6.1.Bölüm - Yapı Merkezi

Transkript

YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
TÜNEL DERSİ
İnşaat Mühendisliği Bölümü
Ergin ARIOĞLU
İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
TÜNEL DERSİ
Bölüm 6’
TÜNELLERİN SİSMİK TASARIMINA GİRİŞ
Prof. Dr. Müh. Ergin ARIOĞLU
Yapı Merkezi AR&GE Bölümü
2015/İstanbul
1
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
AÇIKLAMA NOTU
 Bilgi föyünün hazırlanmasında ülkemizde tünel mühendisliği konusunda büyük bilgi birikimi ve deneyimleri olan Yapı Merkezi
İnşaat A.Ş.’ nin arşivlerinden ve yayınlarından geniş ölçüde istifade edilmiştir.
 Çalışmanın dijital ortamda hazırlanmasında büyük emeği geçen Yük.Müh. Fatma Sevil MALCIOĞLU, Dr. Müh. Burak GÖKÇE ve
Prof. Dr. Müh. Ali Osman YILMAZ’ a teşekkür edilir.
 Bu çalışma kamusal yarar gözetilerek hazırlanmıştır.
 Çalışmada kullanılan bilgi föyleri, sunu malzemesi vs. kaynak gösterilmek kaydıyla kullanılabilir.
 Bilgi föyü kapsamında yapılan bütün çıkarımlar, değerlendirmeler ve görüşlerden Ergin ARIOĞLU sorumludur. Çalıştığı
kurumu bağlamaz.
“Bu ülkede, okumaya karşı istek artmadıkça,
gaflet ve bu gafletten doğacak felaket azalmaz” (Benjamin FRANKLIN)
Tünelle ilgili çeşitli konularda daha geniş bilgi almak isteyenler Yapı Merkezi web sitesi olan www.yapimerkezi.com.tr adresi,
“Ar – Ge Yayınları” bölümünden temin edebilirler.
2
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
DEPREM VE TEMEL GEOMETRİK BOYUTLARI
 Deprem
En genel tanımı ile yerin altında gevrek/masif kaya kütlelerinin yer hareketleri (sıkışma, açılma, bindirme) sonucunda
kırılarak biriktirdikleri "deformasyon enerjisi" ‘ nin , "sismik enerji" ‘ ye dönüşmesidir. Kırılma noktasına gelmesini
sağlayan sismik moment (Mo) diğer bir anlatımla bir fay kırığınıda depolanan enerjinin boyutu şu faktörlere bağlıdır:
•
Fayın-yırtılan kırık- kayma alanı (Af) (Yüzeyde gözlenen kırık uzunluğu (L)xArtçı şokların ortalama derinliği), m2
•
Ortalama yerdeğiştirme miktarı (D), m
•
Fay alanı içinde yer alan kayanın kayma modülü, N/m2. Örneğin, yüzey kırıklarında bu değer, µ=3 x 1010 N/m2
alınabilir (Day, 2002).
Sismik Moment:
𝑴𝒐 = 𝝁 ∙ 𝑨𝒇 ∙ 𝑫,
Kaynak: FHWA,2011’den değiştirilmiştir.
𝑵∙𝒎
3
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 Deprem
Kanamori, 1977 ve Hanks ve Kanomari, 1977, deprem büyüklüğü (Mw) için aşağıdaki beğıntıyı önermişlerdir:
𝑴𝒘 = −𝟔. 𝟎 + 𝟎. 𝟔𝟕𝒍𝒐𝒈 𝑴𝒐 = −𝟔. 𝟎 + 𝟎. 𝟔𝟕 ∙ 𝒍𝒐𝒈 𝝁 ∙ 𝑨𝒇 ∙ 𝑫 , 𝒃𝒐𝒚𝒖𝒕𝒔𝒖𝒛
Dünyada kaydedilen en büyük depremler,
•
1960 Şili Mw=9.5,
•
1964 Alaska, Mw=9.2’dir (Day, 2002).
Ülkemizde ise en büyük deprem, Kuzey Anadolu Fay sistemindeki 1938 Erzincan Mw≈Ms=7.8 depremdir. (Kuzey
Anadolu Fay (KAF) sisteminin en doğusunda aletsel dönemde gözlenen depremi olup, 40 bin can kaybı olduğu rapor
edilmektedir.)
4
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 Deprem
Bayrak ve Yılmaztürk, 1999 (Türkiye ve civarında oluşan 310 deprem verisinin alındığı) çalışmasında sismik moment,
Mo ile yüzey dalga büyüklüğü, Ms arasında,
𝒍𝒐𝒈 𝑴𝒐 = 𝟏. 𝟑𝟑𝟑 ∙ 𝑴𝒔 + 𝟏𝟕. 𝟑𝟐,
𝑴𝒔 ≥ 𝟓
Regresyon ifadesini vermiştir. Örneğin, Ms=7.8 için,
𝒍𝒐𝒈 𝑴𝒐 = 𝟏. 𝟑𝟑𝟑 × 𝟕. 𝟖 + 𝟏𝟕. 𝟑𝟐, = 𝟐𝟕. 𝟕𝟏𝟕
𝑴𝒐 = 𝟓. 𝟐𝟏𝟕 × 𝟏𝟎𝟐𝟕 𝒅𝒚𝒏𝒆 ∙ 𝒄𝒎
Fayın yırtılması sırasında boşalan enerji, sismik enerjini büyüklüğü ise, McCarhy, 1998’e göre,
𝑬 = 𝟏𝟎𝟒.𝟖+𝟏.𝟓𝑴𝒔 ,
𝑱𝒐𝒖𝒍𝒆
olmaktadır. Deprem büyüklüğündeki "bir" ‘lik artış boşalacak enerjiyi 31.5 kat arttırmaktadır (Arıoğlu, Ergin ve diğ.,
2000).
5
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 TÜNEL SİSMİK ANALİZİNDE İZLENECEK AŞAMALARA AİT GENEL BİR AKIŞ DİYAGRAMI
Kaynak: Arıoğlu, Ergin ve Yılmaz., 2006.
6
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 SİSMOLOJİYE GENEL BAKIŞ : ORTAMDA DALGA YAYILIMI
Sıkışma
Deprem Dalgası
“P” Dalgaları
Genişleme
S Dalgaları
Cisim dalgaları
Cisim Dalgaları
P Dalgaları
Çift genlik
Dalga uzunluğu
“S” Dalgaları
Rayleigh Dalgaları
Kaynak: Arıoğlu ve Yılmaz., 2006.
Yüzey dalgaları
Yüzey Dalgaları
Love Dalgaları
Love Dalgaları
Rayleigh dalgası
Özellikleri
P dalgaları yayılma sırasında kayaları ileri-geri itipçekerek dalgaların ilerleyiş yönüne paralel hareketler
yaparlar. Tıpkı bir ucu sabit olan bir spiral yayı gerip de
bıraktığımızdaki salınımı gibi hareket ederler. Yayılma
hızları saniyede yaklaşık 8 km’dir. Deprem ölçüm
merkezine en önce gelen bu dalgaların en önemli
özelliklerinden birisi de her türlü ortamda -katı, sıvı ve
gaz- ilerleyebilmeleridir
Deprem istasyonuna ikinci sırada ulaşan dalgalar olup,
hızları saniyede yaklaşık 4.5 km kadardır. Gerek P
gerekse S dalgaları-nın yayılma hızları geçtikleri
jeolojik birimlerin özellikleri ile-katman kalınlığı, çatlak
yapıları, porozite vb-yakından ilişkilidir.Bu dalgalar
sadece katı ortamlarda ilerleyebilmekte ve cisimleri
aşağıya-yukarıya ve sağa-sola doğru hareket ettirmektedir. Dalgaların arasında en “tahripkar” olanıdır.
Yüzey dalgalarını en hızlısı olup, yeri sadece yatay
düzlemde hareket ettirir .
Bir göl veya denizin üzerinde yuvarlanan dalga salınımı
gibi yer üzerinde hareket eder. Deprem sırasında
hissedilen sallantıların çoğu, diğer dalgalardan çok
daha büyük genlikli olan bu dalgalardan
kaynaklanmaktadır.
7
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
DEPREM DALGALARINA İLİŞKİN İFADELER
P Birincil-basınçdalgasının hızı
𝑽𝒑 =
S İkincil- kayma-
𝟒
𝑲 + 𝟑𝝁
𝝆
𝝁
=
𝝆
dalgasının hızı
𝑽𝒔 =
Lame değişmezi
𝝀=𝑲−
Bulk modülü Hacimsel modül-
=
𝝀 + 𝟐𝝁
=
𝝆
𝟏 − 𝝂 .𝑬
𝟏 + 𝝂 𝟏 − 𝟐𝝂 𝝆
𝑬
𝟐 𝟏+𝝂 𝝆
𝟐𝝁
𝝂𝑬
=
𝟑
𝟏 + 𝝂 𝟏 − 𝟐𝝂
𝑲=
Gerilme değişimi
𝜟𝝈
=
Hacimsel birim şekil değiştirme 𝜟 𝑽 𝑽
𝝁=
𝑲𝒂𝒚𝒎𝒂 gerilmesi
𝝉
=
𝑩𝒊𝒓𝒊𝒎 kayma şekil değiştirme 𝜸
Bazı kaynaklarda “ ” yerine “G” notasyonu kullanılmaktadır. Maksimum değeri – çok küçük birim kayma şekildeğiştirmede
Kayma modülü
𝛾 ≈ 10−6 − 10−5 :
𝝁𝒎𝒂𝒌 𝑮𝒎𝒂𝒌 = 𝝆. 𝑽𝟐𝒔
olarak ifade edilir.
8
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 Deprem
İvme
P-Dalgaları S-Dalgaları Yüzey dalgaları
Zaman
1. Episantır yakınındaki istasyon
İvme
bazındaki
görünümleri Şekilde (Filratrault,
2. Episantırdan uzak istasyon
1998)
şematik
olarak
gösterilmiştir.
Yüzey dalgaları
İvme
(ivme-
zaman) kayıt sisteminde geliş
süre ve genlikleri
S-Dalgaları Yüzey dalgaları
Zaman
dalgalarının
3. Episantırdan çok uzak istasyon
Zaman
 Episantıra yakın bölgede alınan kayıtta ilkin P, sonra S dalgaları ve daha sonra yüzey dalgaları
sıralanmaktadır. S dalgalarının frekansları daha düşük buna karşın genlikleri P dalgasına kıyasla daha
büyüktür. Bu yüzden ki S dalgaları çok daha tahripkardır. Ayrıca, etkime süresi daha uzundur.
 Episantırdan uzak bir istasyonda alınan kayıtta ise P dalgası sönümlendi-ğinden ötürü gözlenmemektedir.
Özellikle S dalgalarının varlığı nedeniyle depremin “tahripkar” özelliği halen devam etmektedir. (Cisim
dalgalarının genlikleri odaktan itibaren artan R -odak uzaklığı- ile azalmaktadır.)
 Episantırdan çok uzak bulunan bir istasyona sadece yüzey dalgaları ulaşmaktadır.
9
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
(*)
1900-2003 DÖNEMİ
(Ms  5)(Ms≥5)
VE MEVCUT
SİSMİK
BOŞLUKLAR
 TÜRKİYENİN
1900-2003DEPREMLER
DÖNEMİ DEPREMLER
VE MEVCUT
SİSMİK
BOŞLUKLAR (*)
AVRASYA PLAKASI
Marmara
boşluğu
Çayırlı-Aşkale
boşluğu
Geyve
boşluğu
EGE
GRABEN
SİSTEMİ
(EGS)
Gediz
boşluğu
B.Menderes
boşluğu
Yedisu
boşluğu
Argıthanı
boşluğu
Aksu
boşluğu
Gökova
körfezi
boşluğu
Rodos
havzası
Ardahan
boşluğu
Türkoğlu
boşluğu
Andırın
boşluğu
Antalya
Zafer
körfezi
boşluğu
boşluğu
Adana-Kilikya
havzası
HELENİK
KIBRIS YAYI
(HKY)
Van
boşluğu
Hazar (Palu –Sincik)
boşluğu
Yüksekova
boşluğu
ARABİSTAN
PLAKASI
AFRİKA PLAKASI
25 Eylül 2003’de hazırlanmıştır.
 Türkiye ve yakın civarının sismotektonik yapısı (Deprem Araştırma Dairesinin haritası üzerine işlenmiş ilave
deprem büyüklükleri ve bazı fay sistemi ilaveleri ile birlikte) ve 20.yüzyılda kırılmadan kalmış mevcut sismik
boşluklar
* (Gediz ve B.Menderes hariç diğer tüm sismik boşluklar Demirtaş, Erkmen,2000 kaynağından alınmıştır)
Kaynak: Arıoğlu, Ersin, 2005.
10
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 TÜRKİYE’NİN DEPREMSELLİĞİ (1903 – 2005)
Deprem Büyüklükleri :
Kaynak: Arıoğlu, Ersin, Sözen, Gülkan, 2005.
11
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 20. YÜZYILDA KUZEY ANADOLU FAY SİSTEMİ (KAF)
29
27
1912
(M = 7.3)
40
İstanbul

31
1999a
1999b
(M = 7.4)
(M = 7.2)
MARMARA
Bolu
Gölcük
1953
(M = 7.4)
33
35
39
37

1951
Havza
(M = 6.9)
1992
Ankara
1964
(M = 6.8)
(M = 7.0)
38
200 km
KAF
1999 Depremleri ile
Kırılan faylar
41
K A R A D E N İ Z
Düzce
Bursa
39
.....

1949
1967
1957
(M = 7.2)
(M = 7.1)


1944
(M = 7.2)

1943
1942
1939
(M = 7.2)
(M = 7.0)
(M = 7.9)


 Erzincan.................. ~ 33.000 Can Kaybı
 Niksar – Erbaa......... ~ 3.000 Can Kaybı
 Ladik....................... ~ 3.000 Can Kaybı
 Bolu – Gerede......... ~ 4.000 Can Kaybı
 Kurşunlu.................
~ 60 Can Kaybı
 Bolu – Abant........... ~ 100 Can Kaybı
 Adapazarı-Akyazı.... ~ 100 Can Kaybı
 Kocaeli-Gölcük........~ 20.000 Can Kaybı
 Düzce..................... ~ 850 Can Kaybı
Kaynak: Arıoğlu, Ersin, Sözen, Gülkan, 2005.

Erzincan
1966
(M = 6.9)
Kaynak: Barka ve Arkadaşları (2000)
12
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 TÜRKİYEDEKİ FAY ZONLARININ GENEL ÖZELLİKLERİ
Kuzey Anadolu Fay Sistemi (KAF)
Doğu Anadolu Fayı (DAF)
• Faylanma türü: Doğrultu atımlı (yatay)
• Faylanma türü: Doğrultu atımlı (yatay)
• Deprem sayısı : 36 adet (Ms  5.5)
• Odak derinliği : 4-80 km
• Maksimum magnitüd : 7.9 (Erzincan,1939)
- Can kaybı=32962, yıkık+ağır hasar=116720
• Deprem başına can kaybı : 2693 (ort.)
• Yaralı / can kaybı : 3.2 (12 deprem)
• Toplam yıkık+ağır hasar sayısı : 353093 ad. (30 deprem)
Ege Graben Sistemi (EGS)
• Faylanma türü: Normal (düşey)
• Maksimum magnitüd : 6.7 (Bingöl, 1971)
- Can kaybı =878, yıkık+ağır hasar= 5617
• Yaralı / can kaybı : 2.5 (4 deprem)
• Toplam yıkık+ağır hasar sayısı : 14110 ad.
(6 deprem)
Bitlis Bindirme Kuşağı (BBK)
• Faylanma türü: Ters fay (bindirme)
• Maksimum magnitüd : 7.1 (Gediz, 1970)
• Yaralı / can kaybı : 7 (6 deprem)
• Toplam yıkık+ağır hasar sayısı : 33473 ad.
(32 deprem)
Kaynak: Arıoğlu, Ersin,2005.
• Maksimum magnitüd : 6.9 (Lice, 1975)
13
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
KUVVETLİ YER SARSINTI KAYITLARI
 Temel Bilgi
Bir depremde, yapıların (tüneli köprü, bina,baraj, vs.) maruz kalacağı sismik yüklerin şidetinin belirlenmesinde ve
dalgaların yol açacağı yapısal hasarlarınn tanımlanmasında "kuvvetli yer sarsıntısı " kayıtlarından yararlanılır. Bunlar
yer ivme, hız ve yerdeğiştirme kayıtlarıdır. Şekilde sözkonusu yer sarsıntı parameterelerinin deprem süresi boyuna
İvme (g)
Hız (m/sn)
değişimleri maksimum değerleriyle birlikte görülmektedir.
Maksimum yer ivmesi = 0.528 g
Maksimum yer hızı = 0.525 m/sn
Yerdeğiştirme (m)
Süre (sn)
Süre (sn)
Maksimum yer değştirmesi = 0.15 m
Süre (sn)
14
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 Temel Bilgi
Yukarıdaki temel parametrelerin yanı sıra özellikle şev, portal şevi stabilite değerlendirmelerinde kullanılan diğer
büyüklükler şunlardır:
•
Arias Şiddeti, IA
𝑰𝑨 =
•
𝒕𝒅
𝟎
𝟐𝒈
𝝅
𝒂(𝒕) 𝟐 𝒅𝒕 ,
(𝑨𝒓𝒊𝒂𝒔, 𝟏𝟗𝟕𝟎)
Yer hareketinin süresi, td
𝒕𝒅 ≅ 𝟕. 𝟓
𝑰𝒐
𝒂𝟐𝒎𝒂𝒙
Burada,
g = yer çekimi ivmesi,
a(t)=ivme-süre kaydı,
td=yer hareketinin süresi,
amax=maksimum pik yatay yer ivme değeri (Kimi literatürde PGA (Peak Ground Acceleration) ile ifade edilir ).
𝑰𝒐 =
𝟐𝒈
× 𝑰𝑨
𝝅
15
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 Temel Bilgi
•
İvmenin Karesinin Ortalamasının Karekökü, RMSA
𝑹𝑴𝑺𝑨 =
𝒕𝒅
𝒕𝒅 𝟎
𝟏
𝒂(𝒕) 𝟐 𝒅𝒕
𝟎.𝟓
,
(𝑯𝒐𝒖𝒔𝒏𝒆𝒓, 𝟏𝟗𝟕𝟓)
veya Arias Şiddeti, IA cinsinden,
𝑹𝑴𝑺𝑨 =
𝟐𝒈 × 𝑰𝑨
𝝅 × 𝒕𝒇
Arias Şiddeti [cm/s] veya [m/s] olarak ifade edilir. RMSA büyüklüğü ise yer ivme birimindedir yani [cm/s2]’dir.
Eşik İvme Süresi, Db
Özellikle hasarlar açısından önemli bir parametre
olan süre, sismolojide çeşitli biçimlerde ifade
edilir. Örneğin, Bolt, 1973 tarafından önerilen eşik
İvme (g)
•
+0.05g
-0.05g
ivme süresine- bracketed duration- göre (ivmezaman kaydında ±a =0.050 g eşik ivme değerinin
ilki
ile
sonu
alınmaktadır.
arasında
kalan
süre
olarak
Süre (m)
16
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 Temel Bilgi
Yukarıdaki şekilde ivme değeri, a=0.050 g değerine ilk olarak t=3.3 sn’de ulaşmıştır. Son olarak ise t=18.6 sn’de,
a=0.05g değeri kaydedilmiştir. Bolt, 1973’e göre eşik süre değeri,t aşağıdaki şekilde bulunur.
𝑫𝒃 = 𝟏𝟖. 𝟔 − 𝟑. 𝟑 = 𝟏𝟓. 𝟑 𝒔𝒏
Dikkat edilirse, Arias Şiddetinde kullanılan süre ise, td=40 sn’dir Bu süre hareketin başlangıcı ile sonu arasındaki
zaman aralığını tanımlamaktadır.).
•
Bazı regresyon ifadeleri
İtalya’daki kuvvetli yer sarsıntılarının oluşturduğu veri tabanının alındığı bir çalışmada (Romeo, 2000),
𝑰𝑨 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟒 × 𝒂𝒎𝒂𝒙 ,
𝒄𝒎/𝒔𝒏
(10 cm/sn2 < amax < 350 cm/sn2)
𝑹𝑴𝑺𝑨 = 𝟎. 𝟒𝟑𝟓 × 𝒂𝟎.𝟕𝟕𝟓
𝒎𝒂𝒙 ,
𝒄𝒎/𝒔𝒏 𝟐
(10 cm/sn2 < amax < 350 cm/sn2)
regresyon ifadeleri rapor edilmiştir.
17
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 Temel Bilgi
Örneğin, amax=200 cm/sn2’lik bir maksimum yatay yer ivmesinin oluşturacağı Arias Şiddeti IA=30 cm/sn ve RMSA=30
Arias Şiddeti, IA (cm/sn)
İvmelerinin Karesinin Ortalamasının Karekökü, RMSA,
(cm/sn2)
cm/sn2 olarak eğriden kesitirlebilir.
𝑰𝑨 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟒 × 𝒂𝟏.𝟔𝟔𝟖
𝒎𝒂𝒙
R=0.91
𝑹𝑴𝑺𝑨 = 𝟎. 𝟒𝟑𝟓 × 𝒂𝟎.𝟕𝟕𝟓
𝒎𝒂𝒙
R=0.94
Maksimum Yer İvmesi, amax (cm/sn2)
18
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 BOORE, JOYNER VE FURNAL (1993, 1997) İVME AZALIM BAĞINTILARI
Kaynak: Arıoğlu ,Ergin ve diğ., 2001.
19
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
20
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 17 Ağustos 1999 Doğu Marmara depreminde ölçülen ivme değerlerinin Boore, Joyner, Furnal (1993) ivme
azalım bağıntı ve hata bantlarına göre, farklı zemin türleri için
maksimum yer hızları-faya dik uzaklık
değişimleri aşağıda verilmektedir.
YUMUŞAK-GEVŞEK ZEMİN
KATI-SIKI ZEMİN
Not: Vs= Yüzetden itibaren 30 m kalınlıktaki katman içinde ortalama kayma hızı, m/s,
Grafiklerdeki kısaltmalar ivme kayıt istasyonlarını ifade etmektedir.
21
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 YATAY VE DÜŞEY YER İVMESİ ARASINDAKİ İLİŞKİ
 17 Ağustos 1999 Doğu Marmara depreminde maksimum yatay ivmesi (ay) ile maksimum düşey yer ivmesi (ad)
arasındaki ilişki 3 km < faya dik uzaklık, D < 150 km için aşağıda verilmektedir. Ayrıca, Aydan1997 tarafından
türetilen bağıntı ile Arıoğlu ve diğ., 2001 bağıntısı karşılaştrılmıştır.
Not: 𝑎= ivme değerlerinin aritmetik ortalaması, n= veri sayısı, r= regresyonun korelasyon katsayısı,
22
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 YATAY YER İVMESİNİN DEPREM ŞİDDETİ VE FAYA OLAN DİK UZAKLIK İLE DEĞİŞİMİ
 17 Ağustos 1999 Doğu Marmara
depreminde maksimum yatay yer
ivmesi
(ay)
değiştirilmiş
ile
takdir
Mercalli
edilen
deprem
şiddeti, I arasındaki ilinti elde
edilmiştir.
 Aynı şekilde, maksimum yatay yer
ivmesi (ay) ile faya dik uzaklık, D
arasında ilişki, kaya (Vs > 750
m/sn), Yumuşak zemin (180 m/sn
Vs < 360 m/sn) ve katı,sıkı zemin
(360 m/sn < Vs < 750 m/sn) için
verilmiştir.
Not: n= veri sayısı, r= regresyonun korelasyon katsayısı,
23
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 SİSMOLOJİK BÜYÜKLÜKLERİN TESPİTİ İÇİN SAYISAL ÖRNEK
 Problemin Tanımı
Deprem üretme olasılığı taşıyan yüzey uzunluğu (L) 90 km olan doğrultu atımlı aktif faya dik uzaklığı (D) 25
km’de bulunan bir yörede tünel inşaatı yapılacaktır. Ön geoteknik araştırmalar sonucunda zeminde ölçülen
ortalama kayma dalga hızı (Vs) 200 m/sn olarak belirlenmiştir. Olası bir depreme ait sismolojik büyüklükleri
kesitiriniz.
 Problemin Çözümü
•
Depremin Büyüklüğü (Mw)
Aşağıda verilen Wells ve Coppersmith (1994) (Arıoğlu, Ergin, Yılmaz, 2000) bağıntısı kullanılarak, depremin
moment büyüklüğü elde edilebilir.
𝑴𝒘 = 𝟓. 𝟏𝟔 + 𝟏. 𝟏𝟐𝒍𝒐𝒈𝑳
L= fayın uzunluğu, km
L= 90 km için, moment büyüklüğü, Mw
𝑴𝒘 = 𝟓. 𝟏𝟔 + 𝟏. 𝟏𝟐𝒍𝒐𝒈 𝟗𝟎 = 𝟕. 𝟑𝟓 ≅ 𝟕. 𝟒
olarak elde edilir.
24
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 SİSMOLOJİK BÜYÜKLÜKLERİN TESPİTİ İÇİN SAYISAL ÖRNEK - devamı-
25
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
ad=198.5 cm/sn2
ay=230 cm/sn2
26
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
I=8.4
ay=230 cm/sn2
27
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
CİSİM (BASINÇ, KAYMA) VE YÜZEY (RAYLEIGH) DALGALARININ OLUŞTURDUĞU
DEFORMASYONLAR VE EĞRİLİK
Dalganın
İlerleme
Yönü
Tünel ekseni
Tünel ekseni
Zeminin eksenel
yerdeğiştirmesi
Deprem
dalgası
Zeminin enine
yerdeğiştirmesi
R dalgaları
S dalgaları
P dalgaları
 Tünel ekseniyle “ 𝜙 ” açısı yapan basit harmonik-sinüs-
 Tünelde boyuna ve eğilme birim kısalmasına
dalganın zeminde oluşturduğu boyuna “ux” ve enine “uy”
yol açan deprem dalgaları (P, S, R) (𝜙 açısı
yerdeğiştirmeler (L=Dalga boyu)
deprem dalgalarının tünel ekseniyle yaptığı
açıdır).
28
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
CİSİM (BASINÇ, KAYMA) VE YÜZEY (RAYLEIGH) DALGALARININ OLUŞTURDUĞU
DEFORMASYONLAR VE EĞRİLİK
Dalga
Boyuna deformasyon
b 
 P dalgası-basınç-
Vp
Cp
 bm 
b 
 S dalgası-kayma-
cos2 
Vp
Cp
,   0
Vs
sin cos 
Cs
bm 
Vs
,   45
2Cs
V
 Rayleigh Dalgası
 b  RP cos2 
CR
 Basınç bileşeni
 bm 
VRP
,   0
CR
 Kayma bileşeni
Normal deformasyon
n 
Vp
Cp
Vp
lm 
n 
Cp
 nm 
n 
n 

,   90
m 
Vs
sin cos ,   45
2Cs
VRP
sin2 
CR
 nm 
VRP
,   90
CR
VRS
sin
CR
 nm 
Vp
sin2 
Vs
sin cos 
Cs
VRS
,   90
CR
Eğrilik
Kayma
deformasyonu

Cp
2Cp
,   45
Vs
,   0
Cs
VRP
sin cos
CR
m 

Vp
Vs
cos2 
Cs
m 

sin cos
VP
,   45
2CR
VRS
cos
CR
m 
VRS
,   0
CR
1 ap

sin cos2 
 Cp2
1
mak
K
as
Cs2
Km 
K
 0.385
as
Cs2
aRP
2
CR
aRS
2
CR
Km 
Cp2
,   3516'
cos3 
,   0
sin cos2 
K m  0.385
K
ap
aRP
2
CR
,   3516'
cos2 
aRS
2
CR
,   0
Zemin/Kaya kütlesinin Poisson oranı “m” ve dinamik elastik modülü “E m” ve Kayma modülü “Gm”, P ve S dalgalarının yayılma
hızından (Cp; Cs) hesaplanabilir:
2
1 (Cp / Cs )  2
;
m 
2 (Cp / Cs ) 2  1
Cp 
2(1  m )
.Cs ;
(1  m )
yoğunluğu,   Birimhacimağırlık ,
Yerçekim ivmesi
Em  Cp2
(1  m )(1  2m )
ve Gm  Cs2 . =Zemin/Kaya kütlesinin mass
(1  m )
m indisi ile belirtilen büyüklükler maksimum değere karşı gelmektedir.
29
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
FAY KIRILMA UZUNLUĞU VE ALANININ DEPREM BÜYÜKLÜĞÜ İLE DEĞİŞİMİ
 Temel Bağıntı
Depremin moment büyüklüğü, Mw ile kırılma uzunluğu, L, kırılma alanı, S ve maksimum yerdeğiştirme, Umax
arasında fay tipine bağlı olarak ilişkiler Aydan, 2007 tarafından elde edilmiştir. Genel bağıntılar aşağıda verilmiş
olup, regreyon katsayıları (A ve B) aşağıdaki tabloda her bir fay tipi için verilmiştir.
𝑳 = 𝑨 × 𝑴𝒘 𝒆
𝑴𝒘
𝑩
𝑺 = 𝑨 × 𝑴𝒘 𝒆
𝑴𝒘
𝑩
𝑼𝒎𝒂𝒙 = 𝑨 × 𝑴𝒘 𝒆
Fay Tipi
Normal Faylanma
Doğrultu Atımlı
Faylanma
𝑴𝒘
𝑩
Parametre
Kırılma Uzunluğu,
L (km)
Kırılma Alanı,
2
S (km )
Maksimum
Yerdeğiştirme, Umax (cm)
A
0,0014525
0,003
0,0003
B
1,21
1,50
1,6
A
0,0014525
0,001
0,00035
B
1,19
1,70
1,6
A
0,0014525
0,0032
0,0014
B
1,25
1,50
1,6
Ters Faylanma
Kaynak: Aydan., 2014’den değiştirilmiştir..
30
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
𝑳 = 𝟎, 𝟎𝟎𝟏𝟒𝟓𝟐𝟓 × 𝑴𝒘 𝒆
Fay Kırılma Alanı, km2
Fay Kırılma Uzunluk (L), km
FAY KIRILMA UZUNLUĞU VE ALANININ DEPREM BÜYÜKLÜĞÜ İLE DEĞİŞİMİ
-TERS FAY ÖRNEĞİ-
𝑴𝒘
𝟏.𝟐𝟓
L=60 km km
𝑺 = 𝟎, 𝟎𝟎𝟑𝟐 × 𝑴𝒘 𝒆
Mw=7.2
Ters Fay
Deprem Büyüklüğü, Mw
 Sayısal Örnek:
𝑴𝒘
𝟏.𝟓
Ters Fay
Sismik bakımdan aktif bir bölgede yer alan ters fay özellikli kırığın olası uzunluğu 60 km olduğu bilinmektedir. Beklenen
moment büyüklüğü grafikten farklı üç yaklaşımın ortalaması moment büyüklüğünü 7.2 olarak tanımlamaktadır.
31
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
FAYIN KIRILMA SÜRESİ İLE DEPREM MOMENT BÜYÜKLÜĞÜ ARASINDAKİ AMPİRİK İLİŞKİ
Fay Kırılma Süresi (Ts), sn
 2011 Büyük Doğu Japonya
𝑻𝒔 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟏𝟏𝑴𝒘 × 𝒆𝒙𝒑 𝟏. 𝟏 × 𝑴𝒘
depremi
ve
gözlemsel
veriler kulanılarak, deprem
moment büyüklüğü ile fay
kırılma süresi arasında bir
ilişki olduğu görülmektedir.
Artan deprem büyüklüğü ile
fay
kırılma
süresi
artmaktadır.
32
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
ZEMİNLERDE İVME BÜYÜTMESİ
 İvme büyütme özellikle kayada kaydedilen küçük ivme
amax – zemin-g
değerlerinden çok şiddetli olmaktadır. 1989 Loma Prieta
Kayıt ve
hesaplanan
değerlere
göre kabul
edilen sınır
zarfı
depreminde temel kayada ölçülen 0.1 g, yumuşak zemin
Önerilen
eğri
büyütme oranı kabaca 0.32 g/0.1g 3 olmaktadır. Artan
maksimum yatay yer ivme-kayada- değerlerinde zemin
büyütme etkisini büyük ölçüde yitirmektedir. Bu sonuç
Kayıt alınmış körfez çamur sahaları
Kayıt alınmış derin sık zeminler
SHAKE 91 ile hesaplanmış ivme
değerleri
D-MOD adlı programla
hesaplanmış ivme değerleri
a
koşullarında 0.32 g değerine kadar büyümüştür. İvme
Idriss 1991’e göre Loma Prieta depremine ait değişim aralığı
amax – kaya-g
proje mühendisliği açısından yorumlandığında yırtılan
faydan çok uzakta bulunan bir zemin katmanında inşa
edilecek yapı/tünel/şevler “büyültme”den ötürü önemli
eylemsizlik kuvvetlerine maruz kalabilir. Bu koşulları
içeren projelerin dinamik analizleri büyük özenle
yapılmalıdır.
NOT: Özellikle tünel portallarındaki kaya kütleleri zayıf dayanımlı /kırıklı ve ayrılmış durumdadır. Bu özellikleri ile, bu
gibi formasyonlar zemin gibi davranış gösterirler. Yukarıdaki abaktan hareketle, zemin için maksimum yatay yer ivmesi
kestirilebilir. Örneğin, zeminde amax = 0.2g olan durumda, kaya da yaklaşık 0.3g olmaktadır. Görüldüğü gibi bu gibi
formasynlarda ivme büyümüştür.
Kaynak: Arıoğlu, Ergin ve Yılmaz., 2006.
33
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
BOYUNA DALGA HIZININ, Vp, KAYA KÜTLE FAKTÖRÜ, Q İLE İLİNTİSİ
 Temel Bağıntı
25 m tünel aks derinliğinde ölçülen ortalama Vp hızı ile normalize edilmiş kaya kütle faktörü Qc arasında,
𝑽𝒑 ≈ 𝟑. 𝟓 + 𝒍𝒐𝒈 𝑸𝒄
regresyonu vardır. Normalize edilmiş kaya kütle faktörü Qc ise ,kaya kütle faktörü, Q cinsinden,
𝑸𝒄 =
𝑸 ∙ 𝝈𝒃,𝒍𝒂𝒃
𝟏𝟎𝟎
İle tanımlanmaktadır (Barton, 2002). Burada, 𝝈𝒃,𝒍𝒂𝒃 [MPa], sağlam numunenin tek eksenli basınç dayanımını
ifade etmektedir. Böylece, kaya kütle faktörü, Q ve sağlam numunenin tek eksenli basınç dayanımı 𝝈𝒃,𝒍𝒂𝒃 bilindiği
takdirde, P dalgası hızı aşağıdaki ekilde bulunabilmektedir.
𝑽𝒑 ≈ 𝟑𝟓𝟎𝟎 + 𝟏𝟎𝟎𝟎𝒍𝒐𝒈
,
𝟏𝟎𝟎
𝒎/𝒔𝒏
 Kayma, Vs ve Rayleigh, VR Hızları
𝑽𝒔 ≈ 𝟎. 𝟓𝟕𝟕𝑽𝒑 ≈ 𝟐𝟎𝟐𝟏 + 𝟓𝟕𝟕
,
𝟏𝟎𝟎
𝒎/𝒔𝒏
𝑽𝑹 ≈ 𝟎. 𝟗𝟐𝑽𝒔
(Tshering, 2011)
Kaynak: Yapı Merkezi ARGE Bölümü, 2015.
34
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
BOYUNA DALGA HIZININ, Vp, KAYA KÜTLE FAKTÖRÜ, Q İLE İLİNTİSİ
 Sayısal Örnek
Kaya kütle kalitesi, Q faktörü = 0.1
Sağlam numunenin tek eksenli basınç dayanımı 𝝈𝒃,𝒍𝒂𝒃=5 MPa (Zayıf Kaya Kütlesi)
Yaklaşık 25 m tünel derinliğinde boyuna ve kayma Vp ve Vs hız değerleri sırasıyla
𝑽𝒑 ≈ 𝟑𝟓𝟎𝟎 + 𝟏𝟎𝟎𝟎𝒍𝒐𝒈
𝟎. 𝟏 ∙ 𝟓
≈ 𝟏𝟐𝟎𝟎 𝒎/𝒔𝒏
𝟏𝟎𝟎
𝑽𝒔 ≈ 𝟎. 𝟓𝟕𝟕𝑽𝒑 = 𝟎. 𝟓𝟕𝟕 × 𝟏𝟐𝟎𝟎 = 𝟔𝟗𝟐 𝒎/𝒔𝒏
olarak kestirilir. Kayma hızının dalga boyu ise,
𝝀=
𝑽𝒔
𝒇
genel bağıntısından hareketle istenen frekans, f değeri için belirlenebilir. Örneğin, f= 10 Hz için kayma hızının
dalga boyu, aşağıdaki şekilde hesaplanabilir.
𝝀=
𝟔𝟗𝟐
≈ 𝟔𝟗 𝒎
𝟏𝟎
Hatırlatılmalıdır ki, boyuna/kayma dalga hızları, artan tünel aks derinliği ile artmaktadır. Vp=f(Q) değişimi derinlik
ve kaya kütlesinin porozite değeriyle değişimi, takip eden sayfadaki Barton (2002) abağında görülmektedir. Bu
abak yardımıyla verilen derinlik, porozite ve Qc (Q) değerleri için boyuna basınç dalga hızı kestirilebilir.
35
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
KAYA KÜTLESİNİN Q FAKTÖRÜNDEN P SİSMİK HIZINI/SU GEÇİRGENLİĞİNİN KESTİRİMİ
Vp

1 Lugeon, 1 MPa (10 bar)’lık basınç
altındaki 1 metrelik sondaj logunun,
Qc
dakikada litre cinsinden su kaybı olarak
tanımlanmaktadır. Sol’da verilen abak,
Lugeon değeri, normalize Q faktör (Qc)
ve sismik P dalgası hızı arasındaki
ilişkiyi
vermektedir.
tanımlanmasında
ilişkinin
Bu
iki farklı düzeltme
yapılması gerekebilir.
•
Derinlik Düzeltmesi
Bilindiği
gibi,
geçirgenlik,
K,
artan
derinlikle azalmaktadır. Böylece, Lugeon
değerlerinin
tabakasının
𝝈𝒄𝒊
𝑸𝒄 = 𝑸 ×
𝟏𝟎𝟎
tünel
üzerindeki
kalınlığına
bağlı
örtü
olarak
düzeltilmesi gerekmektedir.
•
•
Porozite düzeltmesi
Kaya kütlesinin porositesi %1’den büyük
ise, Lugeon değerine ve normalize Q
faktörüne
porosite
düzeltmesi
Not: 1Lugeon = 10 m/sn, Q=Q kaya kütle sınıflandırma sisteminde faktör
uygulanması gerekir.
Qc=Normalize edilmiş Q faktörü, σci=sağlam numunenin tek eksenli basınç dayanımı, MPa
-7
Kaynak: Barton, 2002 ve Yapı Merkezi ARGE Bölümü, 2015.
36
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
SİSMİK YÜKLEMEDE TEMEL KAYA BASINCININ HESAPLANMASI
 Genel
Barton, 1984’e göre deprem sırasında, Q faktörü içinde yer alan SRF (Gerilme Azaltım Faktörü)
değişmektedir. Sismik yüklemede sözkonusu faktör,
𝑺𝑹𝑭
𝒔
≈ 𝟐 × 𝑺𝑹𝑭
olmaktadır. Bu kabul temel alındığında sismik yüklemede kaya kütle faktörü,
𝑸
𝒔𝒊𝒔𝒎𝒊𝒌
≈ 𝟎. 𝟓 × 𝑸
olmaktadır. Yukarıdaki bağıntıda, statik durumda kaya kütle faktörü Q ile ifade edilmiştir.
37
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
Hatırlanacağı üzere uzun süreli tünel projelerinde Q faktörüne bağlı olarak düşey kaya basıncı –
statik yükleme-
𝑷𝒅 =
𝟐𝟎
𝑸 −𝟎.𝟑𝟑𝟑 ,
𝑱𝒓
𝒕/𝒎𝟐
bağıntısı ile belirlenebilir ve sismik yükleme durumunda ise düşey kaya basıncı,
𝑷𝒔𝒊𝒔𝒎𝒊𝒌 =
𝟐𝟎
𝑱𝒓
𝟎. 𝟓 × 𝑸
−𝟎.𝟑𝟑𝟑
= 𝟏. 𝟐𝟓 ×
𝟐𝟎
𝑸 −𝟎.𝟑𝟑𝟑 ≈ 𝟏. 𝟐𝟓 × 𝑷𝒅 ,
𝑱𝒓
𝒕
𝒎𝟐
𝑷𝒅
olmaktadır. Dikkat edilirse, dinamik yükleme durumunda, tünel kaya basıncı %25 artmaktadır.
Yukarıdaki bağıntılarda geçen, Jr, Q sisteminde çatlak pürüzlülük durumunu ifade eden faktördür.
38
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
Daha güncel kaynakta (Bhasin ve Grimsad, 1996), Q< 4 için düşey kayma basıncı,
𝑷𝒅 =
𝟒𝑩
𝑸 −𝟎.𝟑𝟑𝟑 ,
𝑱𝒓
𝒕/𝒎𝟐
Burada B, metre cinsinden tünel kazı açıklığını ifade eder.
Sismik yükleme durumunda ise, düşey yükleme basıncı,
𝑷𝒔𝒊𝒔𝒎𝒊𝒌 ≈ 𝟏. 𝟐𝟓 × 𝑷𝒅 ≈
𝟓𝑩
𝑸 −𝟎.𝟑𝟑𝟑 ,
𝑱𝒓
𝒕
𝒎𝟐
olarak belirtilebilir.
 Sayısal Örnek
B=8 m, Q=1 ve Jr=1 –çatlak prürüzlülük faktörü düzgün/düzlemsel durum için, sismik yükleme durumunda, düşey
yükleme basıncı aşağıdaki şekilde elde edilebilir.
𝑷𝒔𝒊𝒔𝒎𝒊𝒌 ≈
𝟓×𝟖
𝒕
1 −𝟎.𝟑𝟑𝟑 = 𝟒𝟎 𝟐
𝟏
𝒎
Dikkat edilirse Bhasin ve Grimsad, 1996’ın ampirik düşey kaya basıncı ifadesinde, "tünel kazı açıklığı" yer
almaktadır. Bu açıdan orjinal Q sisteminde tanımlanan düşey basınç değernde çok farklıdır. Ders notunun mualifi
de zayıf dayanımlı kaya kütlelerinde tünel kazı açıklığının, düşey iksa basıncını olumsuz etkilediğini savunur.
39
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 ZEMİN/KAYA KÜTLESİ – TÜNEL İKSA ETKİLEŞİMİ
 Esneklik – Flexibility- Oranı
•
Deformasyon yapabilme yeteniği bakımından zemin/kaya kütlesi ile tünel iksa sistemi arasında önemli
farklılıklar vardır. Eğer rijit bir iksa sistemi (örneğin; betonarme kaplama) sözkonusu ise sismik yüklemeden
kaynaklanan deformasyonlara karşı direnç gösterir. Esnek bir iksa sistemi durumunda ise iksa
deformasyonlara uyum göstermek ister. Dairesel kesitli bir tünel için, sismik analizde kullanılan esneklik
oranı ,
𝑬𝒎 𝟏 − 𝝂𝟐𝒊 𝑹𝟑
𝑭=
𝟔𝑬𝒊 𝑰𝒊 𝟏 + 𝝂𝒌
Poisson oranı iksa ve kaya kütlesi için νi ≅ νk = 0.25 alındığında, yukarıdaki ifade aşağıdaki şekilde
yazılabilir.
𝑬𝒎 𝑹𝟑
𝑭 = 𝟎. 𝟏𝟐𝟓 ×
𝑬𝒊 𝑰𝒊
Burada,
Em=Kaya kütlesinin elastik modülü, MPa
Ec=Beton/püskürtme beton kaplamasının 28 günlük elastik modülü, MPa,
i=Beton
püsürtme betonkaplamasının 1 m uzunluğu için atalet momenti (m4/m),
R=Tünel yarıçapı, m
40
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
•
Fang, 1993 dikdörtgen bir tünel kesiti için esneklik oranı F’yi aşağıdaki şekilde tanımlar.
𝑭=
𝑮𝒎 × 𝑾
𝑺×𝑯
Burada,
Gm=Kaya kütlesi/zeminin kayma modülü,
W=Tünel açıklığı,
H=Tünel yüksekliği,
S=Yatay yönde birim öteleme için gerekli kuvvet,
Esneklik oranı, F’e göre tünel kaplama esneklşiği aşağıdaki şekilde sınıflandırılabilir (Pitilakis ve Tsisnidis, 2014),
F Değeri
Tanımlama
F →0
Tünel kaplaması rijittir ve herhangi bir deformasyon göstermez.
F<1
Tünel kaplaması ortamdan daha "sıkı" dır.
F=1
Tünel iksası ile ortam (zemin/kaya kütlesi durumunda) arasında, "sıkılık" (stiffness) aynı
ölçüde paylaşılmaktadır. Tünel iksa sistemi, sismik kökenli deformasyonlarla uy umludur.
F>1
Yanal ötelemenin düzeyi büyüktür.
41
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
•
Serfm ve Pereira, 1983, kaya kütlesinin elastik modülünü, RMR ≤ 50 için,
𝑬𝒎 = 𝟏𝟎
𝑹𝑴𝑹−𝟏𝟎
𝟒𝟎
,
𝑮𝑷𝒂
(1 GPa = 1000 MPa)
ifadesiyle vermektedir. Beton/yaş yöntemle yerleştirilen püskürtme betonun elastik modülü, Eb
𝑬𝒃 = 𝟖𝟒𝟖𝟎𝜶𝜷 𝒇𝟎.𝟑𝟑𝟑
,
𝒃
𝑴𝑷𝒂
(10 MPa < fb < 115 MPa için)
şeklinde ifade edilir.
Burada,
fb=betonun silindir dayanımı, MPa,
𝜶𝜷=Agrega faktörü,
𝜶𝜷 = 𝟎. 𝟏𝟒𝟖𝟓 𝑬𝒂
𝟎.𝟓
(10 GPa < Ea < 115 GPa için)
(Gabierrez ve Granovas, 1995)
42
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
Ea= Agrega elestik modülü,
𝑬𝒂 = 𝟎. 𝟒𝟏 𝝈𝒃,𝒂
𝟎.𝟗𝟑
,
𝑮𝑷𝒂
(15 MPa < 𝝈𝒃,𝒂 < 400 MPa için)
(Arıoğlu, Ergin, 1995)
(𝝈𝒃,𝒂 =Agreganın basınç dayanımı, MPa)
Yukarıdaki bağıntılar yardımıyla, kaya kütlesinin ve betonun elastik modülü kestirilebilmektedir. Verilen
kaplama kesitinin atalet momenti, i için, esneklik oranı, F proje koşulları için tanımlanabilir.
43
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
KAYA KÜTLE KALİTESİNE GÖRE İKSA SEÇİMİ
Açıklık yada Yükseklik, m
ESR
Saplama Uzunluğu, ESR=1
Kaya Kütlesi Kalitesi Faktörü, Q
1- Tahkimatsız
2- Nokta saplama, sb
3- Sistematik saplama, B
4- Sistematik saplama
(Güçlendirilmemiş püskürtme beton,
4-10 cm B(+S)
5- Lifle güçlendirilmiş püskürtme
beton (5-9 cm) ve saplama, Sfr+B
beton (9-12 cm) ve saplama, Sfr+E
beton (12-15 cm) ve saplama, Sfr+E
beton (>15 cm) saplama ve çelik
çubuklarla güçlendirilmiş, Sfr, RRS+B
9- Yerinde beton kaplama, CCA
Not: Sismik yükleme durumunda ise,
Q ekseninden 1.25x Q alınmak
suretiyle uzun süreli iksa tasarımı
yapılabilir.
Kazı Çeşidi
ESR
Tavsiye edilen ESR
A Geçici kazı açıklığı
ca.2-5 ca. 2 - 5
Kalıcı kazı açıklıkları,hidrogüç için su tünelleri(yüksek basınçlı borular hariç), servis tünelleri, geniş kazılar için
B
1.6
1.6 - 2.0
galeriler.
C Yeraltı atık boşuları, su dağıtım şebekeleri, tali yollar ve demiryolu tünelleri, denge odası, ulaşım tüneli.
1.3
0.9-1.1 (depo boşlukları 1.2-1.3)
D Enerji santralleri, anayollar ve demiryolu tünelleri, sivil savunma odaları, portal geçişleri
1.0
Anayollar-demiryolu tünelleri 0.5 to 0.8
E Yeraltı nükleer güç santralleri, demiryolu istasyonları, kamu ve spor tesisleri,fabrikalar.
0.8
0.5-0.8
1993 yılında yayınlanan ESR tablosu, 1970 ve 1980’lerde düzeltildi. Fakat, dünya çapında ve Norveçte güvenlik istemi artmaktadır. Özellikle de, 1970’lerde küçük
kayaparçalarının düşmesinin kabul edildiği tali yol tünellerini kapsayan ulaşım tünnelerinin daha güvenli olması beklenmektedir ve bugünlerde, artık herhangi bir kaya
parçasının düşüşüne izin verilmemektedir ve ESR = 1 olarak kabul edilmektedir. Yeraltı atık boşluklarından daha önemli olan ve pahalı ekipmanları içeren su dağıtım
şebekeleri için ise ESR = 0.9-1.1 alınması tavsiye edilmektedir. Anayolar ve demiryolları için, ESR = 0.5-0.8 kabul edilmektedir.
Kaynak: NFF, 2014’den değiştirilmiştir.
44
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
Sismik yüklemeye maruz kalan bir şev,
𝑭=
𝑾
× 𝒂𝒎𝒂𝒙 = 𝒌𝒚 × 𝑾
𝒈
İvme (g)
PORTAL ŞEV/DENGE ŞEVLERİNİN STABİLİTESİNİN NEWMARK KALICI YERDEĞİŞTİRMESİ İLE
KESTİRİLMESİ
 Genel
ile tanımlanan yatay itkiye maruz kalır. Burada, W kayma
dairesinin ağırlığını ifade eder. amax ise kuvvetli yer
is yerçekimi ivmesini göstermektedir. ky ise sismik katsayı
olarak tanımlanır.
𝒂𝒎𝒂𝒙
,
𝒈
(𝒃𝒐𝒚𝒖𝒕𝒔𝒖𝒛)
Genellikle sismik yüklemem altında şevin stabilite analizi
psedo-statik yöntemle yapılır. Şevin kalıcı yerdeğiştirme
miktarı ise Newmark, 1965 tarafından geliştirilen blok
analizi yöntemi ile bulunur. Bu yöntem ile psedo-statik
çözümlemede güvenlik katsayısının FS=1 olma durumuna
karşı gelen kritik ivme ac’nin ve kalıcı yerdeğiştirme,D
Yerdeğiştirme (cm)
𝒌𝒚 =
Hız (cm/sn)
sarsıntısının oluşturduğu yatay yer ivmesi büyüklüğüdür. g
Süre (sn)
belirlenir. Aşağıdaki şekilde bu prensip açıklanmıştır.
Kaynak: Jibson, 2007.
45
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
KESTİRİLMESİ
 Genel
(ac büyüklüğü kimi literatürde akma (yield) yatay yer ivmesi olarak kullanılır).En basit şekliyle ac,
𝒂𝒄 = 𝑭𝑺 − 𝟏 ∙ 𝒈 ∙ 𝒔𝒊𝒏𝜶
ile verilir.
Burada,
FS=statik yükleme koşulları altında şevin kaymaya karşı güvenlik katsayısı,
g=yerçekimi ivmesi (g=9.81 m/sn2, 981 cm/sn2),
α=Şevin eğimi,
Örneğin, FS=1.5 ve α=45⁰ olsun. BU udurmda sismik yükleme için kritik ivme büyüklüğü ,
𝒂𝒄 = 𝟏. 𝟓 − 𝟏 ∙ 𝒈 ∙ 𝒔𝒊𝒏𝟒𝟓 = 𝟎. 𝟓 × 𝟎. 𝟕𝟎𝟕 × 𝒈 = 𝟎. 𝟑𝟓𝒈
bulunur.
46
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
KESTİRİLMESİ
 Genel
•
Geoteknik literatürde Newmark Kalıcı yerdeğiştirme beğıntıları,
o
Ambrasseys ve Menu, 1988,
𝒍𝒐𝒈 𝑫𝑵 = 𝟎. 𝟗𝟎 + 𝒍𝒐𝒈
𝒂𝒄
𝟏−
𝒂𝒎𝒂𝒙
𝟐.𝟓𝟑
𝒂𝒄
𝒂𝒎𝒂𝒙
−𝟏.𝟎𝟗
∓ 𝟎. 𝟑𝟎,
𝒄𝒎
(6.6 < Ms < 7.2)
amax= Analiz edilen şev bölgesindeki maksimum yatay yer ivme değeri,
o
Jibson, 2007,
𝒍𝒐𝒈 𝑫𝑵 = −𝟐. 𝟕𝟏𝟎 + 𝒍𝒐𝒈
𝒂𝒄
𝟏−
𝒂𝒎𝒂𝒙
𝟐.𝟑𝟑𝟓
𝒂𝒄
𝒂𝒎𝒂𝒙
−𝟏.𝟒𝟕𝟖
+ 𝟎. 𝟒𝟐𝟒𝑴𝒘 ∓ 𝟎. 𝟒𝟓𝟒,
𝒄𝒎
(5.3 < Ms < 7.6)
Mw= Moment büyüklüğü
47
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
KESTİRİLMESİ
 Genel
Newmark yerdeğiştirmesi ile kritik yatay yer ivmesinin, en büyük yatay yer ivmesine oranı arasındaki ilişkiyi,
Mw < 6.0, 6.0 < Mw < 7.0 ve Mw >7.0 için incelenmiştir.
Genellikle, kaya kütlelerinin oluşturduğu şevlerde izin verilebilir kalıcı yerdeğiştirme miktarı 5 cm alınabilir.
Aynı şekil kullanılarak verilen yerdeğiştirme "DN "ve maksimum yatay yer ivme " amax " değerleri için kritik
ivme büyüklüğü " ac " belirlenebilir ve şevin geometrik boyutları (şev açısı, yüksekliği) tahkik edilebilir.
48
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 SİSMİK ETKİ NEDENİYLE TÜNELLERDE MEYDANA GELMESİ MUHTEMEL HASARLAR
Dalga İlerleme Yönü
Tunnel Axis
Tunnel
Tünel/galeri eksenine paralel doğrultudaki dalga yayılımlarının
yol açtığı şekildeğiştirmelerdir. Bunlar kaya kütlesinin kısalmasına
(basınç), uzamasına (çekme) neden olur. Kaya kütlesinin özellikle
çekme gerilmesi altındaki dayanımının çok düşük olduğu dikkate
alınırsa, sarsıntı tünel cidarında kaya parçalarının (kavlaklar)
dökülmesine yol açarlar. Şiddetli ve uzun süren sarsıntı
durumunda cidarlardaki süreksizliklerin -çekme gerilmesi altındaaçılmaları beklenmelidir.
(Comp.) (Tension) (Comp.)
Tünel ekseninin kıvrımlanması
(Tension) (Comp.) (Tension)
Tünel/galeri eksenine paralel ilerleyen dalgaların tünel eksenini kıvrımlanmaya
zorlamasıdır. Şekilden görüleceği üzere negatif kıvrımlanmaya maruz kalan
bölgede tünelin üst kısmı çekme gerilmesine çalışırken alt kısmı basınç
gerilmesine maruzdur. Özellikle çekme gerilmesine maruz zonlarda kırılmalaryenilmeler- gözlenir. Basınç gerilmesine maruz kalan zonlarda ise aşırı ölçüde
basınç gerilmesi yoğunluğu sözkonusudur. Gerilme yoğunluğu düzeyine ve
çatlaklılık parametrelerine bağlı olarak kaya kütlelerinde ve tahkimat
sistemlerinde yenilmeler beklenmelidir.
OVALLEŞME / ÖTELENME
BOYUNA EĞİLME
EKSENEL SIKIŞMA VE
AÇILMA (x)
Tünellerde eksenel şekil değiştirme
Kaynak: Arıoğlu, Ergin ve Yılmaz., 2006’dan değiştirilmiştir..
Ovalleşme ve Ötelenme (Racking),
• Kayma dalgası tünel eksenine normal yada normale
yakın şekilde yayıldığında, tünel kesiti dairesel tünellerde
ovalleşme şeklinde, dikdörtgen kesitli tünellerde
ötelenme (racking) şeklinde bir şekil değiştirme durumu
meydana gelmektedir.
49
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
KLASİK MADENCİLİK (NATM) YÖNTEMİ İLE AÇILAN TÜNELLERDE OLASI GÖÇÜK
MEKANİZMALARI VE OLUŞUM NEDENLERİ
Arazi koşulları
 Yeni Avusturya Yöntemi-NATM- ile açılan
Tipik tünel göçük mekanizmaları
(1) Üniformluluk
Kemerin
Ana kaya
yenilmesi
özellikleri
Büyük
ölçüde
üniform
formasyon
örneğin
kabaran
çamurtaşı
Çatlak
 Limit denge konumunun çok yakınında
bulunan
Çamurtaşı katmanı
Ana kaya
özellikleri
Çatlak
Üst
Basamak
tabanı
(4) Aşırı ayrışmış
kaya kütlesi veya
kırılmış zon
(3) Süreksizlik
Kil içeren süreksizlik
Aşırı süreksizlik
düzlemleri olan
ortam
Dayanımı düşük
-ayrışmış kaya
kütleleri (fay
breşleri, aşırı
kırılmış zonlar)
Göçük
zonu
Önemli
Çok önemli değil
Kaynak: Arıoğlu ve Yılmaz., 2006’da JSCE,2001.
iksa”nın
yapılmadığı aşamada meydana gelen yakın
kaynaklı depremlerde potansiyel duraysızlık
geçici iksaların sismik yükleme altında içsel
dengelerinin yitirme olasılığı çok yüksektir.
 Not: Statik yükleme durumunda stabilite
Göçük
zonu
Ana kaya
özellikleri
Payanda
Basamak
tabanı
“kalıcı
Ana kaya
özellikleri
Çatlak
60º kayma yenilmesi
durumlar
zonlarıdır. Diğer kelimelerle bu tür zonlarda
Su geliri
Yenilme zonu
Payanda
Üst
bu
Su geliri
Çatlak
Göçük
Göçük
Basamak
tabanı
Çok önemli
çizelgede (JSCE, 2001) görülmektedir.
Su geliri
Su geliri
Not
tünellerde göçük türlerine ait kimi örnekler
Su geliri
koşulları bakımından kritik olan tünel
kesimlerinde , herhangi bir kuvvetli sismik
yüklemede kolaylıkla yenilme davranışına
geçebilirler Bolu kara tüneli, bunun tipik bir
örneğidir.
50
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 MAKSİMUM YATAY DEPREM İVMESİ VE TÜNEL KAPLAMA TÜRÜNE GÖRE TÜNELLERDE
DEPREM HASAR DURUM DİYAGRAMI
Hasar Durumu
Yok
Orta
Hafif
Ağır
 Yüzeydeki maksimum yatay yer
ivmesinden bağımsız olarak en
fazla
hasar
kaplamasız
tünellerde gözlenmektedir.
 Betonarme kaplama da ise,
genellikle
ay,ü =0.322 g
Proje "hafif/orta
koşullarında
değişim aralığı
0.5g’den
derecede
itibaren
hasar"
beklenmektedir.
ay =0.192 g
Hasar Durumu
Kaynak: Arıoğlu, Ergin ve Yılmaz., 2006’da MCEER 1999.
Yok
Orta
Hafif
Ağır
51
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 MAKSİMUM YATAY DEPREM İVMESİ VE TÜNEL KAPLAMA TÜRÜNE GÖRE TÜNELLERDE
DEPREM HASAR DURUM DİYAGRAMI
Kestirilen maksimum yatay yer ivmesi, g %
Hasar yok
 Hasar
Hafif
Ağır hasar
Orta hasar

Ortalama
ay > 30 (%g) durumunda tünelin derinliği
yaklaşık
ise %50 güvenirlikle tünelde
herhangi bir hasar beklenmeyecektir.
 Kısaca, artan tünel derinliği ile deprem
kaynaklı hasar düzeyi azalmaktadır. Daha
açık bir deyişle merkez üssüne yakın derin
yeraltı mühendislik yapıları depreme karşı
dayanıklı davranış sergiler.
Örtü derinliği [m]
değerlendirme
diyagramından
izlenileceği
gibi
 Tünelin portalları ve şevlerinde
böyle bir
H = 30m derinlik için eğer ivmenin değeri, 𝑎𝑦 ≈ 14(%𝑔) =
ivme
140 cm/sn2 ise % 80 güvenirlikle incelenen tünel depremi
unutulmamalıdır. Diğer anlatımla, tünellerin
“hasarsız” atlatacaktır. Aynı derinlikte yerüstünde beklenen
portal
ivmenin değeri 𝑎𝑦 ≥ 30(%𝑔) ≥ 300 cm/sn2 ise tünelde
yüklemede özenle dikkate alınmalıdır.
durumunda
ve
hasara
şevlerinin
yol
açacağı
tasarımı
sismik
gözlenecek hasarın düzeyi hafif/orta düzeyde olacaktır
Kaynak: Arıoğlu, Ergin ve Yılmaz., 2006’da Sharma-Judd 1991 .
52
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 TÜNEL HASARLARININ KUVVETLİ SARSINTI YER HIZ DEĞERLERİNE DAYANDIRILIMASI
 Genel
Kuvvetli sarsıntı hız kayıtlarının çoklu regresyon analiziyle değerlendirilmesi sonucunda Theodulidis ve
Papazochos (1992) aşağıdaki ifadeyi teklif etmişlerdir:
𝒍𝒏 𝑽 = 𝟎. 𝟕𝟗 + 𝟏. 𝟒𝟏 × 𝑴𝒔 − 𝟏. 𝟔𝟐 × 𝒍𝒏 𝑹 + 𝟏𝟎 − 𝟎. 𝟐𝟐 × 𝑺 + 𝟎. 𝟖𝟎 × 𝑷
, 𝒄𝒎/𝒔
Ms = Deprem S-dalga büyüklüğü (Ms ≈ Mw)
R = proje noktası ile merkez üstü arasındaki uzaklık, km (Pratik hesaplamalarda proje lokasyonu ile deprem
üreten aktif fay arasındaki dik uzaklık olarak alınabilir)
S = zemin cinsini ifade eden faktör (Alüvyonel zeminde S=0, kayalarda ise S=1 kabul edilebilir)
P = olasılık katsayısı (%50 "orta değer için" P=0; %84 "orta değer + 1 standart sapma" için P=1 alınır)
 Hasar Derecesi
Yüzeyde maksimum yer hızı -tanecik hızı- ölçütü temel alındığında tünel hasarı yaklaşık "V ≥ 25 cm/s"
durumunda gözlenmektedir. "25 cm/s < V < ~ 90 cm/s" aralığında ise hasarlar "orta" derecededir. V > 90 cm/s
durumunda ise portaller ve sığ tünellerde hasarın derecesi "ağır"'dır.
Kaynak: Arıoğlu ve Yılmaz, 2006.
53
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 TÜNEL HASARLARININ KUVVETLİ SARSINTI YER HIZ DEĞERLERİNE DAYANDIRILIMASI
 Örnek
Deprem Büyüklüğü:
Ms = 6.5
Merkez Üstü Uzaklığı:
R =20 km
Zemin:
Zayıf kaya birimi, S=1
Olasılık:
Orta değer, P=0
için
𝒍𝒏 𝑽 = 𝟎. 𝟕𝟗 + 𝟏. 𝟒𝟏 × 𝑴𝒔 − 𝟏. 𝟔𝟐 × 𝒍𝒏 𝑹 + 𝟏𝟎 − 𝟎. 𝟐𝟐 × 𝑺 + 𝟎. 𝟖𝟎 × 𝑷
, 𝒄𝒎/𝒔
𝒍𝒏 𝑽 = 𝟎. 𝟕𝟗 + 𝟏. 𝟒𝟏 × 𝟔. 𝟓 − 𝟏. 𝟔𝟐 × 𝒍𝒏 𝟐𝟎 + 𝟏𝟎 − 𝟎. 𝟐𝟐 × 𝟏 + 𝟎. 𝟖𝟎 × 𝟎
𝒍𝒏 𝑽 = 𝟒. 𝟐𝟑
𝑽 = 𝒆𝟒.𝟐𝟑 ≈ 𝟔𝟖 𝒄𝒎/𝒔
Buna göre, hız değeri 68 cm/s ile "25 cm/s < V < ~ 90 cm/s" aralığında kalmaktadır ve tünelde oluşacak hasarın
"orta" derecede olacaktır.
54
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 KAYA KÜTLELERİNDE (S=1) TÜNEL HASARLARININ KUVVETLİ YER SARSINTI HIZI
DEĞERLERİNE DAYANDIRILIMASI
 Depremin merkez üssünden uzaklaştıkça,
10000
kuvvetli
%50 "orta değer için" P=0
yer
sarsıntısı
hızı
azalmaktadır.
Depremin büyüklüğündeki artış ile,
sarsıntı
AĞIR HASAR
1000
hızı
beklenildiği
Kuvvetli Yer Sarsıntı Hızı, V (cm/s)
göstermektedir.
gibi
Örneğin;
yer
artış
Ms=5.5
büyüklüğünde bir depremin meydana gelmesi
durumunda, deprem merkez üssüne 12 km
100
ORTA HASAR uzaklıktaki bir tünelde "orta şiddette hasar"
Ms=7.5
Ms=7.0
10
Ms=6.5
beklenirken, daha uzaklardaki tüneller bu
depremi hiç hasar almadan yada hafif hasarla
Ms=6.0
atlatabilir. Ms=7.5 büyüklüğünde bir depremin
Ms=5.5
oluşması durumunda ise, depremin merkez
üssüne 100 km uzaklıktaki bir tünelde dahi en
1
az
HAFİF HASAR/HASARSIZ BÖLGE
"orta
hasar"
beklenmektedir.
50
meydana
km’den
daha
gelmesi
yakın
tüneller ise böyle bir deprem altında " ağır
0.1
0
10
20
30
40
50
60
70
Merkez Üstü Uzaklığı, R (km)
80
90
100
𝒍𝒏 𝑽 = 𝟎. 𝟕𝟗 + 𝟏. 𝟒𝟏 × 𝑴𝒔 − 𝟏. 𝟔𝟐 × 𝒍𝒏 𝑹 + 𝟏𝟎 − 𝟎. 𝟐𝟐 × 𝑺 + 𝟎. 𝟖𝟎 × 𝑷
hasar" ‘a maruz kalacaklardır.
, 𝒄𝒎/𝒔
55
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 KAYA KÜTLELERİNDE (S=1) TÜNEL HASARLARININ KUVVETLİ YER SARSINTI HIZI
DEĞERLERİNE DAYANDIRILIMASI
 Kuvvetli yer sarsıntı hızı ile depremin merkez
10000
üstünden olan uzaklık arasındaki ilişki %84
%84 "orta değer +1 standart sapma için" P=1
olasılıkla (orta değer + 1 standart sapma için)
incelendiğinde, örneğin Ms=5.5 olan bir
AĞIR HASAR
1000
Kuvvetli Yer Sarsıntı Hızı, V (cm/s)
deprem için "hafif hasar/hasarsız bölge" "orta hasar" sınrının 12 km’den (%50 olasılıklı
100
Ms=7.5
ORTA HASAR
Ms=7.0
Ms=6.5
10
durum), yaklaşık 30 km’ye (%84 olasılıklı
durum) çıktığı görülmektedir. Diğer bir deyişle,
%50
olasılıklı
durumda,
yüzey
dalgası
Ms=6.0
büyüklüğü 5.5 olan bir depremden 25 km
Ms=5.5
uzaklıktaki bir tünel, depremi "hasarsız"
atlatırken, %84 olasılıklı durumda, en az "orta
1
hasara" maruz kalması beklenmektedir. Bu
durumda, hasar derecelendirmesi yaparken
HAFİF HASAR/HASARSIZ BÖLGE
güvenilir tarafta kalınması istenildiğinde, %84
0.1
0
10
20
30
40
50
60
70
Merkez Üstü Uzaklığı, R (km)
80
90
olasılıklı eğrinin kullanımı daha gerçekçi
100
𝒍𝒏 𝑽 = 𝟎. 𝟕𝟗 + 𝟏. 𝟒𝟏 × 𝑴𝒔 − 𝟏. 𝟔𝟐 × 𝒍𝒏 𝑹 + 𝟏𝟎 − 𝟎. 𝟐𝟐 × 𝑺 + 𝟎. 𝟖𝟎 × 𝑷
sonuçlar verecektir.
, 𝒄𝒎/𝒔
56
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
TÜNEL PORTAL ŞEVLERİNDE YENİLMELERİN DEPREM BÜYÜKLÜĞÜ İLE İLİŞKİSİ
Hiposantır Uzaklığı, km
Zayıf Kaya Kütlesi
Yenilme YOK
Yenilme VAR
Tipik Şev Yenilme Örneği
Şev Çökmesi
Portal
Hasarı
Deprem Büyüklüğü
Hiposantır Uzaklığı, km
Kırıklı Kaya Kütlesi
Yenilme
YOK
Yenilme VAR
Not: 𝑯𝒊𝒑𝒐𝒔𝒂𝒏𝒕𝚤𝒓 𝑼𝒛𝒂𝒌𝒍𝚤ğ𝚤 = 𝑶𝒅𝒂𝒌 𝑫𝒆𝒓𝒊𝒏𝒍𝒊ğ𝒊𝟐 + 𝑭𝒂𝒚𝒂 𝑫𝒊𝒌 𝑼𝒛𝒂𝒌𝒍𝚤𝒌𝟐
θ = fayın eğimi ve doğrultusundan kaynaklı saatin tersi yönündeki açı
Deprem Büyüklüğü
57
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 Kaya Heyelanları ve Büyük Kaya Bloklarının Düşmesi Sonucunda Oluşan Hasarlar
2008 yılında Çin’de meydana gelen 7.9 moment büyüklüğündeki Wenchuan depremi sonrasında, tünel
portallarında meydana gelen hasar örnekleri aşağıda göresel olarak sunulmaktadır.
Kaya kütlelerinin düşmesi sonucu
oluşan portal hasarı
Tünel Portalı
Düşen Kaya
Parçaları
Kaya ve Toprak
Parçalarının
kayma yönü
•
Deprem sonrası kaya ve toprak parçalarının
kayması, tünel portal girişinin kapanmasına neden
•
Deprem sonrasında düşen büyük kaya parçaları,
portal giriş yapısında hasara neden olmuştur.
olmuştur.
Kaynak: Yapı Merkezi ARGE Bölümü, 2015 (Fotoğraflar, Wang and Zhang, 2013’den değiştirilmiştir).
58
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 Sığ Tünellerde Eğilme (Çekme) Çatlakları
•
2008’de meydana gelen Wenchuan depremi,
sonrasında, özellikle sığ tünellerde eğilme
diğer bir deyişle çekme çatlaklarının oluştuğu
gözlenmiştir.
Wenchuan
Depremi sonrası
oluşan çatlaklar
•
Depremden kaynaklı oluşan yer hareketi
sonucunda tünel kaplamalarına etki eden
Hasar Mekanizması
yatay kuvvet, özellikle kemer şeklindeki
yapının
üst
bölgelerinde
eğilme-çekme-
gerilmelerine neden olmaktadır.
59
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 Zayıf Jeolojik Formasyanlarda Açılan Tünellerde Kesme Çatlakları
Zayıf Jeolojik Formasyon
Kesme Çatlakları
•
Özellikle zayıf jeolojik formasyonlarda açılan tünellerde, tünellerin üst bölgelerinde kesme çatlakları
ve
dökülmeler oluşmaktadır.
60
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
SIVILAŞMA OLAYI VE KRİTİK SIVILAŞMA UZAKLIĞININ KESTİRİLMESİ
 Genel
Zeminin sıvılaşması olayı, suya doygun ince daneli kum ve silt gibi katmanların, deprem dalgalarının etkisiyle
"boşluk suyu basıncı (u)" ‘ nın artması sonucunda efektif basıncın, σ’ sıfıra doğru yaklaşımıdır ve bu durumda
zeminin nihai taşıma kapasitesi tamamen veya büyük ölçüde kaybolmuştur. Daha açı deyişle, başlangıçta katı
fazda olan geomateryal "sıvı" gibi davranış gösterir.Sıvılaşma olayına etki eden belli başlı faktörler şunlardır:
•
Depremin büyüklüğü ve süresi
•
Kumlu zeminin granülometrik bileşimi
•
Yeraltı su seviyesinin derinliği
•
Çökellerin drenaj koşulları
•
Çökellerin jeolojik yaşı
•
Çimentolaşma derecesi
•
Yükleme –bina temelleri- durumu
61
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
SIVILAŞMA OLAYI VE KRİTİK SIVILAŞMA UZAKLIĞININ KESTİRİLMESİ
 Sıvılaşma Olayının Gözlendiği Kritik Uzaklık
Yüzey Dalgası Büyüklüğü, Ms
Literatürde kullanılan deprem büyüklüğü Ms=f(uzaklık)ilintileri topluca aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
Merkez Üssü Uzaklığı, L (km)
Fark edildiği gibi artan yüzey dalga büyüklüğü, Ms ile sıvılaşma olayının gözlenebileceği uzaklık (L) artmaktadır.
Ayrıca, Ambrasseys, 1988 ile Wakamatsu,1993 Ms=f(uzaklık) ifadelerinin merkezüstü ile sıvılaşma bölgesi arasındaki
uzaklığı tanımlayan (L) 8 km – 100 km aralığı için uyumları dikkat çekicidir. Örneğin, Ms=6.5 için kritik uzaklık yaklaşık
L=40 km olmaktadır. Eğer satüre kumlu katmanlar sismik enerji üretecek merkez/fay hattından L ≥40 km ise
"sıvılaşma riski " ’ nin olmadığı söylenebilir. Proje sahası ile olası deprem bölgesi arasında uzaklık 40 km’den az
olması durumunda ise "sıvılaşma riski " ’ nin varlığından söz edilebilir.
62
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
TÜNELLERDE SIVILAŞMA RİSKİNİN HESABI

Sayısal Örnek:
Aşağıda sismik, geoteknik özellikleri ve geometrik boyutları belirtilen bir tünel projesi (6,8 m)
“sıvılaşma riski” taşıyan kumlu seviyede açılacaktır.
a) Sıvılaşma riskini hesaplayınız.
b) Sıvılaşmadan ötürü tünelin olası düşey oturmasını belirleyiniz.
c) Alınabilecek teknik önlemleri açıklayınız.
k= 1,6 t/m3
hsu=1,5 m
o Beklenen deprem büyüklüğü Mw= 7,5
o Aktif faya dik uzaklık ve beklenen yatay yer ivmesi,
Z
h=10 m
s= 1,8 t/m3
Ld= 15 m; a= 0,4g
o Ortalama SPT – N60= 12 (0 – 16,8 m kumlu zemin)
D=6,8 m
Tünel
o Ortalama ince madde içeriği – ağırlıkça – (0,076 mm)
FC= %25
63
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 Genel
•
Sıvılaşmaya karşı güvenlik katsayısı:
GK =
Zemin dayanımı CRRσ=1 .K σ .K α CRRσ=1 .K σ .K α
=
=
CSR
Sismik yükleme
 CSR M=7,5
MSF
Mw7,5’ de ortalama sismik yükleme:
CSR = 0,65.
σ z amax
.
.rd
σ'z g
 Seed
ve Idriss,1971 
1 Atmosfer efektif gerilmesi z’= 10 t/m2 için zemin dayanımı
 N 
 1 60cs
CRR σ=1 = exp 
14,1


2
3
4

  N1 60cs    N1 60cs   N1 60cs 

+
-
+
- 2, 8 



 126   23,6   25, 4 


 
 


Idriss
ve Baulanger,2006 
Efektif gerilme + ince madde düzeltilmesi yapılmış SPT – N değeri:
N1 60CS = N1 60 + Δ N1 60 = CN .N60 + Δ N1 60 =
10
.N60 + Δ N1 60
σ z'
;
 m  boyutundadır.
σ z' t
2
64
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
İnce madde “FC” düzeltmesi:
Δ N1 60
2

9,7
 15,7  
= exp 1,63 +
-
 
FC
+
0,1
FC
+
0,1

 

;
 %5 < FC < %60 
;
Idriss
ve Baulanger,2006 
FC= İnce madde miktarı – ağırlıkça – %
K= İncelenen noktadaki efektif gerilmenin z’= 10 t/m2’ den büyük olması durumunda dikkate alınan düzeltme
faktörü. z’ 10 t/m2 için K 1 alınır.
K= Eğimli tabaka durumu gözeten düzeltme faktörü. Yatay tabaka için K=1’ dir.
z= İncelenen noktaya etkiyen toplam düşey basınç
z’= İncelenen noktadaki düşey efektif gerilme. z’= z-u’ dir.
u= İncelenen noktadaki boşluk su basıncı
amak= Maksimum yatay yer ivmesi – yerçekimi cinsinden –
rd= Gerilme azaltım katsayısı. Derinliğe ve deprem büyüklüğüne bağlıdır (bknz. Gerilme azaltım katsayısı,rd –
derinlik ilişkisi,Z (syf.49) Idriss ve Boulanger, 2006). (Uygulamada 20 m derinliğe kadar sıvılaşma olgusu”
gözlenmiştir. Z>20 m’ den sonra rd=f(Z, Mw) eğrileri çok dikkatli şekilde kullanılmalıdır).
65
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
lnrd = α  Z  + β  Z  .Mw
 Z

α  Z  = -1, 012 - 1,126.sin 
+ 5,133 
 11,73

Derinlik Z  34m için geçerlidir
(Idriss ve Boulanger, 2006)
 Z

  Z  = -0,160 + 0,118.sin 
+ 5,142 
 11,28

Mw= Deprem büyüklüğü – moment –
rd= 0,12.exp(0,22Mw)
66
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
Derinliğin gerilim azaltım katsayısı, rd ve
Derinlik, Z, m
Değişim Aralığı
Seed &Idriss, 1971
deprem büyüklüğü, Mw ile değişimleri
(Idriss ve Boulanger, 2006)
Deprem büyüklüğü
Mw=5,5 Mw=6,5 Mw=7,5 Mw=8
– moment, Mw
Gerilme azaltım katsayısı, rd
MSF= Moment deprem büyüklüğünü dikkate alan faktör. MW=7,5 için MSF= 1’ dir. MW7,5
durumunda değeri Idriss’ in ifadesinden
 M
MSF = 6, 9.exp  - w
 4

 - 0, 058

olarak hesaplanır. Örneğin Mw= 6 için büyüklük düzeltme faktörü MSF=1,48 bulunur.
67
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 Hesaplamalar
o h+D= 10+6,8= 16,8 m derinlik için güvenlik katsayısının hesabı
σz = hsu . k + h - hsu   su + D s = 1,5x1,6 + 10 - 1,5  x1, 8 + 6, 8x1, 8 = 29, 94 t/m2
σz' = σz - u = 29, 94 -  8,5 + 6, 8  .1 = 14,64 t/m2  σ z' = 10 t/m2 ' dir.
(u=su(h-hsu+D))
Gerilme düzeltmesi, K yapılması gerekir.
σ'
K  =  z 
 Po 
f-1
(Hynes ve Olsen 1999’ dan alıntılayan Finn, 2002).
f=f(Rölatif sıkılık) olup %40<Dr<%60 için 0,7<f<0,8 ; %60<Dr<%80 için 0,6<f<0,7 değerlerini alır.
Po= Atmosfer – referans – basıncı, Pa= 10 t/m2.
 14,64 
K = 

 10 
MSF= 1
 0,75-1
= 0, 90
amak= 0,4g
rd0,8 (Z=16,8 m, Mw= 7,5 için syf.49)
68
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
o (Z= 16,8 m’ de) Sismik Yükleme
CSR = 0,65.
σ z amak
29, 94 0, 4g
.
.rd = 0,65.
.
.0, 8 = 0, 42
σ z' g
14,64 g
(g= Yerçekimi ivmesi)
o (Z= 16,8 m’ de) Dayanım – Sıvılaşmaya karşı direnç –
Δ N1 60
2

9,7
 15,7  
= exp 1,63 +
-
  5
25
+
0,1
25
+
0,1

 

N1 60CS =
10
10
.N60 + Δ N1 60 =
x12 + 5 = 14, 9  15
σ z'
14,64
3
4
2


 15  15   15   15 

CRR σ=1atm = exp 
+
+
- 2, 8  = 0,155
 -




 14,1  126   23,6   25, 4 

o Güvenlik katsayısı
CRRσ=1 .K σ .K α 0,155x0, 9x1
GK =
=
= 0,33 < 1
CSR
0, 42
MSF
1
69
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
olduğu görülmektedir. Kısacası, incelenen derinlikte (Z= 16,8 m) ciddi bir “sıvılaşma riski” mevcuttur.
TBM’ lerde açılan tünellerde sıvılaşmadan kaynaklanan şu hasarlar sözkonusudur:
•
Zeminin kayma dayanım parametreleri (c, ) sıvılaşmadan sonra büyük ölçüde azaldığından dolayı,
ciddi “farklı oturmalar” oluşur. Segmanların “çökme” toleransı dışında olması durumunda
“açılmalar” meydana gelir ve segmanların “yapısal bütünlüğü” bozulabilir.
•
Sıvılaşmanın şiddetine bağlı olarak segmanlar önemli düzeyde yüzdürme kuvveti etkisi altında
kalabilir, sonuçta kum içinde yüzebilirler.
Yüzdürme
kuvveti
Farklı
oturmalar
Kum içinde yüzen
segmanlar
Kum danecikleri
Sıvılaşan zemin
kütlesi
Sıvılaşma olayının tünel segmanlarına olası etkileri
70
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 Oturma Hesabı
Sıvılaşmadan
kaynaklanan
kestirilmesi
Ishihara
çalışmasında
rapor
ve
edilen
“oturma”’
Yoshimine,
güvenlik
nın
GK=f(Dr, (N1)60, v
1992
katsayısı,
GK=f(Rölatif sıkılık, Dr, N1) takip eden sayfadaki
abakdan
yararlanarak
yazılır
(orijinalinden
alınabilir). Problem verileri (GK=0,33 , (N1)6010)
dikkate alındığında abaktan sıvılaşma sonrası
hacimsel birim deformasyon v%3,5 düzeyinde
elde edilir. (0 – 16,8) m arasındaki kum katmanının
tamamının sıvılaştığı göz önünde tutulursa olası
Güvenlik Katsayısı, GK
alıntılayan Day, 2002) (Abakta N1(N1)60 olarak
Dr = %30
N1 = 3; qc1 = 33kg/cm2
Dr = %40
Dr = %50
Dr = %60
düşey oturma miktarı
N1 = 6; qc1 = 45kg/cm2
N1 = 10; qc1 = 60kg/cm2
N1 = 14; qc1 = 80kg/cm2
Dr = %70
=Hxv= 16,8x0,035=0,58 m
N1 = 20; qc1 = 110kg/cm2
Dr = %80
N1 = 25
olarak hesaplanabilir. Görüldüğü gibi önemli bir
Dr = %90
N1 = 30
düşey “oturma” oluşmaktadır. Sıvılaşma riskinin
qc1 = 200kg/cm2
teknik önlemlerle mutlaka en az düzeye getirilmesi
gerekmektedir.
qc1 = 147kg/cm2
Hacimsel Birim Deformasyon, v, %
Kaynak: Day, 2002.
71
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 Teknik Önlemler
Zeminin sıvılaşmaya karşı direncini arttırmak, daha açık deyişle kayma dayanım özelliklerini
iyileştirmek için “ikincil çimento enjeksiyonu” önerilmektedir (Chou vd., 2001). (İkincil enjeksiyon,
segmanlardan zeminin içine doğru yapılan enjeksiyonu ifade etmektedir). Japon uygulamasında
genellikle iyileştirilen zeminin tek eksenli basınç dayanımının 1,0 kgf/cm2’ den büyük olması
öngörülmektedir.
72
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
12 KASIM 1999 DÜZCE DEPREMİNDE (MW = 7.1) OLUŞAN YÜZEY KIRIKLARI, ARTÇI
DEPREMLERİN DIŞ MERKEZLERİ VE BÖLGEDEKİ ALETSEL DEPREMLER-YÜZEY KIRIKLARI-
Kaynak: Arıoğlu, Ergin ve Yılmaz, 2006’da Utkucu, Çetin ve Alptekin, 2003.
73
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 BOLU TÜNELİNİN CİVARINDA YER ALAN KAF SİSTEMİNDE OLUŞAN DEPREMLER VE
KESTİĞİ AKTİF FAYLAR
 Tünel geçkisinin bulunduğu ortam,
tektonik
kuvvetlerin
etkisinde
kalmış, aşırı ölçüde ezilmiş/kırılmış
ve birbirinden çok farklı davranış
sergileyen birimlerden oluşmuştur.
Bu nedenledir
ki
1993 yılında
Asarsuyu ve 1994’de ise Elmalık
portalından inşaatı başlayan Bolu
tünellerinin açılımları çok yavaş bir
tempo ile yapılmıştır.
Kaynak: Arıoğlu, Ergin ve Yılmaz., 2006’da Dalgıç, 2002..
74
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 SİSMİK BAĞLANTILARIN İŞLEVİ
 Genel
•
Sismik aktivitesi yüksek olan demiryolu/karayolu tünellerinde deprem sonrası, tünelin performansının
sürekliliğini sağlamak için kayma gerilmelerinin deformasyonlarının maksimum olduğu kesimlerde deprem
kökenli deformasyonların sistem içinde
sönümlenmesi için özel malzemelerden imal edilen "sismik
bağlantılar" yerleştirilir.
•
Genellikle, sismik lokasyonun yeri nümerik analiz sonucunda, verilen proje koşulları (deprem büyüklüğü,
deprem dalgasının genliği ve
frekans içeriği, topoğrafik şartlar, dalganın yayıldığı ortamın geoteknik
büyüklükleri) gözönünde tutlarak belirlenebilir. Bununla beraber, ampirik gözlemlere göre de genel de,
sağlam kütleden, zayıf kaya kütlesine geçiş yada zeminden, sağlam kaya kütlesine geçişlerde "sismik
bağlantı" yerleştirilebilir. Avrasya karayolu tüneli inşaatında, tünelin nümerik analizi sonucunda, iki
lokasyonda sismik bağlantı konulma gereği çıkmıştır ve bunlar söz konusu proje de başarı ile
yerleştirilmiştir. Takip eden sepya da ise Bolu karayolu tünel projesinde yerleştirilen sismik bağlantının yeri,
jeolojik kesiti ile birlikte verilmiştir.
75
TÜNEL DERSİ
Ergin ARIOĞLU
 TÜNELLERDE SİSMİK BAĞLANTI - BOLU TÜNEL ÖRNEĞİ Yükseklik
İstanbul Yönü
Zekidağı Fayı
Bakacak
Fayı
Yükseklik
Sismik
Bağlantı
TÜNEL ARINI
•
Bolu tüneli projesi (Gümüşova – Gerede Karayolu kesimi) , Bakacak fayı geçişinde sismik bağlantı
Kaynak: Russo ve diğ., 2002’den değiştirilmiştir.
76

6.1.Bölüm - Yapı Merkezi

Transkript

Benzer belgeler

Bütün dünya benim ay›lmam› bekliyor

İKİNCİ ÖĞRETİM BÖLÜMLERİMİZDEN %10`a GİREN

tünel - Ninova

İstanbul Boğazı Karayolu Geçiş Projesi İş Başlatma

yüksek yapıda kullanılan deprem izolatörleri