Sonlu elemanlar metodunun kullanılmasıyla Karacaören I toprak dolgu barajında gerilme ve deplasmanlarının hesaplanması

Abstract

SONLU ELEMANLAR METODUNUN KULLANILMASIYLA KARACAÖREN I *** TOPRAK DOLGU BARAJINDA GERİLME VE DEPLASMANLARIN HESAPLANMASI Nuri Seçkin KAYIKÇI İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi, 228 s., 2001. Anahtar Kelimeler : Sonlu Elemanlar Metodu, Karacaören I barajı, Düzlem-zorlama, Düzlem-gerilme, Deplasman, Gerilme. Sonlu elemanlar metodu ile yapılan çalışmalar 1960'lı yıllarda başlamıştır. Çeşitli araştırmacılar bilgisayarlar yardımıyla sonlu elemanlar modellerini birçok yapıya uyarlamışlardır. Bu çalışmada Burdur il sınırları içerisindeki Karacaören I toprak dolgu barajına sonlu elemanlar modeli uygulanmış, iki ve üç boyutlu analizler gerçekleştirilmiş, elde edilen neticeler değerlendirilmiş, daha Önceleri çeşitli araştırmacılar tarafından elde edilmiş sonuçlarla kıyaslama yapılmış ve bir sonuç elde edilmeye çalışılmıştır. Bugüne kadar yapılan araştırmalar farklı bilgisayar programları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada Sap 90 (1992) ve Sap 2000 v 7.4 (2001) bilgisayar programlan kullanılarak dolgu baraj modellenmiştir. Gerilme ve deplasman değerleri elde edilmiştir. Bu çalışmada elde edilen neticeler örnek alman baraja aittir. Farklı kesitlere ve malzeme özelliklerine sahip barajlar için yine aynı analizlerin yapılması gereklidir. Sonlu elemanlar metodunun kullanılmasıyla yapılan literatürdeki ilk çalışmalar bir ve iki boyutlu olarak gerçekleştirilmiştir. Bu analizde baraj gerek iki, gerekse üç boyutlu olarak incelenmiştir. Daha önceleri yapılan çalışmalardan elde edilen neticelere göre geniş vadilerde yapılan analizler için üç boyutlu modellerden deha kesin ve doğru neticeler alınmaktadır (Singh ve Varshney, 1995). Hesaplar lineer olarak farklı kesit uzunluklarına göre gerçekleştirilmiştir. İki boyutlu analizlerde kabuk elemanı (shell), üç boyutlu analizlerde katı (solid) elemanlar kullanılmıştır. İki boyutlu analizlerde kabuk kalınlığı 1 m, 10 m ve 20 m alınırken, üç boyutlu analizlerde kesit uzunluğu 40 m, 60 m ve 120 m alınarak elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. Araştırmanın ilk bölümlerinde konu ile ilgili daha önce yapılmış çalışmalar anlatılmış ve sonrasında metot ile ilgili teorik bilgilere yer verilmiştir. Metodun dolgu barajlar üzerindeki uygulanışı incelenmiş ve daha sonra tekrar kullanılan bilgisayar programları hakkında bilgiler açıklanmıştır. Bu bölümü takiben sonuçlar kısmında değerlendirmeler yapılmıştır. İki boyutlu analizlerde 4 düğüm noktalı, üç boyutlu analizlerde 8 düğüm noktalı izoparametrik elemanlar kullanılmıştır. İki boyutlu analizler ve modellemeler düzlem-zorlama veya gerilme elastisite teorisine göre maksimum boyutlardaki en kesite uygulanmıştır. Statik ve dinamik yüklemeler altında olası meydana gelebilecek yıkılma riskine karşın barajın davranışı İncelenmiştir. Örnek deprem olarak 1976 yılında meydana gelen Çaldıran depremi spektrum değerleri kullanılmıştır. Üç yönde de spektrum değerleri elde edilmiş ve enine yönde etki açısı 45° alınmıştır. Örnek alman spektrum eğrileri ve mod şekil numaralarına göre deforme olan gövde biçimi, deplasmanlar ve gerilmeler EK bölümünde sunulmuştur. Hesaplamalarda beş ayrı frekans değeri düşünülmüştür. Baraj gövdesi üç değişik malzemeden meydana gelmiştir. Kabuk zonları kumlu çakıldan oluşurken, çekirdek kil ve temel kayası da konglomera türünden meydana gelmiştir. Temel malzemesi bütün noktalarda homojendir. Malzeme ile ilgili özellikler çeşitli kaynaklardan elde edilmiştir. Hesaplamalarda ve sonuçların değerlendirilmesinde talveg kotu 00.00 olarak alınmıştır. Baraj 80 m yüksekliğe sahiptir. Vadi genişliği 400 m'dir. Temelde düğüm noktalanarasındaki yatay mesafe ve düşeyde yine düğüm noktaları arasındaki mesafe 20'şer metre olmuştur. İki boyutlu analizlerden elde edilen düşey deplasman değerleri ile üç boyutlu analizlerden elde edilen düşey deplasman değerleri birbirlerine oldukça yakındır. Üç boyutlu analizlerde x ve y yönündeki boyuna ve yatay deplasman değerleri gerilmelerin (özellikle negatif değerli) maksimum olduğu noktalarda ve bölgelerde yine maksimum olarak gerçekleşmiştir. X ve y yönündeki gerilmeler memba ve mansap kabuk zonlarının çekirdek ile birleştiği yerlerde çekirdek içerisinde (00.00 ile +20.00 m kotları arası) ve yine çekirdek hendeğinin üst köşe noktalarında maksimum olarak gerçekleşmiştir. Düşey deplasmanlar (z yönünde) bütün analizlerde krette maksimum olarak meydana gelmiştir. Ayrıca kesit kalınlığının 120 m alınarak yapıldığı üç boyutlu analiz sonucuna göre kret profili iç bükey olmuş ve x = 60 m uzunluğunda pozitif değerli gerilmeler kret üzerinde meydana gelmiştir. Genelde iki farklı programdan elde edilen neticeler birbirleriyle uyum sağlamıştır. Baraj gölündeki su seviyesi yarı yükseklikte düşünülmüş, fakat bu durum gerilme ve deplasman değerleri üzerinde fazla bir değişime sebep olmamıştır. Temel rijit olarak dikkate alınmış ve gerilme ve deformasyon değerleri sıfır olarak gerçekleşmiştir. Fakat üç boyutlu olarak kesit kalınlığının 120 m alındığı durumda temel içerisinde deplasman ve gerilme değerleri aşın yükleme basıncından dolayı az da olsa gelişmiştir. Krette en kesit üzerinde iç bükey profil meydana gelmiştir. Vadi geometrisini içeren 3 boyutlu analizler yine geniş vadilerde yer alan toprak dolgu barajlara uygulanabilmektedir ve günümüz bilgisayar teknolojisi ile bu yöntem ve karmaşık hesaplamalar mümkündür. Jüri : Prof. Dr. Ali DOĞAN (Danışman) Prof. Dr. Bülent TOPKAYA Yrd. Doç. Dr. Hüsnü DEMİRPENÇE

CALCULATIONS OF DISPLACEMENTS AND STRESSES IN KARACAÖREN I EARTH-FILL DAM USING FINITE ELEMENTS METHOD Nuri Seçkin KAYIKÇI Civil Engineering Department, Master of Science Thesis, 228 p., 2001. Key Words : Finite Elements Method, Karacaören I Earth-fill Dam, Plain-Strain, Plane-stress, Displacement, Stress. Early studies related to finite elements method are begun in 1960. Computer aided finite elemants analysis has been adopted to many structures by several researchers. In this study, finite elements models have been applied to Karacaören I embankment dam that is inside the border of Burdur city in mediterranean zone of Turkey. However two and three dimensional analysis have been performed, results were evaluated and compared with other results which were obtained in the past by several researchers and finally main results were analysed at the end of the study. Researchers have been realised their analysis with different computer programs early of 1960 and 1970. Present study, sample earth-fill dam was modelled by using sap 90 (1992) and sap 2000 v 7.4 (2001) computer programs. Obtained displacement and stress values in this study are only belongs to sample earth-fill dam. Same analysis must be performed for dams which have different sections and material properties. Using finite elements method early studies in literature were realised being one and two dimensional. In this study earth-fill dam was examined both two and three dimensional. Two dimensional analysis was considered by plane- strain elasticity theory. According to results which were obtained in the past, more accurate and definite results are being obtained from three dimensional analysis for analysis which are used for wide valleys (Singh and Varshney, 1995). Computations were made according to different section lengths being linear. Shell elemants in two dimensional analysis and solid elements in three dimensional analysis were used. Although shell element's thicknesses were taken 1 m, 10 m and 20 m in two dimensional analysis, in three dimensional analysis section lengths were taken 40 m, 60 m and 120 m, hence obtained results from all of them were evaluated. Within the initial chapters of the research, studies which have made in the past and related to the subject were explained and then in the third chapter theoretical informations related to method were described. Method's applications to earth-fill were explained and in the following chapter informations about the computer programs are described. At the end of the research stresses, deformations, deformed shapes of the body and stress distribution graphics were evaluated in the conclusion chapter. In two dimensional analysis 4 noded isoparametric elements according to plane-stress or strain concept, in three dimensional analysis 8 noded isoparametric elements were used. Model was applied to maximum cross-section. Dam's behaviour was examined using static, dynamic loading and both. Çaldıran earthquake in 1976 was used as a sample earthquake from which the obtained spectrum values were used in the calculations in order to understand any probable failure risk of the body. Spectrum values were obtained in three direction and excitation angle was 45°. Sample spectrum curves, deformations according to mode shape numbers, displacements and stresses were presented in appendix. Five different frequencies were considered in the computations. Dam's body was occured by three different materials. Shell zones include sandy gravels, core includes clay material and foundation includes conglomera rock formations. Foundation materials were dissipated homogeneous manner. Properties related to materials were obtained from different written sources.In calculations, streambed elevation was 00.00. Dam height was 80 m as well. Valley width was 400 m. Distance between nodes in foundation and distance between nodes in vertical direction was 20 m. Vertical displacement values obtained from two and three dimensional analysis are agreed to each other. At pointas and areas where the stress values are at maximum (especially negative results), longitudinal and horizontal displacement values are also realised at maximum at the same points and areas along x and y direction respectively according to three dimensional analysis. While S12, S13 and S23 values be shear, Sn, S22 and S33 values are normal stresses. Stresses in x and y directions were realised being maximum at points where the shell zones are joined with core (between 00.00 and +20.00 elevations in the core) and upper corner points of the core trench. Vertical displacements (along z direction) were occured as maximum at the crest according to all performed analysis. Besides, according to 120 m thich three dimensional analysis result, crest profile was concave down and at x = 60 m length, positive stress values were occured on the crest. Generally values obtained from two different computer programs were agreed to each other. Water level within the reservoir has been considered half of the maximum pool level but this situation was not caused any changes onb the stress and displacements values. Foundation was considered as a rigid and therefore stress and displacement values were realised as zero. But according to situation that takes 120 m section length in three dimensional analysis, displacement and stress values were developed rarely in foundation due to overburden pressure. At crest, on the cross-section, concave down profile was occured. Three dimensional analysis including canyon geometry may be applied to earth-fill dams which are stayed in wide valley and with present computer technology, this process and complex computations are possible. Jury : Prof. Dr. Ali DO?AN (Advisor) Prof. Dr. Bülent TOPKAYA Assist. Prof. Dr. Hüsnü DEMİRPENÇE