Uygulamalı Eleman Metodu ile Barajların Göçme Davranışının İncelenmesi


Arıcı Y. (Executive), Köken M.

TUBITAK Project, 2017 - 2020

  • Project Type: TUBITAK Project
  • Begin Date: April 2017
  • End Date: May 2020

Project Abstract

Performans bazlı deprem mühendisliğinin en önemli amaçlarından biri sismik tehlikenin yapılar üstünde reel sonuçlarının anlaşılması ve somutlaştırılarak bu riskler için önleyici veya karşılık olacak kararların verilmesini sağlamaktır. Özellikle önemli bina yapılarında bu teknikler ile tasarım ve kullanım amaçları birbirine bağlanarak optimizasyon sağlanmakta, yapının ekstrem yükler altındaki davranışı da bu şekilde belirlenerek, yüklemeden sonra da tamir ya da yeniden inşa tercihleri belirlenmektedir. Baraj yapılarında tarihsel gelişim nedeni ile bu yaklaşımlar oluşmamış olup ülkemiz gibi enerji potansiyelinin azami ölçüde değerlendirebilmesi amacıyla son yıllarda yüzlerce baraj inşa edilen bölgelerde bu yapıların aşırı deplasmanlardaki performansı bilinmemektedir. Özellikle kaskad yapısı ile birbirinin altında bir çok baraj inşa edilmesi ile oluşturulan sistemlerde bir barajda hasar kaskad için de olası bir tehlikeye işaret etmektedir. Dolayısı ile hasar gören beton barajlar için performans kriterleri belirlenmesi hem tasarım/tahkik aşamasında hem de karar vericilerin yapılar hakkındaki tercihleri için çok önemli hale gelmektedir.

                Baraj yapılarının analizinde tarihsel gelişim nedeni ile performans bazlı bir yaklaşım oluşmamış olup tasarım tercihleri ve bunların performansa etkileri konusunda büyük bir bilgi eksikliği bulunmaktadır. Bu yapılarda yukarıdaki doğrultuda bir performans kriteri oluşmamasının en önemli sebeplerinden biri mevcut araştırma pratiğinde sonlu eleman sisteminin pratiğe tamamı ile hükmetmesidir. Küçük deplasman öngörüsü ve devamlı bir deplasman alanı ile çalışan bu metod devamlı yapılarda ayrık ve büyük çatlamaları, kaymaları, stabilite kaybını, sallanma gibi etkileri etkin simüle edememektedir. Deneysel olarak da büyük barajların davranışını incelemek oldukça zordur: zira çok masif yapılar olmaları sebebi ile çok küçük ölçekte çalışılması gerekmekte, parça deneyleri gibi beton bina/köprüler için sık yapılan yükleme testleri yapılamamaktadır. Bu teorik ve pratik zorlukların üzerine yıkıcı deprem görmüş büyük barajların sayısının çok az olması eklenirse bu konuda yaklaşımın neden oldukça zor olduğu anlaşılabilir. Dolayısı ile probleme yüksek deplasman düzeyinde çalışan analitik yaklaşımlar ile müdahil olmak gerekmektedir. Bu bağlamda bu projede oluşturulması planlanan uygulamalı eleman yöntemi yüksek deplasman simülasyonu gerektiren mekanik problemlerde ve özellikle göçme analizlerinde kullanılan yeni generasyon mekanik simülasyon araçlarındandır. Sistemin modellemesi sonlu eleman gibi parçalara bölünmesine dayanır: ama parçaların mekanik özelliğini yansıtan parçaları bağlayan yaylardır. Doğal sistemlere pek benzeyen bu model ayrık çatlakların incelenmesini, parça kopmasının izlenmesini ve kinematik dengede sistemin çözülmesini sağlar. Sistemden parçalar ayrılabilir,bu parçaların yönleri ve hızları bulunabilir. Bu parçalar diğer model parçalarına çarpabilir, yapışma ya da ivmelenme gözlenebilir.

                Projenin ilk önemli amacı ekstrem yükleme ve göçme simülasyonlarında kullanılabilecek uygulamalı eleman altyapısını oluşturmaktır. Bu araç yüksek deplasman ve göçme seviyelerinde yapıların analizini sağlayacak önemli bir potansiyel yaratmaktadır. Uygulamalı eleman yöntemi kullanılarak beton barajların göçme veya göçmeye yakın durumda davranışı ve yüklemeden sonra sistem durumunun belirlenmesi de projenin ikinci önemli amacıdır. Bu durumda artık kapasitenin belirlenmesi, parça kopup kopmadığının tahmini ancak ileri deplasman seviyesine çalışabilecek bu araçla yapılabilir. Yüksek hasar görmüş sistemde bu hasarın sonuçlarının nicel parametrelerle ifade edilmesi, deprem tehlikesi ile reel sonuçları (tamir, yeniden insa, mansap hasarları) arasında olasılıksal bağlantı oluşturulmasını sağlayacaktır. Hasar sonuçlarına ve geometrisine bağlı olarak da ani yıkılma senaryosu için mansap riskini belirleyecek hidrograflar elde edilecektir.

                Proje süresinde uygulamalı eleman yönteminin eleman, malzeme modelleri, ana motor, çözümleme motoru ve sonuç alma algoritmaları olmak üzere modüler olarak oluşturulması planlanmaktadır. Algoritmalar ve araç öncelikle küçük deplasman düzeyinde basit mekanik problemler, analitik çözümler ve olgunlaşmış sonlu eleman çözümleri ile karşılaştırılacaktır. Daha sonra ise deneysel olarak yapılan ölçekli baraj testi ile deplasman ve hasar davranışını simüle edebilme açısından gerçeklenecektir. Çalışmada teorik olarak baraj yüklemesinde önemli olan ayrık çatlak ilerlemesi, rezervuar-baraj etkileşimi ve çatlak içerisindeki değişken su basıncının da modüler olarak araca aktarılması amaçlanmaktadır. Projenin son aşaması ise yapılan göçme ve göçme sınırındaki analizlerin nicel ve nitel karar verme parametrelerine olasılıksal olarak bağlanmasıdır.

                Projenin önemli akademik kazancı göçme sınırında yüksek deplasmanla yapılan simülasyonlar ile barajların performansa dayalı deprem mühendisliği alanının sağlam bir temele oturtulmasıdır. Bu araştırma bu alanda çok klasik kalmış uygulamaya önemli bir yenilik getirmektedir. Ekonomik etkin katkı ise oluşturulan araç ile barajların performans tahmini ile sismik riskler arasında bağlantı oluşturacak faydalı bir model kurulması olup gerek mühendisler için tasarım/tahkik aşamalarında gerekse de karar vericiler için yenileme onarım aşamalarında kullanabilecek bir model oluşturulmaktadır. Mansap riski için oluşturulacak hidrograflar ile havza bazlı risk analizlerine ilk defa yapısal ekstrem yıkılma analizinden veri sağlanacaktır. Son olarak oluşturulacak analiz altyapısı ile ekstrem yükleme durumlarında önemli yapıların oluşturduğu riski belirleyebilecek, patlama ve eleman kaybı gibi yüklemelerde altyapı yapılarının performansinin incelenebilmesini sağlayacak kuvvetli bir ileri simülasyon aracı kazanılmaktadır.