İTÜ Yapı-Deprem Laboratuvarında Kazıkların Deprem Yükü Altında Yanal Yük-Yerdeğiştimesi İnceleniyor

Fakültemizin Yapı-Deprem Laboratuvarında bulunan sarsma tablasının kullanıldığı bu projenin amacı yatay deprem yüküne maruz kalan zemin-kazık-yapı sistemlerinde kullanılmak üzere zemin-kazık yük-deplasman ilişkisini ana kayadan ilerleyen sismik yükler altında gerçeğe daha yakın bir şekilde elde etmektir. Literatürdeki mevcut çalışmalardan farklı olarak, ana kayadan ilerleyen sismik yükler altında zeminin doğrusal olmayan dinamik davranışının bu p-y eğrilerine etkisi ve grup kazıklarında p-y ilişkilerinin tekil kazık değil çoklu kazıklı yapısına göre tahmin edilmesi planlanmaktadır.

Yürütücülüğünü Dr. Öğr. Üyesi Esra Ece BAYAT'ın yaptığı proje hakkında detaylı açıklamayı aşağıda bulabilirsiniz.

Proje Başlığı: Kum zeminde gömülü kazıkların deprem yükü altında yanal yük-yerdeğiştirme bağıntılarının geliştirilmesi
Proje Numarası: TUBİTAK-119M624
Proje Yürütücüsü: Dr. Öğr. Üyesi Esra Ece BAYAT

Özet:  Son yıllarda yüksek yapılara artan talep ile birlikte kazıklı temel uygulaması zorunlu hale gelmiştir. Deprem yükü altında zemin-kazık-üstyapı sistemi birlikte hareket etmekte ve her bir bileşenin davranışı diğerini etkilemektedir ve bu karşılıklı etkileşim zemin-yapı etkileşimi olarak adlandırılmaktadır. Zemin-yapı etkileşimi analizleri özellikle yüksek yapı, köprü, nükleer tesis ve hastane gibi kritik yapılarda önemlidir. Bu sebeple, ilk kez, kazık tasarımlarının deprem yükü gibi yatay yük altında tasarımı Yeni Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği'nde (TBDY, 2019) açıklanmış ve kazıklı temele sahip yapılar için zemin-yapı etkileşimi analizlerini zorunlu hale getirmiştir. Analizlerde yaygın eğilim zemini üç boyutlu olarak modellemek yerine yaylar ile modellemektir. Bu yöntemde zemin-kazık arayüzündeki davranış, kazık boyunca belirli seviyelerde lineer olmayan yatay yük-yatay deplasman (p-y eğrileri) bağıntıları ile tanımlanmaktadır. Literatürde kazıkların yatay yük davranışını tanımlayan bağıntılar bulunmaktadır ve en yaygını Amerikan Petrol Enstitüsü (API, 1987) tarafından önerilen hiperbolik bağıntı arazide yapılan gerçek ölçekli statik ve çevrimsel yatay yükleme deneylerine dayanmaktadır. Kazık başlık seviyesinden yapılan yükleme üstyapı etkisini dikkate alabiliyorken, deprem yükü altındaki kazığın kinematik davranışını hesaba katamamaktadır. Ayrıca bu bağıntılar tekil kazıklar için geliştirilmiş olup grup kazıklar için grup etkisi bağıntıları geliştirilmiştir. Çoğu kazıklı temel tasarımı tekil değil grup kazık olarak belirlenmektedir. Grup etkisi olmayan kazıklar için dahi tasarımın tekil kazığa göre yapılmaması gerektiği düşünülmektedir. Bu projenin amacı yatay deprem yüküne maruz kalan zemin-kazık-yapı sistemlerinde kullanılmak üzere zemin-kazık yük-deplasman ilişkisini ana kayadan ilerleyen sismik yükler altında gerçeğe daha yakın bir şekilde elde etmektir. Literatürdeki mevcut çalışmalardan farklı olarak, ana kayadan ilerleyen sismik yükler altında zeminin doğrusal olmayan dinamik davranışının bu p-y eğrilerine etkisi ve grup kazıklarında p-y ilişkilerinin tekil kazık değil çoklu kazıklı yapısına göre tahmin edilmesi planlanmaktadır. Böylece, p-y bağıntısına, zeminin sıkılığının, zeminde oluşan birim kayma deformasyonlarının, sismik yükün frekansının, kazık çapının ve kazık sayısının etkileri araştırılacaktır. Bu amaçla yatay yük-yatay deplasman (p-y) ilişkisi nümerik analizler ve model deneylerle gösterilecek tasarıma yönelik gerçek davranışı daha iyi tahmin eden yeni bir bağıntı ortaya koyulacaktır. Üç boyutlu nümerik analizler sonlu farklar yöntemini kullanan FLAC 3D programı ile gerçekleştirilerek elde edilen p-y davranışları sonlu elemanlar yöntemini kullanan ve bir zemin-yapı etkileşimi kodu olan ACS SASSI: System for Analysis of Soil Structure Interaction programında doğrulanacaktır. Nümerik analizler hem literatürde sonuçları detaylı olarak paylaşılan sentrifüj deneyleri ile hem de bu proje kapsamında gerçekleştirilecek olan sarsma tablası deneyleri ile kalibre edilerek doğrulanacaktır. Zeminin rölatif sıkılığının, üstyapı periyodunun, harmonik yükün frekansının ve ivme büyüklüğünün kazık-zemin etki-tepki davranışına etkisi parametrik olarak incelenecektir. Aynı zemin hareketi altında farklı periyotlara sahip bina modelleri altındaki grup kazıklarının davranışları incelenecektir. Nümerik çalışmalara paralel olarak aynı parametrelerin etkisi model deneyler ile de araştırılacaktır. Model deneyler bir sarsma tablası üzerinde yerleştirilecek olan laminar kutu ile yapılacaktır. Kum zemine gömülü 2x2 şeklinde bir grup kazık modeli laminar kutu içerisine yerleştirilecektir. Üstyapı, kazıklar üzerine yerleştirilecek bir kütle ile idealize edilecektir. Sarsma tablası yardımıyla zemin-kazık-yapı modeli belirli frekanslardaki harmonik yüklemeye maruz bırakılacaktır. Kazık deplasmanı ve kazığa gelen yük, kazık boyunca belirli seviyelerde yerleştirilen deformasyon ölçerler (strain gage) ile bulunacaktır. Ayrıca zemin içerisinde ve yapı üzerinde ivmeölçerler bulunacaktır. Bu çalışmaların sonucunda deprem yükleri altında grup etkisi olmayan kazıklar için zeminin doğrusal olmayan davranışının da etkisini içeren kazık-zemin etkileşim bağıntıları (p-y) geliştirilmiş olacaktır. Yukarıda bahsedilen aşamalarda kullanılması planlanan FLAC 3D ve ACS SASSI programları İTÜ'de mevcuttur. Ancak güncellemeleri için bu proje kapsamında destek talep edilmektedir. Yine model deneylerde kullanılacak olan sarsma tablası İTÜ Yapı-Deprem Laboratuvarında bulunmaktadır. Ayrıca üretimi planlanan laminar kutu tasarımı ve satın alınacak olan sensörler laobratuvarın akreditasyon sürecine ve de geoteknik deprem mühendisliği alanlarında gelecekte yapılacak olan araştırma ve uygulama projelerine imkan sağlayacaktır. Bu çalışmada Tokyo Teknoloji Enstitüsü’nde görevli bir profesör ve ACS SASSI yazılımının geliştiricisi ve GP Teknoloji firmasının kurucusu danışman olarak bulunarak projeye destek vereceklerdir. Proje kapsamında bir yürütücü, iki yurt içi araştırmacı, iki yurt dışı danışman, iki doktora öğrencisi, iki yüksek lisans öğrencisi ve bir lisans öğrencisi görev alacaktır. Ülkemizde İzmir, İstanbul Marmara kıyıları gibi deprem bölgelerinde özellikle elverişsiz zemin koşullarında yüksek bina yapılaşmalarında, köprü ve özel yapıların tasarımında artış gözlemlenmektedir. Bu yapılar için kazık tasarımları öngörülmekte ancak tasarımlarda bir çok zorluk yaşanmaktadır. Bu projede oluşturulmuş olan nümerik model ve deney düzeneği, tasarımdaki bu zorluklar için çözüm üretecektir. Bu yapıların tasarımında önem arz eden kazık-zemin etkileşimi üzerine bu denli kapsamlı bir çalışma deprem bölgesinde olan ülkemizde henüz yapılmamıştır. Böylece proje çıktıları ile, bu yapıların tasarımlarında yurt dışı firmalara olan bağımlılığın azaltılması beklenmektedir. Ayrıca, bu konuda dünyada yapılan çalışmalara da ışık tutacağı düşünülmektedir.