KONU: BETON BARAJ DEPREM ANALİZLERİ VE ÖRNEK

KONU: BETON BARAJ DEPREM ANALİZLERİ VE ÖRNEK ÇALIŞMALAR
SUNUM 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
Sunum Planı
1. Geçmişten Günümüze Beton Barajların
Sismik Tasarımı
2. İki Boyutlu Deprem Analizleri
3. Üç Boyutlu Deprem Analizleri
4. Tasarımda Elastik Ötesi Analiz
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Geçmişten Günümüze - I
“…Deprem esnasında baraj
gövdesi üzerine etki eden
hidrodinamik basınç, baraj
ön yüzünde bir miktar su
kütlesi baraj ile birlikte
hareket edermişçesine bir
etki olarak ifade edilebilir...”
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Geçmişten Günümüze - II
Önemli Sonuçlar:
• Suyun sıkıştırılabilir
oluşu sebebi ile özellikle
yüksek barajlarda ekli
kütle metodu ile
hesaplanan hidrodinamik
yükler (Westergaard,
Zangar Metotları) ciddi
hatalar içerebilir.
• Suyun
sıkıştırılabilir
özelliğini dikkate alan rijit
baraj gövdesi kabulü ile
dinamik-deprem analizleri
yöntemi önermiştir.
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Klasik Stabilite Metodu
Tasarım Kriterleri
– Güvenlik Katsayılar
h
Su
h
• Kayma, Devrilme
– Sınırlı çekmelere izin verilir
• Çatlama hesaba katılmaz
Öngörüler
•Rijit baraj gövdesi
• Gerilmeler genellikle sonucu
belirlemez
•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
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Baraj İsmi
Deprem, Yıl, Mag.
Williams (1895)
Loma Prieta, 1989, (7.1)
Shih Kang (1977)
Chi Chi, 1999 (7.6)
Bear Valley (1988)
Big Bear, 1992 (6.6)
Gohonmatsu (1900)
Kobe, 1995 (7.2)
Kasho (1989)
Tottori, 2000 (7.3)
Crystal Spr. (1890) San Francisco, 1906 (8.3)
Miyatoko (1993)
Tohoku, 2011 (9.0)
Gibraltar (1990) Santa Barbara, 1925 (6.3)
Ambiesta (1956) Gemona‐Friuili, 1976 (6.5)
Takou (2007)
Tohoku, 2011 (9.0)
Mingtan (1990)
Chi Chi, 1999 (7.6)
Koyna (1963)
Koyna, 1967 (6.5)
Hsinfengkiang (59)
Reservoir, 1962 (6.1)
Sefid Rud (1962)
Manjil, 1990 (7.7)
Rapel (1968)
Santiago, 1985 (7.8)
Pacoima (1929)
Northridge, 1994 (6.8)
Shapai (2003)
Wenchuan, 2008 (8.0)
Techi (1974)
Chi Chi, 1999 (7.6)
Beton Barajların Deprem Performansı
(Nuss vd.) (PGA>0.3g)
Yükseklik (m)
PGA
Hasar
21
21.4
28
33
46.4
47
48
52
59
77
82
103
105
106
111
113
132
185
0.6
0.51
0.57
0.83
0.54
0.6
0.32
0.3
0.36
0.38
0.4
0.6
0.5
0.7
0.31
0.53
0.38
0.5
Yok
Göçme
Yok
Yok
Hafif
Yok
Yok
Yok
Yok
Hafif
Yok
Orta
Ağır
Ağır
Hafif
Orta
Hafif
Orta
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 4m
0.75
1
Mevcut
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
İki Boyutlu Yapı-Zemin Rezervuar
Etkileşimi (Fenves ve Chopra 1984-1988)
Amaç: Baraj Deprem Hasarlarını
Anlamak/Baraj Tahkiki/ Rehabilitasyon
Dikkate Alınan Hususlar:
Dinamik yapı davranışı
Sıkıştırılabilir su
Tortu etkileri
Yapı-zemin etkileri (2 boyut yarı
sonsuz düzlem)
Sonuç: Herkesin kullanımına açık bir
program: EAGD
Baraj
Rezervuar
agx
agy
Sediment
Kaya
Zemin
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Üç Boyutlu Yapı-Zemin-Rezervuar
Etkileşimi (Chopra vd. 1988-2008)
Amaç: Dar Vadide Ağırlık ve
Kemer Barajlar
Dikkate 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-ZeminRezervuar Sonlu
Eleman Modeli
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Diğer Yöntemler ve Doğrulama
Çalışmaları
Chopra ile Karşılaştırma
Tassoulas vd. Hipereleman Yaklaşımı (1984-2006)
Chopra ile Karşılaştırma
Dominguez vd. Sınır Elemanları Tekniği(1993-2006)
Doğrulama Çalışması
Mauvoisin Kemer Baraj
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
SM04: akış yönü
Amaç: 250m Yüksekliğinde
Mauvoisin Barajında EACD
Ölçüm
SM04: Yaklaşımının
akış yönü-dik
EACD
Modeli
Valpelline
Depremi
(1996) için Doğrulanması
Ölçüm
EACD Modeli
Ölçüm Bilgileri
Doğrulama Çalışması,
Outardes Ağırlık Barajı
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
İvme Ölçerler
Sarsma Cihazı
Hidrofon Grubu
Amaç: 79m Yüksekliğinde
Outardes Barajında EACD
Yaklaşımının Sarsma Testleri
ile Doğrulanması
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Elastik Ötesi Analizler
Amaç: Çatlama Davranışını
Yansıtma, Göçme Analizi
Yayılı Çatlak Modeli (Vecchio, 1989,
1990, Leger vd.,1995,2006)
Asal eksenlerde formüle edilir.
Ayrık Çatlak Modeli (Vecchio, 1989,
1990, Leger vd.,1995,2006)
Bünye modelleri bilinen çatlak
eksenlerinde formüle edilir.
Plastisite/Tersinir Çevirim Modelleri
(Ör. Maekewa vd, 1993)
Döngüsel etki ile dayanım, rijidite ve
çatlakta kesme transferi değiştirilir.
Beton Çatlağı
Döngüsel Davranış
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Tinawı vd. (2000)
Souma (1995)
ODTÜ Deneyi: Melen Barajı’nın ölçekli modeli,
tek serbestlik dereceli olarak dinamik benzeri
olarak denenecektir!!
Deneylerle Gerçekleme
Yamaguchi vd.(2005)
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
Baraj Kesiti
ve
Malzeme
Bilgileri
Lineer Elastik
Analiz
(IED, GED) EVET
Önerilen Tasarım Akış Şeması
Kesit Güvenli
EVET
EVET
Performans
kriteri sağlanıyor
mu?
Çatlaklı durumda
deprem sonrası
stabilite sağlanıyor
mu?
HAYIR
Kesit büyütülebilir ya
da yüksek dayanım
kullanılabilir mi?
EVET
Kesit Büyüt
HAYIR
HAYIR
Elastik Ötesi
Analiz
(GED)
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Sunum Planı
1. Geçmişten Günümüze Barajların Sismik
Tasarımı
2. İki Boyutlu Deprem Analizleri
3. Üç Boyutlu Deprem Analizleri
4. Tasarımda Elastik Ötesi Analiz
Örnek Çalışmalar
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
m
H
1.0
Ec
Ivme (g)
Ef
0.3
0.2
0.1
0.0
-0.1 0
-0.2
-0.3
20
40
Zaman (sn.)
60
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
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
Elastik Analiz Kabul Kriteri
Stres Limitinin Aşılma Süresi
Tüm durumlar için iki
boyutlu zemin-yapırezervuar etkileşimli
analizler gerçekleştirilerek
aşılma alanı hesaplanmıştır.
Aşılma Alanı 1 Talep‐Kapasite Oranı 2
Talep‐Kapasite Oranı (DCR)
1 Talep‐Kapasite Oranı 2
H
Ec1.
Ef0
Gerilme Sınırını Aşan Alan
Ec/Ef = 0.1
0.6
150m
125m
100m
75m
50m
0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1.0
m
• Rijit zemin öngörüldüğünde 50m haric
hiç bir baraj yüksekliği için elastik kriter
sağlanmamaktadır.
Kesitlerin Güvenliği-I
Gerilme Sınırını Aşan Alan
m
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
0.6
Ec/Ef = 0.5
150m
125m
100m
75m
50m
0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1.0
m
• 50m 0.8, 75m 0.85, 100m 0.9 arka eğim ile
elastik kriteri sağlamaktadır.
• 125 ve 150m barajlar 1.0 arka eğim
gerektirmektedir.
H
Ec1.
Ef0
Gerilme Sınırını Aşan Alan
Ec/Ef = 1.0
0.6
H=150m
150m
H=125m
125m
H=100m
100m
75mH=75m
50m H=50m
0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1.0
• Tüm barajlar arka eğim 0.9 olduğunda
elastik kriter sağlanmaktadır.
Kesitlerin Güvenliği-II
Gerilme Sınırını Aşan Alan
m
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
0.6
Ec/Ef = 2.0
150m
H=150m
125m
H=125m
H=100m
100m
H=75m
75m
50m
H=50m
0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1.0
• Arka eğim >0.8 olduğunda elastik
kriter sağlanmakta, zemin gerilme
kontrolü önem kazanmaktadır.
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Daha Büyük Deprem Olsaydı?
125 m
m
1
Sual: 125 m yüksekliğinde
bir baraj için Ec/Ef=2
durumunda daha yüksek
deprem riski öngörülmesi
kesiti nasıl etkiler?
2475 yıllık tasarım
depreminin 1.5-2.0 katı bir
deprem istemi (~10000 yıl)
ele alındığında kesit %1525 büyümektedir.
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Ağırlık Barajlarında Yapı-Zemin Etkileşimi
Ec/Ef oranı arttıkça gerilmeler düşer.
Sebep: Zemin deformabilitesi ve ışıma sönümü
Dikkate alınması ile ekonomik tasarımlar mümkün!!
Kaya taşıma gücü kontrolü önem kazanır.
Baraj Yüksekliği arttıkça gerilmeler artar.
Sebep: Artan hidrodinamik yükler ve yüksek mod etkileri
Yüksek 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
Sunum Planı
1. Geçmişten Günümüze Barajların Sismik
Tasarımı
2. İki Boyutlu Deprem Analizleri
3. Üç Boyutlu Deprem Analizleri
4. Tasarımda Elastik Ötesi Analiz
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Üç Boyut Etkileri
Andıraz Barajı, dar vadide anosuz inşa
edilmesi planlanan yaklaşık 140 m
yüksekliğinde bir baraj olduğundan üç
boyut etkileri deprem analizlerinde dikkate
alınmalıdır.
Yüksek Deprem Riski
142m
Sual: Verilen deprem etkisi altında
x+0.3z+0.3y kombinasyonu için gerilme
kriterini sağlayan optimum kesit nedir?
Gerilme Limiti Aşılma Süresi (sn) Gerilme Lim. Aşılma Süresi (sn)
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
m=0.8
Kesit Optimizasyonu (475 yıl)
m=0.9
EACD
Modeli
m=1.0
Talep Kapasite Oranı
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.
Azami Asal Gerilme (MPa)
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Yapı-Zemin Etkileşimi
12
8
4
144yıl
obe
475yıl
mde
2475yıl
mce
0
1
2
3
Ec/Ef
4
5
Andıraz Parametrik
Çalışması:
• Ec/Ef arttıkça gerilmeler
azalıyor,
• Etkileşim faydalı,
• Aşırı yüklemede kriterler
ile yetersiz çıkıyor, kesit
büyütülmeli veya
doğrusal olmayan analiz
yapılmalı.
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Sunum Planı
1. Geçmişten Günümüze Barajların Sismik
Tasarımı
2. İki Boyutlu Deprem Analizleri
3. Üç Boyutlu Deprem Analizleri
4. Tasarımda Elastik Ötesi Analiz
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Tasarım 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
Elastik Ötesi Analizler
•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 Belirlenmesi
EACD
Kütlesiz
Zemin
EACD
Kütlesiz
Zemin
Relatif İvme. (g)
Gövde Gerilmeleri EACD/Kütlesiz Model
Relatif Dep. (cm)
• Doğrusal olmayan modellerde kütlesiz zemin yaklaşımı kullanılabilir.
• Kütlesiz zeminli baraj modelinin sönüm oranı üç boyutlu doğru yapızemin-rezervuar etkileşimi modeli kullanılarak belirlenmelidir.
Kütlesiz
Kütlesiz
Zaman (sn)
(a) 3 Boyutlu Görüş
(b) Baraj Alt Bölgesi
EACD deplasman/gerilme sonuçları
kütlesiz zeminli modelde sönüm
belirlenmesi için kullanılır.
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
İki Boyutlu Model
İki/Üç Boyut Modeller Karşılaştırması
Üç Boyutlu Model
Anolu Üç Boyutlu Model
• 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.
Anolar için 2D Modeller
80m
ano5
140m
ano10
Kemer 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.
1.4
1.2
Spektral İvme
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
%5 Sönüm
1.0
%10 Sönüm
0.8
%20 Sönüm
0.6
0.4
0.2
~0.55g
0.0
0.000
0.500
1.000
1.500
Periyot (sn)
7m
Mod 1 (f1=6.1 Hz)
27 m
30 m
16 m
Mod 2 (f2=8.5 Hz)
2.00
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Beklenen Hasar-Kopma Bölgesi
• Kritik yük kombinasyonları için
çatlama bölgeleri belirlenmiş,
• Beklenen çatlamaya göre elde
edilebilecek kopma bölgeleri
kontrol edilmiştir.
1. Barajlar Kongresi – Ekim 2012
Sonuçlar
•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.