Gömülü boruların sismik yükler altında doğrusal olmayan analizi

Abstract

Ülkemizde gömülü boruların depreme dayanıklı tasarımına ilişkin bir yönetmelik bulunmamaktadır. Bu yüzden gömülü boruların deprem etkisi altındaki davranışının incelenmesi ülkemizde büyük önem taşımaktadır. Bu tez çalışmasında, gömülü boruların davranışını etkileyebilecek parametreler belirlenmiş ve bu parametrelerin değişmesi durumunda borunun deprem etkisi altındaki davranışının nasıl değiştiği araştırılmıştır. Gömülü borularla ilgili ilk çalışmalar gömülü borulara etkiyen yüklerin belirlenmesi üzerine olmuştur. Burada en önemli kavramlardan bir tanesi projeksiyon kavramıdır. Eğer boruya etkiyen yük üzerindeki zemin prizmasının ağırlığından daha fazla ile negatif projeksiyonlu, daha az ise pozitif projeksiyonlu, eğer eşit ise nötr projeksiyonlu boru olarak adlandırılır. Rijit borular özel boru kurulum yöntemleri kullanılmadığında negatif projeksiyona, esnek borular ise pozitif projeksiyona maruz kalırlar. Boru kurulum yöntemleri 4 ana başlıkta incelenebilir. Bunlardan ilki olan hendek durumunda boru kendini tutabilen ve örselenmemiş bir zeminde nispeten dar bir hendeğe yerleştirilir, daha sonra doğal zemin seviyesine kadar dolgu inşa edilir. İkincisi olan pozitif projeksiyon durumunda boru tepesi doğal zeminin üzerine çıkacak şekilde nispeten sığ kanallara yerleştirilip üzerine bir miktar dolgu inşa edilir. Negatif projeksiyon durumunda ise boru tepesi doğal zeminin altında kalacak şekilde sığ hendeklere yerleştirilip doğal zemin seviyesinin üzerinde bir dolgu inşa edilir. Tünel açma durumu geleneksel açık kazı yöntemlerinin mümkün olmadığı, daha çok derin boru kurulumlarının gerektiği durumlarda kullanılır [10]. Bu tez çalışmasında gömülü boruların üç boyutlu doğrusal olmayan dinamik analizleri yapılmıştır. Bu analizleri gerçekleştirmek için bir model seçimi yapmak gerekir. Geçmişten günümüze gömülü boruları analiz etmek için basitten karmaşığa birçok model önerilmiştir. Basit modellerde zemin-boru etkileşimi göz önüne alınmazken, karmaşık modellerde zemin ve boru ayrı ayrı modellenir. Bu modellerde zemin üç boyutlu sonlu elemanlarla boru ise kabuk elemanlarla modellenir. Ancak karmaşık modelleri analiz etmek için hem yüksek bilgisayar kapasiteleri hem de önemli miktarda zaman gerekir. Bu çalışmada American Lifelines Alliance'ın 2001 yılında Gömülü Çelik Boruların Tasarımına Yönelik Yönergesinde [38] önerdiği analitik model kullanılmıştır. Modelde boru hattı kiriş elemanlarla, zemin ise üç doğrultuda ayrık ve doğrusal olmayan yaylarla modellenir. Hem laboratuvar hem saha deneyleri zemin kuvvetleri maksimuma ulaştıktan bir süre sonra azaldığını gösterse de bu yönetmelikte zemin kuvvetleri maksimuma ulaştıktan sonra sabit olduğunu kabul etmiştir. Yönetmelikteki model derin boruları analiz etmek için uygun olmamakla birlikte üniform zemin koşulları için geçerlidir. Elbette bu modeli kullanırken bazı varsayımlarda bulunmak gerekmektedir. Yapılan varsayımlar aşağıdaki gibi sıralanabilir. Birincisi, zemin üzerindeki hareketli yükler ihmal edilmiştir. İkincisi, boru yeraltı su seviyesinin üzerine yerleştirilmiştir. Böylece sıvılaşmanın etkileri dikkate alınmamıştır. Üçüncüsü, sıkı ve gevşek kum ayrımı zeminin içsel sürtünme açısına bağlı olarak yapılmıştır. Bunun sebebi kumlarda kohezyon sıfır olduğundan Mohr-Coulumb göçme düzlemi üzerindeki kayma gerilmeleri sadece zeminin içsel sürtünme açısına bağlı olmasıdır. Dördüncü ve son varsayım ise analizlerde boru iç basıncı göz ardı edilmiştir. Literatürde ALA 2001 [38]'in önerdiği modelin yeterli yaklaşıkta olduğu gösterilmiş ve birçok bilim insanı tarafından kullanılmıştır [39,40,44,45,46]. Tez çalışmasında da bu model kullanılmıştır. Modelde borunun uzunluğu 1200 metre olarak seçilmiş ve 1 metrelik sonlu eleman ağı kullanılmıştır. Gümülü boruların sismik davranışını etkileyebilecek parametrelerden olan gömülme derinliği, zemin cinsi, boru malzemesi, sınır koşulları, boru çapı, et kalınlığı parametrik olarak değiştirilip 3D zaman tanım alanlı doğrusal olmayan dinamik analizler ile yapılmıştır. Analizleri yapmak için Sap2000 paket programı kullanılmıştır. Analiz çıktılarından olan eksenel, yatay ve düşey yer değiştirmeler ayrı karşılaştırılmış ve grafikler halinde sunulmuştur.