BETON BARAJ DEPREM ANALİZLERİ VE ÖRNEK ÇALIŞMALAR Ş İ · 2013. 12. 3. · EACD deplasman/gerilme sonuçları kütlesiz zeminli modelde sönüm belirlenmesi için kullanılır

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


“…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


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


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


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


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


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


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


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. Geçmişten Günümüze Barajların Sismik Tasarımı



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


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.


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


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


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.


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!






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


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


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






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.


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


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


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


Beklenen Hasar-Kopma BölgesiBeklenen Hasar-Kopma Bölgesi

• Kritik yük kombinasyonları için çatlama bölgeleri belirlenmiş,

• Beklenen çatlamaya göre elde edilebilecek kopma bölgeleri kontrol edilmiştir.


•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

Documents

BETON BARAJ DEPREM ANALİZLERİ VE ÖRNEK ÇALIŞMALAR Ş İ · 2013. 12. 3. · EACD deplasman/gerilme sonuçları kütlesiz zeminli modelde sönüm belirlenmesi için kullanılır