BASİT MESNETLİ TEK AÇIKLIKLI ÇELİK DEMİRYOLU KÖPRÜSÜNÜN DEPREM DAVRANIŞININ KIRILGANLIK EĞRİLERİ YARDIMI İLE DEĞERLENDİRİLMESİ

Öz

Kırılganlık analizi köprülerin deprem performanslarının belirlenmesinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Aktif deprem kuşağında yer alan ülkemizde demiryolu köprülerinin deprem performanslarının belirlenmesi olası deprem senaryoları için maddi ve can kayıplarının önlenmesi için büyük önem taşımaktadır. Ülkemizdeki demiryolu köprülerinin 19 uncu yüzyılın sonları ile 20 inci yüzyılın başlarında inşa edildiği görülmektedir. Devlet Demiryolları envanterinde bulunan köprüler; çelik, yığma ve betonarme köprülerden oluşmakla birlikte bunların önemli bir kısmı tarihi köprü niteliğindedir. Demiryolu köprülerinin uzun kullanım ömrünün olması ve köprülerin imal edildiği zamanın teknolojisi ile günümüz teknolojisi arasındaki gelişmeler göz önüne alındığı takdirde köprülerin deprem performanslarının belirlenmesi için ayrıntılı çalışmaların yapılması gerekliliği açıkça görülmektedir. Bu çalışmada Türkiye’de ki demiryolu hatlarında sıklıkla kullanılan basit mesnetli tek açıklıklı bir çelik demiryolu köprüsü ele alınmıştır. Köprünün doğrusal olmayan analizlerinin yapılabilmesi için A, B ve C zemin sınıflarında 30 farklı gerçek deprem kaydı seçilmiş ve bu deprem kayıtları en büyük yer ivmesi 0.1g ile 1.0g arasın da 10 sarsıntı şiddeti değerine oranlanmış ve 300 zaman tanım alanına doğrusal olmayan analiz gerçekleştirilmiştir. Köprünün matematiksel modeli yaygın olarak kullanılan bir sonlu elemanlar programı yardımı ile imalat paftalarına uygun şekilde oluşturulmuştur. Kırılganlık eğrileri elde edilirken maksimum olasılık yaklaşımından faydalanılmış ve her bir köprü elemanı için dört farklı hasar sınıfına ait kırılganlık eğrileri elde edilmiştir. Yapılan analizler sonucunda köprü mesnetlerinin köprünün en zayıf elemanları olduğu tespit edilmiştir. Köprü mesnetlerinde %50 olasılıkla hafif hasara neden olan sarsıntı şiddeti parametresi 0.086g olarak belirlenmiştir. Köprü üst yapı elemanları incelendiği takdirde ise %50 olasılıkla hasar oluşmasına neden olan sarsıntı şiddeti parametresi 0.32 g olarak belirlenmiştir. Üst yapı elemanlarında plastik davranış başladıktan sonra yüklerin tekrar dağılımı mümkün olmamaktadır. Bu nedenle üst yapı gevrek davranış göstermekte ve hafif hasara ulaşıldıktan hemen sonra orta, ileri ve göçme durumu hasarları gözlemlenmektedir. Köprünün kullanım sınır durumları incelendiği takdirde ise kullanım hız limitlerinin artması ile köprü hasar olasılıklarının arttığı gözlemlenmiştir. Yapılan analizler dikkate alınarak demiryolu hat güvenliğinin arttırılması için deprem riski yüksek olan bölgelerde köprü kullanım hız limitlerinin sınırlandırılması gerektiği belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Artımsal dinamik analiz
• Demiryolu Köprüleri
• Doğrusal olmayan analiz
• Kırılganlık Analizi
• Köprü

Evaluation of The Earthquake Behavior of Single Span Simply Supported Steel Railway Bridges by Fragility Curve

Abstract

Fragility analysis is widely used in determining the earthquake performance of bridges. Determination of earthquake performances of railway bridges in Turkey which is located in the active earthquake zone is of great importance for preventing earthquake loss and material loss for possible earthquake scenarios. When the railway bridges in our country are examined it is seen that they are generally constructed in the late 19th century and early 20th century. Turkish Railway administration’s bridge inventory contains steel, masonry and reinforced concrete bridges, some of which are historical bridges. It is clear that detailed studies should be carried out to evaluate the seismic performance of bridges considering their long period service life and changes of technology and construction methodologies between their construction days and nowadays. In this study, a single-span steel railway bridge with simple support, which is frequently used in railway lines in Turkey is investigated. In order to make nonlinear analysis of the bridge, 30 different real earthquake records are selected in A, B and C ground classes. These earthquake records are scaled to 10 different shaking intensity values between 0.1 g and 1.0 g, and 300 nonlinear time-history analyzes are performed. The mathematical model of the bridge is constructed in accordance with the shop drawing with the help of commonly used finite element software. When the fragility curves are obtained, the maximum probability approach is used and the fragility curves of four different classes of damage are obtained for each bridge element. The results obtained are elaborated in detail. As a result of the analyzes, it is determined that the bridge supports are the weakest elements of the bridge. Intensity measure which causes 50% probability slight damage on bridge supports is 0.086g. The intensity measure, which causes 50% probability of damages for bridge superstructures, is 0.32 g. Redistribution of loads is not possible after plastic behavior is start in superstructure, for this reason the superstructure shows brittle behavior and moderate, extensive and complete damage are observed immediately after slight damage is reached. Considering the serviceability limit state, the analysis shows that increase in the use speed, increase the probability of failure. For the high risk seismic region use speed of Railway Bridge need to be restrained.

Keywords

• Incremental dynamic analysis
• Railway bridges
• Nonlinear analysis
• Fragility analysis
• Bridge

Kaynakça

1. Baker, J. W., 2015, ‚Efficient Analytical Fragility Function Fitting Using Dynamic Structural Analysis‛, Earthquake Spectra, Vol.31, No.1, pp. 579–599.
2. Byers, W. G., ‚Railroad Lifeline Damege in Earthquaked.‛ 13 th World Conference on Earthquake Engineering Vancouver, B.c., Canada, 324-335, 2004
3. Chandramohan, R., Lin, T., Baker, J. W., Deierlein, G. G. ‚Influence of Ground Motion Spectral Shape and Duration on Seismic
4. Collapse Risk.‛ 10th International Conference on Urban Earthquake Engineering, Tokyo, Japan, 1-2 Mar 2013.
5. Cornell, C. A., Jalayer, F., Hamburger, R. O., Foutch, D., 2002a, ‚Probabilistic Basis for 2000 SAC Federal Emergency Management Agency Steel Frame Guidelines.‛ Journal of Structural Engineering, Vol. 128, pp. 526–533.
6. Cornell, C. A., Jalayer, F., Hamburger, R. O., Foutch, D. A., 2002b, ‚Probabilistic Basis for 2000 SAC Federal Emergency Management Agency Steel Moment Frame Guidelines‛, Journal of Structural Engineering, Vol.128, No.4, pp 526–533.
7. CSI. SAP2000 V-19, 2017, Integrated Finite Element Analysis and Design of Structures Basic Analysis Reference Manual, Berkeley (CA, USA): Computers and Structures Inc.
8. Çağlıyan, A., Yıldız, A. B., 2013, ‚Türkiye ’ de Demiryolu Güzergâhları Jeomorfoloji İlişkisi ( Turkey Associatıon of Railway Routes-Geomorphology ).‛ Marmara Coğrafya Dergisi, Vol. 28. July pp. 466–486.

9. Dolsek, M., 2009, ‚Incremental Dynamic Analysis with Consideration of Modeling Uncertainties‛, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, Vol.38 No.6, pp. 805–825.
10. Mackie, K. R., Nielson B.G., 2009, ‚Uncertainty Quantification in Analytical Bridge Fragility Curves.‛ TCLEE : Lifeline Earthquake Engineering in a Multihazard Environment, Vol.407, pp 1–12.
11. Mackie, K. R., Stojadinovic, B., 2005, ‚Comparison of Incremental Dynamic, Cloud and Stripe Methods for computing Probabilistic Seismic Demand Models‛, Structural Congress, Newyork, 20-24 April 2005.
12. Mackie, K., Wong, J.-M., Stojadinovic, B., 2008, Integrated Probabilistic Performance-Based Evaluation of Benchmark Reinforced Concrete Bridges, PEER 2007/09 January 2008.
13. Mander, J., Kim, D., Chen, S., Premus, G., 1996, Response of Steel Bridge Bearings to the Reversed Cyclic Loading, Technical Report NCEER 96-0014, Buffalo, NY.
14. Mohseni, M., 2012, Dynamic Vulnerability Assessment of Highway and Railway Bridges, Doktora Tezi, The Collage of Engineering at the University of Nebraska-Lincoln.
15. Nielson, B. G., 2005, Analytical Fragility Curves for Highway Bridges in Moderate Seismic Zones, Doktora Tezi, Georgia Institute of Technology, School of Civil and Environmental Engineering, Georgia USA.
16. Nielson, B. G., DesRoches, R., ‚Seismic Fragility Methodology for Highway Bridges‛, Structures Congress: , St Louis, Missouri, 105–112, 18-21 Mayıs 2006.
17. Padgett, J. E., DesRoches, R., 2008, ‚Methodology for the Development of Analytical Fragility Curves for Retrofitted Bridges‛, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, Vol. 37, No.8, pp. 1157–1174.
18. Padgett, J. E., Nielson, B. G., DesRoches, R., 2008, ‚Selection of Optimal Intensity Measures in Probabilistic Seismic Demand Models of Highway Bridge Portfolios‛, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, Vol. 37, No.5, pp. 711–725.
19. Pan, Y., Agrawal, a. K., Ghosn, M., Alampalli, S., 2010, ‚Seismic Fragility of Multispan Simply Supported Steel Highway Bridges in New York State. I: Bridge Modeling, Parametric Analysis, and Retrofit Design‛, Journal of Bridge Engineering, Vol. 15, No.5, pp. 448–461.
20. Shinozuka, M., Feng, M. Q., Kim, H. K., Kim, S. H., 2000a, ‚Nonlinear Static Procedure for Fragility Curve Development‛, Journal of Engineering Mechanics, Vol. 126, No.12, pp. 1287-1295
21. Shinozuka, M., Freg, M. Q., Lee, J., Naganuma, T., 2000b, ‚Statistical Analysis of Fragility Curves‛, Journal of Engineering Mechanics, Vol. 126 December, pp. 1224–1231.