Rıhtım Duvarların Deprem Sırasında Davranışı

Abstract

Depremler doğadaki endişe verici felaketlerden biridir ve yıkıcı hasarlara neden olabilir. Neredeyse her kıtada, depremler şehirleri ve köyleri tahrip eder. Uygun mühendislik çözümleri uygulanmadığı sürece depremler ağır hasarlara, sayısız ölümlere ve milyonlarca dolarlık ekonomik kayıplara neden olacaktır. Zararlara neden olan ana sebepler, zemin sıvılaşmaları, taşıma gücü kayıpları, şev göçmeleri, yüzey kırılmaları ve kum kaynamalarıdır. Zeminler dinamik yüklemeler altında statik yüklemelere göre daha farklı davranış gösterirler. Yapıların ve temel sistemlerinin tasarımı sırasında hem statik hem dinamik yükleme koşulları göz önüne alınmalıdır. Deprem yükleri gibi dinamik yükler zemin davranışını etkiler ve tasarımdan önce incelenmelidir. Suya doygun kumlu zeminlerde deprem sırasında sıvılaşma ortaya çıkabilir. Deprem sırasında dalga yayılımı nedeniyle boşluk suyu basıncı artar. Sismik yüklemenin hızlı olması nedeniyle zemin drenajsız koşullarda yüklenir ve oluşan boşluk suyu basıncı sönümlenemez. Zemindeki efektif gerilme, artan boşluk suyu basıncı nedeniyle zamanla azalır. Bu nedenle zeminde önemli mukavemet kayıpları meydana gelir ve bu olaya sıvılaşma denir. Malzeme özellikleri zeminin sıvılaşma davranışını belirler. Gevşek yerleşimli kohezyonsuz zeminler sıvılaşmaya daha yatkın iken sıkı yerleşimli zeminler deprem sırasında sıvılaşmayabilir. Fakat, eğer yükleme koşulları uygunsa, oluşan aşırı boşluk suyu basıncı sebebiyle yumuşama gözlemlenebilir. Sıvılaşma nedeniyle büyük deformasyonlar ortaya çıkabilir ve bu deformasyonlar ağır yapı (binalar, köprüler, barajlar, yollar, demiryolları, limanlar vs.) hasarlarına ve altyapı (boru hatları, elektrik ve internet ağı, su isale hatları vs.) hasarlarına neden olur. Sıvılaşmanın neden olduğu deformasyonlar akma göçmeleri, yanal yayılmalar, taşıma gücü kayıpları, gömülü yapıların kabarması, zemin oturmaları ve zemin salınımlarıdır. Yanal yayılmalar alt tabakada bulunan zeminin sıvılaşması nedeniyle üstte yer alan zemin tabakasının kayması olarak tanımlanabilir. Sıvılaşmanın neden olduğu yanal yayılmalar iki gruba ayrılabilir: zemin yüzeyinin eğimli olması nedeniyle ortaya çıkan yerdeğiştirmeler ve rıhtım duvar kaymalarının neden olduğu yerdeğiştirmeler. İlk grupta zemin yüzeyi eğim nedeniyle şev boyunca aşağı doğru hareket eder. İkinci grupta ise rıhtım duvar ve rıhtım duvarın arkasında yer alan zemin sıvılaşma nedeniyle denize doğru hareket eder. Rıhtım duvarlar deprem sırasında duvarın arkasında bulunan gevşek ve suya doygun zeminin sıvılaşması nedeniyle hasar görebilir. Denize doğru kaymalar, duvar dönmeleri ve oturmalar deprem sırasında ve sonrasında ortaya çıkabilir. 1964 Niigata Depremi, 1986 Kalamata Depremi, 1995 Kobe Depremi, 1999 Chi-Chi Depremi ve 1999 Kocaeli Depremi limanlarda bulunan istinat yapılarına ciddi hasarlar vermiştir. Duvar geri dolgusundaki ya da temel zeminindeki sıvılaşmalar nedeniyle duvarlarda yer değiştirmeler ortaya çıkmıştır. Bu tip göçmeler 1995 Kobe Depreminde 10 milyar Amerikan Doları zarara neden olmuştur. Limanlarda yer alan dayanma yapılarının sismik performansı oldukça fazla önem arz etmektedir, zira liman tipi yapılar ticarette çok büyük öneme sahiptir ve uzun vadeli pahalı yatırımlar olarak inşa edilmektedirler. Deprem sırasında limanlarda oluşacak hasarlar ülkelerin ekonomilere ciddi zararlar verebilir ve ekonmik krizlere sebep olabilir. Ayrıca, felaketzede ülkelerin deprem sonrasında deniz yoluyla gönderilen yardımları kabul etmesini zorlaştırır. Bu sebeplerden ötürü, rıhtım duvarların davranışı dikkatlice analiz edilmelidir. Deprem sırasında sıvılaşma nedeniyle meydana gelen yanal yayılmaların belirlenmesi önemlidir. Bu sebeple çeşitli araştırmacılar tarafından yanal yayılmaların neden olduğu deformasyonları tahmin etmek için analitik, deneysel ve fiziksel yöntemler geliştirilmiştir. Deneysel yöntemler diğer yöntemlere göre daha basit ve daha az komplekstir. Ayrıca deneysel yöntemler deplasmanlara ve çeşitli geometrik parametrelere ve zemin parametrelerine dayanır. Bununla beraber, deprem sırasında ortaya çıkan oturmaları belirlemek için çeşitli deneysel yöntemler de önerilmiştir. Bu yöntemler hem inşa edilmiş yapılardaki potansiyel zararları belirmek için hem de tasarım aşamasında kullanılabilir. Bu çalışmada, zemin sıvılaşması ve sıvılaşma mekanizması hakkında genel bilgiler verilmiştir. Ayrıca sıvılaşmaya neden olan faktörler, zeminlerin sıvılaşma davranışı, zeminlerin sıvılaşma potansiyeli, sıvılaşmanın neden olduğu deplasmanlar ve zeminlerin rezidüel mukavemeti kısaca açıklanmıştır. Daha sonra depremlerin neden olduğu yanal yayılmalar, rıhtım duvar deformasyonları, yanal yayılma sıvılaşma tahmin metotları, rıhtım duvar deplasman tahmin metotları ve oturma tahmin metotları hakkında kısa bilgiler verilmiştir ve 1995 Kobe Depremi kısaca sunulmuştur. 1995 Kobe Depremi sırasında hasar görmüş bir rıhtım duvar sonlu eleman programı PLAXIS ile modellenmiştir. Model parametreleri Standart Penetrasyon Testi (SPT) dataları kullanılarak belirlenmiştir. Sonlu eleman programı ile hesaplanan deplasmanlar, sahada ölçülen deplasmanlar ve analitik yöntemler ile hesaplanan deplasmanlar ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca farklı deprem hareketlerinin duvar deplasmanına etkisi incelenmiştir. Kocaeli Depremi (1999), Chi-Chi Depremi (1999), Northridge Depremi (1994) ve Friuli Depremi (1976) kayıtları kullanılmış ve duvara etkisi incelenmiştir. Duvarın yanal ve düşey yerdeğiştirmeleri sonlu eleman programı kullanılarak hesaplanmıştır. Bunlara ek olarak, dolgu zeminde ve temel zemininde sıkılaştırma etkisi analiz edilmiştir. Farklı zemin tabakaları farklı iyileştirme koşulları için sıkılaştırılmıştır. İlk durumda duvar geri dolgusu iyileştirilmiştir. İkinci durumda temel zemini iyileştirilmiştir. Üçüncü durumda ise duvarın topuk kısmı altında yer alan temel zemini kısmi olarak iyileştirilmiştir. Geri dolgu zemininin sıkılaştırılması deformasyonları % 40, temel zeminin iyileştirilmesi deformasyonları % 15 ve temel zeminin kısmi olarak iyileştirilmesi deformasyonları %10 azaltmıştır. Ayrıca, duvar boyutlarının etkisi (B/H oranı) incelenmiştir. Duvarın yatay ve düşey yerdeğiştirmeleri sonlu eleman programı kullanılarak hesaplanmıştır. Sıvılaşmanın olduğu durumlarda B/H oranının önemli bir etkiye sahip olmadığı görülmüştür. Son olarak Kushiro Limanında bulunan ve 1993 Kushiro-oki depreminde hasar görmüş bir duvar sonlu eleman programında analiz edilmiş, deplasmanları hesaplanmıştır. Kushiro Limanında görülen deformasyonlar Kobe Limanında görülen deformasyonlara göre daha azdır çünkü Kushiro Limanındabulunan zemin tabakaları Kobe Limanına göre daha sıkıdır. Sonuç olarak, Mononobe-Okabe yöntemi sıvılaşma durumlarını dikkate almaması nedeniyle rıhtım duvar tasarımı için yeterli değildir. Sismik tasarım katsayıları aşıldığında, yıkıcı hasarlar ortaya çıkmaktadır. Yerel zemin etkileri değerlendirilmeli ve duvar davranışını anlamak için sonlu eleman analizleri gerçekleştirilmelidir.

Soils show different behavior under dynamic loading conditions compared to static loading conditions. While designing structures and their foundations, both static and dynamic loading conditions must be considered. Dynamic loads such as earthquake loading affect the behavior of soil and should be examined before design. In port structures, quay walls are affected by lateral spreading during earthquakes. Due to the liquefaction in reclaimed backfill or foundation soils, quay wall movements take place. This type of failure caused wall damages costing 10 billion US Dollars in 1995 Kobe Earthquake. In this study, general informations about soil liquefaction and its mechanism are presented. In addition, factors triggering liqufaction, liquefaction behavior of soils, liqufaction potential of soils, liquefaction induced displacements, residual strength of soils and evaluation of liquefaction potential are briefly explained. Moreover, lateral spreading, quay wall displacements due to earthquake, liquefaction induced lateral spreading prediction methods, quay wall displacement prediction methods, settlement prediction methods are explained and brief information about 1995 Kobe Earthquake is given. Furthermore, a quay wall damaged during 1995 Kobe Earthquake is modeled in finite element programme PLAXIS. Model parameters are determined by using Standard Penetration Test (SPT) data. The displacements that are calculated with finite element programme are compared to observed displacements and analytical and empirical methods. Moreover, the effect of different earthquake motion to wall displacement is studied. Kocaeli Earthquake (1999), Chi-Chi Earthquake (1999), Northridge Earthquake (1994) and Friuli Earthquake (1976) accelograms are used as different input motions and their effect to quay wall displacement is analyzed. Besides, the effect of densification in reclaimed backfill and foundation soil is studied. Also, the effect of dimension ratio B/H is analyzed. Finally, a damaged quay wall at Kushiro Port during 1993 Kushiro-oki earthquake is modeled and wall displacements are determined. In conclusion, Mononobe-Okabe method is not sufficient for quay wall design as it ignores liquefaction behavior. Local site effects should be evaluated and finite element analyses should be performed to understand wall behavior during earthquakes.