Alumni Presentation

Barajlarda 3 Boyutlu Dinamik Analiz Metodolojisi
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
İçerik
1.
2.
3.
4.
5.
Su Yapıları - Barajlar
Dünyada Analiz Yöntemleri
Ülkemizde Analiz Yöntemleri
Baraj Analizinin Bilimsel Altyapısı
ESPROJE AR/GE Çalışmaları
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
Su Yapıları - Barajlar
• Su yapısı
– Her türlü doğal akımı çeşitli amaçlar için
değiştiren tüm yapılar su yapılarıdır.
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
Su Yapıları - Barajlar
• Barajlar
– Ağırlık Barajları
• Kil Çekirdek Kaya Dolgu
Baraj
• Beton Ağırlık Barajı
• SSB Baraj
• Ön Yüzü Beton Kaplı
– Kemer Barajlar
• Beton Kemer Baraj
• SSB Beton Kemer Baraj
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
Su Yapıları - Barajlar
• Türkiye Nüfusu yaklaşık 72
milyon
• 16 Büyükşehir
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
Su Yapıları - Barajlar
DEPREM
• Ülkemizde hemen her bölge deprem tehlikesi altında
• Boyutları belirleyen en önemli yük: deprem
• Gerçekçi deprem simulasyonları gerekli
• Barajlarda büyük deprem riski
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
Su Yapıları - Barajlar
• Mevcut su kaynaklarının
ülkemizde ancak %34 ü enerji
için kullanılmaktadır.
• Enerji sektöründeki kanun
değişiklikleri ile özel
yatırımcılar kendi santrallerini
ve baraj sistemlerini kurmak
için büyük yatırım
yapmaktadırlar.
Türkiye de Hidroenerji Kullanımı
66%
% Kalan
11%
France
% Kullanılan
34%
27%
Spain
Italy
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
Su Yapıları - Barajlar
Türkiye de Elektrik
Enerjisi
• Gelişmiş ülkelerin
aksine enerji ihtiyacı
hızla artmaktadır.
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
Dünyada Analiz Yöntemleri
Dolgu Baraj Analizleri
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
Dünyada Analiz Yöntemleri
Japonya Örneği
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
Dünyada Analiz Yöntemleri
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
Ülkemizde Analiz Yöntemleri
• Mevcut DSİ barajlarının
büyük çoğunluğu kil
çekirdek kaya dolgu
barajlardan oluşmaktadır.
12
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
Ülkemizde Analiz Yöntemleri
• Basit Rijit Blok Modelleri
• Yatay İvme Katsayısı Metodu ile Deprem Analizi
• Kayma ve Eğilme Güvenlik Katsayıları
Rijit Blok Stabilite
Yaklaşımı
13
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
Bilimsel Altyapı
• Baraj-Zemin-Rezervuar Problemi aslında karmaşık bir
katı-sıvı etkileşim mekaniği problemidir.
• Benzeştirilmiş ivme kayıtları ile dinamik analizler
gerektirir.
• Baraj beton veya SSB ise betonun çatlama bölgelerinin
belirlenerek önlemler alınması için gerilme analizleri
yapılmalıdır.
• Baraj dolgu tipinde ise göçme, sıvılaşma analizleri
yapılmalıdır.
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
Bilimsel Altyapı
İki Boyutlu Yapı-Zemin Rezervuar
Etkileşimi (Fenves ve Chopra 19841988)
Dikkate Alınan Hususlar:
• Dinamik yapı davranışı
• Sıkıştırılabilir su
• Sediment etkileri
• Yapı-zemin etkileri (2 boyut yarı
sonsuz düzlem)
Baraj
Rezervuar
agx
agy
Sediment
Kaya
Zemin
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
Bilimsel Altyapı
Üç Boyutlu Yapı-Zemin-Rezervuar
Etkileşimi (Chopra vd. 1988-2008)
Dikkate Alınan Hususlar:
• Dinamik yapı davranışı
• Sıkıştırılabilir su
• Tortu etkileri
• Yapı-zemin etkileri (3 Boyut sınır
elemanları)
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
Bilimsel Altyapı
EACD
Kütlesiz
Zemin
EACD
Kütlesiz
Zemin
Relatif İvme. (g)
Gövde Gerilmeleri EACD/Kütlesiz Model
Relatif Dep. (cm)
Üç Boyutlu Model Sönüm Belirlenmesi
• Doğrusal olmayan modellerde kütlesiz zemin yaklaşımı kullanılabilir.
• Kütlesiz zeminli baraj modelinin sönüm oranı üç boyutlu doğru yapı-zeminrezervuar etkileşimi modeli kullanılarak belirlenmelidir.
Zaman (sn)
(a) 3 Boyutlu Görüş
(b) Baraj Alt Bölgesi
EACD deplasman/gerilme sonuçları
kütlesiz zeminli modelde sönüm
Altuğ AKMAN
belirlenmesi için kullanılır.
İnş. Y. Müh
Ghanaat, 2004, USACE, 2003, 2007
Değerlendirme Prosedürü
Bilimsel Altyapı
Limit Gerilme Aşılması
NONLİNEER ANALİZ
GEREKTİREN BÖLGE!!
Toplam Aşılma Zamanı (sn)
Performans Kriteri
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
1
1.2
1.4
1.6
1.8
Talep - Kapasite Oranı (DCR)
2
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
Bilimsel Altyapı
Elastik Ötesi Analiz
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
•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.
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
Bilimsel Altyapı
Elastik Ötesi Analizler
Yayılı Çatlak Modeli (Vecchio, 1989, 1990,
Leger vd.,1995,2006)

Asal eksenlerde formüle edilir.
Çatlakta
Su
Basıncı
Ayrık
Çatlak
İlerlemesi
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
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
Bilimsel Altyapı
Beklenen Hasar – Kopma Bölgesi
• Kritik yük kombinasyonları için
çatlama bölgeleri belirlenmiş,
• Beklenen çatlamaya göre elde
edilebilecek kopma bölgeleri
kontrol edilmiştir.
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
ESPROJE AR/GE Çalışmaları
İhtiyaçlar
Yatırımcılar…
• Hızlı İnşaa
Edilebilecek
Güvenli Tasarımlar
• Gövde Tasarımında
Tasarruf
Tasarımcılar...
• Deneme-yanılma
prosedürünü
hızlandıracak analiz
modülleri
• Tasarımı ucuzlatacak
gelişmiş özelliklere
sahip analiz araçları
İşletmeci ve Devlet
Kurumları…
• Mevcut sistemlerin
deprem tahkiki
• Renovasyon
masraflarını
azaltacak modern
metodlar
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
Doğrusal Olmayan Dinamik
Çözümleme
ESPROJE AR/GE Çalışmaları
• Milyon mertebesine sonlu elemana
sahip modellerin yüksek başarımlı
hesaplama yöntemleriyle
çözümlenmesi
• Belirtik integrasyon yöntemi ->
Eleman düzeyinde hesaplama
• Büyük boyutlu eleman ağlarını
otomatik oluşturulması ve
çözümleme sonrası sonuçların
irdelenmesi
Formülasyon
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
ESPROJE AR/GE Çalışmaları
• Yapı-zemin-rezervuar
etkileşimini dikkate alan
• Baraj gövdelerine özel
arayüzlü (2 ve 3 Boyut)
• Özelleştirilmiş girdi ve
çıktı fonksiyonları içeren
• Yüksek başarımlı
hesaplama teknikleri
kullanan
• Nonlineer hesaplama
yapabilen
• Büyük boyutlu (milyon
eleman) modelleri kabul
edilebilir sürelerde
çözümleyebilen
Yüksek Başarımlı
Hesaplama Sistemleri
İki Boyutlu Analiz Aracı
Büyük Boyutlu Modeller
Üç Boyutlu Analiz Aracı
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
Büyük Boyutlu Model Oluşturulması
• Otomatik sonlu eleman ağı oluşturma
algoritmalarının kolaylıkla kullanılması
imkanı
• Kaliteli eleman ağının oluşturulmasını
sağlamak amacıyla kullanıcı
etkileşiminin arttırılması
• Eleman tipinin veya ağ yoğunluğunun
değiştiği ağ geçiş bölgeleri için özel
çözüm yöntemlerinin geliştirilmesi
ESPROJE AR/GE Çalışmaları
Eşdeğer
reservuar kütlesi
A ğ geçiş bölgesi
Sonsuz sınır
elem anları
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
Çözümleme Motorunun Geliştirilmesi
• 2 ve 3 boyutlu sonlu elemanlar
kütüphanesinin geliştirilmesi
• Beton modellemesi için doğrusal
olmayan malzeme modellerinin
yazılıma eklenmesi
• Belirtik integrasyon yönteminin
yüksek başarımlı hesaplama için
uygulamasının yapılması
ESPROJE AR/GE Çalışmaları
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
ESPROJE AR/GE Çalışmaları
Frekans tanım alanında çalışan sonsuz zemin ve rezervuar dinamik
etkilerini dikkate alan kullanıcı dostu lineer elastik bir sonlu eleman
programı hazırlanmıştır.
Formulasyon
Arayüz
Relatif
deplasmanlar
Hidrodinamik
Kuvvetler (Rh)
Kuvvetleri
(Rb)
Hidrodinamik
Kuvvetler
(Rh)
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
Yazılım Bileşenleri
•Sonlu Eleman Modeli Oluşturma Mod
ülü (Önyüz)
•Sonuç Sorgulama Modülü (Sonyüz)
•Hesaplama Motoru
• Zaman tanım alanında doğrusal
olmayan çözümleme
ESPROJE AR/GE Çalışmaları
Grafik Kullanıcı
Arayüzü
Ara Yüz Model
Oluşturma
(a) Model Sınırları
(b) 200 Eleman kullanılarak
oluşturulan Eleman Ağı
(c) 1000 Eleman kullanılarak
oluşturulan Eleman Ağı
Veri Aktarımı
•
Bellekten
doğrudan
aktarım
•
Dosyadan
aktarım
Veri Aktarımı
•
Bellekten
doğrudan
aktarım
Son Yüz Sonuç
Sorgulama
Hesaplama
Motoru
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
ESPROJE AR/GE Çalışmaları
,
,
,
Döner Çatlak Modeli
• (Vecchio 1989, 1990), Selby, Vecchio (1997),
Palermo, Vecchio (2003)
• Çatlağın açısı asal eksenlerile birlikte döner.
• Bünye modelleri asal eksenlerde formüle
edilir.
Kırılma Hipotezi
• Willam-Warneke (1974)
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh
ESPROJE AR/GE Çalışmaları
Programlama Dili -> C++
Program Geliştirme Platformu
Visual Studio 2010
Kullanılacak Kütüphaneler
Matris İşlemleri: Intel MKL Library
Paralel Hesaplama: OPENMP, MPI
Otomatik Bölümleme: METIS
Yeniden Bölümleme: PARMETIS
Altuğ AKMAN
İnş. Y. Müh