LEE- Deprem Mühendisliği-Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Son Başvurular
1 - 5 / 5
-
ÖgeStrategies for seismic risk mitigation by considering economic criteria on a regional basis(Graduate School, 2024-02-21)Türkiye'de 1960'lı yıllara kadar %30'un altında olan kentsel nüfus oranı, bu dönemden itibaren yaşanan göçlerle başlamış, bu artış 70'li yıllarla birlikte doruğa ulaşmıştır. Kentlerde bu süreçte artan barınma talebine karşılık verecek miktarda konut bulunmaması hızlı ve kontrolsüz bir yapılaşmayı beraberinde getirmiş, birçok konut türü bina mühendislik hizmeti almadan ve yapıldıkları dönemde yürürlükte olan deprem ve tasarım yönetmeliklerine uyulmadan üretilmiştir. Dahası, yönetmeliklere göre tasarlanan binalar çoğu zaman tasarım projelerine ve dikkate alınan malzeme standartlarına uyulmadan, kötü işçilikle üretilmiştir. Aktif bir deprem kuşağında yer alan ülkemizde geçmişten beri yerleşim birimleri depremler sebebiyle önemli kayıplar yaşamış olsa da 1999 yılında Marmara Bölgesi'nde gerçekleşen Kocaeli ve Düzce depremlerinin ağır sonuçlarıyla karşılaşılana kadar ülkede deprem farkındalığı yeterince oluşmamış, 2001 yılında Yapı Denetim Kanunu yürürlüğe girene kadar bir denetim mekanizması işlememiştir. Bu dönem sonrasında ise denetim mekanizmasının kurulması, 1999 depremlerinin sağladığı bilinçlenme, malzeme teknolojisindeki gelişmeler, deprem mühendisliği alanındaki bilgi birikiminin ilerlemesi gibi sebeplerle inşa edilen binaların deprem güvenliklerinde gözle görülür bir artış gerçekleşmiştir. Ancak İstanbul'da mevcut bulunan binaların %68'i 2000 yılı öncesinde inşa edilmiştir. Bu binaların büyük bir çoğunluğu; 1972 Deprem Bölgeleri Haritasında ikinci derece deprem bölgesine ait taleple tasarlandığı ve bahsedilen eksikliklere sahip olduklarından, günümüzde yürürlükte olan 2018 Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği veya 2019 Riskli Bina Tespit Esaslarına göre incelenmeleri sonucunda Riskli ya da Göçme Bölgesinde çıkmaları olasıdır. Ancak bilinmektedir ki günümüzde yeterli deprem güvenliğini sağlayamadığı düşünülse de eski yönetmeliklere uygun yapılan binalar, geçmiş depremlerde can güvenliğini sağlamayı başarabilmiştir. Bunun yanında, İstanbul gibi büyük kentlerde bulunan yüz binlerce 2000 yılı öncesi inşa edilmiş binayı mevcut yönetmeliklere göre detaylı mühendislik incelemesine tabi tutmak zaman ve ekonomi kriterlerine göre verimli gözükmemektedir. Gelecekte İstanbul'u etkilemesi olası bir depremde can ve mal kayıplarının en aza indirilmesi ve risk azaltma çalışmalarında kaynakların en verimli şekilde değerlendirilebilmesi için söz konusu görece yüksek riskli bina stokunun yapısal olarak hızlı, mekanik ve tutarlılığı yüksek bir yöntemle incelenmesi ve incelenen binaların sınıflandırılarak bir triyaj sistemine tabi tutulması gerekmektedir. İstanbul Deprem Master Planı (2003) bu doğrultuda kademeli bir değerlendirme yaklaşımı tanımlamış; bahse konu bina stokunun tamamına yakını hakkında alınacak kararın, binaların içerisinden taşıyıcı sistem bilgilerinin toplandığı ve mekanik hesaplamalar yapılan ikinci kademe değerlendirme aşamasında alınması gerektiği, kritik öneme sahip olan ya da performans olarak gri bölgede kalan binalarda ancak daha ayrıntılı bir inceleme çalışması yapılmasının uygun olacağı belirtilmiştir. Bu ihtiyaçlar doğrultusunda İstanbul genelinde gerçekleştirilecek yaygın bina inceleme çalışmalarında kullanılmak üzere, 5 adet ikinci kademe, 3 adet ise birinci kademe sokak taraması yöntemi pilot bir çalışmayla incelenmiştir. Seçilen yöntemlerin tutarlılığı, ayrıntılı olarak yürürlükteki deprem yönetmeliklerine göre incelenmiş binaların sonuçlarıyla karşılaştırılarak tespit edilmiş, bu çalışmalar tezin 2. bölümünde derlenmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda hız, tutarlılık ve ekonomiklik bakımından en verimli yöntem olarak, yönetmelik tabanlı değerlendirme yaklaşımına sahip olan PERA2019 yöntemi seçilmiştir. Yapılan analizler sonucunda 615,000 1-10 katlı betonarme binanın 2'şer mühendisten oluşan 100 ekiple seçilen yönteme göre incelenmesinin 4.4 yıl süreceği ve bu çalışmanın Türkiye Bina Deprem Yönetmeliğine göre bu binaların incelenmesi maliyetinin %3'üne mal olacağı görülmüştür. Çalışmanın aynı ekip miktarıyla Türkiye Bina Deprem Yönetmeliğine uygun bir şekilde tamamlanabilmesi için yaklaşık 147 yıllık bir zaman zarfı gerekmektedir. Tezin 3. bölümünde PERA2019 yöntemi, yöntemin artımsal yaklaşımı ve önerilen 5 risk sınıflı derecelendirme sisteminin güvenilirliği deprem hasarlı binalar ve artımsal dinamik analiz sonuçlarıyla karşılaştırılarak belirlenmiştir. Çalışmalar göstermiştir ki yöntem ağır hasarlı ve yıkık binaların tamamını yüksek veya çok yüksek riskli olarak değerlendirmeyi başarmış, hasarsız ve hafif hasarlı binalardaki riski ise genel olarak daha düşük seviyede göstermiştir. Ayrıca artımsal dinamik analizler göstermiştir ki yöntemin bulduğu deprem güvenliği oranı değerleri ve risk sınıfları büyük çoğunlukla ayrıntılı yöntemin sonuçlarıyla uyumlu bulunmuştur. Bunun yanında, bu bölümde incelenen binalar içerisinde 1975 yönetmeliğine göre tasarlanmış olanların, projelerine uygun olarak inşa edilmiş olmaları halinde mevcut durumlarına oranla ortalama 2 kattan fazla deprem güvenliği sağlamış olacağı sonucuna varılmıştır. Bu bilgiler ışığında PERA2019 yöntemi ve belirlenen risk sınıflandırma yaklaşımı İstanbul'un 37 ilçesinde yaklaşık 25000 binaya uygulanmıştır. Uygulanan binalar üzerinden yapılan çıkarımlar 4. bölümde özetlenmiş, saha çalışmaları sonucunda ise binaların tamamına yakınının günümüz yönetmeliklerinin deprem taleplerini karşılayamadığı görülmüştür. Bu bölümde yapılan çalışmalarla, mevcut binaların sınıflandırılması ve risklerinin azaltılmasında, yeni bina tasarımı için talep edilen deprem seviyesi olan Tasarım Depreminin kullanılmasından ziyade, 7.5 büyüklüğündeki Senaryo Depreminin parametrelerinin kullanılması, yaklaşan depreme hazırlık çalışmalarında çok daha etkili bir yaklaşım olarak ön plana çıkmış; Tasarım Depremine göre incelemelerde binaların yaklaşık %80'inin yüksek veya çok yüksek riskli olması nedeniyle problemin çözümsüz bir noktaya geldiği anlaşılmıştır. Ayrıca yapım yıllarına göre binaların durumları incelendiğinde, 1999-2000 yıllarına kadar bina stokunun deprem güvenliği ve yapısal parametrelerinde gözle görülür bir iyileşme tespit edilememiştir. Gerçekleştirilen çalışmalarda yapılan çıkarımlar, incelenen binaların kapsamıyla sınırlı olacağından, bina stokunun geneli hakkında bir görüş elde ederek, risk azaltma stratejilerinin gerçeğe daha yakın şekilde üretilebilmesi adına risk dağılımı ve ekonomik kayıp tahmini çalışmaları, saha çalışmalarından elde edilen veriler ışığında gerçekleştirilmiştir. İlçelerden gelen verilerle her ilçeye has kırılganlık eğrileri, farklı kat sayısına sahip binalar için üretilmiştir. Bu eğriler yardımıyla yaklaşık 580,000 bina üzerinde risk tahmini yapılmıştır. Çalışma sonucunda gelen risk dağılımları, saha çalışmalarıyla paralel olmakla birlikte, Senaryo Depremine göre stokun %19'u çok yüksek riskli, %22'si ise yüksek riskli çıkarken; Tasarım Depremine göre çok yüksek riskli binaların oranı %40, yüksek riskli binaların oranı ise %31 olarak tespit edilmiştir. Tezin son bölümünde fayda/maliyet analizleri tamamlanmıştır. Analizler ışığında yalnızca yıkıp yapma yönteminin maddi olarak kayıp azaltmada yeterince etkili olmadığı belirlenmiştir. Çalışmalar göstermiştir ki optimum sayıdaki binaya kadar binaların riskini azaltmak, deprem öncesi müdahale ve deprem sonrası zarar maliyetlerinin toplamını azaltırken, bu miktardan fazla binaya müdahale ediyor olmak (yıkıp yeniden yapma veya güçlendirme) toplam maliyeti artırmaktadır. Bu husus, yüksek ve çok yüksek riskli bulunan binaların risk azaltma çalışmalarında ilk müdahale edilmesi gerekenler olarak ele alınması, orta ve düşük riskli olarak tespit edilmiş binaların ise çok sonra müdahale edilecek binalar olarak öncelik dışı nitelendirilmesi gerektiğini göstermektedir. Ayrıca, yeniden yapım ile güçlendirme seçeneği arasında maliyet/fayda analizi açısından ciddi getiri farkı tespit edilmiştir. Hem risk azaltma çalışmalarının aciliyeti, hem de problemin boyutları düşünüldüğünde; yüksek veya çok yüksek riskli olup güçlendirilmesi verimli çıkan bütün binaların güçlendirilip, verimli bir şekilde güçlendirilemeyen binaların yeniden yapıldığı hibrit bir stratejide, mevcut durumda 7.5 büyüklüğündeki Senaryo Depreminin gerçekleşmesiyle oluşacak zarara kıyasla %72 seviyesine kadar maliyet azalışı sağlanabilmektedir. Aynı miktarda binanın yeniden yapıldığı senaryo ise ancak %49'luk bir maliyet azalışı yaratacaktır ve bu müdahale stratejisinin uygulama süresinin hibrit stratejiye göre çok daha uzun olacağı tespit edilmiştir. Bu doktora tezi kapsamında yapılan çalışmalar ile yakın gelecekte büyük bir depreme maruz kalma tehlikesi altında bulunan şehirlerde konut stokunun riskinin, tutarlılıktan taviz vermeden en hızlı bir şekilde tespiti için bir yöntemin önerilmesi yapılmış; yasal mevzuattaki bu eksiklik için bir çözüm önerisi yapılmıştır. Ardından günümüzde 2019 Riskli Bina Tespit Esasları ve 2018 Türkiye Bina Deprem Yönetmeliğinin barındırmadığı, mevzuatın şartlarını sağlamayan mevcut binaların risk seviyelerine göre önceliklendirilmesi önerilmiş, önerilen artımsal sıralama ve sınıflandırma yöntemlerinin güvenilirliği incelenmiştir. Üretilen çıktılar üzerinden incelemesi yapılan yaklaşık 23,000 binanın verisinden yola çıkarak gerçekleştirilen risk dağılımı ve fayda/maliyet tahminleri ise önerilen önceliklendirme yaklaşımına uyularak yapılacak risk azaltma çalışmalarının en verimli stratejiyi yansıttığını göstermektedir. 6 Şubat 2023 depremleri sonrasında görülmüştür ki bu tezin önerdiği şekilde deprem öncesinde yapılacak müdahaleler, afet kayıplarının önlenmesi açısından kritik öneme sahiptir.
-
ÖgeDesign of a new laminar soil container and its numerical verification for SSI and liquefaction tests(Graduate School, 2024-07-10)This dissertation presents the design, development, and evaluation of an Enhanced Transparent Impermeable Laminar (ETILam) soil container for laboratory soil tests. The research addresses the challenges in replicating prototype responses under static and dynamic conditions, which are crucial for geotechnical engineering applications. By conducting a comprehensive review of existing soil test setups and various types of laminar soil containers, the study aims to enhance the design and functionality of soil containers, particularly for dynamic tests using shaking tables and centrifuges. The research begins by identifying the key aspects and essential characteristics of laboratory test setups. It emphasizes the importance of soil container boundary conditions on test performance. Different types of soil containers and their specifications are examined, concluding that laminar soil containers are the most effective for replicating prototype conditions in laboratory settings. The study then explores the limitations that need to be considered during the design of a laminar soil container, leading to the development of an initial design concept. To ensure the effectiveness of the design, potential materials for the laminar soil container were tested in the laboratory. Characteristic parameters of these materials were evaluated for use in numerical modeling. Plexiglas and Sikaflex Pro3 flexible sealant paste were selected for the container construction. The performance of the lamina frame under maximum stresses induced during dynamic loadings was verified using structural software, and the locations of lateral support points were determined. A new method was developed for preparing the required soil sample with the proper relative density. This method evaluates the relative density of the soil based on the diameter of the sieve opening and the height of raining, leading to the design of a new sand pluviation mechanism. Through numerical modeling, the effect of boundary type and expansion on the soil sample was studied. Different sinusoidal motions were applied to the model, and the proper motion was selected for numerical evaluations of the laminar soil container design. Based on a review of available containers and their movement mechanisms, various numerical models were developed and their performances compared with free-field test responses. An enhanced movement mechanism was developed to provide a response more closely resembling free-field conditions. This mechanism employs roller bearings and a flexible sealant moving mechanism between the laminas. The study also examined the effect of the lateral support system on the behavior of the laminar soil container. It was found that vertical support, in addition to lateral support, provides a better response for the laminar soil container. The expected performance of the laminar soil container during laboratory tests was studied using generated models. The soil-structure interaction performance was evaluated, and the effect of a Single Degree of Freedom (SDOF) system on soil performance was assessed. The design process, through numerical modeling, resulted in the manufacturing of the ETILam soil container. Its performance was evaluated through tests on an empty container on a shaking table and with soil samples during multiple tests. For studying the soil-structure interaction (SSI) effect, a test setup representing a pile-supported SDOF system was designed and manufactured. A series of laboratory tests were performed on this system, and some of the results were presented. The performance of the empty ETILam soil container was compared with numerical model results, revealing that the numerical results closely resemble the laboratory test results. However, the results obtained from the laboratory tests on the soil sample inside the container indicated that increasing the input motion frequency and acceleration led to discrepancies between the numerical model and laboratory results, necessitating more detailed analytical studies on the soil models in the software. In conclusion, this dissertation demonstrates the development and validation of the ETILam soil container. The study highlights the effectiveness of combining roller bearings and flexible sealant for laminar movement, the importance of proper boundary support, and the need for detailed numerical and laboratory analysis to accurately replicate real-site conditions for soil-structure interaction and liquefaction tests. The ETILam soil container represents a significant advancement in geotechnical engineering laboratory testing, providing a more accurate and reliable method for studying soil behavior under dynamic conditions.
-
ÖgeÇöp sızıntı suyunun kumların davranışları üzerindeki etkisi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-04-14)Ekonomik sebeplerden ötürü katı atıkların depolanması ülkemizde halen en çok tercih edilen atık depolama yöntemi olarak karşımıza çıkmaktadır. Düzenli katı atık depolama tesislerinde özensiz yapılan kil bariyerlerden sızan veya vahşi depolama şeklinde kontrolsüz depolanan evsel katı atıklar çevre ve insan sağlığı gibi problemlerin yanı sıra zemin tabakalarında da bazı değişikliklere neden olmaktadır. Depolanan evsel atıklar yağmur suları ile beraber çöp sızıntı suyu halini alarak zemin tabakalarına sızar. Farklı zemin tabakalarına ve yeraltı sularına karışan çöp sızıntı suyu içerdiği organik, inorganik maddeler ve ağır metaller ile birlikte zeminlerin endeks özelliklerinde değişikliklere neden olabilir. Bu davranış değişiklikleri kohezyonlu zeminler ile yapılan önceki çalışmalarda plastisitenin değişmesi, taşıma gücü kayıpları, düşük permeabilite vb. gibi birçok geoteknik özellikte farklılığa neden olmaktadır. Bu araştırmada özensiz kil bariyerlerden sızan veya tamamen kontrolsüz olarak depolamadan kaynaklı farklı zemin tabakalarına ulaşan çöp sızıntı suyunun zaman içerisinde kumlu zeminlerin dinamik davranışı üzerine yapmış olduğu etkiler incelenmiştir. Bu çalışmada İstanbul ili Akpınar köyünden getirilmiş olan kum zemin kullanılmış olup, çöp sızıntı suyu ile kirlenmiş kum zeminin dinamik davranışları temiz kum numunelerle karşılaştırmıştır. Bu çalışmada 50 mm çapında ve 100 mm yüksekliğinde bir kalıp içerisinde hem temiz hem de kirlenmiş kum numuneler kuru yağmurlama yöntemiyle hazırlanmıştır. Üç eksenli basınç deney sistemine yerleştirilen temiz kum numunelerden doygun olması istenenlerden vakum altında numunelerin içerisinden CO2 gazı ve daha sonra da damıtık su geçirilerek numuneler doygun hale getirilmiştir. Doygun olmayan temiz numuneler ve çöp sızıntı suyu ile kirlenmiş numunelerde ise vakum altında CO2 gazı ve damıtık su geçirme uygulaması yapılmamıştır. Bunun nedeni kirlenmiş zeminlerin yapısının bozmamak ve temiz zeminlerle kirlenmiş bu zeminleri karşılaştıracak eşdeğerde doygunluk elde etmektir. Daha sonra kuru yağmurlama yöntemi ile daha önceden hazırlanarak modifiye kalıplara yerleştirilen numuneler %100 kür oranındaki çöp sızıntı suyu havuzuna batırılarak kirletme işlemi başlatılmıştır. Bu aşamadan sonra farklı kür sürelerindeki numuneler çöp sızıntı suyu havuzundan çıkarılıp deney sistemine yerleştirilerek dinamik deneylere başlanmıştır. Çalışma kapsamında başlangıçta kirlenmiş numune kurulumunda kullanılan modifiye kalıp ve standart kalıpta hazırlanmış numunelerin dinamik durumdaki davranışı karşılaştırılmıştır. Araştırmada dinamik üç eksenli deney sisteminde yapılan deneyler üç gruba ayrılmıştır. İlk olarak doygun numuneler oluşturularak kullanılan Akpınar kumunun sıvılaşma davranışı belirlenmiştir. En büyük elastisite modülü hesaplamaları yapıldıktan sonra 100 kPa ve 30 kPa olmak üzere iki farklı basınç altında konsolidasyona bırakılan numunelere farklı gerilme seviyeleri uygulanarak kullanılan kum zeminin dinamik mukavemet eğrisi oluşturulmuştur. Oluşan bu eğri sonucunda 100 kPa konsolidasyon basıncı altındaki temiz kum numunelerde gerilme oranı ±σdev/2σ'c = 0.28 ve üzerine çıktığında, 30 kPa konsolidasyon basıncı altındaki temiz kum numunelerde ise gerilme oranı ±σdev/2σ'c = 0.48 ve üzerine çıktığında yüksek risk taşımakta ve zemin küçük çevrim sayılarında sıvılaşmaktadır. İkinci aşamaya geçtiğimizde farklı doygunluk değerlerinde hesaplanan temiz numunelerde doygunluğun dinamik davranışa etkileri araştırılmıştır. Laboratuvar ortamında hazırlanan numunelerde daha düşük seviyelerde doygunluk oluşturmak için bu aşamada vakum altında CO2 gazı ve damıtık su geçirme işlemleri yapılmamıştır. Farklı doygunlukta hesaplanan kısmi doygun temiz numunelerle dinamik üç eksenli deney aletinde ±σdev/2σ'c = 0.28 ve 0.30 gerilme aralığında yapılan deneyler sonucunda doygunluğun gerilme – şekil değiştirme ve boşluk suyu basıncı üzerinde etkileri incelenmiştir. Yapılan deneyler sonucunda numunelerde skempton-B değerinin azalmasının sıvılaşmayı etkilediği görülmüştür. Benzer sıkılıkta hazırlanmış temiz kumlarda doygunluk değeri B=0.37 değerine düştüğünde ise sıvılaşma gözlenmemiştir. ±σdev/2σ'c = 0.28 gerilme oranında N=28 çevrimde sıvılaşan doygun kum numunesinin, kısmi doygun B= 0.49 ile 0.52 arasında olması durumunda yakın çevrim sayılarında (N=30) sıvılaşması için uygulanması gereken dinamik gerilme oranının σdev/2σ'c = 0.33 olduğu görülmüştür. Çöp sızıntı suyu ile kirlenmenin araştırıldığı son bölümde ise dinamik üç eksenli deney aletinde tekrarlı yük uygulanan yapısı itibari ile kısmi doygun olan numuneler kullanılmıştır. Çöp sızıntı suyu ile kür havuzunda kirlenmeye bırakılan numuneler belli zaman aralıklarında alınarak dinamik deneyler yapılmıştır. Bu numunelerin kür süresi 1 gün ile 718 gün arasında değişmektedir. Farklı kür sürelerinde beklemiş numuneler benzer sıkılık oranlarına ve farklı doygunluk değerlerine sahiptir. 100 kPa konsolidasyon basıncı altında dinamik deneyler yapılan bu numunelerde çöp sızıntı suyunun neden olduğu zemin yapısı değişikliğini etkilememek için suya doygunluğu sağlayan vakum altında karbondioksit gazı ve damıtık su geçirme işlemleri uygulanmamıştır. Bu çalışmada kısmi doygun kirlenmiş kum numunelerin farklı doygunluk değerlerinde yapılan dinamik deneyler sonucu davranışları incelenerek doygunluğun kirlenmiş numuneler üzerindeki etkisi incelenmiştir. Yapılan deneyler sonucunda doygunluk değerinin düşmesinin temiz kum numunelerde olduğu gibi çöp sızıntı suyu ile kirlenmiş numunelerde de sıvılaşmaya karşı direnci artırdığı gözlenmiştir. Doygunluk değerinin B=0.25 değerine düştüğünde ise sıvılaşmanın oluşmadığı görülmüştür. Kirlenmiş numunelerde kür süresinin etkisinin incelendiği çalışmanın devamında kısa kür sürelerindeki numuneler ile daha uzun kirlenmeye maruz kalmış numuneler kullanılmıştır. Çalışmanın bu bölümünde farklı kür sürelerinde kirlenmiş numunelerle yapılan çalışmalarda kür süresinin gerilme - şekil değiştirme davranışına etkileri incelenmiş ve benzer özellikteki temiz kum numuneleri ile davranışları karşılaştırılmıştır. Buna göre kısa kür süreli numunelerde (t=1-10 gün) düşük doygunluk değerlerinde temiz zemine benzer davranış sergilediği görülmüştür. Kür süresinin uzamasıyla birlikte numunelerde boşluk suyu basıncı ve dinamik eksenel deformasyon oluşumları daha erken sürelerde meydana gelmektedir. Doygunluk değerinin düşmesi numunelerde kirlenme ile sıvılaşma etkisinin azalmasına neden olmakta ve doygunluk B=0.50 değerinin altına düştüğünde ise kirlenme etkisi görülmemektedir. Hem temiz hem de çöp sızıntı suyu ile kirlenmiş kumlarda yaklaşık olarak kritik deformasyon seviyesi εkritik =±%0.50 olarak hesaplanmış ve davranış biçimlerinin benzer olduğu gösterilmiştir.
-
ÖgeNumerical analysis of monopile foundations for offshore wind turbines(Graduate School, 2021-10-05)The high worldwide concern for renewable energy resources and the great privilege of seas and oceans for the wind power supply is the point that is no longer hidden among the new generation research. The EU (European Union) capacity is predicted to grow to 150 GW by 2030. Fast growth of offshore wind farms all around the world specifically among EU countries and also newly quake-prone areas of Adriatic, Spain, US (Pacific Coast, Gulf of Mexico), and Japan, makes it significant to learn more about both superstructure and substructure parts of these complex systems. To properly evaluate the effects of environmental loads on the performance of offshore wind turbines (OWTs), soil-pile-structure coupled effects need to be considered. Monopiles are the most common type of foundations for these structures, and as OWT monopile foundations are large diameter piles, it seems that current design methods that are defined for slender and small diameter piles are not appropriate for them. The other important factor is that these methods are mostly applicable for offshore oil and gas industry projects with limited number of load cycles and are not capable of considering liquefaction possibility. While OWTs are the structures that sustain extreme cycles of loading, liquefaction is a phenomenon that should be investigated in detail as it is so critical for the performance of the pile foundations under cyclic sea-wave loads. In the current research, numerical dynamic analysis of an offshore wind turbine based on a monopile foundation is carried out during cyclic sea-wave actions and seismic motion that may lead to liquefaction in the soil domain surrounding the pile foundation due to the cyclic stresses induced by the pile displacements by using the open-source program, OpenSees. The effects of foundation properties such as monopile diameter and its embedment depth and sea-wave characteristics like period, sea-water depth, duration, and level of dynamic loads on the performance of the system are investigated. The outcomes in terms of deformations, excess pore water pressure, and internal forces are presented and discussed. Findings give a more reliable evaluation of the dynamic performance of the offshore wind turbines monopile foundations and liquefaction susceptibility in the surrounding soil medium under cyclic sea-wave loads. In this regard, for the investigation of the problem in more detail, six chapters are considered for the explanation of the system specifications, the OWT system, its foundation, loading procedure, and equations for the environmental loads. Chapter 1 contains the introduction, purpose of the study, and explanation about the categorization of the problem within the chapters. General information about the OWT system, OWT foundation, loading procedure, environmental loads, and methodology followed by specified equations, design guidelines and standards, liquefaction phenomenon, and literature review studies of the previous researchers close to the subject of the thesis is explained in Chapter 2. In the present study, the effects of different parameters on the performance of the OWT system by considering the soil-monopile-OWT structure interaction by using the Finite Element (FE) open-source program, OpenSees, are investigated. In this regard, modeling of the surrounding soil and the obtained soil constitutive model in the analysis is one of the main steps of FE modeling. For this purpose, Chapter 3 is mainly about the soil modeling definition. Elastic-plastic modeling of the soil is explained in more detail in this chapter. First, general information about different soil constitutive models and the equations for the dynamic motion, are defined after the general specification explanation. UCSD soil constitutive model (developed by University of California, San Diego) considered in the present study is defined in more detail by the presentation of the equations, and calibration of the soil constitutive model through laboratory tests. At the end of this chapter, verification of this soil model is done by using cyclic simple shear test data of different researchers and simulation of the cyclic simple shear test through the FE program. The results of the numerical modeling of a problem are more reliable while verification studies of the numerical modeling are done. In this regard, Chapter 4 presents verification studies of the OWT system by considering both superstructure and substructure sections, and the results are compared with the available ones from the literature review studies in specified graphs. Chapter 5 demonstrates the main OWT system selected for the present research after doing all the preliminary analyses and getting certain and reliable results from the verification studies. Effects of different properties for the monopile foundation, seismic motion, and sea-wave cyclic loads are investigated in this chapter and the results are categorized in tables and graphs. As the duration of the cyclic sea-wave loads (number of cycles) is observed as one of the main factors in liquefaction possibility, it is investigated in more detail by performing some detailed simulations of the problem. In this regard, back analysis of the OWT problem is performed by using the results from the FE modeling of the OWT problem and cyclic triaxial test simulation for the soil element in different depth values from the seabed surface. The summary of the conclusions for all the analyses and the future studies related to this subject are explained in Chapter 6. According to the presented results, a large diameter monopile foundation rotates about the tip more like a rigid body with limited values for the pile lateral deformation. Increasing the diameter of the foundation under the same sea-wave loading duration makes monopile stiffer, leading to less lateral displacement for the pile, and lower excess PWP ratio and shear strain in the surrounding soil. The soil response as the excess pore water pressure ratio and shear strain values decrease for larger diameter foundations while they behave in an increasing trend over time. This performance makes it essential to study the effect of the duration of the cyclic load for investigation of the OWT system. This factor is evaluated and presented in the current study in more detail. The duration of the cyclic load is concluded as an important factor for the evaluation of the performance of the OWT system during its life span mainly under large numbers of cyclic sea-wave loads. After the duration, the sea-water depth is a significant factor especially more effective than the duration for the monopile foundation behavior. The maximum values for the deformation of the monopile foundation are achieved during the case with higher sea-water depth. By comparing the results through the sole application of the sea-wave load and the coupled application of the sea-wave and earthquake loads, the response of the surrounding soil is more affected by the seismic motion. The shear strain approaches high rates during the coupled application of loads, and the pore water pressure approaches high amounts by applying the earthquake loads. Based on the numerical analyses, liquefaction is possible in the soil surrounding the offshore wind turbine by applying the prescribed earthquake and the sea-wave load simultaneously. This performance confirms the significant role of the earthquake motion for the performance of the soil surrounding the offshore wind turbine in seismic-prone areas.
-
ÖgeDynamic response of partially saturated sands under foundations(Graduate School, 2021-09-09)The liquefaction or softening of the foundation soils and the potential vulnerability of existing buildings on liquefiable soils continues to be of major concern to the public because it has repeatedly caused severe damages to buildings with shallow or heavy foundations during earthquakes, such as 1967 Niigata (Japan), 1999 Adapazari (Turkey), 2010 Maule (Chile) and the 2011 Christchurch (New Zealand) earthquakes. The liquefaction of soils leads to a decrease in the effective stress and a consequent degradation in the associated shear strength and stiffness. When the excess pore pressures are built up to initiate full liquefaction (near-zero effective stress state) beneath the foundations, significant deformations such as excessive settlements, tilting and shifting of overlying buildings can occur. An urgent need exists to develop costeffective liquefaction mitigation measures that can be easily and widely used for buildings founded on a liquefiable soil. In recent years, some researchers have been investigating liquefaction mitigation techniques, through series of laboratory tests that involve the artificial introduction of air/gas bubbles and creating partially saturated zones in the liquefiable soil deposits. These techniques intend to prevent the occurrence of liquefaction by increasing the compressibility of the pore fluid with the generation of some amount of air/gas in the fully saturated sand, thus basically, by transforming the sand into partially saturated state. Also, some physical model tests have been conducted to study the liquefaction behavior of partially saturated soils in free field and under foundations. The research, particularly investigating the response of shallow foundations rested on these soils, has suggested that the liquefaction potential of liquefiable soils and relevant building settlements significantly decrease by the reduction of degree of saturation. Although there are many studies in the literature for liquefaction response analysis of fully or partially saturated sands and building movements resting on these sands, performance-based earthquake engineering requires improved procedures to give a deep and more realistic insight into the field. This thesis includes the initial research tasks of a TÜBİTAK funded project (No: 213M367) titled ''Dynamic Response of Sands Mitigated by IPS (Induced Partial Saturation) under New and Existing Structures''. The primary goal of this thesis is numerically modelling of partially saturated sands in free field and under foundations and to determine how much partial saturation should be induced in liquefiable areas. It uses a novel technique to reduce degree of saturation of fully saturated sands that is called Induced Partial Saturation, IPS. This thesis also will indicate how accurate the RuPSS (a novel model to predict excess pore water pressure ratio in partially saturated sands) empirical model is in predicting the liquefaction response of remediated sites by IPS. In this due, the application of IPS technique in tackling the liquefaction damages in free field and under foundations will be examined and modelled in this thesis. The main goals of this thesis can be listed as below: 1) An exhaustive literature review was done to collect almost all of the studies that involve reduction in the degree of saturation and creation of partially saturated zones in the liquefiable soil deposits. 2) A hypothesis has been made in the proposal of the thesis regarding the excess pore pressure generation (during the shaking phase) and its dissipation (during the post shaking phase) along with the settlement of free field and foundations. Its accuracy will be evaluated in the thesis through the numerical models and validations with studies available in the literature. 3) Analysis of the behaviour of fully and partially saturated sands under cyclic loadings considering different soil parameters through numerical modelling and comparison of the numerical analysis results in FLAC3D software with the experimental data available in the literature. 4) Analysis of the behaviour of fully and partially saturated sands under earthquake records in free fields and under foundations considering different soil parameters through numerical modellings in FLAC3D software. 5) There is a key parameter required in numerically modelling the partially saturated sands that is called air-water mixture bulk modulus, Kaw. According to the literature review, there is a well known equation for predicting Kaw. It will be shown that this equation equation is not very accurate in predicting a proper value for Kaw for soils with degrees of saturation below 80% or for partially saturated sands mitigated by IPS against liquefaction. Proposing an alternative empirical function to predict Kaw of partially saturated sands for using in numerical modellings will be the fourth task. The proposed function will be examined through comparison of numerical analysis results with those obtained from experimental test results in the literature. 6) A parametric study on the liquefaction analysis of fully and partially saturated sands in free field and under foundations in PLAXIS2D software. Results were presented in terms of excess pore pressure generations and dissipations and also the settlement responses both in free field and under foundations. 7) Finally, according to the obtained results and comprehensive literature review performed in this thesis, it is was concluded that there are some gaps in the field of partial saturation application in both experimental and numerical studies. Those gaps were listed and discussed in detail to pave the way of finding topics of research for the future studies. The researchers and engineers will benefit by using the outcomes and proposed models of this thesis in their research or in real case projects to analyze the dynamic response of partially saturated sands naturally existing in nature. Also, the mathematical predictive models that will be developed in this thesis will not only be used in the implementation of IPS, but also in the estimation of liquefaction responses in partially saturated sands existing under buildings. Besides contributions in science and engineering, the ultimate goal of this thesis is to help the safety of our society. The best outcome of this thesis will be to provide opportunities for the IPS technique to be implemented in liquefiable areas selected in Turkey and determination of partial saturation needed to improve the liquefiable zones.