DERİN DENİZ DEŞARJI BORULARININ DİNAMİK YÜKLER ALTINDAKİ DAVRANIŞI
Gökhan Sürücüsoy
1, Gülçin Şengül Nomaler
2, Prof. Dr. Ayfer Erken
3,
1
Yüksek Lisans, Fen Bilimleri Enstitüsü, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Programı, İstanbul Teknik
Üniversitesi, İstanbul, Türkiye [email protected]
2
Mühendislik Fakültesi, Sakarya Üniversitesi, Sakarya, Türkiye, [email protected]
3
İnşaat Mühendisliği Bölümü, Deprem Mühendisliği ve Afet Yönetimi Enstitüsü, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul, Türkiye
[email protected] 0(212) 285 65 57 ÖZET
Son yıllarda yerleşim bölgelerine yakın gerçekleşen büyük depremlerden sonra altyapı tesisleri ile deşarj boru hatları üzerinde ciddi hasarlar olduğu gözlenmiştir. Bu çalışmanın amacı deprem bölgelerinde inşa edilecek deniz tabanına gömülü derin deniz deşarjı borularının deprem etkisindeki davranışının incelenmesidir. Çalışma kapsamında Marmara Ereğlisi bölgesinde sahil şeridinden itibaren 4500 m açığa kadar devam eden 47.5 m su derinliğinde son bulan, deniz tabanına gömülü F 3000 mm çapında 110 mm et kalınlığında beton borunun farklı zemin özelliklerinde ve deprem etkisindeki davranışı Plaxis sonlu elemanlar programıyla analiz edilmiştir.
Deprem analizlerinde kullanılmak üzere 17.08.1999 tarihinde M=7.4 büyüklüğünde Kocaeli depreminde Tekirdağ Marmara Ereğlisi Kaymakamlık Binası’nda ölçülen ve maksimum ivme değeri 0.1g olan depreme ait ivme kaydı alınmıştır. Analizler sonucunda zeminde ve boruda oluşan maksimum deplasmanlar karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak yapılan çalışma ile küçük ve büyük deprem durumlarında yer değiştirmelerin oldukça farklılık gösterdiği ve büyütülmüş deprem kaydı ile deplasmanların arttığı gözlenmiştir.
Anahtar Kelimeler: Zemin, derin deniz deşarjı, ivme
BEHAVIOR OF MARINE DISCHARGE SYSTEMS UNDER DYNAMIC LOADS
ABSTRACT
In recent years serious damage is observed on the infrastructure and discharge pipelines after powerful earthquakes near settlement areas. As a result, research on the behavior of structures under seismic influence has
increased. First purpose of this study is to predict the displacement after the earthquakes especially design of the construction of the deep sea discharge in earthquake zones. In this research, the behavior of pre-stressed concrete pipe 4500 m long with a diameter of F 3000 mm and wall thickness of 110 mm, buried in the sea bottom at 47.5 m depth has been investigated in various ground characteristics and under earthquake influence. Within the scope of the study, different ground sections were analyzed with Plaxis Finite Elements program. In order to be used in earthquake analyzes, records in 17.08.1999 and M = 7.4 E-W in Tekirdağ Marmara Ereğlisi District Governor's Office were studied. As a result of the study, it is observed that dynamic load displacements are very different in small and big earthquake situations and displacements are increased by magnified earthquake record.
Keywords :Soil, sea discharge, acceleration.
1.GİRİŞ
Bu çalışmada Marmara Ereğlisi bölgesinde, arıtılmış atık suların Marmara’ya deşarjını sağlayacak derin deniz deşarjı borularının 4.5 km’lik deniz hattı kısmının deprem yükleri altındaki davranışı incelenmektedir. Son dönemlerde gömülü boru sistemlerinin deprem etkisi altındaki davranışları geçmiş depremlerdeki gözlemler, teknolojik ilerlemeler ve yapılan analizlerle daha anlaşılır hale gelmiştir. Zemin kesitlerindeki farklılıklar ve boru seçimi deprem sonucu oluşacak hasar üzerinde kritik rol oynamaktadır.
Bu bildiride deprem bölgesinde deniz kıyısından itibaren 4500 m uzunluğunda 47.5 m su derinliğinde deniz tabanına gömülü beton borunun farklı zemin özelliklerinde ve deprem etkisindeki davranışı incelenmiştir. Bir tanesi karada ve dört tanesi denizde olmak üzere açılmış 5 sondajdan elde edilmiş farklı zemin kesitinde Plaxis sonlu elemanlar yöntemi ile analizler yapılmıştır. Derin Deniz Deşarjı Hattının harita üzerindeki konumu Şekil 1’de görülmektedir.
Şekil 1. Derin Deniz Deşarjı Hattının Harita Üzerindeki Konumu.
Çalışmada kullanılan beton borular sahil çizgisine dik istikamette deniz tabanına açılan 4.75 m derinliğindeki hendek içerisine gömülecektir.
İncelenen deşarj hattı güzergahında açılmış sondajlara ait standart penetrasyon deney değerleri ve SPT numunelerinin endeks özelliklerine ait laboratuvar sonuçları Tablo 1’de gösterilmiştir.
2. YÖNTEM
Bu çalışmada deprem etkisinde, boru ve zeminde meydana gelen deplasmanları belirleyebilmek amacıyla Plaxis yazılımındaki HSsmall model kullanılarak analizler yapılmıştır. Bu bağlamda;
• Deniz tabanı zemin koşulları mekanik sondaj raporlarından elde edilen verilerle belirlenmiştir.
• Youd ve ark.; (2001) yaklaşımı ile kesitlerde sıvılaşma durumu incelenmiştir. K1, D1 ve D2 zemin profillerinde sıvılaşmanın olacağı D3 ve D4 kesitlerinin formasyonlarının yüksek plastisiteli kil olması nedeniyle bu zeminlerin sıvılaşmayacağı belirlenmiştir.
• Plaxis sonlu elemanlar programında kullanılmak üzere yataklamada kullanılan dolgu malzemesinin mühendislik özellikleri ve kullanılan beton borunun özellikleri tayin edilmiştir.
• Analizlerde kullanılacak deprem ivmesi belirlenmiş ve artırılmış deprem ivmesi ile analizler tekrar edilerek sonuçlar karşılaştırılmıştır.
2.1 Deniz Tabanı Zemin Koşulları
Marmara Ereğlisi bölgesinde, arıtılmış atık suların Marmara’ya deşarjını sağlayacak derin deniz deşarjı yapısının 4.5 km lik deniz hattı kısmında K1, D1, D2, D3 ve D4 sondaj kuyuları açılmıştır.
Yapılan sondaj çalışmaları ve laboratuvar deneyleri sonucuna baktığımızda K1 sondaj kesitinde ilk tabaka düşük plastisiteli kumlu kil (CL) (Tablo1), 2.
tabaka kum (SM)’dan oluşmaktadır. D1 sondaj kesitinde 1. Tabaka kötü derecelenmiş kum (SP), 2. Tabaka kum-kil karışımı (SC)’dır. D2 sondaj kesitinde 1. Tabaka killi kum (SC)(PI=19), 2. tabaka yüksek plastisiteli kil (CH)’den oluşmaktadır. D3 sondaj kesitinde 1. Ve 2. tabakalar düşük plastisiteli kil (CL)’den oluşmaktadır. D4 sondaj kesitinde 1. ve 2. tabakalar düşük plastisiteli kil (CL)’den oluşmaktadır. Genel litolojiye bakıldığında söz konusu deniz tabanında su seviyesi altında kalınlığı 3.0 – 4.0 m arasında değişen yapılaşma açısından gevşek yerleşimli kum tabakası bulunmaktadır.
Kıyıya yakın D1 sondajında ağırlıklı olarak kumlardan (SP-SC) oluşan istif aynı şekilde D2 sondajında da 4.50 m ye kadar izlenmiştir. Kıyıdan uzaklaştıkça D3 ve D4 sondajlarında ağırlıklı olarak istifin kil çökellerden oluştuğu görülmüştür (CL-CH).
Bu çalışmada SPT N30 değerleri sondaj raporundan alınarak hesaplamalar yapılmıştır. Fakat SPTN değerleri, deney esnasında kullanılan çekiç, tij boyu, tabaka üzerindeki düşey basınç, numune alıcı ve sondaj kuyusu çapı cinsinden etkilenmekte olup deney esnasında ölçülen değerlerin düzeltilmesi gerekmektedir. SPT N değerleri ile ilgili düzeltme katsayıları ve bağıntısı
Skempton, 1986 tarafından geliştirilerek Robertson ve Wride, 1998 tarafından listelenmiş ve son olarak da Youd ve Idriss, (2001) tarafından modifiye edilmiştir. (N1)60 değeri Denklem 1’de gösterildiği şekilde hesaplanmaktadır.
(N
1)
60= N
30´ C
N´ C
E´ C
B´ C
R´ C
S(1)
Tablo 1.Zemin Endeks ÖzellikleriSondaj
No Derinlik
(m) N30 Wn
(%) WL
(%) WP
(%) PI
(%) İDO
(%) ZEMİN SINIFI K1 5.50 -
6.00 34 15.78 NP NP NP 17 SM
D1
12.00 -
12.45 5 22.41 NP NP NP 5 SP
27.50 -
28.00 25 19.65 38.90 20.42 18.48 40 SC
D2
16.50 -
16.95 5 21.50 37.70 18.60 19,10 24 SC 23.00 -
23.50 20 25.90 51.20 22.80 28.40 90 CH D3 30.50 -
31.00 13 24.40 38.40 22.47 16.93 60 CL
D4
34.50 -
34.95 11 21.05 42.50 19.70 22.80 68 CL 43.50 -
43.95 29 22.64 44.20 20.86 23.24 56 CL
Plaxis programında kullanmak üzere zemin ve yapı parametrelerinin belirlenmesi gerekmektedir. Bu amaçla sondaj loglarından ve laboratuvar deneylerinden elde edilen sonuçlar kullanılarak düzeltilmiş ve düzeltilmemiş SPT-N değerleri her bir kesit için Şekil 2’de gösterilmiştir. D1 ve D2 sondajlarında SPT değerleri 5-15 arasında değişmekte olup gevşek yerleşimli kum gözlenmektedir. Aynı zamanda K1, D1, D2, D3 ve D4 sondaj loglarına ait zemin profilleri Şekil 3’de sıralanmıştır ve kum-kil tabakaları bu kesitlerde de görülmektedir.
3. ZEMİN YAPI ETKİLEŞİMİ
3.1 Plaxis Sonlu Elemanlar Metodu
Sonlu elemanlar yöntemi, geoteknikte yaygın olarak kullanılan ileri sayısal analiz yöntemidir. Depremler sırasında oluşan sismik dalgalar deprem odağından zemin yüzeyine doğru yayıldığında bu tür problemlerin analizinde düzlem gerilme modeli kullanılmaktadır. Sonlu eleman ağının oluşturulması sırasında hücreler üçgen elemanlara ayrılmış ve yazılımda varsayılan üçgen eleman 15-düğümlü üçgen eleman olarak alınmıştır. Yazılımda 6-düğümlü üçgen eleman tanımlı olmasına rağmen göçme yüklerinin hesaplanmasında
Şekil 2. K1,D1,D2 ve D3 kesitlerine ait SPT-N grafikleri ve zemin kesitleri.
Şekil 3. K1, D1, D2, D3, D4 sondaj loglarına ait zemin profilleri.
15-düğümlü elemanların yaklaşık %10 daha doğru çözüm yaptığı belirtildiğinden, 15 düğümlü eleman kullanılmıştır. Sınır koşulları olarak viskos sınır koşulları seçildiğinden sınırlardaki dalga emilimini iyileştirmek için C1 ve C2 katsayıları kullanılmaktadır. C1 katsayısı ile sınırda normal yöndeki dağılma düzeltilmekte, C2 katsayısı ile teğetsel yöndeki dağılma düzeltilmekte olup kayma dalgalarının etkidiği formda sınırlarda bulunan emilimin iyileştirilmesi sağlanmaktadır. Bu katsayıların standart değerleri C1=C2=1 olarak yazılımda otomatik olarak tanımlanmıştır. Çalışmada incelenen sondaj derinliği 30 m olup, sondaj logunda 20 m’den sonra görülen zeminler için tabaka bölme işlemi yapılmış ve son sondaj logundaki zemin parametreleri dikkate alınarak çözümleme yapılmıştır. 30 m ana kaya varlığı kabul edilip deprem kaydı bu derinlikte uygulanmıştır. Çalışmada kullanılan sonlu elemanlar ağı Şekil 4’de görülmektedir.
Şekil 4.Çalışmada Kullanılan Sonlu Elemanlar Ağı
3.2 Kullanılan Beton Boru ve Dolgu Malzemesi Parametreleri
Yapılan çalışmada, kullanılacak boru tipi olarak ön gerilmeli beton boru seçilmiştir. Günümüzde beton borular her türlü alt yapı sistemlerinde ve atık su kanallarında tercih edilmektedir. Hareketli ve sürekli yükler altında deforme olmadan kalabilmesi, tamir kolaylığı, sızdırmazlık göz önüne alındığında iyi sonuçlar vermesi, iç basınca karşı dayanıklı olması tercih sebepleri arasında yer almaktadır. Bakım onarım maliyeti ve işçilik maliyetinin yüksek olmasına karşın betonarme boruların deniz suyu ve deniz organizmalarına karşı direncinin yüksek olması, korozyona karşı dayanıklılığı
ve işletme ömrünü tamamlayabilmesi gibi özelliklerde tercih sebepleri arasında sıralanabilir. Daha önce yapılan uygulamalar ve açılan boru hendeği tecrübelerine dayanarak, borunun gömülmesi için açılacak hendek şevinin 1/3 (dikey/yatay) olması uygun görülmüştür.
Bu çalışmada hendek derinliği 4.75 m ve genişliği 4.50 metre olarak belirlenmiştir. Açılan hendek zemini 300 mm granüler malzemeyle iyileştirilmiş ve sonrasında 110 mm et kalınlığında F 3000 mm dış çapında beton boru zemine yerleştirilmiştir. Gömülü borunun üzerine deniz taban kotuna kadar stabilize dolgu malzemesi konulmuş ve üzeri kapatılmıştır.
Uygulamada kullanılan hendek kesiti Şekil 5’de görülmektedir.
Şekil 5. Hendek Kesiti
Plaxis sonlu elemanlar programında, analiz aşamasına geçmeden önce hendekte kullanılan dolgu malzemesinin parametreleri ve borunun mühendislik özellikleri bilinmelidir. Bu çalışmada kullanılan boruya ait mühendislik özellikleri Tablo 2’de; kullanılan dolgu malzemesi parametreleri ise Tablo 3’de yer almaktadır. Burada Nort, SPT N60 değerlerinin ortalaması, Vs, kayma dalgası hızı, RD, relatif sıkılık, gunsat, kuru birim hacim ağırlık, gsat
doygun birim hacim ağırlık, j, efektif kayma direnci açısı, y, genleşme açısı, c, kohezyon katsayı, E"#$%&, standart drenajlı üç eksenli deneydeki sekant rijitliği,
E'%($%& , birincil ödometre yüklemesi için tanjant rijitliği, E)$$%&, drenajlı üç eksenli
deneydeki boşaltma/yeniden yükleme değeri, m, güç katsayısı, nur, boşaltma/yeniden yükleme için poisson oranı, G0, çok küçük birim şekil değiştirmelerdeki referans kayma modülü, ⍺ ve b rayleigh sönüm katsayıları, g0,7, Gs=0,722G0 için eşik kayma birim şekil değiştirmedir.
Tablo 2. Kullanılan Borunun Mühendislik Özellikleri Boru Özellikleri Betonarme Boru
Boru Çapı (mm) 3000
E (kN/m2) 3 . 108 EA (kN/m) 5.47 . 106 EI (kNm2/m) 7.63 . 105
v 0.15
t (mm) 110
Tablo 3. Kullanılan Dolgu Malzemesi Parametreleri Dolgu Parametreleri Dolgu Malzemesi
Nort 10
Vs (m/sn) 300
RD (%) 50
(gunsat) 20
(gsat) 22
j (°) 40
y (°) 10
c (kPa) -
E"#$%& (kPa) 30000
E'%($%& (kPa) 30000
E)$$%& (kPa) 90000
m 0.5
nur 0.2
G0 (kPa) 45000
g0,7 0.00016
3.3 Çalışmada Kullanılan Deprem Kaydı
Plaxis sonlu elemanlar programında dinamik analiz yapabilmek için sistemde hesap çeşidi kısmında bu alan seçilerek çalışmaya devam edilir. Üzerinde çalışılmak istenen deprem datası seçilir ve sisteme tanıtılır. Bu çalışmada 17.08.1999 tarihinde meydana gelen Kocaeli depreminde Tekirdağ Marmara Ereğlisi Kaymakamlık Binası’nda ölçülen M=7.4 büyüklüğündeki depreme ait maksimum ivmesi 0.1g olan ivme kaydı alınarak beş ayrı zemin profilinin ve zeminlerdeki boruların bu dinamik etki altında nasıl davranış göstereceği incelenmiştir. Daha sonra deprem kaydı %300 arttırılarak analizler 0.3 g ivmeye göre tekrarlanmıştır. Zemin kesitlerinin tamamında aynı beton boru ve
parametreleri kullanılmış analizler buna göre yapılmıştır. Çalışmada kullanılan deprem kaydının ivme – zaman grafiği Şekil 6’da verilmiştir.
Şekil 6. Tekirdağ Marmara Ereğlisi Kaymakamlık Binası’nda ölçülen M=7.4 büyüklüğündeki deprem kaydı ivme-zaman grafiği.
4. Plaxis Programıyla Yapılan Analizlerin Karşılaştırılması
K1, D1, D2, D3 ve D4 zemin profillerinde Şekil 5’deki tip hendek kesitine F 3000 mm çapında 110 mm et kalınlığında beton boru yerleştirilmiştir. Her kesit için aynı beton boru parametreleri ve aynı dolgu malzemesi özellikleri kullanılarak analizler yapılmıştır. İlk olarak maksimum ivmesi 0.1 g olan 17 Ağustos Kocaeli Depreminde ölçülen deprem kaydı 25 sn boyunca zemin profillerine etki ettirilmiştir.
Yapılan analizlerin sonucunda sınır koşulları aynı kalmak şartıyla kullanılan deprem kaydı %300 artırılarak maksimum ivme 0.3 g olacak şekilde depremkaydı 25 sn süre ile aynı zemin profillerine etki ettirilerek analizler tekrarlanmıştır. Şekil 7’de maximum ivmesi 0.1 g olan deprem sonrası D2 kesitinde zeminde meydana gelen toplam yer değiştirme (U= 18.05cm), Şekil 8
‘de maximum ivmesi 0.3 g olan deprem sonrası D2 kesitinde zeminde meydana gelen toplam yer değiştirme (U= 30.37 cm) görülmektedir.
Yapılan analizler sonucunda her bir kesit için düşey yer değiştirmelerin oldukça küçük olduğu görülmektedir. İvme değeri %300 arttırıldıktan sonra yapılan analizlerde zeminde ve boruda oluşan yer değiştirmelerin arttığı gözlenmiştir. K1 zemin eksitinde 19.72 cm olarak hesaplanan toplam yer değiştirme değeri ivme kaydı büyütülen dinamik yükleme sonrasında 36.58
Şekil 7. Maximum ivmesi 0.1 g olan deprem sonrası D2 kesitinde zeminde meydana gelen toplam yer değiştirme (U= 18.05cm).
Şekil 8. Maximum ivmesi 0.3 g olan deprem sonrası D2 kesitinde zeminde meydana gelen toplam ye rdeğiştirme (U= 30.37 cm).
cm’lik yer değiştirme yapmıştır. Aynı kesitte 1.03 cm olarak hesaplanan boru deplasmanının ise 9.68 cm’e çıktığı görülmektedir. Yapılan analiz sonuçlarına göre yatay, düşey ve toplam yer değiştirmelere ait karşılaştırma değerleri Tablo 4’de karşılatırma grafiği ise Şekil 9’da görülmektedir.
Tablo 4. 0.1 g ve 0.3 g dinamik yüklemelerinden sonra zeminde ve boruda oluşan deplasmanların karşılaştırılması.
Zemin
Kesiti Zemin/Boru
Boru
Ux Uy U
Yatay Yer Değiştirme
(cm)
Düşey Yer Değiştirme (cm)
Toplam Yer Değiştirme
(cm) 0.1 g 0.3 g 0.1 g 0.3 g 0.1 g 0.3 g K1 Zemin 16.25 33.41 12.76 20.00 19.72 36.58
Boru 1.02 9.68 0.0019 0.0026 1.03 9.68 D1 Zemin 15.30 37.24 11.97 25.80 18.85 42.50
Boru 2.55 5.68 0.003 0.0012 2.56 5.80 D2 Zemin 15.48 28.77 11.53 19.19 18.05 30.37
Boru 1.04 7.81 0.0027 1.00 1.08 7.87 D3 Zemin 15.63 28.21 11.55 16.13 18.24 30.21
Boru 1.17 8.80 0.0011 0.0016 1.17 8.80 D4 Zemin 15.71 29.36 11.51 15.98 18.32 31.23
Boru 1.28 10.00 0.00033 0.0048 1.28 10.01
Şekil 9.0.1 g ve 0.3 g dinamik yüklemelerinden sonra zeminde ve boruda oluşan deplasmanlara ait karşılaştırma grafiği.
5. SONUÇ
Bu çalışmada arıtma tesislerinin önemli bir parçası olan deşarj borularının deprem yükleri altındaki davranışı incelenmiş ve yapılan analizler sonucu
oluşan deplasmanlar değerlendirilerek karşılaştırmalar yapılmıştır. Sonlu elemanlar analizi sonucunda dinamik yüklemelerin ardından farklı zemin kesitlerinde boruların farklı davranışlar sergilediği gözlenmiştir. Zayıf zeminlerde (K1-D1) dinamik yükleme sonucunda daha fazla deplasman oluştuğu belirlenmiş ve arttırılan deprem kaydı ivmesi ile yapılan analizlerde toplam yer değiştirmelerin arttığı gözlenmiştir. Dinamik yükleme sonucunda borularda meydana gelen yatay ve düşey yer değiştirmelerle, borularda meydana gelebilecek hasarlar hakkında fikirler edinilebilmektedir. Borularda meydana gelen yer değiştirmeler incelendiğinde en büyük yer değiştirmenin D1 kesitindeki boruda olduğu gözlenmiş ve 2.56 cm olarak bulunmuştur.
Büyütülmüş deprem kaydı uygulanan zemin profilleri incelendiğinde, deprem sonrası zeminde meydana gelen en büyük yer değiştirme D1 kesitinde ve 42.50 cm olarak hesaplanmıştır. Borularda meydana gelen en büyük deplasmanın ise D4 zemin kesitinde olduğu gözlenmiş ve 10.01 cm olarak bulunmuştur. Deprem ivmesi artıkça her zemin kesitinde hendek içine gömülü olan borularda oluşan deplasmanların arttığı gözlenmiştir. Plaxis sonlu elemanlar programıyla yapılan analizlerde hem zemin kesitlerinde hem de borularda oluşan düşey yer değiştirmelerin oldukça küçük olduğu görülmüştür. Deprem ivmesi büyüdükçe deplasmanlarda artış olmaktadır.
