Zemin-yapı etkileşimi ve farklı duvar geometrileri dikkate alınarak konsol istinat duvarlarının sismik davranışının incelenmesi

Abstract

İstinat duvarları çok farklı amaçlarla birçok inşaat mühendisliği uygulamasında yaygın olarak kullanılan özel mühendislik yapılarıdır. Bunlara örnek olarak; büyük miktarlarda yarma ve dolgu gerektiren yol inşaatları, kanallar ve su depoları, köprü kenar ayakları, malzeme depolama alanları, erozyon ve taşkın alanları verilebilir. İstinat duvarlarının farklı zemin koşullarında ve yükleme durumlarındaki davranışlarının belirlenmesi ve tasarım öncesi değerlendirilmesi kritik bir öneme sahiptir. Ayrıca Türkiye gibi aktif deprem kuşağında bulunan ülkelerde, işlevsel olarak birçok amaca hizmet edebilen istinat duvarlarının statik davranışlarının belirlenmesi yanında, dinamik davranışlarının belirlenmesi de önemli olmaktadır. İstinat duvarlarının sismik analizi ve tasarımı genellikle Mononobe-Okabe yöntemini esas alan sözde statik yaklaşımlarla yapılmaktadır. Mononobe-Okabe yöntemiyle istinat duvarlarına etkiyen sismik zemin basınçları, duvar arkasındaki zemin kamasına etkiyen kuvvetlerin dengesinden elde edilmekte ve bu yöntemde dalga yayılım etkileri ile zemin-yapı etkileşimi dikkate alınmamaktadır. Ancak istinat duvarlarının dolgu ve temel zemini ile olan etkileşimleri ve dalga yayılım etkileri bu yapıların deprem davranışlarını oldukça karmaşık bir probleme dönüştürmektedir. Bu çalışmanın temel amacı, zemin-yapı etkileşimini ve farklı duvar geometrilerini dikkate alarak dolgu-konsol istinat duvarı-temel/zemin sistemlerinin farklı yer hareketleri etkisi altında sismik davranışını incelemektir. Bu amaç doğrultusunda, dört farklı temel zemini koşulu, üç farklı duvar geometrisi ve iki farklı deprem yer hareketi dikkate alınarak zaman ortamında sonlu elemanlar yöntemine dayalı sismik çözümlemeler gerçekleştirilmiştir. Çözümlemelerde 1999 Kocaeli Depremi Yarımca kaydı Kuzey-Güney bileşeni ve 1989 Loma Prieta Depremi Hollister-South & Pine kaydı HSP000 bileşeni dikkate alınmıştır. Bu çalışma üç bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde istinat duvarları, malzemelerin doğrusal olmayan davranışı, zemin-yapı etkileşimi hakkında genel bilgiler ile çalışmanın amacı ve kapsamı sunulmaktadır. İkinci bölümde, dolgu-konsol istinat duvarı-temel/zemin sistemleri için önerilen sayısal modeller tanıtılmakta ve bu sistemlerin dinamik çözümlemeleri gerçekleştirilmektedir. Üçüncü bölümde, çalışmadan elde edilen sonuçlar ve öneriler verilmektedir. Bu bölümü kaynaklar listesi ve özgeçmiş izlemektedir. Sonuç olarak bu çalışmada, konsol istinat duvarlarının sismik davranışının zemin-yapı etkileşimine, duvar geometrisine ve deprem frekans içeriğine bağlı olarak önemli mertebelerde değişebileceği görülmüştür. Ayrıca duvar kesitinin ve zemin etkileşiminin duvara etkiyen dinamik zemin basınçlarının büyüklüğünü etkileyebileceği belirlenmiştir. Bu bağlamda, gerçekçi ve güvenilir bir tasarım için bu etkilerin tasarım aşamasında dikkate alınması gerektiği ifade edilebilir. Anahtar Kelimeler: Dalga Yayılımı, Deprem Frekans İçeriği, Konsol İstinat Duvarı, Sismik Davranış, Sonlu Elemanlar Yöntemi, Zemin-Yapı Etkileşimi

Retaining walls are special engineering structures that are used in many applications of Civil Engineering with many different goals. Highways embankments, in which a significant amount of earthwork is required, canals and water tanks, bridge abutments, material depository fields, and erosion and flood control are some of the most common engineering applications where retaining walls are used. Determination of behavior of retaining walls under different soil conditions and loading cases, and evaluation of their behavior prior to design are of critical importance. Moreover, in the countries located in active earthquake zone such as Turkey, in addition to the determination of static behavior, determination of the dynamic behavior of retaining walls which are used for many engineering fields is also important. In general, seismic analysis and design of retaining walls are carried out with pseudo static approaches based on Mononobe-Okabe method. Seismic soil pressures acting on retaining walls are obtained using the equilibrium of forces on the soil wedge behind the retaining wall by means of Mononobe-Okabe method. Wave propagation effects and soil-structure interaction are not considered in this method. However, the interactions of retaining walls with backfill and foundation soil, and wave propagation effects convert the earthquake behaviors of these structures into a rather complex problem. The main purpose of this study is to investigate seismic behavior of backfill-cantilever retaining wall-foundation/soil systems under different ground motions considering soil-structure interaction and different wall geometries. In line with this aim, seismic analyses based on finite element method in time domain were carried out considering four different foundation soil conditions, three different wall geometries, and two different earthquake ground motions. In the analyses, North-South component of the 1999 Kocaeli Earthquake recorded in Yarimca station, and HSP000 component of the 1989 Loma Prieta Earthquake recorded in Hollister-South & Pine station were taken into consideration. The study consists of three chapters. In the first chapter, general information about retaining walls, nonlinear behavior of materials, soil-structure interaction, and the aim and scope of the study are presented. In the second chapter, the numerical models proposed for backfill-cantilever retaining wall-foundation/soil systems are introduced, and dynamic analyses of these systems are fulfilled. In the third chapter, conclusions obtained from the study and suggestions are given. This chapter is followed by references list and autobiography. Finally, in this study, it was seen that the seismic behavior of cantilever retaining walls can change significantly depending on soil-structure interaction, wall geometry and earthquake frequency content. It was also determined that wall section and soil interaction can affect the magnitude of the dynamic soil pressures acting on the wall. In this connection, it can be stated that these effects should be taken into consideration in design process for realistic and reliable design. Keywords: Cantilever Retaining Wall, Earthquake Frequency Content, Finite Element Method, Seismic Behavior, Soil-Structure Interaction, Wave Propagation