Deprem Araştırma Bülteni (13. Sayı)
Toprak Barajların Dinamik Hesap Yöntemleri.


Özaydın K., Erguvanlı A.

Özet.


Yarı statik analiz yöntemi, yatay ivmenin doğurduğu atalet kuvvetlerinin şev malzemesi üzerine sürekli ve sadece tek bir yönde etkilediği şeklinde basit kabullere dayanmaktadır. Bundan dolayı, deprem etkileri için bu analiz yönteminin kullanılması, en azından çok hatalı sonuçlar doğurabilecektir. Teorik olarak, güvenlik sayısının G.S.=1.0 olması hali şevin göçme durumunu belirtmektedir. Ancak, hakikatte şevi oluşturan malzeme özelliklerine bağlı olarak G.S. < 1 olmasına rağmen kaymayan şevler ve G.S.> 1 durumunda göçen şevler mevcuttur.

Karl Terzaghi

Toprak barajların, dolgu, şev ve istinat duvarlarının deprem etkisine karşı stabilite analizleri son elli yıldan beri yapıIa gelmektedir. 1923 Tokyo depreminden sonra, Mononobe Okabe ve diğer Japon Mühendisleri istinat duvarları arkasında depremler sırasında oluşan toprak basınçlarını hesaplamak için bir yarı statik analiz yöntemi önermişlerdir. Aynı yöntem daha sonraları toprak barajların ve şevlerin sismik stabilite analizinde de kullanılmıştır. Bu yön­ temde statik şev stabilitesi analizinde kullanılan aynı yol izlenmekte ve varsayılan bir muhtemel kayma düzlemi boyunca kaydıran ve karşı koyan kuvvetler karşılaştırılmaktadır. Sadece, statik yüklere ilave olarak, deprem etkileri bir sismik katsayı 'k' nın muhtemel kayan kitlenin toplam ağırlığı ile çarpımından elde edilen bir ilave yatay statik yük ile tanımlanmakta ve stabilite hesabına bir kaydıran yük olarak katılmaktadır. Son onbeş yıl içinde yarı-statik analiz yönteminin kısıtlayıcı yönleri ve yeterli olmadığı pek çok araştırmacı tarafından ortaya konmuş ve toprak yapıların deprem yükleri altında davranışını inceleyebilmek için “dinamik anaIiz” yöntemlerinin geliştirilmesine çalışılmıştır. Bu çalışmalar önceleri yarı statik analizde kullanılan sismik katsayının daha iyi tanımlanabilmesi ve bu kat­ sayının baraj yüksekliği boyunca ve deprem süresince değişiminin göz önüne alınması yönünden olmuştur. Buna paralel olarak zeminlerin dinamik yükler altında davranışları laboratuar deneyleri ile incelenmiş ve dinamik gerilme-deformasyon ve sönüm özellikleri yanı sıra dinamik mukavemet özellikleri de daha iyi tanımlanmaya çalışılmış ve zeminlerin, gerilmeye bağlı elastik olmayan özellikleri daha sonra analiz yöntemlerine dâhil edilmiştir. Ayrıca aynı yıllarda diğer yaklaşımların yanı sıra, zemin mühendisliğinde de sonlu elemanlar yöntemi gibi sayısal yöntemler ve bunun sonucu elektronik hesap makinelerinin kullanılmaya başlanması olağan hale gelmiştir. Bu gelişmelerin sonucu olarak bugün (1976) toprak barajların deprem yükleri altında davranışını “dinamik analiz” yöntemleri ile inceleyebilmek ve çıkan sonuçları zeminin dinamik mukavemet parametreleri ile karşılaştırabilmek mümkün olmaktadır. Bu yazıda amaç, bu gün için biline analiz ve deney yöntemlerinin gelişimlerini aşamalar halinde sunmak, uygun değerlendirmeler için gerekli kıstasları belirtmek ve “dinamik analiz” unsurlarını açıklamak olmuştur. “Dinamik analiz” başlığı altında açıklanan kısımda, her hangi bir dinamik analiz yöntemi ile depremler sırasında oluşması muhtemel gerilme ve deformasyonların baraj bünyesi içinde zaman ile değişimlerinin bilinmesi halinde, baraj malzemesinin dinamik mukavemeti ve davranışının analizi içerilmiştir. Etkiyen gerilme ve oluşan deformasyon mertebelerine göre değişik davranış gösteren ve bu özellikleri deneysel olarak saptanabilen zeminlerin, değişken dinamik gerilmeler altındaki davranışları gerçek bir dinamik analiz yaklaşımı projelendirilmesinde en önemli hususu teşkil etmektedir. Bir toprak barajın dinamik analizinin, baraj malzemesini teşkil eden “Zemin” in zamana bağlı dinamik davranışı incelenmeden yapılamayacağı tabii olduğundan toprak barajların deprem yükleri altında davranış analizi, bu tür barajların proje ve inşaa aşamalarında da olduğu gibi öncelikle ve ayrıcalıkla bir “Zemin Mekaniği” problemi olmaktadır.

Summary.


The pseudo static equation based on the simplifying assumptions that the horizontal acceleration acts permanently on the slope material and in one direction only. Therefore, the concept in conveys on earthquake effects is very inaccurate to say the least. Theoretically, a factor of safety FS = 1.0 would mean a slide, but in reality a slope may remain stable in spite of FS being smaller than unity and it may failat a value of FS greater than 1, depending on the character of the slope forming material.

Karl Terzaghi

The seismic stability analysis of earth dams, embankments, slopes and retaining walls are being performed for the last fifty years. After the 1923 Tokyo earthquake, Japanese engineers such as Mononobe, Okabe and others proposed a pseudo static method calculating earth pressures induced during earthquakes in the seismic design of retaining walls. The same approach was later used for the seismic stability analysis of earth dams and slopes. In this method, the same principle is used as in the static slope stability analysis and the sliding and resisting forces on the probable slide surface are compared. The seismic effects are represented as a lateral force determined by a sismic coefficient, in addition to the static forces acting on the probable sliding mass to minimize stability. In the last fifteen years, extensive research has established the limiting aspects and insufficiencies of the pseudo_static analyses and has encouraged the development “dynamic analysis” methods for the analyses of the behaviour of earth structures under earthquake loads. These endavours primarily started with the better definement and refinement of the seismic coefficent. The variation of the seismic coefficient with the height of the dam and the duration of the earthquake were taken into consideration. Parallel to this, the dynamic behaviour of soils was investigated by laboratory tests. and apart from the dynamic stress-strain relationship, it was attempted to determine the dynamic strength parameters of the soils. The inelastic strain dependent behaviour of soils was gradually included in the numerical analyses methods. In addition to this, recent use of numerical approaches such as the finite element method and the electronic computers in the field of soil engineering has become quite widely applied. As a result of these developments, today (1976) it has become reliably possible to investigate the behaviour of earth dams under earthquake loads with methods of “dynamic analyses” and compare the results with dynamic soil strength parameters, The purpose of this article is to present the developments of the established analyses and experimental methods in contemporary use, to point out their limitations and express the factors for “dynamic analyses”. In the section with the heading “Dynamic Analyses” the behaviour of the dam forming material and its dynamic strength properties has been analysed, after determining the possible timedependent stresses and strains assessed by an appropriate method of analyses, occurring during a probable earthquake. The most important factor is to asses the strain dependent characteristics of soils and include the time dependent representive values for a most realistic dynamic analysis approach. It is an established fact that the dynamic analyses of earth dams is primarily a Soil Mechanics problem. It is evident that an appropriate dynamic analysis of an “earth dam” cannot be performed without a through investigation of the dynamic behaviour of the constituent material, in other words, the dynamic behaviour of the soils.