Geotechnical risk assessment for buildings adjacent to deep excavations
Derin kazılara komşu yapılar için geoteknik risk analizleri
- Tez No: 323935
- Danışmanlar: PROF. DR. DERİN URAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2012
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
?Proje sırasında hangi riskler oluşabilir?, ?Bunlar sistemi nasıl etkiler? (Sonuçları nelerdir?) ve Nasıl engellenebilirler?? gibi sorular bir projeye başlamadan once sorulması gereken ana sorulardır. Genel olarak risk, insan hayatı, mülk ve çevre üzerinde kötü etki ile sonuçlanacak olan, sistemin göçme ihtimalidir. Mühendislik sistemlerinde, risk yapılarda çatlakların oluşması, bazı bölümlerin servis veremez hale gelmesi ve hatta tüm sistemin göçmesi olarak değerlendirilebilir. Geoteknik mühendisliğinde, bu durum, toprak basınçlarının veya taşıma kapasitesinin aşılması, limit durumlara ulaşılması, hizmet verememe veya sistemin para ve mal kaybına neden olacak şekilde göçmesi olarak tanımlanabilecektir.Risk tahminleri ve güvenilirlik analizleri birçok mühendislik projesinde uygulanabilir. Korozyona karşı bir binanın güvenilirliği, beton dökümünde kötü işçilik, uzay gemisinin kaplama malzemesinin atmosfere girişteki sürtünmeye karşı güvenilirliği gibi konular güvenilirlik analizlerini gerektirebilir. Diğer yandan, geoteknik mühendisliği, çeşitli jeolojik süreçlerle oluşmuş doğaya karşı çalışmaktadır ki bu kazanılması imkansız bir savaştır. Ancak, projeye başlamadan önce risklerin belirlenmesi, müteahhide, işverene ve mühendise nedenleri anlayabilmek ve sonuçları en aza indirebilmek, insan hayatı için tehlike olmaktan çıkarabilmek için fırsat verecektir.Riskin belirlenebilmesi için çeşitli yöntemler vardır. Bunlar, birinci derece güvenilirlik metodu (FORM), ikinci derece güvenilirlik metodu (SORM), ortalama değer birinci derece ikincil moment metodu, Monte Carlo metodu (MC), vd.Bir sistemin güvenilirliği hem ayrı ayrı elemanlarının hem de bir bütün olarak tüm sistemin güvenilirliğine bağlıdır. Blok diyagramı, hata ağacı metodu, başarı ağacı metodu, olay ağacı metodu, ana neden diyagramı metodu gibi modelleme şemaları ile sistem bir bütün olarak ele alınabilir. Ve bu sayede sistemi etkileyen tüm elemanların birbirleri ile bağlantıları da tanımlanarak sistem güvenilirliği hesaplanabilir. Bu araştırmada hata ağacı şeması kullanılarak sistemde göçmeye neden olabilecek elemanlar belirlenmiş ve derin kazı sisteminin göçme ihtimali hesaplanmıştır.Literatürde, araştırmacılar genelde şev kaymalarının ve deprem etkilerinin risk analizlerine odaklanmışlardır. Bazıları genel metotları kullanırken bazıları da kendi metodlarını oluşturmuştur. Hepsinin ortak noktası, sistemlerindeki belirsizlikleri ortaya çıkarmak, bu belirsizliklere bağlı riskleri tahmin etmek ve şev, bina, istinat duvarı gibi sistemlerin güvenilirliğini hesaplamak olmuştur.Geoteknilk mühendisliği projelerinde çeşitlilik ve belirsizlikler, temellerin oturması, şev stabilitesi problemleri, barajların performansı ve derin kazılar, mühendislerin analizleri yaptıkları başlıca konular olmuşlardır. Örneğin, Peck (1969) derin kazılarda oluşan deplasmanları incelemiştir. Bu çalışmasında, iksa sistemindeki deformasyonların değerini belirleyen en önemli faktörün; iksa sisteminin rijitliği ya da yatay desteklerin arasındaki mesafe değil sistemi çevreleyen zeminin özellikleri olduğunu savunur. Deplasmanları zemin cinsine göre sınıflandırır. Aynı şekilde, Clough ve O'Rourke (1990), Liu et al. (2005), Roboski et al. (2006) ve Park et al. (2007), derin kazıların güvenilirliği üzerine çalışan diğer araştırmacılardan sadece birkaçıdır.Bu tezdeki araştırmanın amacı da derin bir kazının yapılabilmesi için inşa edilen bir iksa sisteminin güvenilirliğinin, zemin parametrelerindeki değişime bağlı olarak araştırılmasıdır. Bu yapılırken, iksa sistemine komşu yapıların oturmasına bağlı olarak sistem güvenliği tartışılmış ve yüzeydeki oturma ve iksa sistemindeki yatay deplasmanlar ile sistem güvenliği arasında bir bağlantı kurulmaya çalışılmıştır. Bu amaçla, bir demir çelik tesisi kapsamında kazısı gerçekleştirilen 24.0m genişliğinde, 40.0m uzunluğunda, 13.0m derinliğinde bir tufal çukurunun kazısı detaylı aletsel gözlem altına alınmıştır. Sistem, kazının başından son yatay desteğin demonte edilmesine, yapının inşasına kadar izlenmiş ve aletsel gözlem sonuçları kaydedilmiştir. Ölçülen ve hesaplanan yatay deplasman, oturma ve boru destek yükleri karşılaştırılarak sonlu elemanlar modelinin doğruluğu kanıtlanmıştır.İksa sistemi ilk olarak kazı öncesinde sahada yapılan arazi araştırmaları sırasında belirlenen zemin profili esas alınarak modellenmiş ve boyutlandırılmıştır. Daha sonra, kazı sırasında alınan zemin örnekleri üzerinde yapılan laboratuar çalışmaları sonucunda elde edilen zemin parametreleri ile sistem yeniden modellenmiş ve her iki analizle elde edilen deplasmanlar ve toprak basınçları, hem birbirleri ile hem de aletsel gözlem sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonuçları, kazı sırasında alınan numuneler ile belirlenen zemin modeli esas alınarak yapılan modelleme sonuçlarında elde edilen hareketlerin daha gerçekçi sonuçlar verdiğini ve gözlemlenen deplasmanlar ve yatay toprak basınçları ile aynı olduğunu göstermiştir.Söz konusu doğrulamayı takiben, zemin profili güncel verilere göre idealize edilmiş ve sonlu elemanlar modeli ile modellenmiştir. Sonlu elemanlar analizlerinde kullanmak için gerekli olan parametre varyasyonları, Schweiger et al. (2001) tarafından geliştirilen nokta tahmin yöntemi (PEM) kullanılarak türetilmiştir. İksa sistemindeki yatay deplasmanları ve gerisindeki oturmaları hesaplayabilmek ve zemin parametrelerindeki değişimin deplasmanlara etkisini belirleyebilmek için 132 adet sonlu elemanlar analizi yapılmıştır. Sahada yapılan ölçümlere ve literatürdeki verilere dayanılarak servis limit durumu için analiz edilen geçici iksa sistemi için hedef güvenilirlik indisi ( ? ) 2.2 olarak seçilmiştir. Güvenilirlik analizleri sırasında Southwest Araştırma Enstitüsü tarafından geliştirilmiş olan NESSUS programı kullanılmıştır.Yapılan araştırmalar sonucunda aşağıdaki sonuçlara varılmıştır:?Duvar rijitliğinin arttırılması genelde sistemdeki hareketleri azaltmaya yardımcı olsa da, bu durum daha çok yumuşak-orta katı killi zeminlerde etkili olmaktadır. Diğer yandan, yatay desteklerin aralıkları kademe kazılarının derinliğini belirledikleri için duvar rijitliğinden daha öenemli ve etkili olmaktadır. Zira, yatay desteklerin düşey aralıkları arttıkça, kazdeme kazılarının derinlikleri ve buna bağlı olarak kademe kazısı sırasında oluşan ve geri döndürülemeyen hareketler artmaktadır.?Yatay borular ile desteklenmiş kazıklarda oluşan yatay hareketler, kademe kazıları sırasında oluşmaktadır. Buna bağlı olarak, iksa sistemi arkasındaki oturmalar hiperbolik şekilde oluşur. Oturmalar, iksadan uzaklıkla önce artarken, maksimum kazı derinliğinin iki katı uzaklıkta sıfırlanmaktadır.?? ve c'nin orijinal varyasyon katsayıları (VK) ile değişmeleri sistem hareketlerinde yeterli etkiyi yaratmamaktadır. Öte yandan, ? ve c ve onlara bağlı olarak E'nin literatürdeki maksimum VK'larında değişmesi, sahadaki jeolojik profilin uç noktalarda değişmesi ya da zemin parametrelerinin yanlış belirlenmiş olması durumlarında, sistemdeki hareketlerin ve sistem güvenilirliğinin parametre değişimlerinden nasıl etkilendiğinin anlaşılmasına yardımcı olmuştur.?Schweiger ve diğerleri (2001) tarafından geliştirilen nokta tahmin yönteminin (PEM) sonlu elemanlar analizleri ile birlikte kullanılması, eldeki verilerin az olması durumunda az sayıda analiz yapılarak güvenilir sonuçlar elde edilmesini sağlamaktadır.?Sahada yapılan aletsel gözlemler sırasında alınan oturma kolonu ve inklinometre okumaları oranlandığında yatay deplasman/ oturma oranı Sv(max) = 0.25Sh(max) ve Sv(max) = 0.5Sh(max) arasında çıkar. Bu orani Mana ve Clough (1981)'de Sv(max) = 0.5Sh(max) ve Sv(max) = Sh(max) arasındadır. Muhtemelen kazının boyutlarının küçük olması ve iksa sistemi arkasındaki zemin profilinin katı kıvamda olması nedeni ile hareketler az olmuştur.?Sonlu elemanlar analizleri sırasında elde edilen yatay deplasman ve oturma değerleri maksimum kazı derinliğinin sırasıyla %0.1 ve %0.3'ünden daha azdır ve 0.4Sh<Sv<1.0Sh oranını oluşturmaktadır.?Derin kazıların geçici iksa sistemleri için hedef güvenilirlik 2.2 olarak seçilebilecektir. Bu %1.1 göçme olasılığına tekabül etmektedir.?Zemin tabakalarının orijinal VK ile yapılan hesaplarında, elastisite modülünün alt ve üst sınırlarında sistem güvenliği hedef güvenilirlikten büyüktür. Ancak, VK'nın maksimum değerde olması durumunda elastisite modülünün alt sınırı ile yapılan hesaplarda sistem hedef güvenilirliğin altında güvenilirlik vermektedir. Bunun nedeni, zemin parametrelerindeki dalgalanmaların VK maksimum olduğunda sınırda değişmesi ve E'nin de alt sınırda hesaplanması ile sistemdeki etkinin katlanmasıdır.?VK'nın maksimum olduğu durumda E'nin üst sınırda hesaplanması ile orijinal VK ile E'nin üst sınırında hesap yapılması arasında keskin bir fark vardır. Bunun nedeni, VK maksimum ile zemin parametrelerindeki değişimin, dalgalanmanın artması, sistemdeki belirsizliklerin artmasına ve buna bağlı olarak da sistemin güvenilirliğinin azalmasına neden olmasıdır.?Sh ve Sv üzerinden ayrı ayrı hesaplanan güvenilirlik ile sistem güvenilirliği karşılaştırıldığında, sistem güvenilirliğinde Sv etken parametre olduğu ve sistemin, VK'nın maksimum ve E'nin alt sınırı ile yapılan hesaplarda zayıf olduğu görülecektir.?Sistem üzerinde en etkili parametrenin belirlenebilmesi için VIPlaxis 9.2 ile hassaslık analizleri yapılmıştır. Değişik parametre varyasyonları ile yapılan analizlerin sonucunda, zeminde en etkili parametrenin Elastisite Modülü (E) olduğu görülmüştür. Sistemde yatay deplasmanlar üzerinde en etkili E, %40-50 hassaslıkla, orta katı kilin E'sidir. Oturmalar için de yine en etkili parametre, kabarmanın oluştuğu mesafelerde orta katı kilin E'si iken oturmaların oluştuğu 0.75Hmax mesafeden sonra sıkı kum-çakıl tabakasının E'sidir.?Yumuşak killi zemin koşullarında, maksimum kazı derinliğine ulaşıldığında yatay deplasmanlar %1.5Hmax değerini alırken, oturmalar %1.2Hmax değerindedir.?Yumuşak killi zemin koşullarında, sistem güvenilirliği hedef güvenilirliğin altındadır ve sistemin göçme ihtimali %90 civarındadır. Bu gibi yumuşak zemin koşullarında, sistemin rijitliği arttırılmalı ve yatay destek aralıkları hem yatayda hem de düşeyde azaltılmalıdır. Sonlu elemanlar analizlerinden de söyleyebileceğimiz gibi, kazıkların önü, soketten açmanın ve kabarmanın önlenmesi için kazı tabanının altında güçlendirilmelidir.?Güvenilirlik analizlerinde oturma, yatay deplasman, açısal dönme, üst yapıdaki çatlakların genişlikleri gibi limit değerler, projeden projeye hatta standartlarca belirlenen değerler altında kalmak şartı ile İşveren'den İşveren'e bile değişebilmektedir. Sistem güvenilirliğini etkileyen bu tip limit değerler, projenin başında titizlikle belirlenmelidir. Zira, bu değerler güvenilirlik koşullarını etkilemekte ve sistemin güvenilir veya güvenilmez olduğunu belirlemektedir.
Özet (Çeviri)
?Which risks may appear during the project?, ?How do they affect the system? (What are the results?) and How they can be prevented?? are the main questions to be asked before starting a project. As a general definition; risk is the probability of failure on the system resulting with adverse effects on health, property and environment. Risk in engineering systems may manifest itself to cracks on the structure, cause non-serviceability in some parts and even collapse of the whole system. In geotechnical engineering, risk can be explained as exceeding the earth pressures and/or bearing capacity, exceeding any limit state, losing the serviceability or collapse in the system, causing loss of money or even life.Risk assessment and reliability analyses may be applied to any engineering projects. Reliability of a building against corrosion, poor workmanship in pouring concrete, reliability of the cover material of a spaceship against friction during atmospheric action may be subjects for reliability analyses. On the other hand, geotechnical engineers deal with earth, which is formed by various geologic processes that is impossible to ?win against?. However, determining the risks before starting a project can give the contractor, the employer and the engineer/consultant, the opportunity to understand the reasons and get measures to prevent the system at least from a collapse and loss of life.There are several methods to estimate the risk or the probability of failure such as; first order reliability method (FORM), second order reliability method (SORM), Mean value first order second moment method, the Radius-based Importance Sampling (ISAMF), Adaptive Importance Sampling (AIS), Monte Carlo method (MCS), and etc.Reliability of a system depends on the reliability of its individual elements and the reliability of the combination as a whole. Modeling schemes for reliability analysis for a system, such as reliability block diagram, fault tree, success tree, event tree methods, failure mode and effect analysis; and master logic diagram can be created. Fault tree analyses has been used in this research in order to determine elements cause failure and identify the probability of failure of the whole retaining system of the deep excavation.In literature, researchers are generally focused on the risk assessment of slopes and earthquake (seismic) effects. Some of them used common reliability methods, some created their own methods. The common aim of all projects is to determine the uncertainties, assess the risk due to these uncertainties, and find the reliability of the system, such as the slope, building, retaining structure for an excavation, etc. Variability and uncertainty in geotechnical engineering projects, settlement of foundations, stability of slopes, and performance of dams, off-shore platforms, and deep excavations are the main topics subjected to reliability analyses. For example, Peck has investigated deformations of deep excavations and stands for the idea that the most effective factor that affects deformations on retaining structures is neither the rigidity of the structure nor the distance between lateral supports, but is the property of the soil surrounding the system. He classifies the displacements and settlements due to soil type. Clough and O?Rourke (1990), Liu et al. (2005), Roboski et al. (2006) and Park et al. (2007) are some of following researches studied on deep excavations and their reliability.Performance of deep excavations is the main subject of this research. Determination of the effect of parameter variations on the reliability of a retaining system for deep excavations has been targeted. The reliability of the system has been investigated considering the settlement of neighboring structures. A correlation between the settlement of adjacent structures and the excavation system reliability has been examined.For this purpose, a detailed monitoring has been conducted on a 24m wide, 40m long and 13.0m deep scale pit excavation in a steel complex and the excavation has been monitored from the beginning till the last level of the struts have been removed. The measured and predicted horizontal and vertical displacements and pipe loads are compared to verify the model accuracy.The system was first modeled with the parameters obtained from soil borings during site investigations at the beginning of the project. Then the soil parameters obtained from the tests during excavation of the scale pit has been used to model the system and the results of these two FE models were compared to the monitoring readings taken during excavation and construction of the structure inside. The comparing results showed that the predicted results from the model using soil parameters obtained during excavation give more accurate results and similar deformations are gained with the monitoring results.Following this verification, the soil profile has been idealized and the system has been modeled again in this soil profile. For the FE analysis the soil profile has been varied by the soil parameters created by point estimate method (PEM), suggested by Schweiger et al. (2001). 132 analysis were performed in order to determine the lateral displacement of the retaining structure and settlement behind it and analyze the effect of soil parameter variations on the system reliability. The target reliability index ( ? ) has been established as 2.2 according to the monitoring results and data in literature for service limit state. NESSUS software, which was developed by Southwest Research Institute, was used for reliability analysis.Depending on the analyses the results below have been obtained:?Increasing wall stiffness tends to reduce system movements, but this is most effective in soft to medium clays. On the other hand, support spacing is more important than wall stiffness in defining system stiffness and helping control movements. It is important because movements in strutted systems occur just after excavation phase and cannot be reduced after placement of struts.?Horizontal displacements on piles of excavations, which are laterally supported with struts, occur at the excavation stage at the excavation level. Thus, the settlement behind the retaining system occurs in a hyperbolic shape. The settlement increases with distance from excavation at first and lasts at a distance of twice the maximum excavation depth.?The variation in ? and c with the calculated coefficient of variation (COV) of the parameters is not that effective on the probability of failure of the system. Changing the ? and c and E with the maximum COV in the literature, which represents the case that the geological profile in the field vary on the edge or the soil parameters may be incorrect, helped to understand the effect of parameter fluctuations on the system displacement and reliability.?Using point estimate method (PEM), developed by Schweiger et al. (2001), in combination with finite element analysis can help reducing budget of site investigations by creating realistic artificial models, reducing time for modeling, and can allow optimal decisions with less certainty in the properties of the layers in the soil profile.?The magnetic column readings at the site confirmed that the ground movement lie in between Sv(max) = 0.25Sh(max) and Sv(max) = 0.5Sh(max) for the soil profile of Scale Pit, while it is Sv(max) = 0.5Sh(max) and Sv(max) = Sh(max) according to Mana and Clough (1981). The ground movements are substantially small because of the dimensions of the excavation is small and the soil profile behind the retaining system is stiff.?The horizontal displacements and settlements conducted during analyses are less than 0.1% and 0.3% of the maximum excavation depth, respectively and are related with a ratio of 0.4Sh<Sv<1.0Sh. While, the same range was obtained as 0.25Sh< Sv < 0.5Sh, during the measurements on the site.?For temporary retaining systems of deep excavations target reliability index may be chosen as 2.2, which allows a 1.1% probability of failure in the system.?It can be said that the reliability of the system is over target reliability, where soil parameters vary at lower and upper limits of E. However, the reliability of the system is under target reliability when COV is maximum with lower limit of E. This is because; fluctuations in the soil parameters vary on the edges and its affect doubles when E is also in the lower limits.?When the reliabilities due to Sh and Sv have been compared to the reliability of the system, it is clear that Sv is the significant criteria for the system reliability and system is weak when the lower limit of E is chosen while the COV of soil parameters is at maximum.?When E is calculated with its upper limits and average COV the system becomes over reliable. When it is calculated with COV max in the literature, the reliability decreases sharply. This is because the uncertainties in the system increases sharply, as the fluctuations, variations in the soil conditions and soil parameters increase, causing the reliability of the parameters and system to decrease.?In order to determine the most effective soil parameter on the system deformations, sensitivity analyses were performed by using VIPlaxis 9.2 software. The results of the analyses with different variations of soil parameters also showed that the most important soil parameter is the Young?s Modulus, E. The most sensitive E is the Medium Stiff Silty Clay?s, with an average 40-50% sensitivity, on the horizontal displacements on the pile. For vertical displacements behind the retaining system we can also say that E of medium stiff silty clay is most effective for the distances where heave occurs and E of dense sand-gravel layer is effective at the distance far from 0.75Hmax from the system where settlement occurs.?In soft clay conditions the horizontal movements tend to average about 1.5% of maximum excavation depth, Hmax and vertical movements about 1.2% of Hmax, when reached to maximum excavation depth.?The reliability of the system in soft clay, is under target reliability and probability of failure of the system is about 90%, depending on the soft soil conditions and low, c and E values. For such soft clay conditions, rigidity of the system should be increased and the strut spacing should be closer at the horizontal and vertical directions. Also, from the FE analyses diagrams, we can say that the base of the excavation in front of the piles should be strengthened against heave and opening in the socket of the pile.?Limit conditions, such as settlement, horizontal displacement, angular distortion limits for retaining walls or crack width limits for superstructures may be differ from site to site and even from employer to employer, of course to be under limits that are specified by the standards. The limit values for each element affecting the system reliability should be determined precisely before starting the design. This is because the limit values affect the reliability conditions and systems are specified as reliable or unreliable due to those limits.
Benzer Tezler
- Mevcut betonarme yapıların deprem güvenliğinin incelenmesindeki teknikler ve beton dayanımının belirlenmesi
Techniques for seismic safety evaluation and determination concrete strenght of existing reinforced concrete buildings
GÖKHAN KÜRKLÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
İnşaat MühendisliğiAfyon Kocatepe ÜniversitesiYapı Eğitimi Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. ALİ ERGÜN
- Kent planlama çalışmalarında jeofizik ve geoteknik faktörlerin birlikte kullanımı
Integrated use of the geophysical and geotechnical faktors in urban planning
GÜLDANE BOYRAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Jeofizik Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiJeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. FERHAT ÖZÇEP
- ITE doğal gaz boru hattı projesi Erzurum ili bölgesinde deprem hasar analizi çalışması
Analaysing eartquake damage on ITE natural gas pipeline project in Erzurum district
ŞENNUR HAZAL ŞENER
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik ÜniversitesiGeomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HİMMET KARAMAN
- İncirli-Bakırköy IDO istasyonları arasındaki metro tüneli etki alanının belirlenmesi ve olası yüzey oturma miktarlarının saptanması
Determination of the influence area and possible settlement amounts of the metro tunnel between İncirli- Bakırköy İDO stations
SERPİL KARAKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Jeoloji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiJeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ENVER VURAL YAVUZ