KEMER BARAJLARIN YAPISAL DAVRANIŞLARINI BELİRLEMEK AMACIYLA GELİŞTİRİLEN MÜHENDİSLİK YAZILIMI

DEVELOPMENT OF ENGINEERING SOFTWARE TO DETERMINE THE STRUCTURAL BEHAVIOR OF ARCH DAMS

Özet

Barajlar, üstlendikleri görevler, inşa aşamalarındaki zorluklar ve yüksek maliyet gibi nedenler dikkate alındığında, İnşaat Mühendisliğinin en önemli yapı elemanları ve çalışma alanları arasında yer almaktadır. Bu derece önemli olan ve yıkılıp/hasar gördüklerinde maddi ve manevi büyük zarar oluşturabilecek yapıların, yapısal davranışlarının tasarım ve projelendirme aşamasında çok hassas/detaylı bir şekilde belirlenmesi önem arz etmektedir. Uzman mühendisler tarafından gerçekleştirilen analizler ise; modelleme, analiz ve yorumlama kısımlarının zor ve uğraştırıcı olmasından dolayı da oldukça fazla zaman almaktadır. Yapılan bu çalışma kapsamında, yukarıda açıklanmaya çalışılan nedenlerden dolayı oldukça fazla zaman alan baraj analizlerini kolaylaştırmak ve yapısal davranış hakkında hızlı bir bilgi sahibi olmak amacıyla genel bir mühendislik yazılımı geliştirilmiştir. Geliştirilen yazılım kapsamında, tek eğrilikli kemer barajlar için yapı-zemin etkileşimi de dikkate alınarak modal analiz, statik analiz ve dinamik analiz sonuçları elde edilebilmektedir. Başlangıç modeli olarak, 1968 yılında “Kemer Barajlar Sempozyumu”nda sunulan ve beş tip kemer barajdan birisi olan tek eğrilikli Tip-1 kemer barajı seçilmiştir. Laboratuvar ortamında belirli ölçekte inşa edilmiş ve çevresel titreşim testleriyle doğruluğu ortaya konulmuş referans Tip-1 kemer barajının, ANSYS programıyla oluşturulan sonlu eleman modeli üzerinden farklı ölçekler dikkate alınarak (1, 10, 20, 30, …, 500) detaylı çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Analizlerde değişken parametre olarak, baraj yüksekliği, malzeme özelliği, kütle, zemin sınıfı, taşıyıcı sistem davranış katsayısı, etkin yer ivme katsayısı, yapı-zemin etkileşimi vb. parametreler dikkate alınmış olup, analizler sonucunda elde edilen statik ve modal analiz sonuçları (frekans, periyot, yer değiştirme, gerilme ve şekil değiştirme) alan denklemleriyle, dinamik analiz sonuçları ise (yer değiştirme, gerilme ve şekil değiştirme) regresyon analizleri sonucunda edilen en uygun denklemlerle ifade edilmiştir. Elde edilen çok fazla sayıdaki formül, denklem ve sonuçların bir araya getirilmesi, belirtilen her bir belirsiz parametreye bağlı yapısal davranıştaki değişimlerin belirlenebilmesi, sonuçlara ait grafiklendirmelerin yapılabilmesi ve bu işlemlerin otomatik olarak sunulması amacıyla EXCEL programı kullanılarak bir yazılım geliştirilmiştir. Yazılımın doğruluğunu kanıtlamak amacıyla, rastgele seçilen parametreler dikkate alınarak gerçekleştirilen sonlu eleman analiz sonuçlarının, hazırlanan yazılım kullanılarak elde edilen sonuçlar ile oldukça yakın olduğu görülmüş olup, bu durumun hazırlanan yazılımın doğruluğu ve/veya kullanılabilirliğini ortaya koyduğu düşünülmektedir. Çalışmanın ilerleyen aşamalarında, farklı tip kemer barajlar için yapı-sıvı-zemin etkileşimi de dikkate alınarak yazılımın genişletilmesi amaçlanmaktadır. Hazırlanacak yazılımın, ilgili kurum ve kuruluşlarda görev yapan mühendisler için, barajların yapısal davranışlarının hızlı bir şekilde belirlenmesi ve değerlendirilmesinde oldukça faydalı olacağı düşünülmektedir. Ayrıca, yazılımın tasarım aşamasında görev yapan firma ve/veya mühendisler için de bir kontrol mekanizması olması hedeflenmektedir.

Abstract

The dams are among the most important building elements and fields of study of Civil Engineering when considering the reasons such as the duties they undertake, the difficulties in construction stages and high cost. It is important that structures that are so important and can cause great pecuniary loss and intangible damages when they are destroyed and damaged are determined very precisely and detailed at the design and project stage of their structural behavior. Analyzes carried out by expert engineers are also taking considerable time due to the difficult and challenging of parts of modeling, analysis and interpretation. In the scope of this study, general engineering software has been developed in order to facilitate the analysis of the dam which takes considerable time due to the reasons explained above and to have a quick knowledge about the structural behavior. Modal analysis, static analysis and dynamic analysis results can be obtained by considering the structure-ground interaction for single curved arch dams within the scope of the developed software. As the initial model, a single curved Type-1 arch dam selected that is one of five types of arch dam, presented in the "Arch Dams Symposium" in 1968. Detailed studies have been carried out on the reference type 1-arch dam, built on a certain scale in the laboratory environment and verified by environmental vibration tests, taking into account the different scales (1, 10, 20, 30, ..., 500) through the finite element model created by the ANSYS program. In the analyses, dam height, material property, mass, soil class, seismic load reduction factor, effective ground acceleration coefficient, structure-ground interaction etc. are used as variable parameters. In the end of analyses, static and modal analysis results (frequency, period, displacement, strain and deformation) with the most appropriate equations obtained by the regression analysis, dynamic analysis results (displacement, stress and deformation) are expressed by the equations of field. Software has been developed using the EXCEL program in order to combine the large number of formulas, equations and results obtained, to determine the changes in the structural behavior depending on each of the specified indeterminate parameters, to make graphs of the results, and to automatically present these operations. In order to prove the correctness of the software, it is seen that the results of the finite element analyses performed considering randomly selected parameters are very close to the results obtained by using the prepared software and it is considered that this situation shows the correctness and/or usability of the prepared software. It is aimed to extend the software by taking into consideration the structure-liquid-soil interaction for different types of arch dams at later stages of the study. It is thought that the software to be prepared will be very useful for the engineers working in related institutions and organizations to quickly determine and evaluate the structural behavior of the dams. It is also aimed to software have a control mechanism for the firms and/or engineers working in the design phase.