Toprak ve kaya dolgu barajların elasto-plastik dinamik davranışı

Abstract

Bu tezde, toprak ve kaya dolgu tipinde inşa edilen barajların deprem gibi dinamik ve tekrarlı yükler etkisi altındaki doğrusal elastik ve elasto-plastik davranışı sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Analizlerde baraj gövdesi ayrı ayrı bir boyutlu ve iki boyutlu modellenerek davranışı değerlendirilmiştir. Bir boyutlu sonlu eleman modelinde, baraj gövdesi değişken kesitli, bir boyutlu sonlu elemanlarla kayma kaması olarak modellenmiştir. İki boyutlu sonlu eleman modelinde ise baraj gövdesi düzlem şekil değiştirme problemi olarak ele alınmış ve üç düğüm noktalı, üçgen sonlu elemanlar kullanılmıştır. Baraj malzemesinin doğrusal olmayan davranışı için hiperbolik zemin modeli kullanılmıştır. Elasto-plastik modülü belirleyen akma yüzeyinin bulunmasında Mises akma kriteri kullanılmıştır. Haraket denkleminin sayısal çözümü de adım adım integrasyon tekniği ile yapılmıştır. Sayısal örnek olarak, kaya dolgu tipinde inşa edilen Atatürk Barajı'nın deprem davranışı belirlenmeye çalışılmıştır. Yer hareketi olarak 13 Mart 1992 Erzincan depremi düzeltilmiş ivme bileşenleri eş zamanlı olarak uygulanmıştır. Her iki model ve davranışa ait baraj gövdesinde oluşan yerdeğiştirmeler, şekil değiştirmeler, kayma gerilmeleri ve ivmelerin zamanla değişimleri elde edilerek grafiklerle gösterilmiştir. Ayrıca, doğal titreşim frekanslarının belirlenmesi, sönüm oranının ve referans birim şekil değiştirmesinin davranış üzerindeki etkisini belirlemek için parametrik çalışmalar da yapılmıştır. Yapılan çözümlerin karşılaştırılmasından; (i) daha az sayıda eleman ve parametrenin belirlenmesine ihtiyaç duyan, daha kısa hesap zamanı ve zorluğu olan bir boyutlu modelin ön boyutlandırmada, barajın serbest titreşim frekanslarım belirlemede, baraj gövdesinde meydana gelen yerdeğiştirme, gerilme ve ivmelerin büyüklülerinin belirlenmesinde kullanılabileceği; (ii) baraj genişliğinin yüksekliğine oranı dört veya daha büyük olduğu hallerde, bir boyutlu modelden elde edilen sonuçların, yerinde yapılan deneyler ve deprem sırasında ölçülen değerlerle uyumlu olduğu, baraj davranışını yansıttığı; (iii) daha fazla parametre ve daha uzun çözüm zamanlan gerektiren üç boyutlu analizler yerine iki boyutlu modeller ile yapılan analizlerin yeterli yaklaşımı sağladığı; (iv) dar veya üçgen biçimli vadilere oturan barajlar için üç boyutlu modellerin kullanılması gerekliliği; (v) doğrusal olmayan zemin davranışını daha gerçekçi yansıtan, elasto-plastik davranışın mutlaka göz önünde bulundurulması gerektiği vurgulanmıştır.

In this thesis, linear elastic and elasto-plastic behaviour of earth and rockfill dams subjected to dynamic and repeated loading are presented. The analyses are carried out by using the finite element method (FEM). For this purpose, the dam is modeled as a one-dimensional (ID) shear-wedge model and a two-dimensional (2D) plain-strain problem. The hyperbolic soil model is used to simulate hysteretic shear stress-strain behaviour of the soil under repeated loading conditions. In the numerical analysis, the dynamic behaviour of the dam subjected to ground motion is investigated with the consideration of a typical cross-section of the Atatürk Dam and the EW-component of motion recorded during Erzincan Earthquake of March 13, 1992 is used. The numerical solutions are carried out for both the linear elastic and elasto-plastic behaviours and the results are presented to show the variations of displacements, shear stresses and accelerations with respect to time, comparatively. Moreover, the parametric studies are carried out to determine the influence of dynamic soil parameters on the behaviour of both models. Earth dams are large three-dimensional non-homogeneous structures having various inelastic material layers. Consequently, their computational modeling for prediction of their dynamic responses to earthquake shaking is extremely difficult. As a result, existing theories and current dynamic analyses of earth dams involve many simplifying assumptions. The one-dimensional, linear elastic model that treats the dam wedge-shaped shear beam has enjoyed significant popularity among engineers and researchers over the last four decades. When the length of the shear wedge-compared to its height-is large, the response is approximately one-dimensional. For example, for earth dams with average length/height ratios greater than 4, the shear stresses on the horizontal cross sections become pronounced in the deformations of the dam, consequently the ID model can predict successfully certain dynamic characteristics of actual earth dams observed during forced vibration tests and during earthquakes. However, it is occasionally required to deal with earth dams for which the ratio of length to height is comparatively small. In this case the normal stresses in the vertical direction effect the behaviour of the dam in addition to the shear stresses. Hence, their response is of a two-dimensional nature. In general, the investigation of behaviour of dams subjected to ground motion is carried out by taking into account of the shear deformations only.