T.C.

SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

TÜRKİYE’DEKİ MEVCUT KEMER BARAJLARIN DEPREM

ETKİSİNDEKİ DAVRANIŞLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ

VE GÜÇLENDİRİLMESİ

Asuman Işıl ÇARHOĞLU

Danışman: Doç. Dr. Kasım Armağan KORKMAZ

DOKTORA TEZİ

İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI

ISPARTA – 2011

i

ĠÇĠNDEKĠLER

ĠÇĠNDEKĠLER ............................................................................................................. i ÖZET .......................................................................................................................... iv

ABSTRACT ................................................................................................................ vi ÖNSÖZ ve TEġEKKÜR ........................................................................................... viii SĠMGELER DĠZĠNĠ ................................................................................................... ix ġEKĠLLER DĠZĠNĠ..................................................................................................... xi TABLO DĠZĠNĠ ......................................................................................................... xv

1. GĠRĠġ ....................................................................................................................... 1

1.1. Kemer Barajların Genel Özellikleri .................................................................. 2

1.2. Kemer Baraj Geometrisi ................................................................................... 5 1.3. Kemer Barajlara Etki Eden Kuvvetler .............................................................. 7 1.4. Yapı Zemin EtkileĢimi ...................................................................................... 9 1.5. Statik ve Dinamik EtkileĢim ........................................................................... 11

2. KONU ĠLE ĠLGĠLĠ YAPILMIġ ÇALIġMALAR ................................................. 12

3. MATERYAL VE METOD .................................................................................... 29 3.1. Sonlu Elemanlar Yöntemi ............................................................................... 29

3.1.1. Eleman matrislerinin çıkarılması ............................................................. 32 3.1.2. Rijitlik matrisi .......................................................................................... 33

3.1.3. Sönüm matrisi .......................................................................................... 41

3.1.4. Kütle matrisi ............................................................................................. 42 3.2. Barajların Sonlu Elemanlar Yöntemiyle Analizi ............................................ 45 3.3. Ġncelenen Barajların Yapısal Özellikleri ......................................................... 46

3.3.1. Gökçekaya Barajı ..................................................................................... 48 3.3.2. Oymapınar Barajı ..................................................................................... 48

3.3.3. Karakaya Barajı ........................................................................................ 49 3.3.4. Gezende Barajı ......................................................................................... 49 3.3.5. Sır Barajı .................................................................................................. 50

3.3.6. Berke Barajı ............................................................................................. 50 3.3.7. Deriner Barajı ........................................................................................... 51 3.3.8. Ermenek Barajı......................................................................................... 51

4. BARAJ REZERVUAR SĠSTEMĠNĠN DĠNAMĠK ANALĠZĠ .............................. 52

4.1. Barajların Dinamik Analizi ............................................................................. 52

4.2. Adım Adım Çözüm Yöntemleri ...................................................................... 52 4.3. Barajların Sonlu Elemanlar ile Modellemeleri ............................................... 59

4.3.1. Gökçekaya Barajı ..................................................................................... 59 4.3.2. Oymapınar Barajı ..................................................................................... 60 4.3.3. Karakaya Barajı ........................................................................................ 61

4.3.4. Gezende Barajı ......................................................................................... 62 4.3.5. Sır Barajı .................................................................................................. 63

4.3.6. Berke Barajı ............................................................................................. 64 4.3.7. Ermenek Barajı......................................................................................... 65 4.3.8. Deriner Barajı ........................................................................................... 66

5. BARAJ REZERVUAR ZEMĠN ETKĠLEġĠMĠ ..................................................... 67 5.1. Gökçekaya Barajı Yapı Zemin Sistemi ........................................................... 69

5.2. Oymapınar Barajı Yapı Zemin Sistemi ........................................................... 70 5.3. Karakaya Barajı Yapı Zemin Sistemi ............................................................. 71

ii

5.4. Gezende Barajı Yapı Zemin Sistemi ............................................................... 72

5.5. Sır Barajı Yapı Zemin Sistemi ........................................................................ 73 5.6. Berke Barajı Yapı Zemin Sistemi ................................................................... 74 5.7. Ermenek Barajı Yapı Zemin Sistemi .............................................................. 75 5.8. Deriner Barajı Yapı Zemin Sistemi................................................................. 76

6. OLASILIKLI SĠSMĠK DEĞERLENDĠRME ........................................................ 77

6.1. Olasılıklı Sismik Analiz .................................................................................. 77 6.2. Sismik Hasar Eğrileri ...................................................................................... 79 6.3. Risk Seviyeleri ................................................................................................ 81 6.4. Kırılganlık Analizleri ...................................................................................... 83 6.5. Barajların Olasılıklı Sismik Analizleri ............................................................ 87

7. BARAJLARIN GÜÇLENDĠRĠLMESĠ ................................................................. 89 8. ARAġTIRMA VE BULGULAR ........................................................................... 98

8.1. Mod ġekillerinin KarĢılaĢtırılması .................................................................. 98

8.1.1. Gökçekaya Barajı‟nın mod Ģekillerinin karĢılaĢtırılması ......................... 99 8.1.2. Oymapınar Barajı‟nın mod Ģekillerinin karĢılaĢtırılması ......................... 99 8.1.3. Karakaya Barajı‟nın mod Ģekillerinin karĢılaĢtırılması.......................... 100 8.1.4. Gezende Barajı‟nın mod Ģekillerinin karĢılaĢtırılması ........................... 100

8.1.5. Sır Barajı‟nın mod Ģekillerinin karĢılaĢtırılması .................................... 101 8.1.6. Berke Barajı‟nın mod Ģekillerinin karĢılaĢtırılması ............................... 101

8.1.7. Ermenek Barajı‟nın mod Ģekillerinin karĢılaĢtırılması .......................... 102 8.1.8. Deriner Barajı‟nın mod Ģekillerinin karĢılaĢtırılması ............................. 102

8.2. Yer DeğiĢtirme Değerlerinin KarĢılaĢtırılması ............................................. 103 8.2.1. Gökçekaya Barajı‟nın yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ...... 103

8.2.2. Oymapınar Barajı‟nın yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ...... 105 8.2.3. Karakaya Barajı‟nın yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ........ 107 8.2.4. Gezende Barajı‟nın yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması .......... 109

8.2.5. Sır Barajı‟nın yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ................... 111 8.2.6. Berke Barajı‟nın yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması .............. 114 8.2.7. Ermenek Barajı‟nın yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ......... 116

8.2.8. Deriner Barajı‟nın yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ........... 118

8.3. Gerilme Değerlerinin KarĢılaĢtırılması ......................................................... 120 8.3.1. Gökçekaya Barajı gövdesindeki gerilme değerlerinin karĢılaĢtırılması. 120

8.3.2. Oymapınar Barajı gövdesindeki gerilme değerlerinin karĢılaĢtırılması. 123 8.3.3. Karakaya Barajı gövdesindeki gerilme değerlerinin karĢılaĢtırılması .. 126 8.3.4. Gezende Barajı gövdesindeki gerilme değerlerinin karĢılaĢtırılması..... 129 8.3.5. Sır Barajı gövdesindeki gerilme değerlerinin karĢılaĢtırılması .............. 132 8.3.6. Berke Barajı gövdesindeki gerilme değerlerinin karĢılaĢtırılması ......... 135

8.3.7. Ermenek Barajı gövdesindeki gerilme değerlerinin karĢılaĢtırılması .... 138 8.3.8. Deriner Barajı gövdesindeki gerilme değerlerinin karĢılaĢtırılması ...... 141

8.4. Taban Kesme Kuvvetlerinin KarĢılaĢtırılması .............................................. 144 8.4.1. Gökçekaya Barajı taban kesme kuvveti değerlerinin karĢılaĢtırılması .. 144 8.4.2. Oymapınar Barajı taban kesme kuvveti değerlerinin karĢılaĢtırılması .. 145

8.4.3. Karakaya Barajı taban kesme kuvveti değerlerinin karĢılaĢtırılması ..... 146 8.4.4. Gezende Barajı taban kesme kuvveti değerlerinin karĢılaĢtırılması ...... 147

8.4.5. Sır Barajı taban kesme kuvveti değerlerinin karĢılaĢtırılması................ 148 8.4.6. Berke Barajı taban kesme kuvveti değerlerinin karĢılaĢtırılması ........... 149 8.4.7. Ermenek Barajı taban kesme kuvveti değerlerinin karĢılaĢtırılması ...... 150

iii

8.4.8. Deriner Barajı taban kesme kuvveti değerlerinin karĢılaĢtırılması ........ 151

8.5. Yük-Yer DeğiĢtirme Değerlerinin KarĢılaĢtırılması ..................................... 152 8.5.1. Gökçekaya Barajı yük-yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ..... 152 8.5.2. Oymapınar Barajı yük-yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ..... 154 8.5.3. Karakaya Barajı yük-yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ....... 156 8.5.4. Gezende Barajı yük-yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ......... 158

8.5.5. Sır Barajı yük-yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması .................. 160 8.5.6. Berke Barajı yük-yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ............. 162 8.5.7. Ermenek Barajı yük-yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması ........ 164 8.5.8. Deriner Barajı yük-yer değiĢtirme değerlerinin karĢılaĢtırılması .......... 166

8.6. ANSYS ile SAP 2000 analizlerinin karĢılaĢtırılması .................................... 168

8.7. Yapı Zemin Sıvı EtkileĢimi ........................................................................... 169 8.7.1 Mod ġekillerinin KarĢılaĢtırılması .......................................................... 170 8.7.2. Yer DeğiĢtirme Değerlerinin KarĢılaĢtırılması ...................................... 174

8.7.3. Gerilme Değerlerinin KarĢılaĢtırılması .................................................. 178 8.8. Barajların Olasılıklı Sismik Değerlendirmesi ............................................... 190 8.9. Barajların Güçlendirme Analizi Sonuçlarının Değerlendirilmesi ................. 195

8.9.1. Gökçekaya Barajı güçlendirme analizi sonuçları ................................... 195

8.9.2. Oymapınar Barajı güçlendirme analizi sonuçları ................................... 196 8.9.3. Karakaya Barajı güçlendirme analizi sonuçları ..................................... 196

8.9.4. Gezende Barajı güçlendirme analizi sonuçları ....................................... 197 8.9.5. Berke Barajı güçlendirme analizi sonuçları ........................................... 197

8.9.6. Sır Barajı güçlendirme analizi sonuçları ................................................ 198 8.9.7. Ermenek Barajı güçlendirme analizi sonuçları ...................................... 198

8.9.8. Deriner Barajı güçlendirme analizi sonuçları ........................................ 199 9. TARTIġMA VE SONUÇLAR ............................................................................ 200 KAYNAKLAR ........................................................................................................ 205

ÖZGEÇMĠġ ............................................................................................................. 218

iv

ÖZET

Doktora Tezi

TÜRKĠYE’DEKĠ MEVCUT KEMER BARAJLARIN DEPREM

ETKĠSĠNDEKĠ DAVRANIġLARININ DEĞERLENDĠRĠLMESĠ VE

GÜÇLENDĠRĠLMESĠ

Asuman IĢıl ÇARHOĞLU

Süleyman Demirel Üniversitesi

Fen Bilimleri Enstitüsü

ĠnĢaat Mühendisliği Anabilim Dalı

DanıĢman: Doç. Dr. Kasım Armağan Korkmaz

Dünyada ve Türkiye‟de baraj güvenliği her geçen gün önem kazanan bir konudur. Bu

konu geçtiğimiz yıllarda yaĢanan depremlerle daha da önemli bir hal almıĢtır. Sismik

olarak hareketli bir bölgede yer alan Türkiye‟de, enerji ihtiyacının karĢılanması ve

gelecek planlaması açısından, barajların, güvenli bir Ģekilde ayakta kalması oldukça

önemlidir. Türkiye, mevcut su potansiyeli ile, çeĢitli bölgelerinde çok sayıda baraj

bulundurmaktadır. Mevcut barajlar; gövde Ģekline göre dolgu barajlar ve beton

barajlar olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Dolgu barajlar; toprak dolgu barajlar, kaya

dolgu barajlar, ön yüzü beton kaplı kaya dolgu barajlardır. Beton barajlar ise; beton

ağırlık barajlar, payandalı beton barajlar, beton kemer barajlar ve silindirle

sıkıĢtırılmıĢ beton barajlardır. Kemer barajlar, mevcut barajlar içinde az sayıda

olmalarına rağmen ekonomik değerleri açısından oldukça önemlidir. Dolayısıyla,

mevcut sismik riske karĢı, ekonomik değerleri olan kemer barajların

değerlendirilmesi ve detaylı bir Ģekilde incelenmesinin gerekliği açıktır.

Bu tez çalıĢmasında, Türkiye‟de 2011 yılı itibarıyla mevcut olan tüm kemer barajlar

ele alınarak, bu barajların sismik risk değerlendirilmesi ve güçlendirilmesi

gerçekleĢtirilmiĢtir. Ġlk olarak, Türkiye‟deki kemer barajlar; Gökçekaya, Karakaya,

Gezende, Sır, Berke, Oymapınar, Ermenek ve Deriner Barajları detaylı olarak

incelenmiĢ ve analiz verileri DSĠ‟den elde edilmiĢtir. Barajlar SAP2000 ve ANSYS

sonlu elemanlar programları kullanılarak katı modelleme ile modellenmiĢ ve zaman

tanım alanında dinamik analizleri gerçekleĢtirilmiĢtir. Her baraja A, B ve C zemin

sınıflarına ait yirmi olmak üzere, toplamda altmıĢ deprem ivme kaydı uygulanmıĢtır.

Barajların boĢ ve dolu durumları için yer değiĢtirme, gerilme ve taban kesme kuvveti

değerleri elde edilerek bu değerler karĢılaĢtırılmıĢtır. Baraj-zemin-rezervuar

sisteminin deprem etkisi altındaki davranıĢlarını incelemek için bu sistemler ele

v

alınmıĢtır. Zeminlerin gerçek malzeme özellikleri programlarda girilerek

modellemeler gerçekleĢtirilmiĢtir. Her model için zaman tanım alanında dinamik

analizler gerçekleĢtirimiĢtir. Ardından, sismik riskin olasılıklı olarak

değerlendirilmesi için, kırılganlık analizleri gerçekleĢtirilmiĢ ve bu analizler

sonucunda elde edilen kırılganlık eğrileriyle barajların sismik riski, olasılıklı olarak

ifade edilmiĢtir. Son olarak, mevcut barajlar için geliĢtirilmiĢ olan uygulanabilir

nitelikte bir güçlendirme yöntemi sunulmuĢtur. Güçlendirme yönteminin etkinliğinin

belirlenmesi amacıyla zaman tanım alanında dinamik analizler gerçekleĢtirilmiĢtir.

Tez çalıĢması, toplamda dokuz bölümden oluĢmaktadır. Ġlk bölüm giriĢ bölümü olup

bu bölümde konunun önemi, gerekli bilgiler, amaç ve kapsam verilmiĢtir. Ġkinci

bölümde literatür taraması gerçekleĢtirilmiĢ ve çalıĢmaya temel olan kaynak özetleri

sunulmuĢtur. Üçüncü bölümde barajlar sırasıyla tanıtılmıĢ ve sonlu elemanlar

yöntemi hesap adımları, yöntem ve analiz kabulleri gösterilmiĢtir. Dördüncü

bölümde, zaman tanım alanı yönteminden bahsedilmiĢ ardından, çalıĢma kapsamında

gerçekleĢtirilen dinamik analiz verilmiĢ ve analizde kullanılan SAP2000 ve ANSYS

programları ile hazırlanan katı modellemeler anlatılmıĢtır. BeĢinci bölümde baraj

rezervuar zemin etkileĢimi sunulmuĢtur. Tüm barajlar, zemin etkileri de dikkate

alınarak modellenmiĢ ve yapı-zemin-rezervuar etkileĢimi irdelenmiĢtir. Altıncı

bölümde barajlara ait olasılıklı sismik riski ifade etmek için kırılganlık analizleri

verilmiĢtir. Yedinci bölümde barajların güçlendirilmesi için bir yöntem sunulmuĢ ve

bu yöntemin ayrıntıları bu bölüm kapsamında ele alınmıĢtır. Sekizinci bölümde

araĢtırma bulguları verilmiĢ, elde edilen analiz sonuçları değerlendirilmiĢtir. Önceki

bölümlerde verilen analizlerin sonuçları ise bu bölümde karĢılaĢtırmalı olarak

verilmiĢtir. Dokuzuncu bölümde de sonuçlar verilmiĢtir.

Sonuç olarak, tez çalıĢması kapsamında, Türkiye‟deki tüm kemer barajlar ele

alınmıĢ, baraj-zemin-rezervuar sistemleri kapsamlı Ģekilde değerlendirilmiĢ ve

mevcut barajların güçlendirilmesi için uygulama önerisi sunulmuĢtur. Bu anlamda,

tez çalıĢması Türkiye‟deki mevcut kemer barajların sismik risk değerlendirmesinin

gerçekleĢtirilmesi ve çözüm önerileri sunması açısından önemli bir boĢluğu

doldurmuĢtur.

Anahtar Kelimeler: Kemer barajlar, sismik değerlendirme, baraj-zemin-rezervuar,

olasılıklı analizler, güçlendirme, zaman tanım alanında dinamik analizler.

2011, 218 sayfa

vi

ABSTRACT

Ph.D. Dissertation

EARTHQUAKE BEHAVIOR ASSESMENT AND STRENGTHENING OF

EXISTING ARC DAMS IN TURKEY

Asuman IĢıl ÇARHOĞLU

Süleyman Demirel University

Graduate School of Applied and Natural Sciences

Department of Civil Engineering

Advisor: Assoc. Prof. Kasım Armağan KORKMAZ, PhD

Dam safety becomes a critical part of important issues day by day in the world and

Turkey due to the recently experienced earthquakes. To plan future and meet the

energy demands of Turkey- a country with high seismic risk-, dams need to supply

the energy demands safely. In Turkey, with an existing water potential, there are

many existing dams in different regions of the country. The existing dams can be

categorized in two titles in terms of their body structures: these are fill dams and

concrete dams. Fill dams include earth-fill dams, rock-fill dams and concrete covered

rock-fill dams. Concrete dams include concrete gravity dams, concrete counter fort

dams, concrete arch dams and roller compacted concrete dams. Arch dams exist in a

smaller portion of the all. However their economic values are considerably high.

Therefore, it is necessary to evaluate and exam the arch dam structures in detail.

In the present dissertation, seismic risk assessment of existing arch dams in Turkey

by 2011 is carried out with different approaches. First, existing arch dams:

Gokcekaya, Karakaya, Gezende, Sir, Berke, Oymapinar, Ermenek and Derinder

Dams are examined in detail by having their real structural data from DSI. Solid

models were developed for the time-history analyses in a 3-D environment. All arch

dams were modeled for the analyses by using SAP2000 and ANSYS software

programs based on Finite Element. For each model, twenty ground motion records

are applied for three different soil types as A, B and C, totaling in sixty records. The

obtained values are compared by analyzing empty and full conditions to find out

displacements, stresses and base shear forces. Later, dam-soil-reservoir interaction

was considered for the analyses of the considered existing arch dam structures. For

interaction, real soil properties were given in the analyses and soils were modeled

with dam structures. Accordingly, for seismic risk assessment, fragility analyses

were conducted. For each model, fragility curves were sketched and lastly, an

applicable strengthening method was proposed to increase the earthquake resistance

of the existing arch dam structures in Turkey.

vii

The dissertation involves nine sections. The first section is the introduction which

contains the importance of dam safety and dam behavior including necessary

information about the dams. Moreover, aims and goals are given here. The second

section contains the literature review including existing research and their

summaries. The third section introduces the eight dams and methodology. The fourth

section proposes steps for finite element method applications. Their analyses

methods and the dynamic analyses are given in this section. The fifth section

proposes an interaction for dam reservoir and soil. All of the dams that were modeled

according to soil features and structure-soil-reservoir interaction are presented here.

Section six gives the fragility analysis for the seismic risk assessment. Section seven

studies dam strengthening and examines its details. The section eight evaluates the

research findings and resulting analyses. the results of the analyses given in the

previous sections are compared in this section. The ninth section contains

conclusions.

As a conclusion, all the existing arch dams in Turkey are in the scope of this

dissertation and also reservoir systems are evaluated in detail and a strengthening of

existing arch dams is proposed. Therefore, the dissertation gives a valuable

knowledge in seismic risk evaluation of existing arch dams and provide applicable

solutions.

Key Words: Arch dams, seismic assessment, dam-soil-reservoir, probabilistic

approaches, strengthning, time history analysis.

2011, 218 pages

viii

ÖNSÖZ ve TEġEKKÜR

Doktora tez çalıĢmam sırasında, desteğini ve yardımlarını esirgemeyen çok değerli

doktora danıĢmanım Doç. Dr. Kasım Armağan KORKMAZ‟a en içten Ģükranlarımı

sunmak isterim. Tez çalıĢmama çok kıymetli katkılarıyla destek olan Prof Dr. Kadir

Güler, Doç. Dr. Tayfun Uygunoğlu, Doç. Dr. Fuat Demir ve Yrd. Doç. Dr. Kemal

TuĢat Yücel‟e teĢekkürü bir borç bilirim. Ayrıca, Prof. Dr. Abdullah Avey ve Doç.

Dr. Ömer Civalek‟e yoğun çalıĢma sürecindeki yardımlarından ötürü teĢekkür etmek

isterim. Dokuz Eylül Üniveritesi‟ndeki lisans eğitimim sırasında yetiĢmemde çok

büyük emekleri olan hocalarıma ve özellikle proje danıĢmanım Doç. Dr. Mehmet

Emin Kural‟a, yetiĢmemdeki emeklerinden ötürü teĢekkür etmek isterim. Ġstanbul

Teknik Üniversitesi‟ndeki yüksek lisans eğitimim boyunca desteklerini esirgemeyen,

sürekli yanımda olan tüm hocalarıma ve özellikle danıĢmanlarım Doç. Dr. Abdullah

GEDĠKLĠ ve Doç. Dr. B. Özden ÇAĞLAYAN‟a teĢekkürlerim kifayetsiz kalacaktır.

Doktora tez çalıĢmam sırasında, çalıĢmanın önemli kısımlarından biri olan

Türkiye‟deki mevcut kemer barajların projelerine ve verilerine eriĢimimi sağlayan

DSĠ Bölge Müdürlüğün‟den ĠnĢaat Mühendisi Osman Erkan‟a teĢekkürü bir borç

bilirim. Süleyman Demirel Üniversitesi‟ndeki pek kıymetli ve müstesna çalıĢma

arkadaĢlarıma, çok değer verdiğim öğrencilerime ve bilhassa hocalarıma içtenlikle

teĢekkür ederim. Maddi ve manevi desteklerini hiçbir zaman esirgemeyen,

öngörüleriyle, akademisyenlik sergüzeĢtimde, her daim bana destek olan, varlığımın

remzi, münevver aileme Ģükranlarımı sunmak isterim. Son olarak, çok sevgili ve

biricik kardeĢim Esma Çarhoğlu‟na da kucak dolusu sevgi ve teĢekkürlerimi sunmak

isterim.

Asuman IĢıl ÇARHOĞLU

ISPARTA, 2011

ix

SĠMGELER DĠZĠNĠ

A Yer değiĢtirme fonksiyonlarını belirleyen matris A Baraj memba yüzey alanı

a Eleman düğüm nokta sayısı

B Birim Ģekil değiĢtirme- yer değiĢtirme matrisi

C Sönüm matrisi

C Deprem ivmesinin yerçekimi ivmesine oranı

D Birim Ģekil değiĢtirme-gerilme matrisi

E Barajın elastisite modülü

e1, e2, e3 Doğrultman kosinüsleri

F(t) Kuvvet vektörü

Fijk ri, sj ve tk noktalarındaki F matrisi

G Kayma modülü

g Yerçekimi ivmesi

H Su derinliği

hi i‟inci düğüm noktası enterpolasyon fonksiyonu

K Tanjant rijitlik matrisi

M Kütle matrisi

M Sıvı kütlesi

mhni i düğüm noktasına eklenen kütlenin değeri

mh

cxi C yönünde meydana gelen depremden x yönünde eklenecek virtüel kütle

mh

cyi C yönünde meydana gelen depremden y yönünde eklenecek virtüel kütle

mh

czi C yönünde meydana gelen depremden z yönünde eklenecek virtüel kütle

P Hidrodinamik basınç

P Doğrusal olmayan dıĢ yük vektörü

T Periyot

t Zaman

μ Poisson oranı

U Doğrusal sistemin yer değiĢtirme vektörü

U Yer değiĢtirme vektörü .

U Hız vektörü

U DıĢ yük vektörü

W Sıvı yoğunluğu

Wn Doğal açısal frekans

wd Doğal açısal frekans

Y Su derinliğinin kret seviyesi

u Düğüm noktası yer değiĢtirmesi

v Düğüm noktası yer değiĢtirmesi

v,dv Hacim integrali

σ Eleman gerilmeleri

hi i‟inci düğüm noktası enterpolasyon fonksiyonu

x,y,z Genel koordinat sistemindeki elemanların herhangi bir noktasının

koordinatları

xi,yi,zi Genel koordinat sistemindeki elemanların i‟inci düğüm noktasının

koordinatları

x

ξ Sönüm oranı

u, v, w Elemanın her hangi bir noktasındaki yer değiĢtirmeleri

ui, vi, w Elemanın i‟inci düğüm noktasındaki yer değiĢtirmeleri

αijk ri, sj ve tk değerlerine bağlı sabitler

xi

ġEKĠLLER DĠZĠNĠ

ġekil 1.1. Tez çalıĢması akıĢ Ģeması ............................................................................ 2 ġekil 1.2. Sabit ve değiĢken merkezli kemer baraj ...................................................... 6

ġekil 1.3. Kemer barajlara etki eden hidrostatik su kuvvetleri .................................... 7 ġekil 1.4. Hidrodinamik basınç kuvveti ....................................................................... 9 ġekil 1.5. Statik ve dinamik etkileĢimdeki aĢamalar ................................................. 11 ġekil 2.1. Tez çalıĢması ile ilgili yapılmıĢ çalıĢmalar……………………………….12

ġekil 2.2. Tez çalıĢmasının geliĢtirilmesi ve yapılan çalıĢmalar ................................ 12

ġekil 3.1. Düzlem gerilme sonlu eleman modeli……………………………………30

ġekil 3.2. Düğüm noktalarının tanımlanması ............................................................ 32

ġekil 3.3. Global ve lokal koordinat sistemleri .......................................................... 34 ġekil 3.4. Düğüm noktaları 8 ile 20 arasında değiĢen düğüm noktalı üç boyutlu

eleman ......................................................................................................... 37 ġekil 3.5. Türkiye'deki kemer barajların konumu ...................................................... 47 ġekil 3.6. Gökçekaya Barajı‟nın Görünümleri ........................................................... 48

ġekil 3.7. Oymapınar Barajı görünümleri .................................................................. 48 ġekil 3.8. Karakaya Barajı görünümleri ..................................................................... 49 ġekil 3.9. Gezende Barajı görünümleri ...................................................................... 49 ġekil 3.10. Sır barajı görünümleri .............................................................................. 50

ġekil 3.11. Berke Barajı görünümleri ........................................................................ 50

ġekil 3.12. Deriner Barajı yapım aĢaması görünümleri ............................................. 51 ġekil 3.13. Ermenek Barajı görünümleri.................................................................... 51 ġekil 4.1. Kobe 16.01.1995 KJM000 depremine ait ivme zaman kaydı……………55

ġekil 4.2. Gökçekaya Barajı‟nın SAP 2000 (Sol) ve ANSYS (Sağ) programı ile

modellenmiĢ görünümleri .......................................................................... 59

ġekil 4.3. Oymapınar Barajı‟nın SAP 2000 (Sol) ve ANSYS (Sağ) programı ile

modellenmiĢ görünümleri .......................................................................... 60 ġekil 4.4. Karakaya Barajı‟nın SAP 2000 (Sol) ve ANSYS (Sağ) programı ile

modellenmiĢ görünümleri .......................................................................... 61 ġekil 4.5. Gezende Barajı‟nın SAP 2000 (Sol) ve ANSYS (Sağ) programı ile

modellenmiĢ görünümleri .......................................................................... 62

ġekil 4.6. Sır Barajı‟nın SAP 2000 (Sol) ve ANSYS (Sağ) programı ile modellenmiĢ

görünümleri ................................................................................................ 63

ġekil 4.7. Berke Barajı‟nın SAP 2000 (Sol) ve ANSYS (Sağ) programı ile

modellenmiĢ görünümleri .......................................................................... 64

ġekil 4.8. Ermenek Barajı‟nın SAP 2000 (Sol) ve ANSYS (Sağ) programı ile

modellenmiĢ görünümleri .......................................................................... 65 ġekil 4.9. Deriner Barajı‟nın SAP 2000 (Sol) ve ANSYS (Sağ) programı ile

modellenmiĢ görünümleri .......................................................................... 66 ġekil 5.1. Zemin sınıfları……………………………………………………………67

ġekil 5.2. Gökçekaya Barajı yapı zemin sistemi ........................................................ 69 ġekil 5.3. Oymapınar Barajı yapı zemin sistemi ........................................................ 70 ġekil 5.4. Karakaya Barajı yapı zemin sistemi .......................................................... 71

ġekil 5.5. Karakaya Barajı yapı zemin sistemi .......................................................... 72 ġekil 5.6. Sır Barajı yapı zemin sistemi ..................................................................... 73

ġekil 5.7. Berke Barajı yapı zemin sistemi ................................................................ 74 ġekil 5.8. Ermenek Barajı yapı zemin sistemi ........................................................... 75

xii

ġekil 5.9. Deriner Barajı yapı zemin sistemi.............................................................. 76

ġekil 6.1. Sismik Risk Analizi Öğelerinin ġematik Gösterimi……………………...78

ġekil 6.2. NEHRP standardındaki değerler ile çizdirilen sismik hasar eğrileri ......... 80 ġekil 6.3. Kırılganlık analizinin ve sismik değerlendirme sürecinin akıĢ Ģeması ...... 84 ġekil 6.4. Kırılganlık eğrilerinin Ģematik gösterimi ................................................... 85 ġekil 7.1. Güçlendirme döngüsü................................................................................89

ġekil 7.2. Barajların güçlendirilmesi ile ilgili bileĢenler............................................90

ġekil 7.3. Güçlendirme öncesi ve sonrasında çatlakların oluĢması………………...93

ġekil 7.4. Güçlendirme çeliğinin ve betonun gerilme Ģekil değiĢtirmesi .................. 94 ġekil 7.5. Barajların güçlendirme Ģekli ...................................................................... 94 ġekil 7.6. Sır Barajı‟nın güçlendirme sonrası detaylı ağ görünümü .......................... 96

ġekil 7.7. Barajların Güçlendirme Sonrası ağ görünümleri ....................................... 97 ġekil 8.1. Gökçekaya Barajı mod Ģekilleri…………………………..………………99

ġekil 8.2. Oymapınar Barajı mod Ģekilleri ................................................................. 99

ġekil 8.3. Karakaya Barajı mod Ģekilleri ................................................................. 100 ġekil 8.4. Gezende barajı mod Ģekilleri ................................................................... 100 ġekil 8.5. Sır Barajı mod Ģekilleri ............................................................................ 101 ġekil 8.6. Berke Barajı mod Ģekilleri ....................................................................... 101

ġekil 8.7. Ermenek Barajı mod Ģekilleri .................................................................. 102 ġekil 8.8. Deriner Barajı mod Ģekilleri..................................................................... 102

ġekil 8.9. Gökçekaya Barajı yer değiĢtirme değerleri .............................................. 103 ġekil 8.10. Oymapınar Barajı yer değiĢtirme değerleri............................................ 106

ġekil 8.11. Karakaya Barajı yer değiĢtirme değerleri .............................................. 108 ġekil 8.12. Gezende Barajı yer değiĢtirme değerleri................................................ 110

ġekil 8.13. Sır Barajı yer değiĢtirme değerleri ......................................................... 112 ġekil 8.14. Berke Barajı yer değiĢtirme değerleri .................................................... 115 ġekil 8.15. Ermenek Barajı yer değiĢtirme değerleri ............................................... 117

ġekil 8.16. Deriner Barajı yer değiĢtirme değerleri ................................................. 119 ġekil 8.17. Gökçekaya Barajı gerilme değerleri ...................................................... 121 ġekil 8.18. Gökçekaya Barajı gerilme Ģekilleri ........................................................ 122

ġekil 8.19. Oymapınar Barajı gerilme değerleri ...................................................... 123

ġekil 8.20. Oymapınar Barajı gerilme Ģekilleri ........................................................ 125 ġekil 8.21. Karakaya Barajı gerilme değerleri ......................................................... 126

ġekil 8.22. Karakaya Barajı gerilme Ģekilleri .......................................................... 128 ġekil 8.23. Gezende Barajı gerilme değerleri .......................................................... 129 ġekil 8.24. Gezende Barajı gerilme Ģekilleri ............................................................ 131 ġekil 8.25. Sır Barajı gerilme değerleri .................................................................... 132 ġekil 8.26. Sır Barajı gerilme Ģekilleri ..................................................................... 134

ġekil 8.27. Berke Barajı gerilme değerleri ............................................................... 135 ġekil 8.28. Berke Barajı gerilme Ģekilleri ................................................................ 137 ġekil 8.29. Ermenek Barajı gerilme değerleri .......................................................... 138 ġekil 8.30. Ermenek Barajı gerilme Ģekilleri ........................................................... 140 ġekil 8.31. Deriner Barajı gerilme değerleri ............................................................ 141

ġekil 8.32. Deriner Barajı gerilme Ģekilleri ............................................................. 143 ġekil 8.33. Gökçekaya Barajı taban kesme kuvveti değerleri .................................. 144

ġekil 8.34. Oymapınar Barajı taban kesme kuvveti değerleri .................................. 145 ġekil 8.35. Karakaya Barajı taban kesme kuvveti değerleri .................................... 146 ġekil 8.36. Gezende Barajı taban kesme kuvveti değerleri ...................................... 147

xiii

ġekil 8.37. Sır Barajı taban kesme kuvveti değerleri ............................................... 148

ġekil 8.38. Berke Barajı taban kesme kuvveti değerleri .......................................... 149 ġekil 8.39. Ermenek Barajı taban kesme kuvveti değerleri ..................................... 150 ġekil 8.40. Deriner Barajı taban kesme kuvveti değerleri ....................................... 151 ġekil 8.41. Gökçekaya Barajı boĢ durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ............... 152 ġekil 8.42. Gökçekaya Barajı dolu durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ............. 153

ġekil 8.43. Oymapınar Barajı boĢ durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ............... 154 ġekil 8.44. Oymapınar Barajı dolu durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ............. 155 ġekil 8.45. Karakaya Barajı boĢ durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ................. 156 ġekil 8.46. Karakaya Barajı dolu durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ................ 157 ġekil 8.47. Gezende Barajı boĢ durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ................... 158

ġekil 8.48. Gezende Barajı dolu durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ................. 159 ġekil 8.49. Sır Barajı boĢ durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ............................ 160 ġekil 8.50. Sır Barajı dolu durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi........................... 161

ġekil 8.51. Berke Barajı boĢ durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ....................... 162 ġekil 8.52. Berke Barajı dolu durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ...................... 163 ġekil 8.53. Ermenek Barajı boĢ durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi .................. 164 ġekil 8.54. Ermenek Barajı dolu durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ................. 165

ġekil 8.55. Deriner Barajı boĢ durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi .................... 166 ġekil 8.56. Deriner Barajı dolu durum için yük-yer değiĢtirme iliĢkisi ................... 167

ġekil 8.57. SAP 2000 ile ANSYS programları analiz sonuçlarının karĢılaĢtırılması

.................................................................................................................................. 168

ġekil 8.58. Gökçekaya Barajı zemin rezervuar sistemi mod Ģekilleri...................... 170 ġekil 8.59. Oymapınar Barajı zemin rezervuar sistemi mod Ģekilleri...................... 170

ġekil 8.60. Karakaya Barajı zemin rezervuar sistemi mod Ģekilleri ........................ 171 ġekil 8.61. Gezende barajı zemin rezervuar sistemi mod Ģekilleri .......................... 171 ġekil 8.62. Berke Barajı zemin rezervuar sistemi mod Ģekilleri .............................. 172

ġekil 8.63. Sır Barajı zemin rezervuar sistemi mod Ģekilleri ................................... 172 ġekil 8.64. Ermenek Barajı zemin rezervuar sistemi mod Ģekilleri ......................... 173 ġekil 8.65. Ermenek Barajı zemin rezervuar sistemi mod Ģekilleri ......................... 173

ġekil 8.66. Gökçekaya Barajı zemin rezervuar sisteminin yer değiĢtirmeleri ......... 174

ġekil 8.67. Oymapınar Baraj zemin rezervuar sisteminin yer değiĢtirmeleri .......... 174 ġekil 8.68. Karakaya Barajı zemin rezervuar sisteminin yer değiĢtirmeleri ............ 175

ġekil 8.69. Gezende Barajı zemin rezervuar sisteminin yer değiĢtirmeleri ............. 175 ġekil 8.70. Sır Barajı zemin rezervuar sisteminin yer değiĢtirmeleri ...................... 176 ġekil 8.71. Berke Barajı zemin rezervuar sisteminin yer değiĢtirmeleri.................. 176 ġekil 8.72. Ermenek Barajı zemin rezervuar sisteminin yer değiĢtirmeleri ............. 177 ġekil 8.73. Ermenek Barajı zemin rezervuar sisteminin yer değiĢtirmeleri ............. 177

ġekil 8.74. Gökçekaya Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme değerleri .......... 178 ġekil 8.75. Oymapınar Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme değerleri .......... 178 ġekil 8.76. Gökçekaya Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme Ģekli ................. 179 ġekil 8.77. Oymapınar Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme Ģekli ................. 180 ġekil 8.78. Karakaya Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme değerleri ............. 181

ġekil 8.79. Gezende barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme değerleri ............... 181 ġekil 8.80. Karakaya Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme Ģekli ................... 182

ġekil 8.81. Gezende barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme Ģekli ..................... 183 ġekil 8.82. Sır Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme değerleri ....................... 184 ġekil 8.83. Berke Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme değerleri .................. 184

xiv

ġekil 8.84. Sır Baraj zemin rezervuar sisteminin gerilme Ģekli ............................... 185

ġekil 8.85. Berke Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme Ģekli ......................... 186 ġekil 8.86. Ermenek Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme değerleri.............. 187 ġekil 8.87. Deriner Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme değerleri ................ 187 ġekil 8.88. Ermenek Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme Ģekli .................... 188 ġekil 8.89. Deriner Barajı zemin rezervuar sisteminin gerilme Ģekli ...................... 189

ġekil 8.90. Tüm zemin sınıfları için su etkisi dikkate alınmadan elde edilen X yönü

kırılganlık eğrileri ................................................................................... 191 ġekil 8.91. Tüm zemin sınıfları için su etkisi dikkate alınmadan elde edilen Y yönü

kırılganlık eğrileri ................................................................................... 192 ġekil 8.92. Tüm zemin sınıfları için su etkisi dikkate alınarak elde edilen X yönü

kırılganlık eğrileri ................................................................................... 193 ġekil 8.93. Tüm zemin sınıfları için su etkisi dikkate alınarak elde edilen Y yönü

kırılganlık eğrileri ................................................................................... 194

ġekil 8.94. Gökçekaya Barajı güçlendirme öncesi ve sonrası yer değiĢtirme değerleri

.................................................................................................................................. 195 ġekil 8.95. Oymapınar Barajı güçlendirme öncesi ve sonrası yer değiĢtirme değerleri

.................................................................................................................................. 196

ġekil 8.96. Karakaya Barajı güçlendirme öncesi ve sonrası yer değiĢtirme değerleri

.................................................................................................................................. 196

ġekil 8.97. Gezende Barajı güçlendirme öncesi ve sonrası yer değiĢtirme değerleri

.................................................................................................................................. 197

ġekil 8.98. Berke Barajı güçlendirme öncesi ve sonrası yer değiĢtirme değerleri ... 197 ġekil 8.99. Sır Barajı güçlendirme öncesi ve sonrası yer değiĢtirme değerleri........ 198

ġekil 8.100. Ermenek Barajı güçlendirme öncesi ve sonrası yer değiĢtirme değerleri

.................................................................................................................................. 198 ġekil 8.101. Deriner Barajı güçlendirme öncesi ve sonrası yer değiĢtirme değerleri

.................................................................................................................................. 199

xv

TABLOLAR DĠZĠNĠ

Tablo 1.1. Kalınlıklarına göre kemer baraj tipleri........................................................ 6 Tablo 3.1. Sonlu elemanlar çözüm yöntemi...............................................................31

Tablo 3.2. Sonlu elemanlar yönteminde yapılan kabuller..........................................31

Tablo 3.3. Türkiye‟deki kemer barajlar ve özellikleri ............................................... 47

Tablo 3.4. Barajlara ait malzeme özellikleri .............................................................. 47

Tablo 4.1. A zemin sınıfına ait deprem verileri …………………………………….56

Tablo 4.2. B zemin sınıfına ait deprem verileri ......................................................... 57

Tablo 4.3. C zemin sınıfına ait deprem verileri ......................................................... 58

Tablo 5.1. Yapı zemin rezervuar analizlerinde kullanılan depremlerin özellikleri....68

Tablo 5.2. Gökçekaya Barajı zemin özellikleri .......................................................... 69 Tablo 5.3. Oymapınar Barajı zemin özellikleri .......................................................... 70 Tablo 5.4. Karakaya Barajı zemin malzeme özellikleri ............................................. 71 Tablo 5.5. Gezende Barajı zemin malzeme özellikleri .............................................. 72 Tablo 5.6. Sır Barajı zemin malzeme özellikleri........................................................ 73

Tablo 5.7. Berke Barajı‟na ait zemin malzeme özellikleri......................................... 74 Tablo 5.8. Ermenek Barajı zemin malzeme özellikleri .............................................. 75 Tablo 5.9. Deriner Barajı zemin özellikleri ............................................................... 76 Tablo 6.1. ßH Hedef güvenilirlik indisleri…………………………………………..81

Tablo 6.2. Yapılar için limit durum olasılığı risk seviyeleri ...................................... 82

Tablo 6.3. Kırılganlık analizi uygulama adımları..................................................88

Tablo 7.1. Dinamik yükleme grupları kabul edilebilir sınırlar ve güvenlik faktörleri

……………………………………………………………………………….92

Tablo 7.2. Statik yükleme grupları kabul edilebilir sınırlar ve güvenlik faktörleri .. 92 Tablo 7.3. Güçlendirilen barajlara uygulanan deprem verileri .................................. 95

1

1. GĠRĠġ

Türkiye, mevcut su potansiyeli ile zengin bir ülke olup, çok sayıda baraja sahiptir.

Mevcut barajlar, taĢkın kontrolü, elektrik enerjisi üretimi, iklim düzenlenmesi,

erozyonun önlenmesi, su biriktirilmesi, sulama, içme, kullanma suyunun temini gibi

amaçlar için kullanılmaktadır. Toplumun temel ihtiyaçlarının karĢılanması ve

standartlarının yükseltilmesi yönündeki katkıları olcukça büyüktür. Mevcut

barajların Türkiye ekonomisinde önemli bir yeri vardır. Dolayısıyla, olası bir deprem

sonunda barajların hasar görmeleri, büyük kayıplar doğurabilir (Muvafık, 1993).

Sıradan mühendislik yapıları olmayan barajların güvenliği oldukça önemlidir.

Bu tez çalıĢmasında, bu noktadan hareketle, Türkiye‟de 2011 yılı itibarıyla mevcut

olan tüm kemer barajlar ele alınarak, bu barajların sismik risk değerlendirilmesinin

gerçekleĢtirilmesi amaçlanmıĢtır. Bu amaç doğrultusunda, farklı uygulamalarla

mevcut kemer barajların değerlendirilmesi ve güçlendirilmesi tez kapsamında

gerçekleĢtirilmiĢtir. Ġlk olarak, Türkiye‟deki mevcut kemer barajlar; Gökçekaya,

Karakaya, Gezende, Sır, Berke, Oymapınar, Ermenek ve Deriner Barajları detaylı

olarak incelenmiĢ ve analiz verileri DSĠ‟den elde edilmiĢtir. Barajlar SAP2000 ve

ANSYS sonlu elemanlar programları kullanılarak katı modelleme ile modellenmiĢ ve

zaman tanım alanında dinamik analizleri gerçekleĢtirilmiĢtir. Her baraja A, B ve C

zemin sınıflarına ait yirmiĢer olmak üzere, toplamda altmıĢ deprem ivme kaydı

uygulanmıĢtır. Barajların boĢ ve dolu durumları için yer değiĢtirme, gerilme ve taban

kesme kuvveti değerleri elde edilerek bu değerler karĢılaĢtırılmıĢtır. Baraj-zemin-

rezervuar sisteminin deprem etkisi altındaki davranıĢlarını incelemek için bu

sistemler de ele alınmıĢtır. Zeminlerin gerçek malzeme özellikleri programlarda

girilerek zorlu bir modelleme gerçekleĢtirilmiĢtir. Aynı Ģekilde, her model için

zaman tanım alanında dinamik analizler gerçekleĢtirimiĢtir. Ardından, sismik riskin

olasılıklı olarak değerlendirilmesi için, kırılganlık analizleri gerçekleĢtirilmiĢ ve bu

analizler sonucunda elde edilen kırılganlık eğrileriyle barajların sismik riski olasılıklı

olarak ifade edilmiĢtir. Son olarak mevcut barajlar için geliĢtirilmiĢ olan

uygulanabilir nitelikte bir güçlendirme yöntemi sunulmuĢtur. Güçlendirme

yönteminin etkinliğinin belirlenmesi amacıyla zaman tanım alanında dinamik

analizler gerçekleĢtirilmiĢtir.

2

Tez çalıĢması toplamda dokuz bölümden oluĢmaktadır. Ġlk bölüm giriĢ bölümü olup

bu bölümde konunun önemi, gerekli bilgiler, amaç ve kapsam verilmiĢtir. Ġkinci

bölümde literatür taraması gerçekleĢtirilmiĢ ve çalıĢmaya temel olan kaynak özetleri

sunulmuĢtur. Üçüncü bölümde barajlar sırasıyla tanıtılmıĢ ve sonlu elemanlar

yöntemi hesap adımları, yöntem ve analiz kabulleri sunulmuĢtur. Dördüncü bölümde,

zaman tanım alanı yönteminden bahsedilmiĢ, ardından, çalıĢma kapsamında

gerçekleĢtirilen dinamik analiz verilmiĢ ve analizde kullanılan SAP2000 ve ANSYS

programları ile hazırlanan katı modellemeler anlatılmıĢtır. BeĢinci bölümde baraj

rezervuar zemin etkileĢimi sunulmuĢtur. Tüm barajlar, zemin etkileri de dikkate

alınarak modellenerek, yapı-zemin-rezervuar etkileĢimi irdelenmiĢtir. Altıncı

bölümde barajlara ait olasılıklı sismik riski ifade etmek için kırılganlık analizleri

verilmiĢtir. Yedinci bölümde barajların güçlendirilmesi için bir yöntem sunulmuĢ ve

bu yöntemin ayrıntıları bu bölüm kapsamında ele alınmıĢtır. Sekizinci bölümde

araĢtırma bulguları verilmiĢ, elde edilen analiz sonuçları değerlendirilmiĢtir. Önceki

bölümlerde verilen analizlerin sonuçları bu bölümde karĢılaĢtırmalı olarak

verilmiĢtir. Dokuzuncu bölümde de sonuçlar verilmiĢtir. ġekil 1.1‟de tez

çalıĢmasının akıĢ Ģeması verilmiĢtir.

ġekil 1.1. Tez çalıĢması akıĢ Ģeması

1.1. Kemer Barajların Genel Özellikleri

Barajlar, gövde Ģekillerine göre, dolgu ve beton barajlar olmak üzere ikiye

ayrılmaktadır. Dolgu barajlar; toprak dolgu barajlar, kaya dolgu barajlar ve ön yüzü

beton kaplı kaya dolgu barajlar olarak sınıflandırılır. Beton barajlar ise; beton ağırlık

barajlar, payandalı beton barajlar, beton kemer barajlar ve silindirle sıkıĢtırılmıĢ

beton barajlar Ģeklinde sınıflandırılır (Tunç ve Ġrtem, 2006).

Barajlarin Sismik Analizi

Yapı-Zemin-Rezervuar Etkileşimi

Olasılıklı Sismik Risk Analizi

Barajların Güçlendirilmesi

3

Türkiye‟deki mevcut barajların büyük kısmını toprak dolgu tipindeki barajlar

oluĢturmaktadır. Sıralamada toprak dolgu barajların arkasından kaya dolgu tipindeki

barajlar gelmektedir. Türkiye‟deki mevcut barajların küçük bir kısımını kemer

barajlar oluĢturmaktadır. Türkiye‟de 2011 yılı itibariyle toplam sekiz kemer baraj

bulunmaktadır. Bu barajların içinde Deriner Barajı gövde yüksekliği açısından

dünyadaki yüksek barajlar arasındadır. Kemer barajlar mevcut barajlar içinde az

sayıda olmalarına rağmen ekonomik değerleri açısından oldukça önemlidir. Su

yükünü kemer etkisi ile yamaçlara aktararak ağırlık barajlarına göre önemli derecede

beton tasarrufu sağlamakta ve barajın yapılacağı coğrafyaya uygun olarak, narin kesit

avantajı da sunmaktadır. Kemer barajlar genellikle vadi Ģeklinin ve temel zeminin

uygun olduğu yerlerde daha fazla su enerjisinden yararlanmak için yapılmaktadır.

Ekonomik olmaları, kemer barajların önemli avantajlarındandır (Ülker ve SavaĢ,

2006). Ancak, analizlerinin çok karmaĢık olması, özel yapım tekniklerinin

kullanımına ihtiyaç duyulması ve inĢasının zaman alması kemer barajların

Türkiye‟de az olmasının baĢlıca nedenlerindendir (Fanelli ve Alberto, 1992).

Beton ağırlık barajları, bütün yükleri kendi ağırlıkları ile taĢırken, kemer barajlar

kendi ağırlıklarını ve dıĢ yükleri, kemer etkisiyle vadi yamaçlarına aktarmaktadır. Bu

nedenle kemer barajın inĢa edileceği vadi bu yükleri taĢıyabilecek dayanımda

olmalıdır. Kemer barajların inĢa edildiği vadiler, simetrik ve simetrik olmayan

vadiler olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Ancak, genellikle, baraj inĢa sahaları

simetrik olmamaktadır. Simetrik olmayan vadilerde inĢa edilen barajlarda anahtar

kesitin bir tarafında diğer tarafına göre daha uzun kemerler oluĢmaktadır. Bu tür

vadilerde bir kemer barajın her kenarı için bir referans düzlemi oluĢmaktadır. Dik

vadi yamaçları olması durumunda ise, kısa kenarlar ve kısa yarıçapı olan referans

düzlemleri oluĢmakta ve bu da barajlarda kemer etkisini arttırmaktadır. Uzun

kenarlar ise, barajlarda kemer etkisini azaltarak kemerin mesnetlere doğru

kalınlaĢmasını sağlamaktadır. Bu durumlarda, en büyük yer değiĢtirmeler, anahtar

kesitte değil, kemerlerin orta noktasına doğru olmaktadır. Simetrik olmayan

vadilerde, baraj, her kenarı için farklı eksen yarıçapına sahip olur. Bu nedenle, eksen

yarıçapları, her kenar için farklı uzunluğa sahiptir (Dumanoğlu ve Akköse, 2001).

4

Kemer barajlar, kret uzunluğu baraj yüksekliğinin altı ile on katını geçmeyecek

Ģekilde dar olan vadilerde inĢa edilmektedir. Bununla birlikte kemer kalınlığı

yüksekliğin % 60‟ından daha küçük olmalıdır (ErtaĢ, 1987). Kret uzunluğunun

yüksekliğine oranı üç veya daha az olmalıdır. Kret uzunluğunun yüksekliğine

oranının üç ile altı arasında olması durumunda, zemin kazısı yapılarak sağlam

zemine ulaĢılmakta ve buna uygun bir kemer baraj inĢa edilmektedir. Kret

uzunluğunun yüksekliğe oranının altıdan büyük olması halinde ise, baraj yeri

seçiminde özenli bir çalıĢma yapılmalıdır. Bu çalıĢma sonuçlarına göre geniĢ

vadilerde kemer baraj yapılabilir kararı alınabilir (Dumanoğlu ve Akköse, 2001).

Dar V tipi vadiler, kret uzunluğunun yüksekliğe oranı iki veya daha az olan

barajların inĢa edildiği vadilerdir. Bu tip vadilerin yamaçları genelde düz olmakta

nehir yatağına doğru birbirine yaklaĢmaktadır. Bu vadi tipi baraj üzerine gelen yükü

büyük oranda kemer etkisi ile yamaçlara aktarmaktadır. Bu nedenle V tipi vadiler,

kemer barajlar için en çok tercih edilen vadi tipidir. Kemerlerde aĢırı derecede çekme

gerilmesi olması istenmez. Bu nedenle baraj mümkün olduğunca fazla eğrilik

meydana getirecek Ģekilde olmalıdır. DüĢük seviyeli kemerlerde eğriliği artırmak

için dairesel yay merkezlerinin yerini değiĢtirerek kemer kalınlığı artırılabilir. GeniĢ

V tipi vadi, kret uzunluğunun yüksekliğe oranının beĢ veya daha fazla olduğu

barajların inĢa edildiği vadi tipidir. Kemer barajlarda bu oran en fazla on olmaktadır.

Bu tip vadilerin yamaçları çok dalgalı ya da çok belirgindir. Kemerlerin kalınlığı

yamaçlara doğru artarak doğrusal Ģekile gelebilir. Dar V tip vadilere kıyasla, bu tip

vadilerin kemer kalınlığı daha fazladır (Dumanoğlu ve Akköse, 2001). Dar U tipi

vadilerde ise, 0.25H yüksekliğinden fazla olan barajlarda yükün çoğu kemer etkisi ile

yamaca aktarılmaktadır. 0.25H yüksekliğinden az olan barajlarda ise, yükler konsol

etkisi ile en yakın noktaya aktarılmaktadır. Bu tür vadilerde kemerler uzun olmakta,

konsollar ise kısa ve kalın olmaktadır. Kemerler üst kısımlarda doğrusal kalınlıklı

olmakta, alt kısımlara doğru ise değiĢken kalınlıkta olmaktadır. Kemerler, vadinin

dar olması nedeniyle ince olmaktadır ve aĢağı kesimlerdeki kemerler kret yaklaĢtıkça

hemen hemen aynı uzunlukta olmaktadır (Dumanoğlu ve Akköse, 2001).

5

1.2. Kemer Baraj Geometrisi

Kemer Barajların geometrilerinin doğru ifade edilmesi ve analizlerde gerçek

geometrilerinin kullanılması gerçekçi sonuçların elde edilmesi açısından önemlidir.

Kemer barajlar, geometrik Ģekillerinden ötürü, en az çekme gerilmelerine maruz

kalacak Ģekilde, mevcut su yüklerini ve zati yükleri zemine aktarmayı sağlayan su

yapılarıdır. Deprem gibi dinamik yüklemeler ve bu yüklemeler altında yapıda

meydana gelecek doğrusal olmayan davranıĢlar, kemer özelliğinin tersi bir davranıĢ

etkisi oluĢturabilir. Yapının gerçek davranıĢını ifade edebilmek için geometrinin

mevcut yüklemeler altında geometrinin hesaplanması gerekir (Ülker ve SavaĢ, 2006).

Kemer barajların tasarımının zorluğu ve zaman alıcılığı, yaklaĢım karmaĢıklığını da

beraberinde getirir. Günümüzde kemer barajların tasarımında en çok kullanılan

yaklaĢımlardan biri, deneme ve yanılma yaklaĢımıdır. Bu yaklaĢım ile tasarımcı,

analize baĢlarken bir baĢlangıç Ģeması verir ve daha sonra analiz baĢlatılır. Eğer,

istenen tasarım özellikleri karĢılanırsa Ģema uygulanır. Aksi taktirde, barajın Ģekli

değiĢtirilerek, analize yeniden baĢlanır. Baraj Ģekli bu yaklaĢımla belirlenir. En iyi

Ģekil, birkaç Ģema ile oluĢur ve aralarından biri seçilerek analiz sonlandırılır. Seçilen

Ģemada, baĢlangıçtaki ilk adımlarda, gerekli analiz boyutları elde edilemez ve bu da

hesaplama zamanın uzamasına neden olur (Ülker ve SavaĢ, 2006).

Kemer barajlar kalınlıklarına, anahtar kesitine, simetrik olup olmamasına, memba ve

mansap yüzey eğriliklerinin karakteristiklerine bağlı olarak sınıflandırılmaktadır

(Ivan ve Roman, 1984). Ayrıca, kemer barajlar tasarlanırlarken tek ve çift eğrilikli

olmak üzere iki Ģekilde tasarlanırlar. Tek eğrilikli kemer barajlar planda eğriliğe

sahip olup, konsollar, yani düĢey kesitler düĢey veya doğru eğimli yüzeylere sahiptir.

Çift eğrilikli kemer barajlar ise plan ve yükseklik boyunca eğriliğe sahiptir. Çift

eğrilikli kemer barajlar, beton miktarları bakımından da tek eğrilikli kemer barajlara

göre daha avantajlıdır (Dumanoğlu ve Akköse, 2001). Bu durumda, sabit, değiĢken

merkezli ve değiĢken merkezli olmak üzere üç farklı kemer geometrisinden

sözedilebilir.

6

Sabit merkezli kemer barajlar merkezleri sabit bir noktada olan ve merkez açısı

değiĢen barajlardır. Bu barajlara, sabit yarıçaplı baraj da denilmektedir. DeğiĢken

merkezli sabit yarıçaplı kemer barajlar ise, merkez açısı 133o değerinde olan ve sabit

tutulan barajlardır. Bu barajlara, değiĢken yarıçaplı barajlar da denilmektedir. Bu tip

barajların, V Ģeklindeki dar vadilerde inĢa edilmesi daha uygundur. DeğiĢken

merkezli, değiĢken açılı çift eğrilikli kemer barajlara topografik koĢullar merkez

açısını sabit tutmaya elveriĢli olmadığı için, uygulamada sıklıkla rastlanmaktadır.

ġekil 1.2‟de sabit ve değiĢken merkezli kemer baraj görünümü verilmiĢtir (ÖziĢ

1993, Benli 1996). Kemer barajlar kalınlıklarına göre, ince kemer, orta kalınlıklı

kemer ve kalın ağırlık kemer olarak da sınıflandırılabilir. Tepe kalınlığının (TC) ve

taban kalınlığının (TB) yüksekliğe oranı ile tanımlanan kemer baraj tipleri Tablo

1.1‟de detaylı olarak ifadelendirilmiĢtir (Ağıralioğlu, 2005).

Tablo 1.1. Kalınlıklarına göre kemer baraj tipleri

Kemer Baraj Tipi TC / H TB / H TB / TC

Ġnce kemer 0.025-0.05 0.09-0.25 2.9-5

Orta kalınlıklı

Kemer

0.025-0.05 0.25-0.4 5-10

Kalın ağırlık kemer 0.05-0.1 0.5-1 8-15

100.140° µ

(0.2-0.5)H

133° H

(0.1-0.3)H

(a) Plan (b) Kesit (c) Plan (d) Kesit

ġekil 1.2. Sabit ve değiĢken merkezli kemer baraj

7

1.3. Kemer Barajlara Etki Eden Kuvvetler

Kemer barajlara etki eden kuvvetler, statik ve dinamik kuvvetler olmak üzere ikiye

ayrılır. Statik kuvvetler; barajın kendi ağırlığı ve su etkisidir. Dinamik kuvvetler ise;

deprem kuvveti ve su etkisinden gelen kuvvetlerdir. Barajın kendi ağırlığı, beton ve

barajdaki ek yapıların ağırlığından oluĢan yüktür. Baraj betonunda kullanılan

betonun birim hacim ağırlığı 24~25 kN/m3‟dür. Barajın statik analizinde barajın

kendi ağırlığından meydana gelen bileĢke statik kuvvet baraj ağırlık merkezine etki

etmektedir. Rezervuarda bulunan suyun itkisi ve ağırlığı hidrostatik basınç

kuvvetlerini oluĢturmaktadır ve aynı zamanda rezervuar seviyesindeki değiĢime de

bağlıdır. Suyun birim hacim ağırlığı 10 kN/m3 olarak alınmaktadır. ġekil 1.3‟de çift

eğrilikli kemer barajlara etki eden yatay hidrostatik su basıncı gösterilmektedir

(Akköse, 1997). Su itkisi ise Denklem (1.1)‟de verildiği gibi hesaplanmaktadır.

P=γw.H.A/2 (1.1)

Burada, P: bileĢke kuvvet; γw: suyun birim hacim ağırlığı; H: su yüksekliği; A: baraj

memba yüzey alanını ifade etmektedir.

ġekil 1.3. Kemer barajlara etki eden hidrostatik su kuvvetleri

Barajlar su tutan yapılar olmaları nedeniyle, sıvı-yapı etkileĢiminde bulunan

yapılardır. Deprem gibi dinamik bir etki söz konusu olduğunda yapı ve sıvı

birbirlerini önemli ölçüde etkiler. Rezervuar baraj etkileĢimi ile ilgili geliĢtirilen üç

8

yöntem mevcuttur. Bunlar; Euler yaklaĢımı, Lagrange yaklaĢımı ve kütle ekleme

yaklaĢımıdır. Euler yaklaĢımında, baraj davranıĢı, yer değiĢtirmeler, sıvının davranıĢı

ise basınçlar olarak ifade edilmektedir. Sıvı yapı ara yüzeylerinde ara yüzey

denklemleri kullanılmaktadır. Lagrange yaklaĢımında; baraj ve rezervuar yer

değiĢtirme cinsinden ifade edilmektedir. Baraj ve rezervuarda kullanılan değiĢken

aynı olduğu için ara yüzey denklemlerine ihtiyaç yoktur (Bayraktar, 1991).

Kütle ekleme yöntemi ilk olarak Westergard tarafından geliĢtirilmiĢtir (Westergard,

1933). Westergard barajın rijit ve sonsuz uzunlukta olup rezervuarın memba

doğrultusunda sonsuza uzandığını, suyun sıkıĢmaz olduğunu ve sıvı yüzey

dalgalarının oluĢmadığını kabul etmiĢtir (Westergard, 1933). Bu yaklaĢımda deprem

etkisinde oluĢan hidrodinamik etki barajla beraber titreĢen kütle olarak göz önüne

alınmaktadır. Kütle dağılımı tekil kütleler olarak baraj memba yüzeyindeki düğüm

noktalarının kütlelerine eklenerek rezervuarın hidrodinamik etkisi elde edilmektedir.

Tekil kütleler Denklem (1.2)‟de verildiği gibi hesaplanmaktadır.

m(z)=7/8*(w/g)√Hz (1.2)

Burada, m(z): Rezervuara bağlı kütle dağılımı, w: Suyun birim hacim ağırlığı, g:

Yerçekimi ivmesi, H: Rezervuar derinliği, z: Su yüzeyinden itibaren su derinliğidir.

Kemer barajlar gibi eğri yüzeye sahip yapılarda, Westergard bağıntısı ile elde edilen

tekil kütlenin ekleneceği düğüm noktasındaki baraj memba yüzey normali ile deprem

doğrultusu arasındaki açı analizlerde dikkate alınmalıdır (Westergard, 1933). Ayrıca,

yapı serbestlik dereceleri X, Y, Z yönlerinde dikkate alınırken deprem hareketi c

yönünde dikkate alınmaktadır. Su yüzeyinden itibaren Z kadar derinlikte X, Y, Z

yapı serbestlik derecelerine eklenmesi gereken kütleler Denklem (1.3) ve (1.4)‟de

gösterildiği Ģekilde ifade edilebilir (Priscu vd., 1985). Barajlarda, yapının sıvıya;

sıvının da yapıya katkısı önemlidir (Calayır ve Karaton, 2002a; Bayraktar vd., 2007).

ġekil 1.4‟de Westergard yaklaĢımındaki su kütlesinin derinliğiyle değiĢimi ve

hidrodinamik basınç kuvvetleri görülmektedir (Akköse, 1997).

9

mh

cxi = mhni e1; m

hcyi = m

hni e2; m

hczi = m

hni e3 (1.3)

e1= cosθcosα; e2= cosθcosβ; e3= cosθcosγ (1.4)

Burada; mh

ni ; Bu terim i düğüm noktasına eklenen kütlenin değerini göstermektedir.

mh

cxi; c yönünde meydana gelen depremden X yönünde eklenecek virtüel kütle;

mh

cyi; c yönünde meydana gelen depremden Y yönünde eklenecek virtüel kütle;

mh

czi; c yönünde meydana gelen depremden Z yönünde eklenecek virtüel kütledir.

H

Z

m(Z)

ġekil 1.4. Hidrodinamik basınç kuvveti

1.4. Yapı Zemin EtkileĢimi

Bir kemer baraj, baraj rezervuar ve deprem etkisi gibi yükleri karĢılayabilmek için

yeterli dayanıklılığa sahip zemin üzerine inĢa edilmelidir. Kemer barajlarda baraj ve

zeminin etkileĢim bölgesi diğer tür barajlara göre daha küçük olduğundan temelde

daha büyük basınç taĢımaya çalıĢmaktadır. Bir ağırlık barajından gelen yükü

taĢıyabilecek yeterlikteki basınç gerilmesine sahip bir zemin kemer baraj içinde

yeterli olmaktadır (Dumanoğlu ve Akköse, 2001).

Zeminin rijit olarak analizlere dahil edilmesi en çok karĢılaĢılan yaklaĢım olmakla

birlikte, baraj-zemin etkileĢim problemlerinin çözümlerinde kolaylık sağlamaktadır.

Baraj yapısının sert zeminlere oturması halinde, zeminin rijit olarak kabul edilmesi

uygun çözümler sağlayabilir. Ancak, zemin mukavemetinin düĢük olması halinde,

zeminin rijit kabul edilmesi yanlıĢ sonuçlar doğurabilir (Ülker ve SavaĢ, 2006).

10

Yapı zemin etkileĢimi ile ilgili ilk çalıĢmalar 1904 yıllarında Lamb tarafından

yapılmıĢtır (Filho vd., 1997; Livaoğlu, 2005). Bu çalıĢmanın etkisiyle Reissner,

1936‟da elastik homojen ve izotrop yarısonsuz ortam üzerinde bulunan dairesel rijit

temel sisteminin harmonik yükleme altındaki davranıĢını incelemiĢtir (Filho vd.,

1997; Reissner, 1936). 1970‟lerin baĢlarında ağır ve rijit yapılar için yapı zemin

etkileĢimi incelenmiĢtir (Youssef, 1998; Halbritter vd., 1998). Yapı, dıĢ yükleri

temelleri aracılığı ile zemine aktarmaktadır. Mesnet çökmeleri ve sismik yer

hareketleri nedeniyle oluĢan etkiler temel vasıtasıyla zeminden yapıya iletilmektedir.

Zeminin davranıĢı üst yapının davraĢını etkilemektedir. Bu durumda, barajların statik

ve dinamik yükler altında gerçek davranıĢının bilinmesi gereklidir (Livaoğlu, 2005).

Birçok heterojen malzeme gibi, zemin de çok karmaĢık mekanik özelliklere sahiptir.

Yükleme türüne göre zeminin mekanik özellikleri farklılık göstermektedir. Zemin,

doğal durumda üç eksenli basınç etkisindedir. Zeminin bu durumdaki dayanım, Ģekil

değiĢtirme özelliklerinin belirlenmesi zeminin davranıĢının bilinmesi açısından

oldukça önem taĢımaktadır. Zeminin kesme dayanımı ve birim Ģekil değiĢtirme

iliĢkisi en önemli mekanik özelliğidir. Bu nedenle zeminlerin davranıĢları kesme

dayanımlarına bağlıdır (Kramer, 1996). Zeminin mekanik özellikleri dikkate

alınırken boĢluk suyu basıncı, zeminin boĢluk oranı, doygunluk derecesi gibi

özellikler dikkate alınmalıdır. Zeminin dinamik özelliğini belirlemek oldukça zordur.

Statik durumda bile heterojen bir malzeme olan zeminin davranıĢının birçok

parametreye sahip olduğundan mekanik özelliklerinin belirlenmesi oldukça

karmaĢık olmasına rağmen deprem etkisinde özelliklerin belirlenmesi daha zordur.

Deprem etkisinde kalmıĢ olan yapıların hasar durumları incelendiğinde hasarların

nedenlerinden en önemlisinin tekrarlı ve dinamik yükler etkisinde kalmıĢ zemin

olduğu görülmektedir (Kramer, 1996). Zemin, farklı özellikteki yüklemelere farklı

tepkiler vermektedir. Bu durumda zeminlerin özellik ve davranıĢlarının

belirlenmesine çok dikkat etmek gereklidir. Elastisite modülü zeminlerin küçük ve

büyük Ģekil değiĢtirmeler etkisinde kalmasında oldukça etkilidir.

11

1.5. Statik ve Dinamik EtkileĢim

Yapı mekaniği problemlerinde doğrusal olmama nedenlerinden en önemlileri,

malzeme davranıĢından ve geometrisinden meydana gelen doğrusal olmayan

davranıĢtır (Karaton, 1998). ġekil 1.5‟de gösterildiği gibi, mekanik problemleri üç

aĢamadan oluĢmaktadır. Bu aĢamalar; denge koĢulunun sağlanması, uygunluk

koĢulunun sağlanması, malzemeler için gerilme Ģekil değiĢtirme iliĢkisinin

sağlanması Ģeklindedir. Ġlk iki aĢama, malzeme davranıĢı bakımından bağımsızdır.

Üçüncü aĢamada ise malzeme özelliği dikkate alınmaktadır. Malzeme davranıĢının

gerçekçi modellenmesi çözümü doğruluk oranını artırmaktadır. Bu bakımdan

malzemenin gerilme Ģekil değiĢtirme eğrisi özelliği büyük önem taĢımaktadır

(Dumanoğlu ve Akköse, 2003).

ġekil 1.5. Statik ve dinamik etkileĢimdeki aĢamalar

12

2. KONU ĠLE ĠLGĠLĠ YAPILMIġ ÇALIġMALAR

Tez çalıĢmasının ikinci bölümü kapsamında, kemer barajlarla ilgili olarak literatürde

mevcut çalıĢmalardan kesitler sunulmuĢtur. Günümüzde, baraj yapılarının sismik

değerlendirme çalıĢmalarına ıĢık tutan oldukça önemli çalıĢmalar mevcuttur. Bu

çalıĢmalar, ġekil 2.1‟de de gösterildiği gibi, kemer barajlarla ilgili çeĢitli konuları

kapsamaktadır. Mevcut çalıĢamalar, gelecekte barajlarla ilgili yapılacak olan

çalıĢmalara da yön vermekte ve yol göstermektedir.

Bugüne kadar konuyla ilgili yapılmış olan çalışmalar özetlenerek sunulmuştur. Konuyla ilgili çalışmalar dört ana başlıktan seçilmiş ve detaylı bir çalışma gerçekleştirilmiştir.

ġekil 2.1. Tez çalıĢması ile ilgili yapılmıĢ çalıĢmalar

ġekil 2.2. Tez çalıĢmasının geliĢtirilmesi ve yapılan çalıĢmalar

Konunun Belirlenmesi

Sistematik YaklaĢım

Ġlgili Kaynakların belirlenmesi

Gelinen Noktanın Belirlenmesi

ÇalıĢma konusuyla mevcut duruma yenilik getirme

13

Tez çalıĢmasının geliĢtirilmesi sırasında sistematik bir yol izlenmiĢtir. Bu sistematik

çalıĢma sırasında, öncelikle konu belirlenmiĢ, akabinde ilgili kaynaklar belirlenerek,

bu kaynaklar temel alınmıĢ ve mevcut literatüre yapılan çalıĢmayla yenilik

getirilmesi amaçlanmıĢtır. ġekil 2.2‟de tez çalıĢmasında uygulanan yaklaĢım

sunulmuĢtur. Tez çalıĢmasında konunun teorik kısmına derinlemesine inilmiĢ ve

öncelikle, teorik olarak gerçekleĢtirilen çalıĢmalar irdelenmiĢtir. Bunun yanında çok

sayıda mevcut çalıĢma incelenmiĢ ve bu kaynaklar, çalıĢmanın geliĢtirilmesinde

kullanılmıĢtır.

Bu çalıĢmaların ilklerinden olan Chopra‟nın (1967) barajlar üzerine yapmıĢ olduğu

çalıĢması, barajların ve baraj rezervuar sisteminin deprem etkisindeki davranıĢını iki

farklı durumda ele almıĢtır. Deprem sırasındaki su basıncının sistem ile olan

etkileĢimini incelemiĢtir. El Centro (1940) deprem ivme kayıtlarını kullanarak

analizler yapmıĢ rezervuarın baraj sisteminde oldukça büyük etkiye sahip olduğunu

göstermiĢtir.

Chopra‟nın dahil olduğu, kemer barajlarla ilgili olan çeĢitli diğer çalıĢmalar da

literatürde mevcuttur (Hall ve Chopra 1980; 1983; Fok ve Chopra 1985; 1986; Tan

ve Chopra 1995; 1996). Bu çalıĢmalarda araĢtırmacılar, kemer barajlarda suyun

sıkıĢabilme özelliğinden faydalanarak, baraj zemin etkileĢimini, baraj-su etkileĢimini

ve deprem davranıĢını incelemiĢlerdir. Bu çalıĢmalar, baraj yapılarının deprem

davranıĢının su etkisinin de dikkate alınarak belirlenmesi açısından önem

taĢımaktadır.

Chopra‟nın gerçekleĢtirdiği diğer yayınlarda, beton ağırlık ve toprak dolgu barajlar

için geliĢtirilen analiz yöntemlerini kemer barajlara uygulamıĢlardır. ÇalıĢmalarda

baraj rezervuar sistemini modelleyerek suyun hidrodinamik basınç etkileri altındaki

deprem davranıĢlarını belirlemiĢler ve elde ettikleri değerleri önceki çalıĢmalarla

karĢılaĢtırmalı olarak incelemiĢlerdir. Oldukça baĢarılı sonuçlar elde ederek, kemer

barajların analizlerine önemli bir katkı sağlamıĢlardır (Hall ve Chopra 1982; 1983).

14

Fenves ve Chopra (1987), 1978 yılında geliĢtirilen iki aĢamalı bir analiz yöntemini

gerçekleĢtirdikleri çalıĢmada basitleĢtirmiĢlerdir. BasitleĢtirilmiĢ analizde, baraj su

etkileĢiminin dikkate alınması oldukça önemli bir geliĢme olarak kaydedilmiĢtir.

Ayrıca, analiz kapsamında suyun sıkıĢtırılabilirliğine ek olarak, baraj temel kayaç

etkileĢimi etkilerini de dikkate almıĢlardır. Bu basitleĢtirilmiĢ analiz yönteminin,

1978 yılında geliĢtirilen yaklaĢımın yerine kullanılmasını önermiĢlerdir.

Chen ve Hou (1987), kemer barajların, sismik yer hareketine karĢı davranıĢını

incelemiĢlerdir. ÇalıĢmada, rezervuar etkisi, kütle yaklaĢım modeli ile dikkate

alınmıĢtır. Ayrıca, rezervuar suyunun sıkıĢmaz olduğunu kabul etmiĢlerdir. Dik

doğrultuda yayılan deprem dalgasının etkisini, doğrusal yer hareketleriyle

karĢılaĢtırdıklarında en büyük gerilmelerde artıĢ meydana geldiğini

gözlemlemiĢlerdir.

Zengin (1991), çalıĢmasında Torul Beton Barajı‟nın statik ve dinamik davranıĢını

incelemiĢtir. Betonun doğrusal elastik davrandığını ve zeminin, rijit olduğunu kabul

etmiĢtir. Barajın iki boyutlu modelini yaparak, statik analizlerini yapmıĢtır. TitreĢim

frekansları ve modlarını belirleyerek, toplanmıĢ kütle ve basitleĢtirilmiĢ yöntemle

karĢılaĢtırmıĢtır.

Ahmadi ve Razavi (1992), kemer barajlarda statik yüklerden kaynaklanan çatlakları

düĢey bloklar arasında yüzey elemanı kullanarak incelemiĢlerdir. Analizler

sonucunda çift eğrilikli kemer barajlarda, barajın ağırlığı nedeniyle düĢey bloklar

arasındaki düğüm noktalarının açılmasından kaynaklanan radyal yöndeki yer

değiĢtirmelerin arttırdığını göstermiĢlerdir.

Muvafık (1993), çalıĢmasında Karakaya kemer Barajı‟nın statik ve dinamik

davranıĢını incelemiĢtir. Zemin etkisi de dikkate alınarak, çalıĢmada, boĢ ve dolu

durum için analizler yapılmıĢtır. Analizlerde El Centro depremi için Housner

tarafından geliĢtirilen ivme spektrumu kullanılmıĢtır. Su hesabında Westergaard‟ın

eklenmiĢ kütle yöntemi kullanılmıĢ ve gerilme değerleri de Muvafık tarafından elde

edilmiĢtir.

15

Fuh-Chen (1994), çalıĢmasında, ele aldığı bir barajın rezervuar sisteminin doğrusal

olmayan dinamik analizlerini yapmıĢtır. Baraj rezervuar sistemini, sonlu elemanlar

yöntemini kullanarak modellemiĢlerdir. Hidrodinamik basınçların etkisi ile baraj

mansap ve membasında yer ivmesi nedeniyle oluĢan sayısal sonuçları deneysel

sonuçlarla karĢılaĢtırmıĢtır.

Bayraktar (1995), çalıĢmasında, deprem etkisindeki baraj rezervuar temel sisteminin

dinamik analizini yapmıĢtır. Ġki boyutlu değiĢken düğüm noktalı, katı ve sıvı

modelleri için Lagrange yaklaĢımını kullanarak çeĢitli programlar oluĢturmuĢtur. Bu

programlar MULSAP isminde ana bir programa eklenerek dinamik analizler

gerçekleĢtirmiĢtir.

Bayraktar vd. (1996), bir beton ağırlık barajı olan Sarıyar Barajı‟nın baraj-rezervuar-

temel sistemlerinin dinamik analizini Lagrange yaklaĢımı ile yapmıĢlardır.

AraĢtırmacılar, Lagrange yaklaĢımına göre iki boyutlu katı ve sıvı elemanları

modellemiĢler ve değiĢen yer hareketi etkisi altında dinamik analizler

gerçekleĢtirmiĢlerdir. ÇalıĢmalarında kendileri tarafından geliĢtirilen MULSAP

programından yararlanmıĢlardır. Analizlerde 1992 Erzincan depremini uygulamıĢ,

analiz sonucunda elde ettikleri değerleri karĢılaĢtırmıĢlardır.

Benli (1996), çalıĢmasında ele aldığı iki ve üç boyutlu baraj modelini kabuk eleman

olarak modellemiĢtir. Statik analiz ve konsol kiriĢ yöntemini kullanarak barajın boĢ,

yarı dolu ve tam dolu durumları için analizler yapmıĢtır. Elde ettiği gerilme

değerlerini önceki çalıĢmalarla karĢılaĢtırmıĢtır.

Calayır vd. (1996), hem Euler hem de Lagrange yaklaĢımlarını kullanarak ağırlık

baraj-rezervuar sistemini iki boyutlu modelleyerek deprem analizi yapmıĢtır ve sıvı

sıkıĢma değiĢim etkilerinin modal davranıĢlarını incelemiĢlerdir. Bununla birlikte bir

baraj-rezervuar sisteminin deprem tepkisini Lagrange yaklaĢımı kullanarak

incelemiĢlerdir. Lagrange ve Euler yaklaĢımı sonucunda elde edilen değerleri

karĢılaĢtırmıĢlardır.

16

Akköse (1997), kemer barajların doğrusal ve doğrusal olmayan statik ve dinamik

analizini yapmıĢtır. ÇalıĢmasında iki boyutlu analizler için elasto plastik malzeme

modeli ve Drucker-Prager akma yüzeyi, üç boyutlu analizlerde ise eğri tanımlama

modeli kullanmıĢtır. Ġki boyutlu ve üç boyutlu modeller oluĢturarak, iki boyutlu

analizlerin yeterli olup olmadığını incelemiĢtir.

Hall (1998), çalıĢmasında, Los Angeles‟daki Pacoima kemer barajını kabuk eleman

olarak modellemiĢtir ve barajın sismik analizi için bir yaklaĢım sunmuĢtur.

Rezervuar temel yapı etkileĢimini, çatlak oluĢumunu, iç sıvı basıncını, kayma

gerilmelerini ölçmek için bir algoritma geliĢtirmiĢtir. Analizler sonucunda kemer

barajlarda yer sarsıntısı sırasında büyük çatlakların olduğunu gözlemlemiĢtir.

Hudnut (1998) da çalıĢmasında, Los Angeles‟daki Pacoima barajını ele almıĢtır.

ÇalıĢmasında, plak tektonik hareketlerini ölçmede kullanılan farklı bir yöntem

kullanarak Ģekil değiĢtirmeleri deneysel olarak belirlemiĢtir. Günlük bölgesel sıcaklık

kayıtlarını kullanarak yıllık ve kısa periyotlu sıcaklık değiĢimleri etkisi altındaki yapı

davranıĢını incelemiĢtir. Zamana bağlı spektral analizler gerçekleĢtirerek, yer

değiĢtirme değerlerini belirlemiĢtir.

Szczesiak vd. (1999), çalıĢmalarında dalga yayılımı ve deprem analizlerinin kemer

barajların dayanımlarının belirlenmesinde oldukça önemli olduğunu belirtmiĢlerdir.

Ġki boyutlu dalga yayılma analizinin üç boyutlu temel baraj analizinin girdisi olarak

nasıl elde edilebileceğini göstermiĢlerdir. Yayılma hareketinin hesabı için yeni bir

yöntem geliĢtirmiĢlerdir. Yöntemi doğrulamak için de çeĢitli örnekler üzerinde farklı

çözümlemeler sunmuĢlardır.

Ohmachi ve Jalali (1999), kemer barajların yakın fay yer hareketi altındaki doğrusal

dinamik davranıĢlarını araĢtırmıĢlardır. ÇalıĢmada örnek olarak Amerika‟da 1967

yılında inĢa edilen Morrow Point Kemer Barajını seçmiĢlerdir. Bu barajı, kabuk

elemanlarla modellemiĢ ve 1994 Northridge Depremi ivme kayıtlarını kullanılarak

analiz ederek detaylı bir araĢtırma yapmıĢlardır.

17

Camara (2000), kemer baraj-rezervuar-temel sistemlerinin sismik davranıĢını

belirlemek için bir yöntem geliĢtirmiĢtir. AraĢtırmacı, ele aldığı barajı kendisi

tarafından geliĢtirilen bir yöntem kullanarak sonlu elemanlarla, rezervuar ve temel

sınır elemanlar kullanarak incelemiĢtir. Camara, gerçekleĢtirdiği analizler sonucunda

baraj üzerindeki dinamik etkileri incelemiĢtir.

Mojtahedi (2000), çalıĢmasında, Los Angeles‟daki Pacoima baraj gövdesine

yerleĢtirilen ivme ölçerler ile 1994 Northridge depremi sırasında ölçülen deprem

kayıtlarını elde ederek sismik analizler gerçekleĢtirmiĢtir. Barajın matematik

modelini ve baraj temel ara yüzeyinde bir varsayım yaparak, barajın deprem etkisi

altındaki davranıĢını incelenmiĢtir. Mojtahedi, çalıĢması kapsamında elde ettiği

model analizi sonuç değerleri ile barajda ölçülen değerler arasında farklılıklar

gözlemlemiĢlerdir.

Nasserzare vd. (2000), gerçekleĢtirdikleri çalıĢma kapsamında geliĢtirdikleri yeni ve

uygulanabilir olan bir yöntem ile, rezervuarı kısmi dolu olan kemer barajın titreĢim

verilerinden yararlanarak hidrodinamik etkiler altındaki doğal frekansı ve modları

belirlemiĢ, ve rezervuarın hidrodinamik basıncını da sınır eleman yöntemini

kullanarak incelemiĢlerdir.

Ahmadi vd. (2001), kemer baraj-rezervuar sistemlerinin sonlu eleman analizleri için

doğrusal olmayan malzeme modelleri geliĢtirmiĢlerdir. Analizlerde deprem

dalgalarını ve suyun sıkıĢabilirliğini dikkate almıĢlardır. Deprem bölgelerindeki

kemer barajların güvenliği için bu modelin kullanılabilir olduğunu çalıĢmalarının

sonuçlarında vurgulamıĢlardır.

Chuhan vd. (2001), sonlu eleman yöntemine dayalı geliĢtirdikleri yaklaĢımı iki farklı

kemer baraj modelinde uygulayarak, çeĢitli analizler yapmıĢlardır. Analizlerinde

farklı yapısal katsayıları kullanarak kemer baraj-rezervuar etkileĢimini

değerlendirmiĢlerdir. Suyun sıkıĢabilirlik etkisini dikkate almıĢ ve yansıma

katsayılarındaki değiĢimi araĢtırmıĢlardır.

18

Hancer vd. (2001), Sarıyar barajını ele almıĢlar, bu baraj üzerinde, rezervuar zemin

sisteminde zemin sönüm oranının etkisini incelemek için stokastik dinamik analizleri

gerçekleĢtirmiĢlerdir. Sistem, sonlu elemanlar modeli ile modellenmiĢtir. San Fernando

depremi sırasında kaydedilen deprem kaydını uygulamıĢladır. Analizlerinde sönüm

oranının artması ile yer değiĢtirme ve gerilmelerin arttığını gözlemlemiĢlerdir.

Oskouei ve Dumanoğlu (2001), beton ağırlık barajların dinamik analizini

yapmıĢlardır. Yapı ve sıvıyı yer değiĢtirmeye dayalı yaklaĢım ile temsil etmiĢlerdir.

Barajı sonlu elemanlar yöntemi ile modelleyerek barajın boĢ ve dolu durumları için

analizler ve farklı sönüm oranları için incelemeler yapmıĢlardır. Kuvvetli yer ivmesi

etkisi altında çatlakların oluĢtuğunu belirlemiĢlerdir. Rezervuarın dolu olduğu

durumlarda gerilmelerin oldukça arttığını göstermiĢlerdir.

Calayır ve Karaton (2002a), Karakaya Kemer Barajı‟nın doğrusal olmayan dinamik

davranıĢını baraj-rezervuar etkileĢimini dikkate alarak incelemiĢlerdir. Rezervuar

davranıĢını Lagrange ve Euler yaklaĢımlarıyla, betonun doğrusal olmayan

davranıĢını da Drucker akma modeli ile temsil ederek, doğrusal olmayan dinamik

analizler gerçekleĢtirmiĢlerdir. Analizlerde, 1952 yılında meydana gelen Taft

depremi ivme kayıtlarını uygulamıĢlardır. ÇalıĢma sonucunda farklı kabuller altında

elde edilen değerlerin birbirine yakın olduğu belirtilmiĢtir.

Calayır ve Karaton (2002b), 2002 yılındaki bi