Theses supervised by Prof. Dr. Erol Şadoğlu
12 theses · Karadeniz Technical University
Asimetrik ağırlık tipi dayanma duvarlarının tasarım optimizasyonu
Zemini iki farklı kotta tutan yapılara dayanma duvarı denmektedir. Dayanma duvarları yanal zemin basınçlarına maruz kalırlar. Dayanma duvarlarının güvenli bir şekilde işlevini yerine getirebilmesi için bazı iç ve dış stabilite kontrollerinin yapılması gerekir. Asimetrik ağırlık tipi dayanma duvarlarının tasarım optimizasyonu MATLAB programlama dilinde yazılmış bir program yardımıyla ve iç nokta metoduyla bu çalışmada incelenmiştir. Bu amaçla optimizasyon probleminin sürekli fonksiyonları geliştirilmiştir. Amaç fonksiyonu maliyetin minimize edilmesi amacıyla duvarın en kesit alanı olarak tanımlanmıştır. Kısıt fonksiyonları iç ve dış stabilite tahkiklerinden türetilmiştir. Dış stabilite tahkikleri; devrilme, kayma, tabanda çekme gerilmeleri oluşmaması ve geleneksel yönteme göre taşıma gücüdür. İç stabilite için gövdede eğilme ve kesme tahkikleri kullanılmıştır. Optimum kesitin ana hatlarını ve duvar yüksekliğinin ana hat üzerindeki etkisini araştırmak için duvar yükseklikleri 2.0, 3.0 ve 4.0 metre olarak seçilmiştir. Ek olarak, içsel sürtünme açısındaki değişimin optimum kesit alanına etkisini araştırmak için içsel sürtünme açısı 15, 25 ve 35 derece olarak seçilip hesaplarda kullanılmıştır. Duvarın yüksekliğinin ve zeminin içsel sürtünme açısının optimum kesitler üzerindeki etkisini karşılaştırmak için zeminin diğer fiziksel ve mekanik özellikleri sabit tutulmuştur. Ağırlık dayanma duvarları için önerilen minimum boyutlar dikkate alınmamıştır. Sonuç olarak elde edilen optimum en kesit alanının, duvarın yüksekliğine bağlı olarak lineer olarak değiştiği ve en kesit geometrisini etkileyen esas parametrenin içsel sürtünme açısı olduğu bulunmuştur.
Lifli bitümlerle stabilize edilen kum zeminlerin dinamik özellikleri
Dünyanın hemen hemen her yerinde depremler olmaktadır. Bunlardan bazıları can kaybına sebebiyet vermektedir. Bunları önleyecek güvenli ekonomik çözümler üretilmesi gerekmektedir. Bunun için zeminlerin çeşitli özelliklerinin yanı sıra mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi gerekmektedir. Günümüzde en çok uygulanan yöntemlerden biri de farklı zeminlere çeşitli malzemeler eklenip, karıştırılıp zeminin iyileştirilmeye çalışılmasıdır. Bu farklı malzemelerde genelde bağlayıcılar ve lifler olmaktadır. Bu çalışmaların amacı deprem gibi dinamik yükler altındaki bitüm ve liflerle stabilize edilen kum zeminlerin dinamik özelliklerinin araştırılmasıdır. Bu bağlamda yüksek sönüm oranlarına sahip kum ve bitüm ile zeminlerin dinamik özelliklerini iyileştirmek amaçlı çeşitli liflerle (bazalt, polipropilen ve selüloz lifi) stabilize edilmiştir. Çeşitli yüzdelerle karıştırılan bu malzemelerden numuneler oluşturuldu. Daha sonra çevrimsel basit kesme deneyi uygulanmıştır. Bu deneyden elde edilen farklı oranlarda polipropilen lifli, bazalt lifli ve selüloz lifli numunelerin dinamik özellikleri kıyaslanıp hangisinin en iyi sonucu verdiği belirlendi. Deneysel çalışma kapsamında selüloz lifi için bitüm oranının %3'ü kadar lif en yüksek sönüm oranı olarak belirlenmiştir ve bu sönüm oranı %45'dir. Polipropilen lifi için bitüm oranının %1'i kadar lif en yüksek sönüm oranını vermektedir ve bu oran %44.6 olarak bulunmuştur. En yüksek sönüm oranı bazalt lifli numunede %47 olarak bulunmuştur. Ayrıca en yüksek kayma modülü de bazalt lifli karışımdan 11.8 Mpa olarak elde edilmiştir.
Ağırlık istinat duvarlarının topoloji optimizasyonu
Bu çalışmada, bir birim ayrıtı 3 m, 4 m ve 5 m olan kare istinat duvarlarına tabanda ankastre mesnet ve x yönünde ötelenmelerine kısıtları konarak, 50 kPa değerinde bir üçgen yayılı yüke maruz bırakılarak elastik ve plastik durum için topoloji optimizsayonu işlemi ABAQUS/CAE programıyla gerçekleştirildi. Elastik durum için optimizasyon işlemi ABAQUS/CAE programı içinde bulunan optimizasyon modülünden gerçekleştirildi. Burada program aracılığıyla konan optimizasyon kriterlerimiz, hedef fonksiyonumuz gerilme enerjisini minimuma indirmek ve belirlenen kısıt ise optimizasyon sonucunda toplam hacmin %30'un altına inmesinin engellenmesidir. Plastik durum için optimizasyon, Phyton dilinde bir kod yazılarak ABAQUS/CAE programı vasıtasıyla çalıştırılmıştır. Gerilme enerjisi düşük parçalar iterasyon sayısına bağlı olarak sistemden çıkarılmıştır. Ortaya çıkan topolojilere bakılarak mantıksal bir çıkarım yapıldığında günümüzde kullanılan istinat duvarları ile ABAQUS/CAE programı sonucunda ortaya çıkan optimum topoğrafyalar büyük ölçüde benzerlik göstermektedir. Dolayısıyla, ABAQUS/CAE programı inşaat mühendisliği alanında optimizasyon işlemlerinde kullanılabilir.
Ayrık eleman yöntemi ile kum üzerine oturan şerit temelin taşıma gücünün analizi
Temeller, yapının yükünü zeminin geniş bir alanına aktaracak şekilde tasarlanmaktadır. Temel, yapısal yükleri güvenli bir şekilde aktarabilecek, altındaki zeminde kırılma meydana gelmeyecek ve yapı aşırı oturma yapmayacak şekilde tasarlanmalıdır. Temellerin klasik tasarım yöntemleri, taşıma gücü ilkesine dayanmaktadır. Zeminin taşıma gücünü modellemek ve hesaplamak için genellikle sayısal çözüm tekniği olarak sonlu eleman yöntemi kullanılır. Bu yaklaşımda tamamen bağımsız üç varsayım yer alır: süreklilik, homojenlik ve izotropik. Zemin, taneler ve çevresindeki boşluklardan oluşur. Bu nedenle, zeminin mekanik davranışı doğası gereği süreksiz, heterojen ve anizotropiktir. Ayrık elemanlar yöntemi, zeminin mekanik davranışını hesaba katan yöntemlerden biridir. Bu çalışmada ayrık eleman yöntemi kullanılarak farklı sıkılıklarda kum üzerine oturan şerit temelin taşıma gücünün modellenmesi ve analizi yapılmıştır. Ayrık eleman yöntemi ile modellenen kum zeminin makro parametreleri olan maksimum boşluk oranı, minimum boşluk oranı ve kayma mukavemeti sıkılık ve kesme kutusu deneylerinin modellenmesinden elde edilmiştir. Farklı rölatif sıkılıklarda yapılan taşıma gücü deneyinin modellenmesinden elde edilen yük-oturma ilişkileri, taşıma gücü teorileri (Terzaghi, Meyerhof, Brinch Hansen ve Vesic) ile elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır. %40, %50 ve %60 rölatif sıklıklarda yapılan analizler sonuçlarından elde edilen nihai taşıma gücü değerlerinin, taşıma gücü teorilerinden elde edilen değerlerden daha yüksek olduğu görülürken, %70 rölatif sıklıkta nümerik analizden elde edilen sonucun teorilerinden elde edilen değerlere göre daha düşük olduğu tespit edilmiştir.
Kil zeminde TBM yöntemiyle inşa edilen tünellerde çimento stabilizasyonunun sonlu elemanlar yöntemi ile analizi
Yeraltı yapılarından biri olan tünellerin tarihine bakıldığında, tünellerin insanların hayatında önemli bir yere sahip olduğu görülmektedir. Geçmişten günümüze kadar insanlar çeşitli amaçlar doğrultusunda ihtiyaçlarını karşılayabilmek için tünelleri kullanmışlardır. Ülkemiz coğrafyası dikkate alındığında çok farklı zemin sınıfları ile karşılaşmak mümkündür. Bu nedenle tünel çalışmalarının öncesinde ve sonrasında gerekli incelemeler yapılmalıdır. Bu tez çalışması kapsamında hem deneysel çalışmalar hem de nümerik çalışmalar yapılmıştır. Deneysel çalışmalar ile zeminin fiziksel özellikleri, plastisite özellikleri ve konsolidasyonu belirlenmiştir. Zemine ait kayma direnci parametreleri de deneysel çalışmalar ile bulunmuştur. Deneysel çalışmaların ardından nümerik çalışmalar yapılmıştır. Nümerik çalışmalar sırasında tünel modeli oluşturulurken sonlu elemanlar yöntemi olan Plaxis 3D programı kullanılmıştır. Plaxis 3D programında kil zemin Hardening Soil Model olarak modellenmiştir. Bunun neden yapılacak modeli gerilme- şekil değiştirme davranışını gerçeğe en yakın şekilde oluşturmaktır. Modellemede tünel açılması sırasında TBM kullanılmıştır. Kil zeminde modelleme tamamlandıktan sonra tünel kaplaması etrafına farklı kalınlıklarda çimento ile stabilizasyon işlemi yapılmıştır. Tüm modelleme aşamaları bittikten sonra analizler yapılmıştır. Yapılan analizler ile birlikte meydana gelen yer değiştirmeler, asal gerilmeler ve kayma gerilmeleri belirlenmiştir. Tünel kaplaması etrafına farklı kalınlıklarda yapılan stabilizasyon çalışmaları ile kaplamanın etrafına stabilizasyon çalışması yapılmamış durum mukayese edilmiştir.
Yüzen veya uç kazıklı radye temelin davranışının üç boyutlu sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmesi
Dünyada her geçen gün insan nüfusu artmaktadır. İnsan nüfusunun artmasıyla ve insanların kentselleşmesinden dolayı barınma ihtiyacı da artmaktadır. Barınma ihtiyacının artmasından kaynaklı binaların kat sayıları da artış göstermektedir. Türkiye'de zemin yapısından kaynaklı kat sayılarının artmasından dolayı yapı zemin etkileşimi önemli bir problem olmuştur. Bu yüzden temel sistemi için derin temeller tercih edilmektedir. Derin temel türlerinden kazıklı temeller yapı yüklerinin yüzeysel temel ile taşınamadığı durumlarda sıklıkla kullanılmaktadır. Kazıklı radye temeller, kazık ve radyenin yük taşıma kapasitelerini birleştiren bir temel sistemi. Üç boyutlu sonlu eleman yöntemiyle, okul amaçlı kullanılacak betonarme üst yapının, kazıklı radye temelin ve temel zemininin numerik modelleri oluşturulmuştur. Yapılan modelde, okul için kullanılacak betonarme üst yapının uç ve yüzen kazığa göre kazıklı radye temelin davranışı incelenmiştir. Yapı ilk durumda 20 m derinliği ele alınan zeminde yüzen kazık (11 m kum 9m kaya) olarak modellenmiş ikinci durumda ise uç kazık (8 m kum 12 m kaya) olarak modellenmiştir. Kolon, kiriş ve döşeme yükleri ve malzeme özellikleri belirleyerek Plaxis 3D programıyla analizler yapılmıştır. Nümerik analizlerin sonuçlarından, zemin türünün daha sağlam bir ana kaya olduğunda kazıkların yük taşıma oranlarının yüksek olduğu dinamik ve statik durumda farkına varılmıştır.
Bitüm-kum ve genleştirilmiş polistiren bloklu tabanizolasyonunun orta yükseklikteki yapıların sismikperformasına etkisinin nümerik analizi
Sismik izolasyon sistemleri, depremden oluşan etkileri azaltmaya yarayan sistemlerdir. Teknolojinin gelişmesiyle birlikte izolasyon sistemlerinin kullanımı da gün geçtikçe artmaktadır. Fakat klasik izolasyon sistemleri oldukça yüksek maliyetli sistemlerdir. Bu sebeple, klasik izolasyon sistemlerine alternatif yeni sismik izolasyon yaklaşımları ortaya çıkmaktadır. Bu tez kapsamında, bitüm-kum karışımı ve yüksek dayanımlı köpük (EPS) malzemesinin birlikte kullanılmasıyla oluşan sismik izolasyon sisteminin, 4 katlı bir yapının sismik performansına etkisi incelenmiştir. Analizler sonucunda, kullanılan izolasyon sisteminin yer değiştirmeler, ivme ve rölatif yer değiştirmelere bakılarak yeterli performans göstermediği sonucu ortaya koyulmuştur. Bu izolasyon sisteminin daha yüksek katlı yapılarda kullanılmasının ve çoklu analizlerin sonucunda değerlendirilmesinin daha doğru olacağı belirlenmiştir
Kazıklı radye temelli yüksek katlı yapılarda yastık tabakasının yapı-zemin etkileşimi açısından incelenmesi
Ülkemizin büyük çoğunluğunun fay hatları üzerinde olması deprem etkilerinin yüksek olmasına sebep olmaktadır. Bu etkileri azaltmak için yumuşak zeminlerde yapı temelinde kazık kullanılmaktadır. Son yıllarda kazıklı radye imalatlarında kullanılan yastık eleman, kazık ve yapının davranışını etkilemektedir. Bu çalışma kazık ve radye bağlantısının yastık elemanla kesilmesi durumunda yapı-zemin etkileşimi sırasındaki kazık, temel ve yapı davranışlarını incelemiştir. Üst yapı, temel ve zemin SAP2000'de modellenmiştir. Zemin sınıfı ZD olan bölgede 1999 Düzce depremi yükleri kullanılmış olup SAP2000'de zaman tanım alanında analiz yapılmıştır. Temelde bağlantılı ve bağlantısız olmak üzere iki farklı uygulama üzerinden yapılan analiz sonuçlarına göre yastık kullanımı durumunda yapıdaki ötelenmelerin %20 daza az olduğu görülmüştür. Taşıma gücü zayıf zeminde yapının taşıma kapasitesini arttırmıştır. Yastık kullanımında kazıklara etkiyen yükler azalmış ve oturma miktarları da %8 azalmıştır. Farklı oturmalar arasındaki farkın ise yastık kullanımı durumunda 1 cm daha az olduğu belirlenmiştir.
Palyeli toprakarme duvarın davranışının sonlu elemanlar yöntemi ile parametrik olarak incelenmesi
Bu çalışmada, toprakarme sistem ile palyeli toprakarme duvarların genel özellikleri detaylı bir şekilde anlatılmış, avantaj ve dezavantajları irdelenmiştir. Ayrıca, tezin ana konusu olan palyeli toprakarme duvarların tasarımında yapı yüksekliğinin, elastisite modülünün ve palye genişliğinin etkisinin değerlendirilmesi amacıyla farklı yükseklik ve deformasyon modülü ve palye genişlikleri seçilerek Plaxis 2D sonlu elemanlar programı ile analizler yapılmıştır. Analizler sonucunda tasarlanan toprakarme duvardaki maksimum deplasman mesafesi ve şeritlere etkiyen eksenel kuvvetlerin değişimi gözlenmiştir. Sonuç olarak; yapının yüksekliğinin artmasının sistemdeki deplasmanların ve şeritlere etkiyen eksenel kuvvetlerin artmasına sebebiyet verdiği, temel zemininin elastisite modülündeki değişimin sistemdeki maksimum deplasmanda ve şeritlere etkiyen eksenel kuvvetlerde büyük değişiklikler ortaya çıkarmadığı, palye mesafesindeki artışın ise sistemdeki deplasmanların ve şeritlere etkiyen eksenel kuvvetlerin azalmasına sebebiyet verdiği tespit edilmiştir.
Kazıklarla desteklenen kohezyonsuz zemin sonlu şevlerin üç boyutlu numerik analizi
Bu çalışmada, kazıklarla desteklenen kohezyonsuz zemin sonlu şevlerinin güvenlik sayıları sayısal olarak analiz edilmiştir. Sayısal analizlerin yapılabilmesi için sonlu elemanlar yöntemi ile üç boyutlu çözüm yapan bilgisayar programı kullanılmıştır. Bu amaçla farklı rölatif sıkılıklara (Dr) sahip olarak modellenmiş kohezyonsuz (granüler) zemin ortamlarında, farklı açılarda yapay olarak şevler oluşturulmuştur. İlk olarak oluşturulan bu şevlerin güvenlik sayıları analiz edilmiştir. Sonrasında uygun şev eğimlerinde tek sıra kazıklı durum için; sıkılık derecesi, kazık çapı, tek sıra kazıkların konumları parametrelerinin güvenlik sayılarına etkileri incelenmiştir. Ardından uygun şev eğimi ve uygun kazık konumunda çift sıra olarak imal edilecek kazıklar için; sıkılık derecesi ve kazık başlığı genişliği parametrelerinin güvenlik sayılarına etkisi incelenmiştir. Yapılan sayısal analizlerden elde edilen bulgular neticesinde geoteknik mühendisliği için tasarıma yönelik sonuçlar elde edilmiştir. Aynı şev eğimi ve rölatif sıkılıktaki zeminlerin, kazık sayısı tek sıra ile aynı olan çift sıra kazıklarla desteklenen zeminlerin güvenlik sayısı tek sıra kazıkların güvenlik sayısından daha fazla olduğu belirlenmiştir.
Statik yükler etkisindeki ağırlık tipi harçlı moloz taş dayanma duvarlarının optimizasyonu
Bu çalışmada; ağırlık tipi harçlı molozdan imal edilen 3-10 m yüksekliklerdeki dayanma duvarlarının, aktif toprak basıncı etkisindeki optimum kesitlerini bulmak için bir optimizasyon problemi geliştirilmiş ve bu problem MATLAB derleyicisinde yazılan bir program ile çözülmüştür. Çalışmaya öncelikli olarak piyasada imalatı yapılan ve Kamu kurumları tarafından kullanılan taş duvar tip kesitlerinin geometrisini tanımlayan tasarım değişkenlerinin belirlenmesi ile başlanmıştır. Duvar enkesit alanı hedef fonksiyonu olarak seçilmiş ve tasarım değişkenleri, tip kesitin kenar uzunluklarından oluşturulmuştur. Kısıt fonksiyonları; dış stabilite tahkikleri (devrilme, kayma ve taşıma gücü), konstrüktif ve matematiksel kurallardan türetilmiştir. Farklı tip zeminlerin optimum kesite etkisini irdelemek için içsel sürtünme açıları; 20°, 30° ve 40° şeklinde girilmiş ve aktif zemin itkisi Coulomb Teorisiyle belirlenmiştir. Diğer zemin ve duvar özellikleri sabit tutulup, farklı yükseklikler ve içsel sürtünme açılarının optimum kesite etkisi araştırılmış ve tasarım değişkenlerinin, hedef fonksiyonun ve kısıtların değerleri 'active-set' algoritması kullanılarak bulunmuştur. Böylece, optimum duvar enkesitleri belirlenmiş ve optimum enkesit alanları hesaplanmıştır. Aynı duvar yüksekliği ve zemin özellikleri için, yaygın kullanılan klasik enkesit ile bu çalışmada elde edilen optimum enkesit karşılaştırılmış ve optimum enkesite ait alanın klasik enkesitli duvar alanından daha düşük olduğu görülmüştür. Sonuç olarak hedef fonksiyonun minimizasyonu sağlanmış ve daha ekonomik duvarların imal edilebileceği saptanmıştır.
Kum zeminde yatay yüke maruz kalan serbest başlı kazıklarda kazıklar arası etkileşim
Kazıklar ve kazıklı temeller yapı yüklerini zemin veya kaya ortamının derin tabakalarına aktarmak için kullanılmaktadır. Kazıklar düşey ve eğik yüklendikleri gibi yatay yüklere de maruz kalmaktadır. Yatay yükler; deprem kuvvetleri, toprak basınçları, rüzgar yükleri, dalga kuvvetleri gibi nedenlerden kaynaklanabilmektedir. Bu çalışmada, kum zeminde gömülü yatay yüke maruz serbest başlı kazıklar arası etkileşim deneysel ve sonlu elemanlar yöntemiyle nümerik olarak incelenmiştir. Deneysel çalışmada, düşey olarak kum zemine gömülü tek kazık ve kazıklar arası mesafe 5D, 3D ve D olan kazıklara yatay yükler uygulanmıştır. Deneylerde, tamamı kum zemine gömülü olan kazıklara yatay yükler zemin yüzeyinde etkitilmiştir. Hem gevşek hem de sıkı kum zeminde gerçekleşen deneylerde D=0.05 m çapa sahip L/D=10 ve L/D=20 oranlarında kazıklar kullanılmıştır. Deneylerden elde edilen sonuçlar, Plaxis 3D programından elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılarak malzeme modeli parametreleri optimize edilmiştir. Deney düzeneğinin sonlu elemanlar modelinde kullanılan zemin ve kazık malzeme modeli özellikleri ile büyük çaplı kazıkların etkileşimini araştırmak için parametrik çalışmalar yapılmıştır. Sonuç olarak rölatif sıkılığının serbest başlı düşey kazıklar arası etkileşim üzerinde önemli etkiye sahip olduğu görüldü. Ayrıca, kazıklar arası etkileşimin kazık uzunluğunun artışıyla azaldığı belirlendi.