TÜNELLERİN SİSMİK TASARIMINA GİRİŞ - Yapı Merkezi · 2019. 1. 7. · sağlayan sismik...

1

YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ İnşaat Mühendisliği Bölümü

TÜNEL DERSİ Ergin ARIOĞLU

YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

TÜNEL DERSİ

Bölüm 6’

TÜNELLERİN SİSMİK TASARIMINA GİRİŞ

Prof. Dr. Müh. Ergin ARIOĞLU

Yapı Merkezi AR&GE Bölümü

2015/İstanbul

2



AÇIKLAMA NOTU

Bilgi föyünün hazırlanmasında ülkemizde tünel mühendisliği konusunda büyük bilgi birikimi ve deneyimleri olan Yapı Merkezi

İnşaat A.Ş.’ nin arşivlerinden ve yayınlarından geniş ölçüde istifade edilmiştir.

Çalışmanın dijital ortamda hazırlanmasında büyük emeği geçen Yük.Müh. Fatma Sevil MALCIOĞLU, Dr. Müh. Burak GÖKÇE ve

Prof. Dr. Müh. Ali Osman YILMAZ’ a teşekkür edilir.

Bu çalışma kamusal yarar gözetilerek hazırlanmıştır.

Çalışmada kullanılan bilgi föyleri, sunu malzemesi vs. kaynak gösterilmek kaydıyla kullanılabilir.

Bilgi föyü kapsamında yapılan bütün çıkarımlar, değerlendirmeler ve görüşlerden Ergin ARIOĞLU sorumludur. Çalıştığı

kurumu bağlamaz.

“Bu ülkede, okumaya karşı istek artmadıkça,

gaflet ve bu gafletten doğacak felaket azalmaz” (Benjamin FRANKLIN)

Tünelle ilgili çeşitli konularda daha geniş bilgi almak isteyenler Yapı Merkezi web sitesi olan www.yapimerkezi.com.tr adresi,

“Ar – Ge Yayınları” bölümünden temin edebilirler.

3



DEPREM VE TEMEL GEOMETRİK BOYUTLARI Deprem

En genel tanımı ile yerin altında gevrek/masif kaya kütlelerinin yer hareketleri (sıkışma, açılma, bindirme) sonucunda

kırılarak biriktirdikleri "deformasyon enerjisi" ‘ nin , "sismik enerji" ‘ ye dönüşmesidir. Kırılma noktasına gelmesini

sağlayan sismik moment (Mo) diğer bir anlatımla bir fay kırığınıda depolanan enerjinin boyutu şu faktörlere bağlıdır:

• Fayın-yırtılan kırık- kayma alanı (Af) (Yüzeyde gözlenen kırık uzunluğu (L)xArtçı şokların ortalama derinliği), m2

• Ortalama yerdeğiştirme miktarı (D), m

• Fay alanı içinde yer alan kayanın kayma modülü, N/m2. Örneğin, yüzey kırıklarında bu değer, µ=3 x 1010 N/m2

alınabilir (Day, 2002).

Sismik Moment:

𝑴𝒐 = 𝝁 ∙ 𝑨𝒇 ∙ 𝑫, 𝑵 ∙ 𝒎

Kaynak: FHWA,2011’den değiştirilmiştir.

4




Kanamori, 1977 ve Hanks ve Kanomari, 1977, deprem büyüklüğü (Mw) için aşağıdaki beğıntıyı önermişlerdir:

𝑴𝒘 = −𝟔. 𝟎 + 𝟎. 𝟔𝟕𝒍𝒐𝒈 𝑴𝒐 = −𝟔. 𝟎 + 𝟎. 𝟔𝟕 ∙ 𝒍𝒐𝒈 𝝁 ∙ 𝑨𝒇 ∙ 𝑫 , 𝒃𝒐𝒚𝒖𝒕𝒔𝒖𝒛

Dünyada kaydedilen en büyük depremler,

• 1960 Şili Mw=9.5,

• 1964 Alaska, Mw=9.2’dir (Day, 2002).

Ülkemizde ise en büyük deprem, Kuzey Anadolu Fay sistemindeki 1938 Erzincan Mw≈Ms=7.8 depremdir. (Kuzey

Anadolu Fay (KAF) sisteminin en doğusunda aletsel dönemde gözlenen depremi olup, 40 bin can kaybı olduğu rapor

edilmektedir.)

5




Bayrak ve Yılmaztürk, 1999 (Türkiye ve civarında oluşan 310 deprem verisinin alındığı) çalışmasında sismik moment,

Mo ile yüzey dalga büyüklüğü, Ms arasında,

𝒍𝒐𝒈 𝑴𝒐 = 𝟏. 𝟑𝟑𝟑 ∙ 𝑴𝒔 + 𝟏𝟕. 𝟑𝟐, 𝑴𝒔 ≥ 𝟓

Regresyon ifadesini vermiştir. Örneğin, Ms=7.8 için,

𝒍𝒐𝒈 𝑴𝒐 = 𝟏. 𝟑𝟑𝟑 × 𝟕. 𝟖 + 𝟏𝟕. 𝟑𝟐,= 𝟐𝟕. 𝟕𝟏𝟕

𝑴𝒐 = 𝟓. 𝟐𝟏𝟕 × 𝟏𝟎𝟐𝟕 𝒅𝒚𝒏𝒆 ∙ 𝒄𝒎

Fayın yırtılması sırasında boşalan enerji, sismik enerjini büyüklüğü ise, McCarhy, 1998’e göre,

𝑬 = 𝟏𝟎𝟒.𝟖+𝟏.𝟓𝑴𝒔 , 𝑱𝒐𝒖𝒍𝒆

olmaktadır. Deprem büyüklüğündeki "bir" ‘lik artış boşalacak enerjiyi 31.5 kat arttırmaktadır (Arıoğlu, Ergin ve diğ.,

2000).

6



TÜNEL SİSMİK ANALİZİNDE İZLENECEK AŞAMALARA AİT GENEL BİR AKIŞ DİYAGRAMI

Kaynak: Arıoğlu, Ergin ve Yılmaz., 2006.

7



SİSMOLOJİYE GENEL BAKIŞ : ORTAMDA DALGA YAYILIMI

Sıkışma

Genişleme

P Dalgaları

S Dalgaları

Love Dalgaları

Dalga uzunluğu

Çift genlik

Rayleigh Dalgaları

Cis

im D

alg

ala

rı

Yü

ze

y D

alg

ala

rı

Deprem Dalgası Ö z e l l i k l e r i

Cis

im d

alga

ları

“P” Dalgaları

P dalgaları yayılma sırasında kayaları ileri-geri itip-çekerek dalgaların ilerleyiş yönüne paralel hareketler yaparlar. Tıpkı bir ucu sabit olan bir spiral yayı gerip de bıraktığımızdaki salınımı gibi hareket ederler. Yayılma hızları saniyede yaklaşık 8 km’dir. Deprem ölçüm merkezine en önce gelen bu dalgaların en önemli özelliklerinden birisi de her türlü ortamda -katı, sıvı ve gaz- ilerleyebilmeleridir

“S” Dalgaları

Deprem istasyonuna ikinci sırada ulaşan dalgalar olup, hızları saniyede yaklaşık 4.5 km kadardır. Gerek P gerekse S dalgaları-nın yayılma hızları geçtikleri jeolojik birimlerin özellikleri ile-katman kalınlığı, çatlak yapıları, porozite vb-yakından ilişkilidir.Bu dalgalar sadece katı ortamlarda ilerleyebilmekte ve cisimleri aşağıya-yukarıya ve sağa-sola doğru hareket ettir-mektedir. Dalgaların arasında en “tahripkar” olanıdır.

Yü

zey

dal

gala

rı Love Dalgaları

Yüzey dalgalarını en hızlısı olup, yeri sadece yatay düzlemde hareket ettirir .

Rayleigh dalgası

Bir göl veya denizin üzerinde yuvarlanan dalga salınımı gibi yer üzerinde hareket eder. Deprem sırasında hissedilen sallantıların çoğu, diğer dalgalardan çok daha büyük genlikli olan bu dalgalardan kaynaklanmaktadır.

Kaynak: Arıoğlu ve Yılmaz., 2006.

8




DEPREM DALGALARINA İLİŞKİN İFADELER

P Birincil-basınç-

dalgasının hızı 𝑽𝒑 =𝑲 +

𝟒𝟑𝝁

𝝆=

𝝀 + 𝟐𝝁

𝝆=

𝟏 − 𝝂 .𝑬

𝟏 + 𝝂 𝟏− 𝟐𝝂 𝝆

S İkincil- kayma-

dalgasının hızı 𝑽𝒔 =𝝁

𝝆=

𝑬

𝟐 𝟏+ 𝝂 𝝆

Lame değişmezi 𝝀 = 𝑲 −𝟐𝝁

𝟑=

𝝂𝑬

𝟏 + 𝝂 𝟏 − 𝟐𝝂

Bulk modülü -

Hacimsel modül- 𝑲 =

Gerilme değişimi

Hacimsel birim şekil değiştirme=

𝜟𝝈

𝜟𝑽 𝑽

Kayma modülü

𝝁 =𝑲𝒂𝒚𝒎𝒂 gerilmesi

𝑩𝒊𝒓𝒊𝒎 kayma şekil değiştirme=

𝝉

𝜸

Bazı kaynaklarda “ ” yerine “G” notasyonu kullanılmaktadır. Maksimum değeri – çok küçük birim kayma şekildeğiştirmede

𝛾 ≈ 10−6 − 10−5 :

𝝁𝒎𝒂𝒌 𝑮𝒎𝒂𝒌 = 𝝆. 𝑽𝒔𝟐

olarak ifade edilir.


9




P - Dalgaları S - Dalgaları Yüzey dalgaları

İvm

e

İvm

e

İvm

e

S - Dalgaları Yüzey dalgaları

Yüzey dalgaları

1. Episantır yakınındaki istasyon

2. Episantırdan uzak istasyon

Zaman

Zaman

Zaman 3. Episantırdan çok uzak istasyon

Episantıra yakın bölgede alınan kayıtta ilkin P, sonra S dalgaları ve daha sonra yüzey dalgaları

sıralanmaktadır. S dalgalarının frekansları daha düşük buna karşın genlikleri P dalgasına kıyasla daha

büyüktür. Bu yüzden ki S dalgaları çok daha tahripkardır. Ayrıca, etkime süresi daha uzundur.

Episantırdan uzak bir istasyonda alınan kayıtta ise P dalgası sönümlendi-ğinden ötürü gözlenmemektedir.

Özellikle S dalgalarının varlığı nedeniyle depremin “tahripkar” özelliği halen devam etmektedir. (Cisim

dalgalarının genlikleri odaktan itibaren artan R -odak uzaklığı- ile azalmaktadır.)

Episantırdan çok uzak bulunan bir istasyona sadece yüzey dalgaları ulaşmaktadır.

Deprem dalgalarının (ivme-

zaman) kayıt sisteminde geliş

süre ve genlikleri bazındaki

görünümleri Şekilde (Filratrault,

1998) şematik olarak

gösterilmiştir.

10



TÜRKİYENİN 1900-2003 DÖNEMİ DEPREMLER (Ms≥5) VE MEVCUT SİSMİK BOŞLUKLAR (*)

Türkiye ve yakın civarının sismotektonik yapısı (Deprem Araştırma Dairesinin haritası üzerine işlenmiş ilave

deprem büyüklükleri ve bazı fay sistemi ilaveleri ile birlikte) ve 20.yüzyılda kırılmadan kalmış mevcut sismik

boşluklar

* (Gediz ve B.Menderes hariç diğer tüm sismik boşluklar Demirtaş, Erkmen,2000 kaynağından alınmıştır)

Kaynak: Arıoğlu, Ersin, 2005.

1900-2003 DÖNEMİ DEPREMLER (Ms 5) VE MEVCUT SİSMİK BOŞLUKLAR (*)

EGE GRABEN SİSTEMİ

(EGS)

HELENİK KIBRIS YAYI

(HKY)

Adana-Kilikya havzasıRodos

havzası

Geyveboşluğu

Yedisu boşluğu

Argıthanı boşluğu

Aksu boşluğu

Antalya körfezi boşluğu

Zafer boşluğu

Andırın boşluğu

Türkoğluboşluğu

Marmaraboşluğu

Vanboşluğu

Hazar (Palu –Sincik)boşluğu

Yüksekovaboşluğu

Ardahanboşluğu

Çayırlı-Aşkaleboşluğu

Gökova körfezi boşluğu

Gediz boşluğu

B.Menderes boşluğu

25 Eylül 2003’de hazırlanmıştır.

ARABİSTANPLAKASI

AFRİKA PLAKASI

AVRASYA PLAKASI

11



6

Deprem Büyüklükleri :

Kaynak: Arıoğlu, Ersin, Sözen, Gülkan, 2005.

TÜRKİYE’NİN DEPREMSELLİĞİ (1903 – 2005)

12



20. YÜZYILDA KUZEY ANADOLU FAY SİSTEMİ (KAF)

Kaynak: Arıoğlu, Ersin, Sözen, Gülkan, 2005.

40

39

38

Düzce

27 29 31 33 35 37 39 41

1967(M = 7.2)

1957(M = 7.1)

1944(M = 7.2)

1943(M = 7.2)

1942(M = 7.0)

1939(M = 7.9)

1967(M = 7.2)

1957(M = 7.1)

1944(M = 7.2)

1943(M = 7.2)

1942(M = 7.0)

1939(M = 7.9)

1953(M = 7.4)

1964(M = 7.0)

1953(M = 7.4)

1964(M = 7.0)

1912(M = 7.3)(M = 7.3)

1999a(M = 7.4)

1999b(M = 7.2)

1999a(M = 7.4) 1951

(M = 6.9)1951

(M = 6.9)

1992(M = 6.8)

1992(M = 6.8)

19491949

1966(M = 6.9)

1966(M = 6.9)

Gölcük BoluHavza

Erzincan200 km

K A R A D E N İ Z

Bursa

MARMARA

Ankara

İstanbul

Kaynak: Barka ve Arkadaşları (2000) Erzincan.................. ~ 33.000 Can Kaybı Niksar – Erbaa......... ~ 3.000 Can Kaybı Ladik....................... ~ 3.000 Can Kaybı Bolu – Gerede......... ~ 4.000 Can Kaybı Kurşunlu................. ~ 60 Can Kaybı Bolu – Abant........... ~ 100 Can Kaybı Adapazarı-Akyazı.... ~ 100 Can Kaybı Kocaeli-Gölcük........~ 20.000 Can Kaybı Düzce..................... ~ 850 Can Kaybı

KAF 1999 Depremleri ile Kırılan faylar

.....

13



Ege Graben Sistemi (EGS)

• Faylanma türü: Normal (düşey)

• Deprem sayısı : 35 adet (Ms 5.5) • Odak derinliği : 4-70 km

• Maksimum magnitüd : 7.1 (Gediz, 1970)

- Can kaybı =1086, yıkık+ağır hasar= 9452

• Deprem başına can kaybı : 86 (ort.)

• Yaralı / can kaybı : 7 (6 deprem)

• Toplam yıkık+ağır hasar sayısı : 33473 ad. (32 deprem)

Kuzey Anadolu Fay Sistemi (KAF)

• Faylanma türü: Doğrultu atımlı (yatay)


• Maksimum magnitüd : 7.9 (Erzincan,1939)

- Can kaybı=32962, yıkık+ağır hasar=116720


• Yaralı / can kaybı : 3.2 (12 deprem)


Bitlis Bindirme Kuşağı (BBK)

• Faylanma türü: Ters fay (bindirme)


• Maksimum magnitüd : 6.9 (Lice, 1975)


Doğu Anadolu Fayı (DAF)

• Faylanma türü: Doğrultu atımlı (yatay)


• Maksimum magnitüd : 6.7 (Bingöl, 1971)



• Yaralı / can kaybı : 2.5 (4 deprem)


Kaynak: Arıoğlu, Ersin,2005.

TÜRKİYEDEKİ FAY ZONLARININ GENEL ÖZELLİKLERİ

14



KUVVETLİ YER SARSINTI KAYITLARI Temel Bilgi

Bir depremde, yapıların (tüneli köprü, bina,baraj, vs.) maruz kalacağı sismik yüklerin şidetinin belirlenmesinde ve

dalgaların yol açacağı yapısal hasarlarınn tanımlanmasında "kuvvetli yer sarsıntısı " kayıtlarından yararlanılır. Bunlar

yer ivme, hız ve yerdeğiştirme kayıtlarıdır. Şekilde sözkonusu yer sarsıntı parameterelerinin deprem süresi boyuna

değişimleri maksimum değerleriyle birlikte görülmektedir.


İvm

e (

g)

Hız

(m

/sn

)

Yerd

eğiş

tirm

e (m

)

Süre (sn)

Maksimum yer ivmesi = 0.528 g Maksimum yer hızı = 0.525 m/sn

Maksimum yer değştirmesi = 0.15 m

Süre (sn)

Süre (sn)

15




Yukarıdaki temel parametrelerin yanı sıra özellikle şev, portal şevi stabilite değerlendirmelerinde kullanılan diğer

büyüklükler şunlardır:

• Arias Şiddeti, IA

𝑰𝑨 =𝝅

𝟐𝒈 𝒂(𝒕) 𝟐𝒕𝒅𝟎

𝒅𝒕 , (𝑨𝒓𝒊𝒂𝒔, 𝟏𝟗𝟕𝟎)

• Yer hareketinin süresi, td

𝒕𝒅 ≅ 𝟕. 𝟓𝑰𝒐

𝒂𝒎𝒂𝒙𝟐

Burada,

g = yer çekimi ivmesi,

a(t)=ivme-süre kaydı,

td=yer hareketinin süresi,

amax=maksimum pik yatay yer ivme değeri (Kimi literatürde PGA (Peak Ground Acceleration) ile ifade edilir ).

𝑰𝒐 =𝟐𝒈

𝝅× 𝑰𝑨


16




• İvmenin Karesinin Ortalamasının Karekökü, RMSA

𝑹𝑴𝑺𝑨 =𝟏

𝒕𝒅 𝒂(𝒕) 𝟐𝒕𝒅𝟎

𝒅𝒕𝟎.𝟓

, (𝑯𝒐𝒖𝒔𝒏𝒆𝒓, 𝟏𝟗𝟕𝟓)

veya Arias Şiddeti, IA cinsinden,

𝑹𝑴𝑺𝑨 =𝟐𝒈 × 𝑰𝑨𝝅 × 𝒕𝒇

Arias Şiddeti [cm/s] veya [m/s] olarak ifade edilir. RMSA büyüklüğü ise yer ivme birimindedir yani [cm/s2]’dir.

• Eşik İvme Süresi, Db

Özellikle hasarlar açısından önemli bir parametre

olan süre, sismolojide çeşitli biçimlerde ifade

edilir. Örneğin, Bolt, 1973 tarafından önerilen eşik

ivme süresine- bracketed duration- göre (ivme-

zaman kaydında ±a =0.050 g eşik ivme değerinin

ilki ile sonu arasında kalan süre olarak

alınmaktadır. Süre (m)

İvm

e (

g)

+0.05g

-0.05g

17




Yukarıdaki şekilde ivme değeri, a=0.050 g değerine ilk olarak t=3.3 sn’de ulaşmıştır. Son olarak ise t=18.6 sn’de,

a=0.05g değeri kaydedilmiştir. Bolt, 1973’e göre eşik süre değeri,t aşağıdaki şekilde bulunur.

𝑫𝒃 = 𝟏𝟖. 𝟔 − 𝟑. 𝟑 = 𝟏𝟓. 𝟑 𝒔𝒏

Dikkat edilirse, Arias Şiddetinde kullanılan süre ise, td=40 sn’dir Bu süre hareketin başlangıcı ile sonu arasındaki

zaman aralığını tanımlamaktadır.).

• Bazı regresyon ifadeleri

İtalya’daki kuvvetli yer sarsıntılarının oluşturduğu veri tabanının alındığı bir çalışmada (Romeo, 2000),

𝑰𝑨 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟒 × 𝒂𝒎𝒂𝒙, 𝒄𝒎/𝒔𝒏

(10 cm/sn2 < amax < 350 cm/sn2)

𝑹𝑴𝑺𝑨 = 𝟎. 𝟒𝟑𝟓 × 𝒂𝒎𝒂𝒙𝟎.𝟕𝟕𝟓, 𝒄𝒎/𝒔𝒏 𝟐

(10 cm/sn2 < amax < 350 cm/sn2)

regresyon ifadeleri rapor edilmiştir.

18




Örneğin, amax=200 cm/sn2’lik bir maksimum yatay yer ivmesinin oluşturacağı Arias Şiddeti IA=30 cm/sn ve RMSA=30

cm/sn2 olarak eğriden kesitirlebilir.

Maksimum Yer İvmesi, amax (cm/sn2)

Ari

as Ş

idd

eti,

I A (c

m/s

n)

İvm

ele

rin

in K

are

sin

in O

rtal

amas

ının

Kar

ekö

kü, R

MSA

, (c

m/s

n2) 𝑹𝑴𝑺𝑨 = 𝟎. 𝟒𝟑𝟓 × 𝒂𝒎𝒂𝒙𝟎.𝟕𝟕𝟓

R=0.94

𝑰𝑨 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟒 × 𝒂𝒎𝒂𝒙𝟏.𝟔𝟔𝟖

R=0.91

19



BOORE, JOYNER VE FURNAL (1993, 1997) İVME AZALIM BAĞINTILARI

Kaynak: Arıoğlu ,Ergin ve diğ., 2001.

20





21




17 Ağustos 1999 Doğu Marmara depreminde ölçülen ivme değerlerinin Boore, Joyner, Furnal (1993) ivme

azalım bağıntı ve hata bantlarına göre, farklı zemin türleri için maksimum yer hızları-faya dik uzaklık

değişimleri aşağıda verilmektedir.

YUMUŞAK-GEVŞEK ZEMİN


KATI-SIKI ZEMİN

Not: Vs= Yüzetden itibaren 30 m kalınlıktaki katman içinde ortalama kayma hızı, m/s,

Grafiklerdeki kısaltmalar ivme kayıt istasyonlarını ifade etmektedir.

22



YATAY VE DÜŞEY YER İVMESİ ARASINDAKİ İLİŞKİ

17 Ağustos 1999 Doğu Marmara depreminde maksimum yatay ivmesi (ay) ile maksimum düşey yer ivmesi (ad)

arasındaki ilişki 3 km < faya dik uzaklık, D < 150 km için aşağıda verilmektedir. Ayrıca, Aydan1997 tarafından

türetilen bağıntı ile Arıoğlu ve diğ., 2001 bağıntısı karşılaştrılmıştır.


Not: 𝑎 = ivme değerlerinin aritmetik ortalaması, n= veri sayısı, r= regresyonun korelasyon katsayısı,


23



YATAY YER İVMESİNİN DEPREM ŞİDDETİ VE FAYA OLAN DİK UZAKLIK İLE DEĞİŞİMİ

17 Ağustos 1999 Doğu Marmara

depreminde maksimum yatay yer

ivmesi (ay) ile takdir edilen

değiştirilmiş Mercalli deprem

şiddeti, I arasındaki ilinti elde

edilmiştir.

Aynı şekilde, maksimum yatay yer

ivmesi (ay) ile faya dik uzaklık, D

arasında ilişki, kaya (Vs > 750

m/sn), Yumuşak zemin (180 m/sn

Vs < 360 m/sn) ve katı,sıkı zemin

(360 m/sn < Vs < 750 m/sn) için

verilmiştir.


Not: n= veri sayısı, r= regresyonun korelasyon katsayısı,


24



SİSMOLOJİK BÜYÜKLÜKLERİN TESPİTİ İÇİN SAYISAL ÖRNEK

Problemin Tanımı

Deprem üretme olasılığı taşıyan yüzey uzunluğu (L) 90 km olan doğrultu atımlı aktif faya dik uzaklığı (D) 25

km’de bulunan bir yörede tünel inşaatı yapılacaktır. Ön geoteknik araştırmalar sonucunda zeminde ölçülen

ortalama kayma dalga hızı (Vs) 200 m/sn olarak belirlenmiştir. Olası bir depreme ait sismolojik büyüklükleri

kesitiriniz.

Problemin Çözümü

• Depremin Büyüklüğü (Mw)

Aşağıda verilen Wells ve Coppersmith (1994) (Arıoğlu, Ergin, Yılmaz, 2000) bağıntısı kullanılarak, depremin

moment büyüklüğü elde edilebilir.

𝑴𝒘 = 𝟓. 𝟏𝟔 + 𝟏. 𝟏𝟐𝒍𝒐𝒈𝑳

L= fayın uzunluğu, km

L= 90 km için, moment büyüklüğü, Mw

𝑴𝒘 = 𝟓. 𝟏𝟔 + 𝟏. 𝟏𝟐𝒍𝒐𝒈 𝟗𝟎 = 𝟕. 𝟑𝟓 ≅ 𝟕. 𝟒

olarak elde edilir.


25



SİSMOLOJİK BÜYÜKLÜKLERİN TESPİTİ İÇİN SAYISAL ÖRNEK - devamı-


26




ad=198.5 cm/sn2

ay=230 cm/sn2


27




I=8.4

ay=230 cm/sn2


28



CİSİM (BASINÇ, KAYMA) VE YÜZEY (RAYLEIGH) DALGALARININ OLUŞTURDUĞU DEFORMASYONLAR VE EĞRİLİK

Dalganın İlerleme Yönü

Zeminin eksenel yerdeğiştirmesi

Zeminin enine yerdeğiştirmesi Deprem dalgası

Tünel ekseni

Tünel ekseniyle “ 𝜙 ” açısı yapan basit harmonik-sinüs-

dalganın zeminde oluşturduğu boyuna “ux” ve enine “uy”

yerdeğiştirmeler (L=Dalga boyu)

Tünelde boyuna ve eğilme birim kısalmasına

yol açan deprem dalgaları (P, S, R) (𝜙 açısı

deprem dalgalarının tünel ekseniyle yaptığı

açıdır).

R dalgaları

S dalgaları

Tünel ekseni

P dalgaları


29



Dalga Boyuna deformasyon Normal deformasyon Kayma

deformasyonu

Eğrilik

P dalgası-basınç-

2

p

pb cos

C

V

0 ,C

V

p

pbm

2

p

pn sin

C

V

90 ,C

V

p

plm

cossinC

V

p

p

45 ,C2

V

p

pm

2

2p

pcossin

C

a1

16'35 ,C

a385.0

1

2p

p

mak

S dalgası-kayma-

cossinC

V

s

sb

45 ,C2

V

s

sbm

cossinC

V

s

sn

45 ,cossinC2

V

s

snm

2

s

s cosC

V

0 ,C

V

s

sm

32s

s cosC

aK

0 ,C

aK

2s

sm

Rayleigh Dalgası

Basınç bileşeni

Kayma bileşeni

2

R

RPb cos

C

V

0 ,C

V

R

RPbm

2

R

RPn sin

C

V

90 ,C

V

R

RPnm

sinC

V

R

RSn

90 ,C

V

R

RSnm

cossinC

V

R

RP

45 ,C2

V

R

Pm

cosC

V

R

RS

0 ,C

V

R

RSm

22R

RP cossinC

aK

16'35 ,C

a385.0K

2R

RPm

22R

RS cosC

aK

0 ,C

aK

2R

RSm

Zemin/Kaya kütlesinin Poisson oranı “m” ve dinamik elastik modülü “Em” ve Kayma modülü “Gm”, P ve S dalgalarının yayılma

hızından (Cp; Cs) hesaplanabilir:

1)C/C(

2)C/C(

2

1

2sp

2sp

m

; s

m

mp C.

)1(

)1(2C

;

)1(

)21)(1(CE

m

mm2pm

ve 2sm CG . =Zemin/Kaya kütlesinin mass

yoğunluğu, ivmesiYerçekim

ağırlık hacim Birim , m indisi ile belirtilen büyüklükler maksimum değere karşı gelmektedir.

129

CİSİM (BASINÇ, KAYMA) VE YÜZEY (RAYLEIGH) DALGALARININ OLUŞTURDUĞU DEFORMASYONLAR VE EĞRİLİK


30



Fay Tipi Parametre Kırılma Uzunluğu,

L (km) Kırılma Alanı,

S (km2)

Maksimum Yerdeğiştirme, Umax (cm)

Normal Faylanma

A 0,0014525 0,003 0,0003

B 1,21 1,50 1,6

Doğrultu Atımlı Faylanma

A 0,0014525 0,001 0,00035

B 1,19 1,70 1,6

Ters Faylanma A 0,0014525 0,0032 0,0014

B 1,25 1,50 1,6

FAY KIRILMA UZUNLUĞU VE ALANININ DEPREM BÜYÜKLÜĞÜ İLE DEĞİŞİMİ

𝑳 = 𝑨 × 𝑴𝒘𝒆𝑴𝒘𝑩

𝑺 = 𝑨 × 𝑴𝒘𝒆𝑴𝒘𝑩

𝑼𝒎𝒂𝒙 = 𝑨 × 𝑴𝒘𝒆𝑴𝒘𝑩

Temel Bağıntı

Depremin moment büyüklüğü, Mw ile kırılma uzunluğu, L, kırılma alanı, S ve maksimum yerdeğiştirme, Umax

arasında fay tipine bağlı olarak ilişkiler Aydan, 2007 tarafından elde edilmiştir. Genel bağıntılar aşağıda verilmiş

olup, regreyon katsayıları (A ve B) aşağıdaki tabloda her bir fay tipi için verilmiştir.

Kaynak: Aydan., 2014’den değiştirilmiştir..

31



FAY KIRILMA UZUNLUĞU VE ALANININ DEPREM BÜYÜKLÜĞÜ İLE DEĞİŞİMİ -TERS FAY ÖRNEĞİ-


Fay

Kır

ılma

Uzu

nlu

k (L

), k

m

Fay

Kır

ılma

Ala

nı,

km

2

Deprem Büyüklüğü, Mw Deprem Büyüklüğü, Mw Sayısal Örnek:

Sismik bakımdan aktif bir bölgede yer alan ters fay özellikli kırığın olası uzunluğu 60 km olduğu bilinmektedir. Beklenen

moment büyüklüğü grafikten farklı üç yaklaşımın ortalaması moment büyüklüğünü 7.2 olarak tanımlamaktadır.

Ters Fay Ters Fay

𝑳 = 𝟎, 𝟎𝟎𝟏𝟒𝟓𝟐𝟓 × 𝑴𝒘𝒆𝑴𝒘𝟏.𝟐𝟓

𝑺 = 𝟎, 𝟎𝟎𝟑𝟐 × 𝑴𝒘𝒆𝑴𝒘𝟏.𝟓

L=60 km km

Mw=7.2

32



FAYIN KIRILMA SÜRESİ İLE DEPREM MOMENT BÜYÜKLÜĞÜ ARASINDAKİ AMPİRİK İLİŞKİ

Deprem Büyüklüğü, Mw

Fay

Kır

ılma

Süre

si (

Ts),

sn

𝑻𝒔 = 𝟎. 𝟎𝟎𝟏𝟏𝑴𝒘 × 𝒆𝒙𝒑 𝟏. 𝟏 × 𝑴𝒘

2011 Büyük Doğu Japonya

depremi ve gözlemsel

veriler kulanılarak, deprem

moment büyüklüğü ile fay

kırılma süresi arasında bir

ilişki olduğu görülmektedir.

Artan deprem büyüklüğü ile

fay kırılma süresi

artmaktadır.


33



am

ax –

ze

min

-g

Önerilen eğri

Kayıt ve

hesaplanan

değerlere göre kabul

edilen sınır zarfı

D - MOD adlı programla hesaplanmış ivme değerleri

Idriss 1991’e göre Loma Prieta depremine ait değişim aralığı

Kayıt alınmış körfez çamur sahaları Kayıt alınmış derin sık zeminler SHAKE 91 ile hesaplanmış ivme değerleri

a

amax – kaya-g

İvme büyütme özellikle kayada kaydedilen küçük ivme

değerlerinden çok şiddetli olmaktadır. 1989 Loma Prieta

depreminde temel kayada ölçülen 0.1 g, yumuşak zemin

koşullarında 0.32 g değerine kadar büyümüştür. İvme

büyütme oranı kabaca 0.32 g/0.1g 3 olmaktadır. Artan

maksimum yatay yer ivme-kayada- değerlerinde zemin

büyütme etkisini büyük ölçüde yitirmektedir. Bu sonuç

proje mühendisliği açısından yorumlandığında yırtılan

faydan çok uzakta bulunan bir zemin katmanında inşa

edilecek yapı/tünel/şevler “büyültme”den ötürü önemli

eylemsizlik kuvvetlerine maruz kalabilir. Bu koşulları

içeren projelerin dinamik analizleri büyük özenle

yapılmalıdır.

ZEMİNLERDE İVME BÜYÜTMESİ

NOT: Özellikle tünel portallarındaki kaya kütleleri zayıf dayanımlı /kırıklı ve ayrılmış durumdadır. Bu özellikleri ile, bu

gibi formasyonlar zemin gibi davranış gösterirler. Yukarıdaki abaktan hareketle, zemin için maksimum yatay yer ivmesi

kestirilebilir. Örneğin, zeminde amax = 0.2g olan durumda, kaya da yaklaşık 0.3g olmaktadır. Görüldüğü gibi bu gibi

formasynlarda ivme büyümüştür.

Kaynak: Arıoğlu, Ergin ve Yılmaz., 2006.

34



BOYUNA DALGA HIZININ, Vp, KAYA KÜTLE FAKTÖRÜ, Q İLE İLİNTİSİ

Temel Bağıntı

25 m tünel aks derinliğinde ölçülen ortalama Vp hızı ile normalize edilmiş kaya kütle faktörü Qc arasında,

𝑽𝒑 ≈ 𝟑. 𝟓 + 𝒍𝒐𝒈 𝑸𝒄

regresyonu vardır. Normalize edilmiş kaya kütle faktörü Qc ise ,kaya kütle faktörü, Q cinsinden,

𝑸𝒄 =𝑸 ∙ 𝝈𝒃,𝒍𝒂𝒃

𝟏𝟎𝟎

İle tanımlanmaktadır (Barton, 2002). Burada, 𝝈𝒃,𝒍𝒂𝒃 [MPa], sağlam numunenin tek eksenli basınç dayanımını

ifade etmektedir. Böylece, kaya kütle faktörü, Q ve sağlam numunenin tek eksenli basınç dayanımı 𝝈𝒃,𝒍𝒂𝒃 bilindiği

takdirde, P dalgası hızı aşağıdaki ekilde bulunabilmektedir.

𝑽𝒑 ≈ 𝟑𝟓𝟎𝟎 + 𝟏𝟎𝟎𝟎𝒍𝒐𝒈𝑸 ∙ 𝝈𝒃,𝒍𝒂𝒃

𝟏𝟎𝟎, 𝒎/𝒔𝒏

Kayma, Vs ve Rayleigh, VR Hızları

𝑽𝒔 ≈ 𝟎. 𝟓𝟕𝟕𝑽𝒑 ≈ 𝟐𝟎𝟐𝟏 + 𝟓𝟕𝟕𝑸 ∙ 𝝈𝒃,𝒍𝒂𝒃

𝟏𝟎𝟎, 𝒎/𝒔𝒏

𝑽𝑹 ≈ 𝟎. 𝟗𝟐𝑽𝒔 (Tshering, 2011)

Kaynak: Yapı Merkezi ARGE Bölümü, 2015.

35



BOYUNA DALGA HIZININ, Vp, KAYA KÜTLE FAKTÖRÜ, Q İLE İLİNTİSİ

Sayısal Örnek

Kaya kütle kalitesi, Q faktörü = 0.1

Sağlam numunenin tek eksenli basınç dayanımı 𝝈𝒃,𝒍𝒂𝒃=5 MPa (Zayıf Kaya Kütlesi)

Yaklaşık 25 m tünel derinliğinde boyuna ve kayma Vp ve Vs hız değerleri sırasıyla

𝑽𝒑 ≈ 𝟑𝟓𝟎𝟎 + 𝟏𝟎𝟎𝟎𝒍𝒐𝒈𝟎. 𝟏 ∙ 𝟓

𝟏𝟎𝟎≈ 𝟏𝟐𝟎𝟎 𝒎/𝒔𝒏

𝑽𝒔 ≈ 𝟎. 𝟓𝟕𝟕𝑽𝒑 = 𝟎. 𝟓𝟕𝟕 × 𝟏𝟐𝟎𝟎 = 𝟔𝟗𝟐 𝒎/𝒔𝒏

olarak kestirilir. Kayma hızının dalga boyu ise,

𝝀 =𝑽𝒔𝒇

genel bağıntısından hareketle istenen frekans, f değeri için belirlenebilir. Örneğin, f= 10 Hz için kayma hızının

dalga boyu, aşağıdaki şekilde hesaplanabilir.

𝝀 =𝟔𝟗𝟐

𝟏𝟎≈ 𝟔𝟗 𝒎

Hatırlatılmalıdır ki, boyuna/kayma dalga hızları, artan tünel aks derinliği ile artmaktadır. Vp=f(Q) değişimi derinlik

ve kaya kütlesinin porozite değeriyle değişimi, takip eden sayfadaki Barton (2002) abağında görülmektedir. Bu

abak yardımıyla verilen derinlik, porozite ve Qc (Q) değerleri için boyuna basınç dalga hızı kestirilebilir.


36



KAYA KÜTLESİNİN Q FAKTÖRÜNDEN P SİSMİK HIZINI/SU GEÇİRGENLİĞİNİN KESTİRİMİ

Not: 1Lugeon = 10 -7 m/sn, Q=Q kaya kütle sınıflandırma sisteminde faktör

Qc=Normalize edilmiş Q faktörü, σci=sağlam numunenin tek eksenli basınç dayanımı, MPa

𝑸𝒄 = 𝑸 ×𝝈𝒄𝒊𝟏𝟎𝟎

1 Lugeon, 1 MPa (10 bar)’lık basınç

altındaki 1 metrelik sondaj logunun,

dakikada litre cinsinden su kaybı olarak

tanımlanmaktadır. Sol’da verilen abak,

Lugeon değeri, normalize Q faktör (Qc)

ve sismik P dalgası hızı arasındaki

ilişkiyi vermektedir. Bu ilişkinin

tanımlanmasında iki farklı düzeltme

yapılması gerekebilir.

• Derinlik Düzeltmesi

Bilindiği gibi, geçirgenlik, K, artan

derinlikle azalmaktadır. Böylece, Lugeon

değerlerinin tünel üzerindeki örtü

tabakasının kalınlığına bağlı olarak

düzeltilmesi gerekmektedir.

• Porozite düzeltmesi

• Kaya kütlesinin porositesi %1’den büyük

ise, Lugeon değerine ve normalize Q

faktörüne porosite düzeltmesi

uygulanması gerekir.

Kaynak: Barton, 2002 ve Yapı Merkezi ARGE Bölümü, 2015.

Qc

Vp

37



SİSMİK YÜKLEMEDE TEMEL KAYA BASINCININ HESAPLANMASI

Genel

Barton, 1984’e göre deprem sırasında, Q faktörü içinde yer alan SRF (Gerilme Azaltım Faktörü)

değişmektedir. Sismik yüklemede sözkonusu faktör,

𝑺𝑹𝑭 𝒔 ≈ 𝟐 × 𝑺𝑹𝑭

olmaktadır. Bu kabul temel alındığında sismik yüklemede kaya kütle faktörü,

𝑸 𝒔𝒊𝒔𝒎𝒊𝒌 ≈ 𝟎. 𝟓 × 𝑸

olmaktadır. Yukarıdaki bağıntıda, statik durumda kaya kütle faktörü Q ile ifade edilmiştir.


38




Hatırlanacağı üzere uzun süreli tünel projelerinde Q faktörüne bağlı olarak düşey kaya basıncı –

statik yükleme-

𝑷𝒅 =𝟐𝟎

𝑱𝒓𝑸 −𝟎.𝟑𝟑𝟑, 𝒕/𝒎𝟐

bağıntısı ile belirlenebilir ve sismik yükleme durumunda ise düşey kaya basıncı,

𝑷𝒔𝒊𝒔𝒎𝒊𝒌 =𝟐𝟎

𝑱𝒓𝟎. 𝟓 × 𝑸

−𝟎.𝟑𝟑𝟑= 𝟏. 𝟐𝟓 ×

𝟐𝟎

𝑱𝒓𝑸 −𝟎.𝟑𝟑𝟑

𝑷𝒅

≈ 𝟏. 𝟐𝟓 × 𝑷𝒅, 𝒕

𝒎𝟐

olmaktadır. Dikkat edilirse, dinamik yükleme durumunda, tünel kaya basıncı %25 artmaktadır.

Yukarıdaki bağıntılarda geçen, Jr, Q sisteminde çatlak pürüzlülük durumunu ifade eden faktördür.


39




Daha güncel kaynakta (Bhasin ve Grimsad, 1996), Q< 4 için düşey kayma basıncı,

𝑷𝒅 =𝟒𝑩

𝑱𝒓𝑸 −𝟎.𝟑𝟑𝟑, 𝒕/𝒎𝟐

Burada B, metre cinsinden tünel kazı açıklığını ifade eder.

Sismik yükleme durumunda ise, düşey yükleme basıncı,

𝑷𝒔𝒊𝒔𝒎𝒊𝒌 ≈ 𝟏. 𝟐𝟓 × 𝑷𝒅 ≈𝟓𝑩

𝑱𝒓𝑸 −𝟎.𝟑𝟑𝟑,

𝒕

𝒎𝟐

olarak belirtilebilir.

Sayısal Örnek

B=8 m, Q=1 ve Jr=1 –çatlak prürüzlülük faktörü düzgün/düzlemsel durum için, sismik yükleme durumunda, düşey

yükleme basıncı aşağıdaki şekilde elde edilebilir.

𝑷𝒔𝒊𝒔𝒎𝒊𝒌 ≈𝟓 × 𝟖

𝟏1 −𝟎.𝟑𝟑𝟑 = 𝟒𝟎

𝒕

𝒎𝟐

Dikkat edilirse Bhasin ve Grimsad, 1996’ın ampirik düşey kaya basıncı ifadesinde, "tünel kazı açıklığı" yer

almaktadır. Bu açıdan orjinal Q sisteminde tanımlanan düşey basınç değernde çok farklıdır. Ders notunun mualifi

de zayıf dayanımlı kaya kütlelerinde tünel kazı açıklığının, düşey iksa basıncını olumsuz etkilediğini savunur.


40



ZEMİN/KAYA KÜTLESİ – TÜNEL İKSA ETKİLEŞİMİ

Esneklik – Flexibility- Oranı

• Deformasyon yapabilme yeteniği bakımından zemin/kaya kütlesi ile tünel iksa sistemi arasında önemli

farklılıklar vardır. Eğer rijit bir iksa sistemi (örneğin; betonarme kaplama) sözkonusu ise sismik yüklemeden

kaynaklanan deformasyonlara karşı direnç gösterir. Esnek bir iksa sistemi durumunda ise iksa

deformasyonlara uyum göstermek ister. Dairesel kesitli bir tünel için, sismik analizde kullanılan esneklik

oranı ,

𝑭 =𝑬𝒎 𝟏 − 𝝂𝒊

𝟐 𝑹𝟑

𝟔𝑬𝒊𝑰𝒊 𝟏 + 𝝂𝒌

Poisson oranı iksa ve kaya kütlesi için νi ≅ νk = 0.25 alındığında, yukarıdaki ifade aşağıdaki şekilde

yazılabilir.

𝑭 = 𝟎. 𝟏𝟐𝟓 ×𝑬𝒎𝑹

𝟑

𝑬𝒊𝑰𝒊

Burada,

Em=Kaya kütlesinin elastik modülü, MPa

Ec=Beton/püskürtme beton kaplamasının 28 günlük elastik modülü, MPa,

i=Beton püsürtme betonkaplamasının 1 m uzunluğu için atalet momenti (m4/m),

R=Tünel yarıçapı, m

41





• Fang, 1993 dikdörtgen bir tünel kesiti için esneklik oranı F’yi aşağıdaki şekilde tanımlar.

𝑭 =𝑮𝒎 × 𝑾

𝑺 × 𝑯

Burada,

Gm=Kaya kütlesi/zeminin kayma modülü,

W=Tünel açıklığı,

H=Tünel yüksekliği,

S=Yatay yönde birim öteleme için gerekli kuvvet,

Esneklik oranı, F’e göre tünel kaplama esneklşiği aşağıdaki şekilde sınıflandırılabilir (Pitilakis ve Tsisnidis, 2014),

F Değeri Tanımlama

F →0 Tünel kaplaması rijittir ve herhangi bir deformasyon göstermez.

F < 1 Tünel kaplaması ortamdan daha "sıkı" dır.

F=1 Tünel iksası ile ortam (zemin/kaya kütlesi durumunda) arasında, "sıkılık" (stiffness) aynı ölçüde paylaşılmaktadır. Tünel iksa sistemi, sismik kökenli deformasyonlarla uy umludur.

F>1 Yanal ötelemenin düzeyi büyüktür.

42





• Serfm ve Pereira, 1983, kaya kütlesinin elastik modülünü, RMR ≤ 50 için,

𝑬𝒎 = 𝟏𝟎𝑹𝑴𝑹−𝟏𝟎

𝟒𝟎 , 𝑮𝑷𝒂

(1 GPa = 1000 MPa)

ifadesiyle vermektedir. Beton/yaş yöntemle yerleştirilen püskürtme betonun elastik modülü, Eb

𝑬𝒃 = 𝟖𝟒𝟖𝟎𝜶𝜷𝒇𝒃𝟎.𝟑𝟑𝟑, 𝑴𝑷𝒂 (10 MPa < fb < 115 MPa için)

şeklinde ifade edilir.

Burada,

fb=betonun silindir dayanımı, MPa,

𝜶𝜷=Agrega faktörü,

𝜶𝜷 = 𝟎. 𝟏𝟒𝟖𝟓 𝑬𝒂𝟎.𝟓 (10 GPa < Ea < 115 GPa için)

(Gabierrez ve Granovas, 1995)

43





Ea= Agrega elestik modülü,

𝑬𝒂 = 𝟎. 𝟒𝟏 𝝈𝒃,𝒂𝟎.𝟗𝟑

, 𝑮𝑷𝒂 (15 MPa < 𝝈𝒃,𝒂 < 400 MPa için)

(Arıoğlu, Ergin, 1995)

(𝝈𝒃,𝒂=Agreganın basınç dayanımı, MPa)

Yukarıdaki bağıntılar yardımıyla, kaya kütlesinin ve betonun elastik modülü kestirilebilmektedir. Verilen

kaplama kesitinin atalet momenti, i için, esneklik oranı, F proje koşulları için tanımlanabilir.

44



KAYA KÜTLE KALİTESİNE GÖRE İKSA SEÇİMİ 1- Tahkimatsız

2- Nokta saplama, sb

3- Sistematik saplama, B

4- Sistematik saplama

(Güçlendirilmemiş püskürtme beton,

4-10 cm B(+S)

5- Lifle güçlendirilmiş püskürtme

beton (5-9 cm) ve saplama, Sfr+B


beton (9-12 cm) ve saplama, Sfr+E


beton (12-15 cm) ve saplama, Sfr+E


beton (>15 cm) saplama ve çelik

çubuklarla güçlendirilmiş, Sfr, RRS+B

9- Yerinde beton kaplama, CCA

Not: Sismik yükleme durumunda ise,

Q ekseninden 1.25x Q alınmak

suretiyle uzun süreli iksa tasarımı

yapılabilir.

Saplam

a Uzu

nlu

ğu, ESR

=1

Açı

klık

yad

a Yü

kse

klik

, m

ESR

Kazı Çeşidi ESR Tavsiye edilen ESR A Geçici kazı açıklığı ca.2-5 ca. 2 - 5

B Kalıcı kazı açıklıkları,hidrogüç için su tünelleri(yüksek basınçlı borular hariç), servis tünelleri, geniş kazılar için galeriler.

1.6 1.6 - 2.0

C Yeraltı atık boşuları, su dağıtım şebekeleri, tali yollar ve demiryolu tünelleri, denge odası, ulaşım tüneli. 1.3 0.9-1.1 (depo boşlukları 1.2-1.3) D Enerji santralleri, anayollar ve demiryolu tünelleri, sivil savunma odaları, portal geçişleri 1.0 Anayollar-demiryolu tünelleri 0.5 to 0.8 E Yeraltı nükleer güç santralleri, demiryolu istasyonları, kamu ve spor tesisleri,fabrikalar. 0.8 0.5-0.8 1993 yılında yayınlanan ESR tablosu, 1970 ve 1980’lerde düzeltildi. Fakat, dünya çapında ve Norveçte güvenlik istemi artmaktadır. Özellikle de, 1970’lerde küçük kayaparçalarının düşmesinin kabul edildiği tali yol tünellerini kapsayan ulaşım tünnelerinin daha güvenli olması beklenmektedir ve bugünlerde, artık herhangi bir kaya parçasının düşüşüne izin verilmemektedir ve ESR = 1 olarak kabul edilmektedir. Yeraltı atık boşluklarından daha önemli olan ve pahalı ekipmanları içeren su dağıtım şebekeleri için ise ESR = 0.9-1.1 alınması tavsiye edilmektedir. Anayolar ve demiryolları için, ESR = 0.5-0.8 kabul edilmektedir.

Kaya Kütlesi Kalitesi Faktörü, Q

Kaynak: NFF, 2014’den değiştirilmiştir.

45



PORTAL ŞEV/DENGE ŞEVLERİNİN STABİLİTESİNİN NEWMARK KALICI YERDEĞİŞTİRMESİ İLE KESTİRİLMESİ Genel

Sismik yüklemeye maruz kalan bir şev,

𝑭 =𝑾

𝒈× 𝒂𝒎𝒂𝒙 = 𝒌𝒚 × 𝑾

ile tanımlanan yatay itkiye maruz kalır. Burada, W kayma

dairesinin ağırlığını ifade eder. amax ise kuvvetli yer

sarsıntısının oluşturduğu yatay yer ivmesi büyüklüğüdür. g

is yerçekimi ivmesini göstermektedir. ky ise sismik katsayı

olarak tanımlanır.

𝒌𝒚 =𝒂𝒎𝒂𝒙𝒈

, (𝒃𝒐𝒚𝒖𝒕𝒔𝒖𝒛)

Genellikle sismik yüklemem altında şevin stabilite analizi

psedo-statik yöntemle yapılır. Şevin kalıcı yerdeğiştirme

miktarı ise Newmark, 1965 tarafından geliştirilen blok

analizi yöntemi ile bulunur. Bu yöntem ile psedo-statik

çözümlemede güvenlik katsayısının FS=1 olma durumuna

karşı gelen kritik ivme ac’nin ve kalıcı yerdeğiştirme,D

belirlenir. Aşağıdaki şekilde bu prensip açıklanmıştır.

İvm

e (

g)

Hız

(cm

/sn

) Ye

rdeğ

işti

rme

(cm

)

Süre (sn)

Kaynak: Jibson, 2007.

46



PORTAL ŞEV/DENGE ŞEVLERİNİN STABİLİTESİNİN NEWMARK KALICI YERDEĞİŞTİRMESİ İLE KESTİRİLMESİ

Genel

(ac büyüklüğü kimi literatürde akma (yield) yatay yer ivmesi olarak kullanılır).En basit şekliyle ac,

𝒂𝒄 = 𝑭𝑺 − 𝟏 ∙ 𝒈 ∙ 𝒔𝒊𝒏𝜶

ile verilir.

Burada,

FS=statik yükleme koşulları altında şevin kaymaya karşı güvenlik katsayısı,

g=yerçekimi ivmesi (g=9.81 m/sn2, 981 cm/sn2),

α=Şevin eğimi,

Örneğin, FS=1.5 ve α=45⁰ olsun. BU udurmda sismik yükleme için kritik ivme büyüklüğü ,

𝒂𝒄 = 𝟏. 𝟓 − 𝟏 ∙ 𝒈 ∙ 𝒔𝒊𝒏𝟒𝟓 = 𝟎. 𝟓 × 𝟎. 𝟕𝟎𝟕 × 𝒈 = 𝟎. 𝟑𝟓𝒈

bulunur.


47



PORTAL ŞEV/DENGE ŞEVLERİNİN STABİLİTESİNİN NEWMARK KALICI YERDEĞİŞTİRMESİ İLE KESTİRİLMESİ Genel

• Geoteknik literatürde Newmark Kalıcı yerdeğiştirme beğıntıları,

o Ambrasseys ve Menu, 1988,

𝒍𝒐𝒈 𝑫𝑵 = 𝟎. 𝟗𝟎 + 𝒍𝒐𝒈 𝟏 −𝒂𝒄

𝒂𝒎𝒂𝒙

𝟐.𝟓𝟑𝒂𝒄

𝒂𝒎𝒂𝒙

−𝟏.𝟎𝟗

∓ 𝟎. 𝟑𝟎, 𝒄𝒎

(6.6 < Ms < 7.2)

amax= Analiz edilen şev bölgesindeki maksimum yatay yer ivme değeri,

o Jibson, 2007,

𝒍𝒐𝒈 𝑫𝑵 = −𝟐. 𝟕𝟏𝟎 + 𝒍𝒐𝒈 𝟏 −𝒂𝒄

𝒂𝒎𝒂𝒙

𝟐.𝟑𝟑𝟓𝒂𝒄

𝒂𝒎𝒂𝒙

−𝟏.𝟒𝟕𝟖

+ 𝟎. 𝟒𝟐𝟒𝑴𝒘 ∓ 𝟎. 𝟒𝟓𝟒, 𝒄𝒎

(5.3 < Ms < 7.6)

Mw= Moment büyüklüğü


48



Genel

Newmark yerdeğiştirmesi ile kritik yatay yer ivmesinin, en büyük yatay yer ivmesine oranı arasındaki ilişkiyi,

Mw < 6.0, 6.0 < Mw < 7.0 ve Mw >7.0 için incelenmiştir.

Genellikle, kaya kütlelerinin oluşturduğu şevlerde izin verilebilir kalıcı yerdeğiştirme miktarı 5 cm alınabilir.

Aynı şekil kullanılarak verilen yerdeğiştirme "DN "ve maksimum yatay yer ivme " amax " değerleri için kritik

ivme büyüklüğü " ac " belirlenebilir ve şevin geometrik boyutları (şev açısı, yüksekliği) tahkik edilebilir.

PORTAL ŞEV/DENGE ŞEVLERİNİN STABİLİTESİNİN NEWMARK KALICI YERDEĞİŞTİRMESİ İLE KESTİRİLMESİ


49



EKSE

NEL

SIK

IŞM

A V

E A

ÇIL

MA

(x)

Tunnel Axis

Dal

ga İl

erl

em

e Y

ön

ü

BO

YU

NA

EĞ

İLM

E O

VA

LLEŞ

ME

/ Ö

TELE

NM

E Ovalleşme ve Ötelenme (Racking),

• Kayma dalgası tünel eksenine normal yada normale yakın şekilde yayıldığında, tünel kesiti dairesel tünellerde ovalleşme şeklinde, dikdörtgen kesitli tünellerde ötelenme (racking) şeklinde bir şekil değiştirme durumu meydana gelmektedir.

(Comp.) (Tension) (Comp.)

(Tension) (Tension) (Comp.) Tunnel

SİSMİK ETKİ NEDENİYLE TÜNELLERDE MEYDANA GELMESİ MUHTEMEL HASARLAR

Tünellerde eksenel şekil değiştirme Tünel/galeri eksenine paralel doğrultudaki dalga yayılımlarının yol açtığı şekildeğiştirmelerdir. Bunlar kaya kütlesinin kısalmasına (basınç), uzamasına (çekme) neden olur. Kaya kütlesinin özellikle çekme gerilmesi altındaki dayanımının çok düşük olduğu dikkate alınırsa, sarsıntı tünel cidarında kaya parçalarının (kavlaklar) dökülmesine yol açarlar. Şiddetli ve uzun süren sarsıntı durumunda cidarlardaki süreksizliklerin -çekme gerilmesi altında- açılmaları beklenmelidir.

Tünel ekseninin kıvrımlanması Tünel/galeri eksenine paralel ilerleyen dalgaların tünel eksenini kıvrımlanmaya zorlamasıdır. Şekilden görüleceği üzere negatif kıvrımlanmaya maruz kalan bölgede tünelin üst kısmı çekme gerilmesine çalışırken alt kısmı basınç gerilmesine maruzdur. Özellikle çekme gerilmesine maruz zonlarda kırılmalar-yenilmeler- gözlenir. Basınç gerilmesine maruz kalan zonlarda ise aşırı ölçüde basınç gerilmesi yoğunluğu sözkonusudur. Gerilme yoğunluğu düzeyine ve çatlaklılık parametrelerine bağlı olarak kaya kütlelerinde ve tahkimat sistemlerinde yenilmeler beklenmelidir.

Kaynak: Arıoğlu, Ergin ve Yılmaz., 2006’dan değiştirilmiştir..

50



Tipik tünel göçük mekanizmaları

Kemerin

yenilmesi

Arazi koşulları

Büyük ölçüde üniform formasyon örneğin kabaran çamurtaşı

(1)

Üniform

lulu

k

Aşırı süreksizlik düzlemleri olan ortam

Dayanı mı düşük - ayrışmış kaya kütleleri (fay breşleri, aşırı kırılmış zonlar )

(4)

Aşır

ı ayrı

şm

ış

kaya

kütlesi veya

kır

ılm

ış z

on

60 º kayma yenilmesi

Göçük zonu Yenilme zonu

Su geliri

Çok önemli Önemli Çok önemli değil Not

Üst Payanda Payanda

Göçük zonu

Göçük

Göçük

Basamak

tabanı

Üst

Kil içeren süreksizlik

(3)

Süre

ksiz

lik

Çamurtaşı katmanı

Ana kaya

özellikleri

Çatlak

Su geliri

Çatlak

Çatlak

Su geliri

Çatlak

Su geliri

Su geliri

Ana kaya

özellikleri

Ana kaya

özellikleri

Ana kaya

özellikleri

Basamak

tabanı

Basamak

tabanı

KLASİK MADENCİLİK (NATM) YÖNTEMİ İLE AÇILAN TÜNELLERDE OLASI GÖÇÜK MEKANİZMALARI VE OLUŞUM NEDENLERİ

Yeni Avusturya Yöntemi-NATM- ile açılan

tünellerde göçük türlerine ait kimi örnekler

çizelgede (JSCE, 2001) görülmektedir.

Limit denge konumunun çok yakınında

bulunan bu durumlar “kalıcı iksa”nın

yapılmadığı aşamada meydana gelen yakın

kaynaklı depremlerde potansiyel duraysızlık

zonlarıdır. Diğer kelimelerle bu tür zonlarda

geçici iksaların sismik yükleme altında içsel

dengelerinin yitirme olasılığı çok yüksektir.

Not: Statik yükleme durumunda stabilite

koşulları bakımından kritik olan tünel

kesimlerinde , herhangi bir kuvvetli sismik

yüklemede kolaylıkla yenilme davranışına

geçebilirler Bolu kara tüneli, bunun tipik bir

örneğidir.

Kaynak: Arıoğlu ve Yılmaz., 2006’da JSCE,2001.

51



MAKSİMUM YATAY DEPREM İVMESİ VE TÜNEL KAPLAMA TÜRÜNE GÖRE TÜNELLERDE DEPREM HASAR DURUM DİYAGRAMI

ay,ü =0.322 g

ay =0.192 g

Proje koşullarında değişim aralığı

Hasar Durumu

Yok Orta

Hafif Ağır

ay,ü =0.322 g

ay =0.192 g

Proje koşullarında değişim aralığı

Hasar Durumu

Yok Orta

Hafif Ağır

Kaynak: Arıoğlu, Ergin ve Yılmaz., 2006’da MCEER 1999.

Yüzeydeki maksimum yatay yer

ivmesinden bağımsız olarak en

fazla hasar kaplamasız

tünellerde gözlenmektedir.

Betonarme kaplama da ise,

genellikle 0.5g’den itibaren

"hafif/orta derecede hasar"

beklenmektedir.

52



Ortalama

Örtü derinliği [m] Kes

tiri

len

mak

sim

um

yata

y y

er i

vm

esi,

g %

Hasar yok Hafif Orta hasar Ağır hasar ay > 30 (%g) durumunda tünelin derinliği

yaklaşık ise %50 güvenirlikle tünelde

herhangi bir hasar beklenmeyecektir.

Kısaca, artan tünel derinliği ile deprem

kaynaklı hasar düzeyi azalmaktadır. Daha

açık bir deyişle merkez üssüne yakın derin

yeraltı mühendislik yapıları depreme karşı

dayanıklı davranış sergiler.

Tünelin portalları ve şevlerinde böyle bir

ivme durumunda hasara yol açacağı

unutulmamalıdır. Diğer anlatımla, tünellerin

portal ve şevlerinin tasarımı sismik

yüklemede özenle dikkate alınmalıdır.

Kaynak: Arıoğlu, Ergin ve Yılmaz., 2006’da Sharma-Judd 1991 .

MAKSİMUM YATAY DEPREM İVMESİ VE TÜNEL KAPLAMA TÜRÜNE GÖRE TÜNELLERDE DEPREM HASAR DURUM DİYAGRAMI

Hasar değerlendirme diyagramından izlenileceği gibi

H = 30m derinlik için eğer ivmenin değeri, 𝑎𝑦 ≈ 14(%𝑔) =

140 cm/sn2 ise % 80 güvenirlikle incelenen tünel depremi

“hasarsız” atlatacaktır. Aynı derinlikte yerüstünde beklenen

ivmenin değeri 𝑎𝑦 ≥ 30(%𝑔) ≥ 300 cm/sn2 ise tünelde

gözlenecek hasarın düzeyi hafif/orta düzeyde olacaktır

53



TÜNEL HASARLARININ KUVVETLİ SARSINTI YER HIZ DEĞERLERİNE DAYANDIRILIMASI

Genel

Kuvvetli sarsıntı hız kayıtlarının çoklu regresyon analiziyle değerlendirilmesi sonucunda Theodulidis ve

Papazochos (1992) aşağıdaki ifadeyi teklif etmişlerdir:

𝒍𝒏 𝑽 = 𝟎. 𝟕𝟗 + 𝟏. 𝟒𝟏 × 𝑴𝒔 − 𝟏. 𝟔𝟐 × 𝒍𝒏 𝑹 + 𝟏𝟎 − 𝟎. 𝟐𝟐 × 𝑺 + 𝟎. 𝟖𝟎 × 𝑷 , 𝒄𝒎/𝒔

Ms = Deprem S-dalga büyüklüğü (Ms ≈ Mw)

R = proje noktası ile merkez üstü arasındaki uzaklık, km (Pratik hesaplamalarda proje lokasyonu ile deprem

üreten aktif fay arasındaki dik uzaklık olarak alınabilir)

S = zemin cinsini ifade eden faktör (Alüvyonel zeminde S=0, kayalarda ise S=1 kabul edilebilir)

P = olasılık katsayısı (%50 "orta değer için" P=0; %84 "orta değer + 1 standart sapma" için P=1 alınır)

Hasar Derecesi

Yüzeyde maksimum yer hızı -tanecik hızı- ölçütü temel alındığında tünel hasarı yaklaşık "V ≥ 25 cm/s"

durumunda gözlenmektedir. "25 cm/s < V < ~ 90 cm/s" aralığında ise hasarlar "orta" derecededir. V > 90 cm/s

durumunda ise portaller ve sığ tünellerde hasarın derecesi "ağır"'dır.

Kaynak: Arıoğlu ve Yılmaz, 2006.

54



TÜNEL HASARLARININ KUVVETLİ SARSINTI YER HIZ DEĞERLERİNE DAYANDIRILIMASI

Örnek

Deprem Büyüklüğü: Ms = 6.5

Merkez Üstü Uzaklığı: R =20 km

Zemin: Zayıf kaya birimi, S=1

Olasılık: Orta değer, P=0

için

𝒍𝒏 𝑽 = 𝟎. 𝟕𝟗 + 𝟏. 𝟒𝟏 × 𝑴𝒔 − 𝟏. 𝟔𝟐 × 𝒍𝒏 𝑹 + 𝟏𝟎 − 𝟎. 𝟐𝟐 × 𝑺 + 𝟎. 𝟖𝟎 × 𝑷 , 𝒄𝒎/𝒔

𝒍𝒏 𝑽 = 𝟎. 𝟕𝟗 + 𝟏. 𝟒𝟏 × 𝟔. 𝟓 − 𝟏. 𝟔𝟐 × 𝒍𝒏 𝟐𝟎 + 𝟏𝟎 − 𝟎. 𝟐𝟐 × 𝟏 + 𝟎. 𝟖𝟎 × 𝟎

𝒍𝒏 𝑽 = 𝟒. 𝟐𝟑

𝑽 = 𝒆𝟒.𝟐𝟑 ≈ 𝟔𝟖 𝒄𝒎/𝒔

Buna göre, hız değeri 68 cm/s ile "25 cm/s < V < ~ 90 cm/s" aralığında kalmaktadır ve tünelde oluşacak hasarın

"orta" derecede olacaktır.

55



0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Merkez Üstü Uzaklığı, R (km)

0.1

1

10

100

1000

10000

Ku

vv

etl

i Y

er

Sa

rsın

tı Hızı, V

(c

m/s

)

%50 "orta değer için" P=0

Ms=7.5

Ms=7.0

Ms=6.5

Ms=6.0

Ms=5.5

ORTA HASAR

AĞIR HASAR

HAFİF HASAR/HASARSIZ BÖLGE

KAYA KÜTLELERİNDE (S=1) TÜNEL HASARLARININ KUVVETLİ YER SARSINTI HIZI DEĞERLERİNE DAYANDIRILIMASI

Depremin merkez üssünden uzaklaştıkça,

kuvvetli yer sarsıntısı hızı azalmaktadır.

Depremin büyüklüğündeki artış ile, yer

sarsıntı hızı beklenildiği gibi artış

göstermektedir. Örneğin; Ms=5.5

büyüklüğünde bir depremin meydana gelmesi

durumunda, deprem merkez üssüne 12 km

uzaklıktaki bir tünelde "orta şiddette hasar"

beklenirken, daha uzaklardaki tüneller bu

depremi hiç hasar almadan yada hafif hasarla

atlatabilir. Ms=7.5 büyüklüğünde bir depremin

oluşması durumunda ise, depremin merkez

üssüne 100 km uzaklıktaki bir tünelde dahi en

az "orta hasar" meydana gelmesi

beklenmektedir. 50 km’den daha yakın

tüneller ise böyle bir deprem altında " ağır

hasar" ‘a maruz kalacaklardır. 𝒍𝒏 𝑽 = 𝟎. 𝟕𝟗 + 𝟏. 𝟒𝟏 × 𝑴𝒔 − 𝟏. 𝟔𝟐 × 𝒍𝒏 𝑹 + 𝟏𝟎 − 𝟎. 𝟐𝟐 × 𝑺 + 𝟎. 𝟖𝟎 × 𝑷 , 𝒄𝒎/𝒔

56



0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Merkez Üstü Uzaklığı, R (km)

0.1

1

10

100

1000

10000

Ku

vv

etl

i Y

er

Sa

rsın

tı Hızı, V

(c

m/s

)

%84 "orta değer +1 standart sapma için" P=1

Ms=7.5

Ms=7.0

Ms=6.5

Ms=6.0

Ms=5.5

ORTA HASAR

AĞIR HASAR

HAFİF HASAR/HASARSIZ BÖLGE

KAYA KÜTLELERİNDE (S=1) TÜNEL HASARLARININ KUVVETLİ YER SARSINTI HIZI DEĞERLERİNE DAYANDIRILIMASI

Kuvvetli yer sarsıntı hızı ile depremin merkez

üstünden olan uzaklık arasındaki ilişki %84

olasılıkla (orta değer + 1 standart sapma için)

incelendiğinde, örneğin Ms=5.5 olan bir

deprem için "hafif hasar/hasarsız bölge" -

"orta hasar" sınrının 12 km’den (%50 olasılıklı

durum), yaklaşık 30 km’ye (%84 olasılıklı

durum) çıktığı görülmektedir. Diğer bir deyişle,

%50 olasılıklı durumda, yüzey dalgası

büyüklüğü 5.5 olan bir depremden 25 km

uzaklıktaki bir tünel, depremi "hasarsız"

atlatırken, %84 olasılıklı durumda, en az "orta

hasara" maruz kalması beklenmektedir. Bu

durumda, hasar derecelendirmesi yaparken

güvenilir tarafta kalınması istenildiğinde, %84

olasılıklı eğrinin kullanımı daha gerçekçi

sonuçlar verecektir. 𝒍𝒏 𝑽 = 𝟎. 𝟕𝟗 + 𝟏. 𝟒𝟏 × 𝑴𝒔 − 𝟏. 𝟔𝟐 × 𝒍𝒏 𝑹 + 𝟏𝟎 − 𝟎. 𝟐𝟐 × 𝑺 + 𝟎. 𝟖𝟎 × 𝑷 , 𝒄𝒎/𝒔

57



TÜNEL PORTAL ŞEVLERİNDE YENİLMELERİN DEPREM BÜYÜKLÜĞÜ İLE İLİŞKİSİ

Deprem Büyüklüğü

Deprem Büyüklüğü

Hip

osa

ntı

r U

zakl

ığı,

km

H

ipo

san

tır

Uza

klığ

ı, k

m

Portal Hasarı

Şev ÇökmesiYenilme VAR

Yenilme VAR

Yenilme YOK

Yenilme YOK

Not: 𝑯𝒊𝒑𝒐𝒔𝒂𝒏𝒕𝚤𝒓 𝑼𝒛𝒂𝒌𝒍𝚤ğ𝚤 = 𝑶𝒅𝒂𝒌 𝑫𝒆𝒓𝒊𝒏𝒍𝒊ğ𝒊𝟐 + 𝑭𝒂𝒚𝒂 𝑫𝒊𝒌 𝑼𝒛𝒂𝒌𝒍𝚤𝒌𝟐 θ = fayın eğimi ve doğrultusundan kaynaklı saatin tersi yönündeki açı

Zayıf Kaya Kütlesi

Kırıklı Kaya Kütlesi


Tipik Şev Yenilme Örneği

58




Kaya Heyelanları ve Büyük Kaya Bloklarının Düşmesi Sonucunda Oluşan Hasarlar

2008 yılında Çin’de meydana gelen 7.9 moment büyüklüğündeki Wenchuan depremi sonrasında, tünel

portallarında meydana gelen hasar örnekleri aşağıda göresel olarak sunulmaktadır.

Kaya ve Toprak Parçalarının kayma yönü

Tünel Portalı

Kaynak: Yapı Merkezi ARGE Bölümü, 2015 (Fotoğraflar, Wang and Zhang, 2013’den değiştirilmiştir).

• Deprem sonrası kaya ve toprak parçalarının

kayması, tünel portal girişinin kapanmasına neden

olmuştur.

Düşen Kaya Parçaları

Kaya kütlelerinin düşmesi sonucu oluşan portal hasarı

• Deprem sonrasında düşen büyük kaya parçaları,

portal giriş yapısında hasara neden olmuştur.

59




Sığ Tünellerde Eğilme (Çekme) Çatlakları


Hasar Mekanizması

Wenchuan Depremi sonrası oluşan çatlaklar

• 2008’de meydana gelen Wenchuan depremi,

sonrasında, özellikle sığ tünellerde eğilme

diğer bir deyişle çekme çatlaklarının oluştuğu

gözlenmiştir.

• Depremden kaynaklı oluşan yer hareketi

sonucunda tünel kaplamalarına etki eden

yatay kuvvet, özellikle kemer şeklindeki

yapının üst bölgelerinde eğilme-çekme-

gerilmelerine neden olmaktadır.

60




Zayıf Jeolojik Formasyanlarda Açılan Tünellerde Kesme Çatlakları


• Özellikle zayıf jeolojik formasyonlarda açılan tünellerde, tünellerin üst bölgelerinde kesme çatlakları ve

dökülmeler oluşmaktadır.

Kesme Çatlakları

Zayıf Jeolojik Formasyon

61



SIVILAŞMA OLAYI VE KRİTİK SIVILAŞMA UZAKLIĞININ KESTİRİLMESİ Genel

Zeminin sıvılaşması olayı, suya doygun ince daneli kum ve silt gibi katmanların, deprem dalgalarının etkisiyle

"boşluk suyu basıncı (u)" ‘ nın artması sonucunda efektif basıncın, σ’ sıfıra doğru yaklaşımıdır ve bu durumda

zeminin nihai taşıma kapasitesi tamamen veya büyük ölçüde kaybolmuştur. Daha açı deyişle, başlangıçta katı

fazda olan geomateryal "sıvı" gibi davranış gösterir.Sıvılaşma olayına etki eden belli başlı faktörler şunlardır:

• Depremin büyüklüğü ve süresi

• Kumlu zeminin granülometrik bileşimi

• Yeraltı su seviyesinin derinliği

• Çökellerin drenaj koşulları

• Çökellerin jeolojik yaşı

• Çimentolaşma derecesi

• Yükleme –bina temelleri- durumu

62



SIVILAŞMA OLAYI VE KRİTİK SIVILAŞMA UZAKLIĞININ KESTİRİLMESİ Sıvılaşma Olayının Gözlendiği Kritik Uzaklık

Literatürde kullanılan deprem büyüklüğü Ms=f(uzaklık)ilintileri topluca aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.

Fark edildiği gibi artan yüzey dalga büyüklüğü, Ms ile sıvılaşma olayının gözlenebileceği uzaklık (L) artmaktadır.

Ayrıca, Ambrasseys, 1988 ile Wakamatsu,1993 Ms=f(uzaklık) ifadelerinin merkezüstü ile sıvılaşma bölgesi arasındaki

uzaklığı tanımlayan (L) 8 km – 100 km aralığı için uyumları dikkat çekicidir. Örneğin, Ms=6.5 için kritik uzaklık yaklaşık

L=40 km olmaktadır. Eğer satüre kumlu katmanlar sismik enerji üretecek merkez/fay hattından L ≥40 km ise

"sıvılaşma riski " ’ nin olmadığı söylenebilir. Proje sahası ile olası deprem bölgesi arasında uzaklık 40 km’den az

olması durumunda ise "sıvılaşma riski " ’ nin varlığından söz edilebilir.

Merkez Üssü Uzaklığı, L (km)

Yüze

y D

alga

sı B

üyü

klü

ğü, M

s

63



Sayısal Örnek:

Aşağıda sismik, geoteknik özellikleri ve geometrik boyutları belirtilen bir tünel projesi (6,8 m)

“sıvılaşma riski” taşıyan kumlu seviyede açılacaktır.

a) Sıvılaşma riskini hesaplayınız.

b) Sıvılaşmadan ötürü tünelin olası düşey oturmasını belirleyiniz.

c) Alınabilecek teknik önlemleri açıklayınız.

o Beklenen deprem büyüklüğü Mw= 7,5

o Aktif faya dik uzaklık ve beklenen yatay yer ivmesi,

Ld= 15 m; a= 0,4g

o Ortalama SPT – N60= 12 (0 – 16,8 m kumlu zemin)

o Ortalama ince madde içeriği – ağırlıkça – (0,076 mm)

FC= %25 Tünel

h=10 m

k= 1,6 t/m3

s= 1,8 t/m3

Z

hsu=1,5 m

D=6,8 m

TÜNELLERDE SIVILAŞMA RİSKİNİN HESABI

64



Genel

• Sıvılaşmaya karşı güvenlik katsayısı:

Mw7,5’ de ortalama sismik yükleme:

1 Atmosfer efektif gerilmesi z’= 10 t/m2 için zemin dayanımı

Efektif gerilme + ince madde düzeltilmesi yapılmış SPT – N değeri:

σ=1 σ α σ=1 σ α

M=7,5

CRR .K .K CRR .K .KZemin dayanımıGK = = =

CSRSismik yükleme CSRMSF

maxz dz

aσCSR = 0,65. . .r Seed ve Idriss,1971

σ' g

2 3 4

1 1 1 160cs 60cs 60cs 60csσ=1

N N N NCRR = exp + - + - 2,8 Idriss ve Baulanger,2006

14,1 126 23,6 25, 4

21 1 1 N 60 1 60 1 z60CS 60 60 60 60z

10 tN = N + Δ N = C .N + Δ N = .N + Δ N ; σ ' boyutundadır.mσ '

65



İnce madde “FC” düzeltmesi:

FC= İnce madde miktarı – ağırlıkça – %

K= İncelenen noktadaki efektif gerilmenin z’= 10 t/m2’ den büyük olması durumunda dikkate alınan düzeltme

faktörü. z’ 10 t/m2 için K 1 alınır.

K= Eğimli tabaka durumu gözeten düzeltme faktörü. Yatay tabaka için K=1’ dir.

z= İncelenen noktaya etkiyen toplam düşey basınç

z’= İncelenen noktadaki düşey efektif gerilme. z’= z-u’ dir.

u= İncelenen noktadaki boşluk su basıncı

amak= Maksimum yatay yer ivmesi – yerçekimi cinsinden –

rd= Gerilme azaltım katsayısı. Derinliğe ve deprem büyüklüğüne bağlıdır (bknz. Gerilme azaltım katsayısı,rd –

derinlik ilişkisi,Z (syf.49) Idriss ve Boulanger, 2006). (Uygulamada 20 m derinliğe kadar sıvılaşma olgusu”

gözlenmiştir. Z>20 m’ den sonra rd=f(Z, Mw) eğrileri çok dikkatli şekilde kullanılmalıdır).

;

2

1 60

9,7 15,7Δ N = exp 1,63 + - ; %5 < FC < %60 Idriss ve Baulanger,2006

FC + 0,1 FC + 0,1

66



d wlnr = α Z + β Z .M

Zα Z = -1,012 - 1,126.sin + 5,133 Derinlik Z 34m için geçerlidir

11,73(Idriss ve Boulanger, 2006)

ZZ = -0,160 + 0,118.sin + 5,142

11,28

Mw= Deprem büyüklüğü – moment –

rd= 0,12.exp(0,22Mw)

67



MSF= Moment deprem büyüklüğünü dikkate alan faktör. MW=7,5 için MSF= 1’ dir. MW7,5

durumunda değeri Idriss’ in ifadesinden

olarak hesaplanır. Örneğin Mw= 6 için büyüklük düzeltme faktörü MSF=1,48 bulunur.

wMMSF = 6,9.exp - - 0,0584

Değişim Aralığı Seed &Idriss, 1971

De

rin

lik,

Z, m

Gerilme azaltım katsayısı, rd

Derinliğin gerilim azaltım katsayısı, rd ve

deprem büyüklüğü, Mw ile değişimleri

(Idriss ve Boulanger, 2006)

Mw=5,5 Mw=6,5 Mw=7,5 Mw=8 Deprem büyüklüğü – moment, Mw

68



Hesaplamalar

o h+D= 10+6,8= 16,8 m derinlik için güvenlik katsayısının hesabı

(u=su(h-hsu+D))

Gerilme düzeltmesi, K yapılması gerekir.

(Hynes ve Olsen 1999’ dan alıntılayan Finn, 2002).

f=f(Rölatif sıkılık) olup %40

69



o (Z= 16,8 m’ de) Sismik Yükleme

(g= Yerçekimi ivmesi)

o (Z= 16,8 m’ de) Dayanım – Sıvılaşmaya karşı direnç –

o Güvenlik katsayısı

makzd

z

aσ 29,94 0, 4gCSR = 0,65. . .r = 0,65. . .0,8 = 0, 42

σ ' g 14,64 g

2

1 60

9,7 15,7Δ N = exp 1,63 + - 5

25 + 0,1 25 + 0,1

1 60 160CS 60z

10 10N = .N + Δ N = x12 + 5 = 14,9 15

σ ' 14,64

3 42

σ=1atm

15 15 15 15CRR = exp + - + - 2,8 = 0,155

14,1 126 23,6 25, 4

σ=1 σ αCRR .K .K 0,155x0,9x1GK = = = 0,33 < 1CSR 0, 42

MSF 1

70



olduğu görülmektedir. Kısacası, incelenen derinlikte (Z= 16,8 m) ciddi bir “sıvılaşma riski” mevcuttur.

TBM’ lerde açılan tünellerde sıvılaşmadan kaynaklanan şu hasarlar sözkonusudur:

• Zeminin kayma dayanım parametreleri (c, ) sıvılaşmadan sonra büyük ölçüde azaldığından dolayı,

ciddi “farklı oturmalar” oluşur. Segmanların “çökme” toleransı dışında olması durumunda

“açılmalar” meydana gelir ve segmanların “yapısal bütünlüğü” bozulabilir.

• Sıvılaşmanın şiddetine bağlı olarak segmanlar önemli düzeyde yüzdürme kuvveti etkisi altında

kalabilir, sonuçta kum içinde yüzebilirler.

Sıvılaşan zemin kütlesi

Farklı oturmalar

Yüzdürme kuvveti

Kum içinde yüzen segmanlar Kum danecikleri

Sıvılaşma olayının tünel segmanlarına olası etkileri

71



Kaynak: Day, 2002.

Hacimsel Birim Deformasyon, v, %

Gü

ven

lik K

atsa

yısı

, GK

1

2c1

Dr = %90

N = 30

q = 200kg/cm

1

2c1

Dr = %80

N = 25

q = 147kg/cm

21 c1

Dr = %70

N = 20; q = 110kg/cm

21 c1

Dr = %60

N = 14; q = 80kg/cm

21 c1

Dr = %50

N = 10; q = 60kg/cm

21 c1

Dr = %40

N = 6; q = 45kg/cm

21 c1

Dr = %30

N = 3; q = 33kg/cm

Oturma Hesabı

GK=f(Dr, (N1)60, v

Sıvılaşmadan kaynaklanan “oturma”’ nın

kestirilmesi Ishihara ve Yoshimine, 1992

çalışmasında rapor edilen güvenlik katsayısı,

GK=f(Rölatif sıkılık, Dr, N1) takip eden sayfadaki

abakdan yararlanarak yazılır (orijinalinden

alıntılayan Day, 2002) (Abakta N1(N1)60 olarak

alınabilir). Problem verileri (GK=0,33 , (N1)6010)

dikkate alındığında abaktan sıvılaşma sonrası

hacimsel birim deformasyon v%3,5 düzeyinde

elde edilir. (0 – 16,8) m arasındaki kum katmanının

tamamının sıvılaştığı göz önünde tutulursa olası

düşey oturma miktarı

=Hxv= 16,8x0,035=0,58 m

olarak hesaplanabilir. Görüldüğü gibi önemli bir

düşey “oturma” oluşmaktadır. Sıvılaşma riskinin

teknik önlemlerle mutlaka en az düzeye getirilmesi

gerekmektedir.

72



Teknik Önlemler

Zeminin sıvılaşmaya karşı direncini arttırmak, daha açık deyişle kayma dayanım özelliklerini

iyileştirmek için “ikincil çimento enjeksiyonu” önerilmektedir (Chou vd., 2001). (İkincil enjeksiyon,

segmanlardan zeminin içine doğru yapılan enjeksiyonu ifade etmektedir). Japon uygulamasında

genellikle iyileştirilen zeminin tek eksenli basınç dayanımının 1,0 kgf/cm2’ den büyük olması

öngörülmektedir.

73



12 KASIM 1999 DÜZCE DEPREMİNDE (MW = 7.1) OLUŞAN YÜZEY KIRIKLARI, ARTÇI DEPREMLERİN DIŞ MERKEZLERİ VE BÖLGEDEKİ ALETSEL DEPREMLER-YÜZEY KIRIKLARI-

Kaynak: Arıoğlu, Ergin ve Yılmaz, 2006’da Utkucu, Çetin ve Alptekin, 2003.

74



BOLU TÜNELİNİN CİVARINDA YER ALAN KAF SİSTEMİNDE OLUŞAN DEPREMLER VE KESTİĞİ AKTİF FAYLAR

Kaynak: Arıoğlu, Ergin ve Yılmaz., 2006’da Dalgıç, 2002..

Tünel geçkisinin bulunduğu ortam,

tektonik kuvvetlerin etkisinde

kalmış, aşırı ölçüde ezilmiş/kırılmış

ve birbirinden çok farklı davranış

sergileyen birimlerden oluşmuştur.

Bu nedenledir ki 1993 yılında

Asarsuyu ve 1994’de ise Elmalık

portalından inşaatı başlayan Bolu

tünellerinin açılımları çok yavaş bir

tempo ile yapılmıştır.

75



SİSMİK BAĞLANTILARIN İŞLEVİ

Genel

• Sismik aktivitesi yüksek olan demiryolu/karayolu tünellerinde deprem sonrası, tünelin performansının

sürekliliğini sağlamak için kayma gerilmelerinin deformasyonlarının maksimum olduğu kesimlerde deprem

kökenli deformasyonların sistem içinde sönümlenmesi için özel malzemelerden imal edilen "sismik

bağlantılar" yerleştirilir.

• Genellikle, sismik lokasyonun yeri nümerik analiz sonucunda, verilen proje koşulları (deprem büyüklüğü,

deprem dalgasının genliği ve frekans içeriği, topoğrafik şartlar, dalganın yayıldığı ortamın geoteknik

büyüklükleri) gözönünde tutlarak belirlenebilir. Bununla beraber, ampirik gözlemlere göre de genel de,

sağlam kütleden, zayıf kaya kütlesine geçiş yada zeminden, sağlam kaya kütlesine geçişlerde "sismik

bağlantı" yerleştirilebilir. Avrasya karayolu tüneli inşaatında, tünelin nümerik analizi sonucunda, iki

lokasyonda sismik bağlantı konulma gereği çıkmıştır ve bunlar söz konusu proje de başarı ile

yerleştirilmiştir. Takip eden sepya da ise Bolu karayolu tünel projesinde yerleştirilen sismik bağlantının yeri,

jeolojik kesiti ile birlikte verilmiştir.

76



TÜNELLERDE SİSMİK BAĞLANTI - BOLU TÜNEL ÖRNEĞİ -

Kaynak: Russo ve diğ., 2002’den değiştirilmiştir.

TÜNEL ARINI

Sismik Bağlantı

• Bolu tüneli projesi (Gümüşova – Gerede Karayolu kesimi) , Bakacak fayı geçişinde sismik bağlantı

Bakacak Fayı

Zekidağı Fayı Yükseklik Yükseklik İstanbul Yönü

TÜNELLERİN SİSMİK TASARIMINA GİRİŞ - Yapı Merkezi · 2019. 1. 7. · sağlayan sismik...

Documents

Transcript of TÜNELLERİN SİSMİK TASARIMINA GİRİŞ - Yapı Merkezi · 2019. 1. 7. · sağlayan sismik...