Tünel-yapı-zemin etkileşiminin zemin büyütmesine etkilerinin nümerik olarak incelenmesi

Abstract

Anakaya seviyesinde bir kaynaktan açığa çıkan enerjinin oluşturduğu sismik dalgalar, içinden geçtikleri ortamların özelliklerinden etkilenerek yayılımları sırasında; frekans, süre ve genliklerinde değişime uğrar. Yüzeye yakın yerlerde deprem dalgalarının genliklerinde meydana gelen artışa bağlı olarak ivme değerlerinde de artış meydana gelir ve bu da zemin büyütmesi olarak adlandırılır. Bu tez çalışmasında olası bir deprem durumunda tünel, yapı ve zemin etkileşiminin zemin büyütmesine olan etkileri incelenmiştir. Deprem yüklerine maruz kalan tünel yapılarının sismik davranışı, bulundukları bölgenin zemin yapısının yanı sıra o bölgede bulunan diğer yapılara ve tünellerin bu yapılarla olan ilişkisine bağlıdır. Bunların yanında tünelin zemin tabakasına göre derinliği, tünel kaplamasının et kalınlığı ve maruz kalınan deprem dalgalarının frekans ve sönüm oranları tünelin sismik davranışını değiştirir. Şu ana kadar bu konuyla ilgili çeşitli laboratuvar çalışmaları olmasına rağmen bu konu son yıllarda daha çok nümerik olarak çalışılmaya başlanan bir konudur. Bu çalışma sırasında tünel-yapı-zemin etkileşimleri adı altında PLAXİS 2D programında nümerik analizler yapılmıştır. Programda üst yapı, rijit bir temele sahip olacak şekilde yayılı yük olarak tasarlanmıştır. Yapının altında belli bir atalet ve rijitliğe sahip elastik malzeme özelliği taşıyan tünel oluşturulmuştur. Analizler sırasında kullanılan tünel derinlikleri H≤15 m olduğundan dolayı sığ tüneller olarak adlandırılmıştır. Analizlerde tünelin çapı sabit tutulmuştur. Deprem dalgalarının yapı-tünel arasında sıkışıp yansıma yapıp yapmadığı ve bunun yüzeyde ivme değerlerinde artışa sebep olup olmadığı incelenmiştir. Tünelin zemin tabakasına göre konumu değiştirilerek tünel derinliğinin yüzeyde okunan ivme değerlerinde değişime sebep olup olmayacağı ve ivme değerlerinin ana kaya seviyesinden yüzeye nasıl değiştiği araştırılmıştır. Analizlerin birinci bölümünde tünel ve yapının zemin büyütmesine etkisini tam olarak anlamak amacıyla analizlerde tünel, yapı ve zeminin olduğu, sadece tünel ve zeminin ve sadece yapı ve zeminin olduğu üç farklı durumda analizler tekrarlanmıştır. Analizlerin ikinci bölümünde ise yüzeydeki ivme dağılım alanlarını görmek amacıyla analizlere sadece zeminin olduğu durum eklenerek dört farklı durum için analizler yapılmıştır. Daha önce meydana gelmiş birbirinden farklı frekans, genlik ve pik ivmelere sahip dokuz adet depremin ana kaya seviyesinde ölçülen ivme kayıtları incelenmiş ve analiz için uygun nitelikteki deprem kayıtları USGS (U.S. Geological Survey) veri tabanından alınmıştır. Kullanılan ivme kayıtlarının Fourier dönüşümleri yapılarak baskın frekansları bulunmuş ve bu deprem kayıtları sonlu elemanlar yöntemi aracılığıyla nümerik ortamda işlenmiştir. Ardından deprem simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Ana kaya seviyesinden başlayarak ilerleyen deprem dalgalarının tünelin etrafından geçip zemin yüzeyine ulaşırken geçirdiği değişimi anlamak için farklı noktalarda ivme değerleri okunmuştur. Bu noktalarda ölçülen ivme değerleri kıyaslanarak zemin büyütme noktaları tespit edilmiştir. Analizler sonucunda zemin büyütmelerinin en fazla sadece zemin modelinde ardından tünel, yapı, zeminin birlikte olduğu modelde olduğu görülmüştür. Analizler sırasında tünelin derinliği değiştirilerek deprem sonrasında zemin büyütmesine olan etkisi incelenmiştir. Tünel derinliği arttıkça tünel, yapı, zemin etkileşimi azaldığından yüzeydeki zemin büyütmeleri ve ivme değerleri azalmıştır. Analizler sonucunda tünelin yapıya daha uzak olduğu durumlarda yüzeyde depremden etkilenen alanların daha geniş yer kapladığı görülmüştür.

Seismic waves formed by the energy released from a source at the bedrock level are affected by the characteristics of the environment through which they pass through; frequency, duration and amplitude changes.. There is also an increase in the acceleration values due to the increase in the amplitudes of the earthquake waves near the surface, and this is called the soil amplification. In this thesis study, the effects of tunnel, structure and ground interaction on soil amplification in case of a possible earthquake have been investigated. The seismic behavior of the tunnel structures exposed to earthquake loads depends on the structure of the area in which they are located, as well as the other structures in the area and the relation of the tunnels to these structures. In addition, the depth of the tunnel according to the ground layer, the wall thickness of the tunnel covering and the frequency and damping ratios of the earthquake waves exposed change the seismic behavior of the tunnel. Although there have been various laboratory studies related to this topic so far, this subject has been started to work more numerically in recent years. Numerical analyzes were carried out in the PLAXIS 2D program under the name tunnel-structure-ground interaction during this study. In the program, the superstructure is designed as a spring loaded with a rigid base. Under the structure, a tunnel with the characteristic of elastic material with a certain inertia and rigidity is formed. The tunnel depths used during the analyzes were called as shallow tunnels due to H≤15 m. In the analysis, the diameter of the tunnel is fixed. Whether or not the earthquake waves are trapped between the structure and the tunnel and whether it causes an increase in the acceleration values on the surface is investigated. The location of the tunnel in relation to the ground layer was changed and it was investigated whether the depth of the tunnel would cause changes in the acceleration values read on the surface and how the acceleration values changed from the bedrock level to the surface. In the first part of the analysis, in order to fully understand the effect of the tunnel and building on the ground growth, the analyzes were repeated in three different cases: tunnel, structure and ground, only tunnel and ground and only structure and ground. In the second part of the analyzes, analyzes were made for four different situations by adding the condition that only the ground is present in the analyzes to see the acceleration distribution areas in the surface. The acceleration records measured at the main rock level of nine earthquakes with different frequencies, amplitudes and peak accelerations were investigated and the earthquake records of the appropriate nature for the analysis were taken from the USGS (USA Geological Survey) database. Fourier transformations of the acceleration records were performed and the dominant frequencies were found and these earthquake records were processed in a numerical environment by the finite element method. Then earthquake simulations were carried out. The acceleration values were read at different points to understand the change that the earthquake waves starting from the main rock level passed through the tunnel and reached to the ground surface. Soil amplification points were determined by comparing accelerations measured at these points. As a result of the analyzes, it was seen that the soil amplification was mostly in the ground model, followed by the tunnel, structure. During the analyzes, the depth of the tunnel was changed and the effect of the earthquake after the earthquake was investigated. As the tunnel depth increases, as the tunnel, structure and ground interaction decreases, the soil amplification and acceleration values have decreased. As a result of the analyzes, it was observed that the areas affected by the earthquake on the surface occupied a larger area when the tunnel was further away from the structure.