd, 1993)
� Döngüsel etki ile dayanım, rijidite ve çatlakta kesme transferi değiştirilir.
Beton ÇatlağıDöngüsel Davranış
Amaç: Çatlama DavranışınıYansıtma, Göçme Analizi
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Yamaguchi vd.(2005) Tinawı vd. (2000) Souma (1995)
ODTÜ Deneyi: Melen Barajı’nın ölçekli modeli, tek serbestlik dereceli olarak dinamik benzeri olarak denenecektir!!
Deneylerle GerçeklemeDeneylerle Gerçekleme
Zhong vd. (2011)
Tokyo Electric Power Yaklaşımı• Gerçeklenme deneyleri üzerine kurulan
baraj güvenliğini belirlenmesi için yazılım• Potansiyel göçme senaryoları oluşturulması
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Önerilen Tasarım Akış ŞemasıÖnerilen Tasarım Akış ŞemasıBaraj Kesiti
ve Malzeme Bilgileri
Lineer Elastik Analiz
(IED, GED)
Kesit Büyüt
Elastik Ötesi Analiz(GED)
Kesit Güvenli
Performans kriteri sağlanıyor
mu?
Kesit büyütülebilir ya da yüksek dayanım kullanılabilir mi?
Çatlaklı durumda deprem sonrası
stabilite sağlanıyor mu?
EVET
EVET
HAYIR
EVET
HAYIR
EVET
HAYIR
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
1. Geçmişten Günümüze Barajların Sismik Tasarımı
2. İki Boyutlu Deprem Analizleri3. Üç Boyutlu Deprem Analizleri4. Tasarımda Elastik Ötesi Analiz
Sunum PlanıSunum Planı
m1.0H
Ec
Ef
Parametre Değerler
H 50, 75, 100, 125, 150 (m)
m 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0
Ec/Ef 0.1, 0.5, 1, 2
Ec 15000MPa
Kret Genişliği 8 m
Statik Çekme D. 1 MPa
-0.3-0.2-0.10.00.10.20.3
0 20 40 60Ivm
e (g
)
Zaman (sn.)
Sual: Tüm bu olası barajlar için Melen Barajı sahası T=2475 yıllık deprem kullanılarak elastik analiz kriterleri ile kullanılacak kesit ne olurdu?
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012 Örnek ÇalışmalarÖrnek Çalışmalar
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Elastik Analiz Kabul KriteriElastik Analiz Kabul Kriteri
Talep‐Kapasite Oranı (DCR)
Stres Limitinin Aşılm
a Süresi
Tüm durumlar için iki boyutlu zemin-yapı-rezervuar etkileşimli analizler gerçekleştirilerek aşılma alanı hesaplanmıştır.
Aşılma Alanı
1 Talep‐Kapasite Oranı 2 1 Talep‐Kapasite Oranı 2
• 50m 0.8, 75m 0.85, 100m 0.9 arka eğim ile elastik kriteri sağlamaktadır.
• 125 ve 150m barajlar 1.0 arka eğim gerektirmektedir.
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Kesitlerin Güvenliği-IKesitlerin Güvenliği-I
Ger
ilme
Sını
rını Aşa
n A
lan
0.6 0.65 0.7 0.75 0.8m
0.85 0.9 0.95 1.0
150m
125m
100m
75m
50m
Ec/Ef = 0.5
• Rijit zemin öngörüldüğünde 50m haric hiç bir baraj yüksekliği için elastik kriter sağlanmamaktadır.
100m
75m
50m
Ger
ilme
Sını
rını Aşa
n A
lan
0.6 0.65 0.7 0.75 0.8m
0.85 0.9 0.95 1.0
Ec/Ef = 0.1
150m
125m
m1.0
H EcEf
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Kesitlerin Güvenliği-IIKesitlerin Güvenliği-II
• Tüm barajlar arka eğim 0.9 olduğunda elastik kriter sağlanmaktadır.
H=150m
H=125m
H=100m
H=75mH=50m
• Arka eğim >0.8 olduğunda elastikkriter sağlanmakta, zemin gerilme kontrolü önem kazanmaktadır.
H=150m
H=125mH=100m
H=75mH=50m
Ec/Ef = 2.0Ec/Ef = 1.0G
erilm
e Sı
nırını Aşa
n A
lan
0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1.0 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1.0
Ger
ilme
Sını
rını Aşa
n A
lan
m1.0
H EcEf
150m
125m
100m
75m
50m
150m
125m
100m
75m50m
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Daha Büyük Deprem Olsaydı?Daha Büyük Deprem Olsaydı?
m1125 m
Sual: 125 m yüksekliğindebir baraj için Ec/Ef=2durumunda daha yüksekdeprem riski öngörülmesikesiti nasıl etkiler?
2475 yıllık tasarım depreminin 1.5-2.0 katı bir deprem istemi (~10000 yıl) ele alındığında kesit %15-25 büyümektedir.
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Ağırlık Barajlarında Yapı-Zemin EtkileşimiAğırlık Barajlarında Yapı-Zemin Etkileşimi
Ec/Ef oranı arttıkça gerilmeler düşer.Sebep: Zemin deformabilitesi ve ışıma sönümüDikkate alınması ile ekonomik tasarımlar mümkün!!Kaya taşıma gücü kontrolü önem kazanır.
Baraj Yüksekliği arttıkça gerilmeler artar.Sebep: Artan hidrodinamik yükler ve yüksek mod etkileriYüksek barajlarda beklenen/gözlemlenen hasar daha fazla
Aynı etkiler dar vadilerde yapılan ağırlık barajları ve kemer barajlar için söz konusu olmayabilir!
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
1. Geçmişten Günümüze Barajların Sismik Tasarımı
2. İki Boyutlu Deprem Analizleri3. Üç Boyutlu Deprem Analizleri4. Tasarımda Elastik Ötesi Analiz
Sunum PlanıSunum Planı
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Andıraz Barajı, dar vadide anosuz inşa edilmesi planlanan yaklaşık 140 m yüksekliğinde bir baraj olduğundan üç boyut etkileri deprem analizlerinde dikkate alınmalıdır.
Üç Boyut EtkileriÜç Boyut Etkileri
Sual: Verilen deprem etkisi altında x+0.3z+0.3y kombinasyonu için gerilme kriterini sağlayan optimum kesit nedir?
Yüksek Deprem Riski
142m
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
m=0.8
Kesit Optimizasyonu (475 yıl)Kesit Optimizasyonu (475 yıl)G
erilm
e Li
m. Aşıl
ma
Süre
si (s
n)G
erilm
e Li
miti
Aşıl
ma
Süre
si (s
n)
m=0.9
Talep Kapasite Oranı
m=1.0 m=1.05
Talep Kapasite Oranı
Arka eğim 0.8 ve 0.9 olarak belirlendiğinde verilen noktalarda limitler aşılmaktadır. Arka eğimin 1 ve 1.05 olduğu durumlar elastik kriter açısından kabul edilebilir.
EACD Modeli
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
0
4
8
12
1 2 3 4 5
Aza
mi A
sal G
erilm
e (M
Pa)
Ec/Ef
obe mde mce
Yapı-Zemin EtkileşimiYapı-Zemin Etkileşimi
Andıraz Parametrik Çalışması:
• Ec/Ef arttıkça gerilmeler azalıyor,
• Etkileşim faydalı,• Aşırı yüklemede kriterler
ile yetersiz çıkıyor, kesit büyütülmeli veya doğrusal olmayan analiz yapılmalı.
144yıl 475yıl 2475yıl
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
1. Geçmişten Günümüze Barajların Sismik Tasarımı
2. İki Boyutlu Deprem Analizleri3. Üç Boyutlu Deprem Analizleri4. Tasarımda Elastik Ötesi Analiz
Sunum PlanıSunum Planı
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Elastik Ötesi AnalizlerElastik Ötesi AnalizlerTasarım kesitinin elastik analiz gerilme limitlerinin sağlamaması durumunda elastik ötesi analiz ile hasar durumu tespit edilerek kesit güvenliği belirlenebilir.
Gerekenler:• Çatlak modeli• Nonlineer çözüm
kapasitesi• Yüksek performanslı
bilgisayarlar
•Model boyutunun makul seviyede olabilmesi için kütlesiz zemin modeli,
•Zemin-yapı etkileşimi kaynaklı sönüm sadece ileri modeller ile kalibrasyon veya saha deneyi sonucu kullanılabilir,
•Deneylerle gerçekliği kanıtlanmış çatlak modeli kullanılmalıdır.
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Üç Boyutlu Model Sönüm BelirlenmesiÜç Boyutlu Model Sönüm Belirlenmesi
• Doğrusal olmayan modellerde kütlesiz zemin yaklaşımı kullanılabilir.• Kütlesiz zeminli baraj modelinin sönüm oranı üç boyutlu doğru yapı-
zemin-rezervuar etkileşimi modeli kullanılarak belirlenmelidir.
EACD EACD
Kütlesiz Zemin
(a) 3 Boyutlu Görüş (b) Baraj Alt Bölgesi
Kütlesiz Zemin
Gövde Gerilmeleri EACD/Kütlesiz Model
Relat
if D
ep. (
cm)
Relat
if İv
me.
(g)
Zaman (sn)
EACD deplasman/gerilme sonuçları kütlesiz zeminli modelde sönüm belirlenmesi için kullanılır.
Kütlesiz
Kütlesiz
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
İki/Üç Boyut Modeller Karşılaştırmasıİki/Üç Boyut Modeller Karşılaştırması
• Üç boyutlu modelde aşağıda görüldüğü gibi anolar ayrı ayrı modellenmekte olup yapım derzleri de modele eklenmiştir.
• Anolu inşa edilme durumunda bile kinematik etkileşim nedeni ile sistem üç boyutlu davranmaktadır!
• İki boyutlu modeller dar vadide doğru sonuçları vermeyebilir.
İki Boyutlu ModelÜç Boyutlu Model
Anolu Üç Boyutlu Model Anolar için 2D Modeller
80mano5
140mano10
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
0.000 0.500 1.000 1.500 2.00
Spektral İvme
Periyot (sn)
%5 Sönüm
%10 Sönüm
%20 Sönüm
16 m
7 m
27 m
30 m
Kemer Baraj Örneği-Koçak BarajıKemer Baraj Örneği-Koçak Barajı
• Koçak Barajı fay hattının çok yakınında çok yüksek deprem riskine sahip bir bölgededir.
• Dar bir vadide bulunması kemer yapılabilmesini mümkün kılmıştır.
Mod 1 (f1=6.1 Hz)
Mod 2 (f2=8.5 Hz)
~0.55g
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Beklenen Hasar-Kopma BölgesiBeklenen Hasar-Kopma Bölgesi
• Kritik yük kombinasyonları için çatlama bölgeleri belirlenmiş,
• Beklenen çatlamaya göre elde edilebilecek kopma bölgeleri kontrol edilmiştir.
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
•Yüksek barajlar için depremler, tasarımı kontrol eden ve mevcut baraj baraj performansını belirleyen önemli etmenlerdir.•Elastik analiz araçları ile gerilme tahkikleri gerçekleştirilmelidir.•Dar vadide yapılacak ağırlık barajları ile kemer barajlar için zemin-yapı-rezervuar etkileşimini dikkate alan üç boyutlu analizler muhakkak yapılmalıdır.•Gerilme kriterlerinin aşıldığı durumlarda kesit güvenliği elastik ötesi analizler ile kontrol edilebilir.•Elastik ötesi analizlerin girdileri ve sonuçları ehil mühendisler tarafından dikkatle değerlendirilmelidir.
SonuçlarSonuçlar
Recommended