-
Altıncı Ulusal Deprem Mühendisliği Konferansı, 16-20 Ekim 2007,
İstanbul Sixth National Conference on Earthquake Engineering, 16-20
October 2007, Istanbul, Turkey
675
KATI ATIK DEPOLAMA SAHALARININ DEPREM SIRASINDAKİ DAVRANIŞININ
MODELLENMESİ
MODELLING OF BEHAVIOR OF SOLID WASTE LANDFILLS DURING
EARTHQUAKE
Ayşe EDİNÇLİLER1, Gökhan BAYKAL2, Mustafa ERDİK3 ve Waiel
MOWRTAGE4
ÖZET
Evsel Katı Atık (EKA) depolama sahaları, başlıca evsel ve
endüstriyel atıkların bulunduğu heterojen karışımların depolandığı
yerlerdir. EKA ların mukavemet ve sıkışabilirlik gibi mekanik
özellikleri, çöpün kompozisyonuna, depolanan malzemenin
bileşenlerinin mekanik özelliklerine, su muhtevasına ve bozulmanın
etkisine bağlıdır. Sismik bölgelerdeki depolama sahaları sadece
statik yükler altında değil, aynı zamanda sismik şartlar altında da
göçmelere karşı güvenli olmalıdır. Depolama sahalarının dinamik
analizinin güvenli olması için, atık malzemenin dinamik
özelliklerinin doğru belirlenmesi çok önemlidir. Depolama
sahalarının deprem sırasındaki davranışı, nümerik modellerle analiz
edilebileceği gibi, sarsma masası deneyleri ile de
belirlenebilmektedir. Bu çalışmada, EKA depolama sahasıının deprem
sırasındaki davranışının sarsma masası modelleri ile belirlenmesi
amaçlanmaktadır. Çalışma üç aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamada,
sarsma masası deneylerinde kullanılacak malzemenin fiziksel
özellikleri belirlenmiştir. İkinci aşamada, depolama sahasının
sarsma masasında modellenebilmesi için esnek numune kutusu (ENK)
dizayn edilmiş ve imal ettirilmiştir. Son aşamada ise, üç farklı
modelin analiz sonuçları verilmiştir. Boş ENK (Model 1), vahşi
depolama sahası (Model 2) ve modern depolama sahası (Model 3)
modelleri yapılarak deney sonuçları karşılaştırılmıştır. Modern
depolama sahası modelinde, deprem sırasında önemli bir iyileşme
sağlandığı görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Katı atık depolama
sahası, deprem, sarsma masası deneyi
ABSTRACT
Municipal Solid Waste Landfills (EKA) are places where
heterogeneous mixtures of municipal and industrial wastes are
disposed. Mechanical properties of EKA such as strength and
compressibility depend on composition of waste, mechanical
properties of components of the material deposited, water content
and decomposition. Landfills in seismic regions must be safe
against not only static forces but also seismic forces.
Determination of dynamic properties of waste material is crucial
for reliability of dynamic analysis of landfills in seismic
regions. Behavior of landfills during earthquakes can be determined
by shaking table tests as well as by numerical analyses. The object
of this study is to determine behavior of landfills during
earthquakes by shaking table experiments. This study is composed of
three stages. In the first stage the physical properties of
materials to be used in shaking table experiments were determined.
In the second stage, a flexible shear stack was designed and
manufactured in order to model landfills on the shaking table.In
the last stage a series of shaking table model tests were carried
out in the flexible shear stack. Within the scope of this study,
three separate shaking table models were selected and their
analyses results were examined. Some were considered as an
unregulated landfill model (Model 2) whereas some were prepared as
a modern solid waste landfill model (Model 3). With the use of
Model 3, a significant decrease in the values was observed.
Keywords: Solid waste landfill, earthquake, shaking table test
1 Doç.Dr., Boğaziçi Üniversitesi, İstanbul, [email protected] 2
Prof.Dr., Boğaziçi Üniversitesi, İstanbul, [email protected] 3
Prof.Dr., Boğaziçi Üniversitesi, İstanbul, [email protected] 4
Yard.Doç.Dr., Boğaziçi Üniversitesi, İstanbul,
[email protected]
-
676 Katı Atık Depolama Sahalarının Deprem Sırasındaki
Davranışının Modellenmesi
GİRİŞ Evsel katı atık (EKA) depolama sahaları, homojen olmayan
çeşitli ticari ve evsel katı atıkların depolandığı yerlerdir. Bu
tür malzemelerin özellikleri sahadan sahaya değişmektedir.
Türkiye’de, EKAlar çoğunlukla vahşi depolama sahalarında
depolanmaktadır. Kontrolsüz depolanan atıkların, çevre kirliliğine
neden olduğu ve insan sağlığını tehdit ettiği bilinmektedir. Şekil
1’de kesiti verilen Modern depolama sahalarının kullanımının
artması bu duruma çözüm getirmektedir.
Atık depolama sahalarının kompleks yapılar olmasından dolayı
stabilitesi önemli bir konudur. Stabil atık depolama sahası
dizaynı; oturma, yamaç duraylılığı, ve sismik davranış gibi
mekanizmaların anlaşılması ile mümkün olabilmektedir. Deprem
bölgelerindeki depolama sahaları sadece statik şartlarda değil,
aynı zamanda sismik şartlar altında da göçmelere karşı güvenli
olmalıdır. Kil kaplamalarda veya geosentetik kaplamalardaki
deformasyonlar, sızıntıya, ve böylece yeraltı suyunun kirlenmesine
neden olacaktır. Aynı zamanda, sızıntı suyu toplama boruları ve gaz
toplama borularında oluşan kırıklar veya kopukluklar, atık depolama
sahasının kullanım performansını azaltmaktadır. Çöpün heterojen
yapısından dolayı, oturma, yamaç stabilitesi, ve sismik davranış
zeminden farklı ve daha karmaşık olmaktadır. EKAların mukavemet ve
sıkışabilirlik gibi mekanik özellikleri, çöpün kompozisyonuna,
depolanan malzemenin bileşenlerinin mekanik özelliklerine, su
muhtevasına ve bozulmanın etkisine bağlıdır (Jessberger ve Kockel,
1995).
Bu çalışmada, katı atık çöp depolama sahalarının deprem
sırasındaki davranışınının belirlenmesi amaçlanmaktadır. Çalışma,
üç aşamadan oluşmaktadır. Birinci aşama, deneylerde kullanılacak
malzemenin fiziksel özelliklerinin belirlenmesini içermektedir.
Malzemenin geoteknik özelliklerini belirlemek ve statik yük
altındaki davranışının belirlenmesi için bir seri deney
yapılmıştır. Projenin ikinci aşamasında, çöp depolama sahasının
deneysel modelinin oluşturulacağı esnek numune kutusu (ENK) dizayn
edilmiştir. Üçüncü aşamada ise vahşi depolama ve modern depolama
sahası modelleri geliştirilen ENK içinde oluşturularak, sarsma
masası deneyleri ile gerçek deprem kaydı altındaki davranışları
değerlendirilmiştir. Sarsma masası deneyleri, Boğaziçi
Üniversitesi, Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü,
Deprem Mühendisliği Anabilim Dalı’nda mevcut olan ANCO R-148 yatay
tek eksenli hareket yeteneğine sahip Sarsma Masası Laboratuvarında
yapılmıştır.
Şekil 1. Modern Depolama Sahası Kesiti
-
A.Edinçliler, G. Baykal, M. Erdik ve W. Mowrtage 677
EVSEL KATI ATIKLARIN GEOTEKNİK VE DİNAMİK ÖZELLİKLERİ Geoteknik
Özellikler EKAlara ait veriler daima geniş bir aralık
göstermektedir ve değerler tutarsız ve birbiriyle uyumlu
olmamaktadır. Bu duruma, katı atık özelliklerini etkileyen sınır
şartlarının değişikliği kadar, atık bileşenlerinin de değişken
olması neden olmaktadır.
EKAların birim hacim ağırlığını etkileyen en önemli etken, çöpün
kompozisyonu, günlük örtünün hacmi ve çöpün yerleştirilmesi
esnasındaki sıkıştırma derecesidir. Sızıntı ve atık depolama sahası
gazlarını etkileyen kimyasal ve biyolojik bozulma, atığın
kompozisyonu ve organik madde miktarından etkilenmektedir. Organik
içerik, aynı zamanda mekanik mukavemeti ve katı atığın deformasyon
özelliklerini de etkilemektedir. Maksimum kuru birim hacim ağırlığı
ve serbest basınç mukavemeti, artan organik miktara bağlı olarak
azalma göstermektedir. Atığın birim hacim ağırlığı, çöpün yaşı ile
de bağlantılıdır. Yaşlı çöpün birim hacim ağırlığı, bozulmanın
derecesine, derinliğe ve nem gibi çevresel faktörlere bağlıdır.
Birim hacim ağırlığının derinlikle değişimi, basınç ve böylece
boşluk oranının azalması ve uygulanan aşırı yük altında çöpün
konsolidasyonuna bağlıdır.
Evsel katı atığın ağırlığı, günlük kaplamanının yüksek birim
hacim ağırlığından etkilenmektedir. Genellikle, arazi gözlemleri ve
laboratuvar deneyleri, evsel katı atığın birim hacim ağırlığının
sıkıştırılmamış veya az sıkıştırılmış atıklar için 3 kN/m3 ile çok
sıkıştırılmış çöpler için 17 kN/m3 arasında değiştiğini
göstermektedir. Komposizyon ve yerleştirme karakterlerine göre bu
değer 18 kN/m3’e kadar yükselebilmektedir (Kavazanjian vd.,
1995).
Depolama sahalarının statik ve dinamik davranışını analiz etmek
için, atık malzemelerin kayma mukavemeti parametreleri önemli
göstergelerdir. Zeminler için uygulanan Mohr-Coulomb göçme kriteri,
atık malzemelere de uygulanabilir.
Edinçliler vd. (1996), Wisconsin’da bulunan çöp depolama
sahasından aldıkları EKA ile büyük boy kesme deneyi yapmışlardır.
Literatür çalışmalarına da dayanarak geniş bir kayma mukavemeti
aralığı (φ= 28 - 42o; c = 0 - 30 kPa) tanımlamışlardır. Dinamik
Özellikler Evsel Katı Atık (EKA) depolama sahaları, önemli sismik
performans kriterleri olan mühendislik yapılarıdır. Depolama
sahalarının dinamik analizinin güvenirliliği, atık malzemelerin
dinamik özelliklerinin doğru karakterizasyonuna bağlıdır. Bu
özellikler;
• EKAnın birim hacim ağırlığı profili, • Küçük-birim deformasyon
kayma modülü (Gmax) veya kayma dalgası hızı (Vs), • Birim
deformasyona bağlı normalize edilmiş kayma modülü azalımı (G/Gmax)
ve
malzeme sönümleme ilişkisi olarak verilmektedir (Zekkos vd.,
2006). 1990 öncesinde, atık malzemelerin sismik kayma hızı, Vs,
hakkında çok az veri
bulunmaktadır. Sharma vd. (1990), California’da bulunan atık
depolama sahasında “down hole” testleri ile ortalama kayma dalgası
hızını 200 m/sn olarak ölçmüşlerdir. Sismik refraksiyon araştırması
ile de kayma dalgası hızını 244 m/sn olarak bulmuşlardır. Singh ve
Murpy (1990) Kaliforniya’da “down-hole” ve “cross-hole” teknikleri
ile kayma dalgası hızını 30 m/sn ile 275 m/sn arasında
bulmuşlardır. Kavazanjian vd. (1995), kayma dalgası hızının atık
depolama sahasının yaşı ve derinlikle değiştiğini göstermişlerdir.
20 metre derinlikte, kayma dalgası hızı taze atık için 150 m/sn
iken yaşlı ve sıkıştırılmış atık için 300 m/sn arasında
değişmektedir.
EVSEL KATI ATIK DEPOLAMA SAHASI ANALİZLERİ Sarsma Masası
Deneyleri Çok pahalı altyapı gerektiren sarsma masası deneyleri,
dünyada bu olanağa sahip çok az merkez tarafından
gerçekleştirilmektedir. Öncelikle yapıların modellenmesi için
tasarlanan sarsma masaları, geoteknik modelleme amacıyla da
kullanılmaya başlanmıştır. Literatürde geoteknik problemler için
gerçekleştirilmiş sarsma masası deneyleri mevcuttur (Fukutake vd.,
1990;
-
678 Katı Atık Depolama Sahalarının Deprem Sırasındaki
Davranışının Modellenmesi
Richards vd., 1990; Kanatani vd., 1991). Testlerde zemin
numunelerinin konulduğu kutular, iki kategoriye ayrılmaktadır: sert
kenarlı kutular ve esnek, tabakalı numune kutuları. Bunlardan
ikincisi genellikle kauçuk tabakalarla birbirinden ayrılmış yatay
dikdörtgen metal halkalardan oluşmaktadırlar.
Taylor vd. (1994) tarafından yapılan bir araştırmada, 1.2 m.
uzunluğunda, 0.6 m. genişliğinde ve 0.9 m. yüksekliğinde bir
“esnek-tabakalı kesme kutusu” geliştirilmiştir. Yatay dikdörtgen
kesitler alüminyumdan yapılmış olup, kauçuk tabakalar ile
birbirlerinden ayrılmışlardır. “ENK” tek boyutlu yatay hareketler
için dizayn edilmiştir. Taylor vd. (1994), bu düzenekle kuru kum
depozitlerin sismik davranışlarını araştıran birçok test
gerçekleştirmişlerdir. “ENK” ile yapılan araştırmalarda
numunelerin, yatay düzlemde, oldukça düzenli ivme davranışları
ürettiği gözlemlenmiştir. İvmelerin düşey profilinin arzulanan
sinüzoidal şekli verdiği görülmüştür. Taylor vd. (1994) yaptıkları
ENK prototipi ışığında, ECOEST (European Consortium of Earthquake
Shaking Tables) projesiyle büyük ölçekli bir “ENK” geliştirmiştir.
Geliştirilen ENK, 5 m. uzunluğunda, 1 m. genişliğinde ve 1.15 m.
yüksekliğindedir. Yapılan deneyler sonucunda “ENK”nun geoteknik
problemlerin araştırılmasında gerçeğe yakın sonuçlar verdiği
belirtilmiştir. Literatür çalışmasından, atık depolama sahaları
için yapılan bu çalışmanın ilk olduğu görülmüştür. Nümerik
Yöntemler Toprak dolguların sismik stabilitesini analiz etmek için
geliştirilen yöntemler tecrübe ile birlikte depolama sahalarına
uygulanabilir. Kaplama ve örtüler; değişik geosentetikler ve kil
kaplamalar gibi değişik malzemelerden oluşmaktadır. Atık malzemeler
genellikle homojen değildir. Fiziksel özelliklerini belirlemek,
atığın biyolojik ve kimyasal bozulmasına bağlı olduğu için kolay
olmamaktadır. Bu durumda, depolama sahalarının sismik davranışı,
dolguların sismik stabilite analizi için uygulanan yöntem ile çok
fazla uyumlu değildir. KADSlarının sismik dizaynı için prensipler,
dolgu barajların dizaynında kullanılan prensiplere benzemektedir
(Pinto, 1995).
Genelde, depolama sahalarının sismik stabilitesi, pseudostatik
stabilite analizi veya kalıcı deformasyonlara bağlı sismik
analizlerle gerçekleştirilebilir. Pseudostatik analiz, genellikle,
toprak dolgular için geliştirilmiş yöntemlerden tahmin edilen
sismik katsayı kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Depolama
sahalarının dinamik karakterlerinin, toprak dolgulardan farklı
olması nedeniyle sismik katsayının seçimi depolama sahaları için
güvensiz olabilmektedir.
QUAD4M, DIANA-SWAYNDYNE-II kullanılarak kesme kutusunun dinamik
analizi yapılmıştır (Augello vd, 1995; Taylor, 1997). Depolama
sahalarının, sarsma masası modelleri Edinçliler vd.(2007)
tarafından, FLAC 5.0 ile gerçekleştirilmiştir.
YÖNTEM Geoteknik Özellikler Atık malzemelerin düşük birim hacim
ağırlığı, yüksek boşluk oranı ve kilitlenme özelliği, mekanik
özelliklerini farklı kılmakta ve yükler altındaki davranışını
tahmin etmeyi zorlaştırmaktadır. Yükler altındaki malzemenin
davranışını belirlemek için geoteknik deneyler büyük önem
taşımaktadır. Ülkemizde üretilen katı atık kompozisyonu esas
alınarak Tablo 1’de verilen numune laboratuvar şartlarında
hazırlanmıştır. Deneylerde kullanılan katı atık kompozisyonunun
birim hacim ağırlığı 14.9 kN/m3, içsel sürtünme açısı, 10.3o,
kohezyonu ise 4.9 kPa olarak bulunmuştır.
Tablo 1. Deneylerde Kullanılan Katı Atık Kompozisyonu
Kompozisyon Organik atık
(%) Tekstil
(%) Kağıt (%)
Lastik (%)
Tahta parçası (%)
Bahçe çöpü (%)
(%) 53 8 3 3 10 3 Ağırlık /kg) 156 26 9 9 30 9
-
A.Edinçliler, G. Baykal, M. Erdik ve W. Mowrtage 679
Deney Düzeneğinin Hazırlanması Geoteknik problemlerin deprem
sırasındaki davranışını modellemek için zemin özelliklerinin ve
sınır şartlarının doğru modellenmesi çözümün doğruluğunu önemli
ölçüde etkilemektedir. Gazetas (1982) tarafından, kesme kutusunun
sağlaması gereken iki temel performans kriteri; zemin ve kesme
kutusuna doğru herhangi bir yatay düzlemdeki yanal hareketin
üniform olması ve kesme kutusu derinliği boyunca yanal hareketlerin
sinüzoidal profil takip etmesi olarak verilmektedir.
Katı atık depolama sahasının sarsma masası modelinin
yapılabilmesi için dizayn edilen ENK, dikdörgen katmanlı sekiz adet
alüminyum içi boş kesitli halkaların sekiz adet kauçuk katmanlarla
birbinden ayrılması ile oluşmaktadır. Kauçuk katmanlar halkaların
kesme kirişi davranışında deforme olmasına izin verirken, aliminyum
halkalar, zeminin yanal sınırını sağlamaktadır. ENK’nun, boyutları
ve malzeme özellikleri Gazetas (1982)’ın belirttiği başarı
kriterleri esas alınarak Sonlu Elemanlar Programı çıktılarına göre
belirlenmiştir. Analizler sonucunda, ENK’nun 1450 mm boyunda, 750
mm genişliğinde ve 780 mm yüksekliğinde olmasına karar verilmiştir.
ENK, sarsma masasına tabanındaki rijit çelik levhadan
tutturulmuştur. Laboratuarda, atık malzemenin değişik derinlikteki
davranışının değişen düşey basınçlar altındaki değişiminin
araştırılması amaçlanmıştır. Kesme kutusu içine numune
yerleştirildiktan sonra, numune üzerine düşey basınç uygulamak için
yastıklar dizayn edilmiştir. Yastıklar kompresöre bağlı olup,
istenen basınç numune üzerine uygulanabilmektedir.
Kutunun uzun kenarının bulunduğu her iki kenarına yatay yönde
hareket edebilen ve sarma masasına monte edilen sistem
geliştirilmiştir. Her iki yöndeki alüminyum boru, hareket edebilen
küçük millerle desteklenmiştir. Yastıklara gerekli basınç
verildikten sonra, kesme kutusu yanlarda bulunan ve bir boru
üzerinde yatay yönde sürtünmesiz olarak hareket imkanı olan sisteme
sabitlenmiştir. Bu durumda, sarsma masası hareketine bağlı olarak,
masanın üzerindeki deney düzeneği de aynı hareketleri yapabilme
kapasitesine sahip olmaktadır (Şekil 2).
Şekil 2. Hazırlanan Deney Düzeneği
Numune Hazırlama Deneye başlamadan önce uzun kenar duvarların iç
kısmı yağlanmakta, ince kauçuk kılıf test edilen numunenin yan
duvarlarındaki sürtünmeyi en aza indirmek için kullanılmaktadır. Uç
kenarların iç yüzeylerinde ve kutunun tabanına kum
yapıştırılmıştır.
Deneylerde 16 adet akselometre, 7 adet LVDT kullanılmıştır.
Aletlerin yerleştirilme planı, Şekil 3 ve 4’de verilmektedir.
Akselometre 1 (A1), masanın davranışını ölçmek için sarsma masasına
tutturulmuştur. Akselometre 2 ile 9 (A2-A9) arası, numunenin deprem
sırasındaki yatay ivmesini ölçmek için kutunun üzerine LVDT ler’in
yanına yerleştirilmiştir.
Her bir malzeme kesme kutusunun içine üç farklı katmanda
yerleştirilerek katmanlar sıkıştırılmıştır. Numune yerleştirme
aşamasında, Şekil 3’de verildiği gibi numunenin içine altı adet
akselometre yerleştirilmiştir. 11, 12, ve 13 No’lu akselometreler
(A11, A12 ve A13) numunenin üst yüzeyinden 10 cm derine
yerleştirilmiştir. 14, 15 ve 16 No’lu akselometreler (A14, A15 ve
A16) ise numunenin üst yüzeyinden 30 cm altına yerleştirilmiştir
(Şekil 3). Numune yerleştirme
-
680 Katı Atık Depolama Sahalarının Deprem Sırasındaki
Davranışının Modellenmesi
aşamasından sonra, numunenin üstü membran ile kaplanmıştır.
Bunun amacı, hava yastıkları ile malzeme arasındaki davranışın
genel sonucu etkilemesinin engellenmesi ve bünyesinde değişik
boyutta malzeme bulunduran atığın hava yastığına zarar vermesinin
önlenmesidir. Daha sonra, numunenin üzerine farklı basınçların
uygulanmasını mümkün kılacak iki adet hava yastığı
yerleştirilmektedir. Hava yastıkları yardımıyla, numunelerin
üzerine 10, 20 ve 40 kPa düşey basınç uygulanarak, farklı basınçlar
altında numunenin deprem sırasındaki davranışı gözlenmiştir.
Şekil 3. Deneylerdeki Akselometre Düzeni
Şekil 4. Deneylerdeki LVDT Düzeni
Sarsma Masası Deneyleri Literatürde ilk defa olarak, çöp
depolama sahası modeli ENK kutusu içinde oluşturulmuştur. Bu
çalışma kapsamında, toplam olarak 135 adet sarsma masası deneyi
yapılmıştır. Bu çalışmada, sonuçların değerlendirilmesi için üç
farklı basınç altında üç farklı model (Model 1, Model 2 ve Model 3)
seçilmiştir. Model 1’de, kesme kutusu boş olarak test edilmiştir.
Sarsma masasına, 2.5 ve 4 Hz’lik frekansta sinüs dalgası hareketi
verilerek deneyler yapılmıştır. Model 2, yönetmeliklere göre dizayn
edilmemiş vahşi depolama sahası modelini, Model 3 ise modern
depolama sahası modelini temsil etmektedir. Model 2 ve Model 3’te
El Centro (1940) deprem kaydı ¼ ölceğine göre kullanılmıştır.
Model 3’de modern depolama sahasını temsil edecek bir
konfigürasyon yapılmıştır (Şekil 5). Tabanda, alt kaplama vardır.
Kaplama özellikleri ve kullanılan geosentetik malzemeler, çevre
geotekniği standartlarına uygundur. Kullanılan malzemeler 1/4
ölçeğine göre azaltılarak kullanılmıştır. Geomembran tabakası,
geonet drenaj katmanı ve geotekstilin kullanımı şekilde görüldüğü
gibidir (Şekil 5).
-
A.Edinçliler, G. Baykal, M. Erdik ve W. Mowrtage 681
Şekil 5. Model 3’ün Hazırlanması
DENEYSEL SONUÇLAR Model 1 Model 1’de, iki farklı sinüs dalgası
(2.5 ve 4.0 Hz) uygulanmıştır. Deneyler sırasında, yerdeğiştirme
ölçümleri alınmıştır (Şekil 6). ENK tabandan yukarıya doğru artan
yerdeğiştirme yapmıştır. ENK’nın her iki frekansta da, sinüzoidal
hareket yapması istenen bir sonuçtur.
Model 1 (2 Hz Sin wave)
-4
-3
-2
-1
0
1
2
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Zaman ( sn)
Yerd
eğiş
tirm
e (m
m)
LVDT1LVDT2LVDT3LVDT5LVDT6LVDT7
Model 1 (4.0 Hz sin wave)
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
0 2 4 6 8 10 12 14 16
zaman (sn)
Yer
değişt
irme
(mm
)
LVDT1LVDT2LVDT3LVDT5LVDT6LVDT7
Şekil 6. Model 1 için Yerdeğiştirme – Zaman Değişimi
-
682 Katı Atık Depolama Sahalarının Deprem Sırasındaki
Davranışının Modellenmesi
Model 2 ve Model 3 Model 2 ve Model 3 için LVDT’lerin yanına
yerleştirilen akselometrelerden alınan maksimum değerler üç farklı
basınç için Tablo 2 ve Tablo 3’de verilmektedir. Modellerde
maksimum ivmeler, en üstteki noktada (A9) oluşmuştur. Model 2’de,
düşük basınç altında, maksimum ivmeye t = 2.76 sn’de ulaşılırken,
20 kPa’lık basınçta t=1.22’de, yüksek basınç altında ise t =
2.76’da ulaşılmıştır. Model 3’de ise düşük basınçtan yüksek basınca
doğru maksimum ivmelere, t = 2.40sn, t = 2.75sn ve t = 1.20 sn’de
ulaşılmıştır.
Model 2’de, 20 kPa altında ivme büyütme faktörü oldukça
yüksektir. Numunenin doğal frekansı artarak yer hareketi etkin
frekansına yakın değere ulaşmıştır. 40 kPa basınç altında ise,
basınçtan dolayı ivme büyütme faktörü düşmüştür. Model 2, 20 kPa
altında en kritik durumdadır. Numunenin basınç altında sıkışmasının
sonuçları etkilediği görülmüştir. Model 3’de, ivme büyütme
faktörünün artan basınçtan çok fazla etkilenmediği görülmektedir.
Bu durumun, en altta bulunan kaplama sisteminden kaynaklandığı
düşünülmektedir.
Tablo 2. Model 2’de Farklı Basınçlarda Maksimum İvmeler Basınç
10 kPa 20 kPa 40 kPa
Akselometre No. Amax (g) (t) Amax (g) (t) Amax (t) 2 0.35 2.75
0.28 1.22 0.63 2.75 3 0.34 2.76 0.31 1.22 0.66 2.75 4 0.38 2.76
0.36 1.22 0.68 2.76 6 0.43 2.15 0.40 1.22 0.73 2.76 7 0.48 2.15
0.47 1.2 0.78 2.76 8 0.52 2.15 0.50 1.22 0.79 2.76 9 0.57 2.76 0.54
1.22 0.82 2.76
Tablo 3. Model 3’de Farklı Basınçlarda Max İvmeler Basınç 10 kPa
20 kPa 40 kPa
Akselometre No. Amax (g) (t) Amax (g) (t) Amax (t) 2 0.40 2.39
0.36 2.74 0.33 1.20 3 0.41 2.39 0.38 2.75 0.35 1.20 4 0.45 2.39
0.39 2.75 0.36 1.20 6 0.47 2.39 0.41 2.75 0.38 1.20 7 0.50 2.40
0.43 2.75 0.39 1.20 8 0.51 2.40 0.45 2.75 0.39 1.20 9 0.54 2.40
0.47 2.75 0.41 1.20
Tablo 4 ve Tablo 5’de numune içine yerleştirilen
akselometrelerden elde edilen farklı basınçlar için maksimum ivme
değerleri Model 2 ve Model 3 için verilmiştir. Şekil 3’de görüldüğü
gibi, A11 ile A16 arası numunenin içine yerleştirilmiştir. A11, A12
ve A13 üstte, A14, A15 ve A16 ise altta bulunmaktadır. Model 2’de
basınç arttıkça maksimum ivme değeri de artmaktadır (Tablo 4).
Model 3’de ise maksimum ivmenin 10 kPa’lık basınç uygulandığı zaman
gerçekleştiği görülmektedir (Tablo 5). Numunenin orta bölgesinde
üst üste yerleştirilmiş olan A12 ile A15 kıyaslandığında, üstteki
ivme büyütme faktörü daha yüksek çıkmaktadır. A12 ve A15’in sağ
yanındaki ve sol yanındaki, A11-A14 ile A13-A15’in farklı davranış
gösterdiği izlenmiştir. Bu durumun, EKA’nın homojen olmayan
yapısından kaynaklandığı düşünülmektedir. Model 3’de, genel olarak
maksimum ivmenin artan basınçla azaldığı görülmektedir (Tablo
5).
Tablo 4. Numune İçinde Oluşan Maksimum İvmeler (Model 2)
Düşey Basınç 10 kPa 20 kPa 40 kPa Akselometre (Üst) A11 A12 A13
A11 A12 A13 A11 A12 A13 Amax (g) 0.38 0.49 0.12 0.42 0.41 0.44 0.68
0.79 0.65 Akselometre (Alt) A14 A15 A16 A14 A15 A16 A14 A15 A16
Amax (g) 0.24 0.46 0.27 0.38 0.38 0.40 0.67 0.71 0.75
-
A.Edinçliler, G. Baykal, M. Erdik ve W. Mowrtage 683
Tablo 5. Numune İçinde Oluşan Maksimum İvmeler (Model 3) Düşey
Basınç 10 kPa 20 kPa 40 kPa Akselometre (Üst) A11 A12 A13 A11 A12
A13 A11 A12 A13 Amax (g) 0.53 0.50 0.17 0.46 0.44 0.18 0.41 0.39
0.15 Akselometre (Alt) A14 A15 A16 A14 A15 A16 A14 A15 A16 Amax (g)
0.34 0.40 0.40 0.32 0.36 0.37 0.15 0.13 0.33
Model 2, düşük basınç altında (10 kPa), A13’de maksimum ivme
değeri taban ivmesinden
daha düşüktür. Maksimum ivmeye 5.98 sn’de ulaşılmıştır. Dıştaki
akselometrede maksimum ivmeye 2.15 sn’de ulaşılmıştır. Bu durumun,
malzemenin içindeki kaymadan oluşabileceği düşünülmektedir. 20 kPa
ve 40 kPa altında A13’de maksimum ivmenin yüksek olduğu
görülmektedir. Bu tür davranışların artan basıncın etkisi ile
farklı kompozisyondaki ve farklı fiziksel özelliklere sahip
malzemenin ezilmesi, kayması nedeni ile oluşabileceği
düşünülmektedir.
Model 3’de basıncın artmasından dolayı maksimum ivme ve hız
değerleri ve aynı anda ivme büyütme faktörü de düşmektedir. Model 2
ile Model 3 kıyaslandığında, Model 3’de gözlenen ivme büyütme
faktöründeki azalmanın EKA’nın tabanını oluşturan geosentetik
malzemelerin varlığından kaynaklanmaktadır.
Her bir model için farklı basınç altında oluşan, maksimum ivme
(Amax), maksimum hız (Vmax), maksimum yerdeğiştirme (Dmax)
değerleri ve bunların gerçekleştiği zamanlar, A9 ve A12 için
karşılaştırılmıştır (Tablo 6 ve Tablo 7). Model 2, A9’da, basınç
arttıkça, Amax (0.57g- 0.82g), Vmax (9.5 cm/sn- 17.00 cm/sn) ve
Dmax (7.6 mm) değerleri de artmaktadır. Model 2 – A12’de de, Amax
(0.488g- 0.79g), Vmax (8.36 cm/sn- 16.5 cm/sn), ve Dmax (5.28
mm-8.4 mm) değerleri basınç arttıkça artış göstermektedir.
Tablo 6. Model 2 için A9 ve A12’de Amax, Vmax ve Dmax
Değerleri
Akselometre No. Amax (g) Vmax (cm/sn) Dmax (mm) 10 kPa
9 0.570 (t=2.76sn) 9.5 (t = 1.36sn) 7.60 (t = 1.28sn) 12 0.488
(t=2.15sn) 8.36 (t = 1.37sn) 5.28 (t = 1.22sn)
20 kPa 9 0.54 (t=1.22sn) 8.47 (t = 1.2sn) 6.8 (t = 1.22sn) 12
0.412(t=1.22sn) 7.3 (t = 1.19sn) 6.33 (t = 1.23sn)
40 kPa 9 0.82 (t=2.76sn) 17.0 (t = 1.33sn) 10.3 (t =1.2sn) 12
0.79 (t=2.76sn) 16.5 (t =1.33sn) 8.4 (t = 1.21sn)
Model 3- A9’da, basınç arttıkça, Amax (0.54g- 0.42g), Vmax
(11.67 cm/sn- 10.18 cm/sn) ve
Dmax (6.68 mm-5.58) değerleri azalmaktadır (Tablo 7). Model 3 -
Aks.12’de de, Amax (0.50g- 0.39g), Vmax (11.25 cm/sn- 9.59 cm/sn),
ve Dmax (6.28 mm-8.4 mm) değerlerinin basınç arttıkça azaldığı
görülmüştür.
Tablo 7. Model 3 için A9 ve A12’de Amax, Vmax ve Dmax Değerleri
Akselometre No. Amax (g) Vmax (cm/sn) Dmax (mm)
10 kPa 9 0.54 (t=2.40sn) 11.67 (t = 2.79sn) 6.68 ((t = 5.34sn)
12 0.50 (t=2.40sn) 11.25 (t = 2.79sn) 6.18 (t = 1.22)
20 kPa 9 0.47 (t=2.75sn) 9.67(t = 2.77sn) 6.18 (t = 11.22sn) 12
0.44 (t=2.75sn)
8.69 (t = 2.77sn) 5.05 (t = 1.21sn)
40 kPa 9 0.42 (t=1.95sn) 10.18 (t = 2.78sn) 5.58 (t = 1.21sn) 12
0.39 (t=1.20sn) 9.59 (t = 1.18sn) 6.06 (t = 1.21sn)
-
684 Katı Atık Depolama Sahalarının Deprem Sırasındaki
Davranışının Modellenmesi
Vahsi depolama sahasını temsil eden Model 2, modern depolama
sahasını temsil eden Model 3’den daha büyük değerlere sahiptir. Bu
durum da, modern depolama sahasının deprem sırasındaki davranışları
iyileştirdiğini vurgulamaktadır
Tablo 8’de , Model 2 (40 kPa) ve Model 3 (40 kPa) için A12 ve
A15’de hesaplanan kayma dalgası hızı (Vs) değerleri verilmiştir.
Tablo 8 incelendiğinde, Model 3’de daha düşük Vs değerleri
görülmektedir. Model 2’de doğal frekans 24 Hz iken Model 3’de 19
Hz’e düşmektedir. Bu durum, modern depolama tesisinin yapısından
kaynaklanmaktadır.
Tablo 8. Kayma Dalgası Hızı Değişimi Akselometre No. Model 2
Model 3
Vs (m/sn) Vs (m/sn) 12 74.8 60 15 74.8 60
Şekil 7 ve 8’de, Model 2 ve 3 için 40 kPa’lik basınç altında El
Centro (1940) deprem kaydı
ile oluşan yerdeğiştirme-zaman ilişkisi LVDT kayıtlarına göre
verilmektedır. Deney sonuçlarından Model 3’de, yerdeğiştirme
değerinin azaldığı görülmektedir. Maksimum yerdeğiştirmelerin,
yarıya yarıya azaldığı bu durumun, geosentetik kaplamalardan
kaynaklandığı düşünülmektedir.
-15
-10
-5
0
5
10
15
4 6 8 10 12 14 16Zaman (sn)
Yer
değişt
irme
(mm
)
LVDT1
LVDT2
LVDT3
LVDT5
LVDT6
LVDT7
Şekil 7. Model 2 (40 kPa) Yerdeğiştirme - Zaman İlişkisi
-15
-10
-5
0
5
10
15
8 9 10 11 12 13 14 15 16zaman (sn)
Yer
değişt
irme
(mm
)
LVDT1LVDT2LVDT3LVDT5LVDT6LVDT7
Şekil 8. Model 3 (40 kPa) Yerdeğiştirme - Zaman İlişkisi
-
A.Edinçliler, G. Baykal, M. Erdik ve W. Mowrtage 685
SONUÇLAR Güvenli ve sağlam EKA depolama sahalarının, bünyesinde
bulunan üniform olmayan malzemelerden dolayı dizaynı oldukça
zordur. Ülkemizde, vahşi depolama sahalarının sağlık ve çevre
açısından çok ciddi sorunlar yarattığı bilinen bir gerçektir. Bu
nedenle, özellikle büyük şehirlerde, yönetmeliklere göre dizayn
edilmiş modern depolama sahalarının kullanımına az da olsa
başlanılmıştır. Atık malzemenin statik ve dinamik özelliklerinin
deprem sırasındaki davranışlar üzerinde çok önemli etkileri vardır.
Ayrıca, EKA’nın birim hacim ağırlığı zaman içinde, atığın yaşı,
bozulma gibi faktörlerden etkilenmektedir. Uzun vadeli etkileri de
göz önüne alan dizaynlarda, zamanla depolama sahasında oluşacak
değişimlerde hesaba katılmalıdır.
Bu çalışmada, oldukça karmaşık davranış özelliklerine sahip EKA
depolama sahalarının deprem sırasındaki davranışının sarsma masası
deneyleri ile modellenmesi gerçekleştirilmiştir. Modellemelerde
gerçeğe yakın sonuçlar elde edebilmek için sonlu elemanlar programı
yardımı ile ENK dizayn edilmiştir. Malzemenin deprem sırasındaki
davranışı, atıkların kontrolsüz olarak depolandığı (Model 2) ve
yönetmeliklere göre dizayn edildiği (Model 3) durumlarda
incelenmiştir. Deney sonuçlarından;
• EKAların sarsma masası modellerinin ENK içinde
gerçekleştirilmesi mümkün olabilmektedir.
• Atıkların kontrolsüz depolanması malzemenin davranışını önemli
ölçüde etkilemektedir. • Yönetmeliklere göre dizayn edilen EKA
depolama sahalarında atık malzemenin
davranışında iyileşme gözlenmektedir. Amax, Vmax, Dmax ve ivme
büyütme değerlerinde önemli azalmalar olmaktadır.
• Değerleri yönetmeliklere göre belirlenmiş geosentetik ve
sıkıştırılmış kil kaplamalardan oluşan Model 3’de, ENK’nın dışında
oluşan yerdeğiştirmelerde Model 2’ye göre yarı yarıya azalma
olmaktadır.
• Modellerin üzerine uygulanan farklı büyüklükteki basınçlar
belirgin olarak sonuçları etkilemektedir.
• Geliştirilen deney düzeneğinin bu tür çalışmalar için uygun
olduğu görülmüştür. • Heterojen yapıya sahip olan EKA’nın, farklı
büyüklükteki ve farklı fiziksel özellikteki
malzemeyi bünyesinde bulundurması nedeniyle, boşluk oranları
farklı olmakta, bu durumda deprem sırasındaki davranışı
etkilemektedir.
• Modellerde tabanda kullanılan geosentetik malzemeler deprem
etkisini azaltmaktadır. • Kontolsüz atık depolama sahalarında
deprem sırasında çok önemli geoteknik problemler
oluşabilecektir. Sarsma masası deneyleri, geoteknik
uygulamaların deprem davranışının belirlenmesi için
önemli bir araçtır. Güvenli bir dizayn yapılabilmesi için,
sadece nümerik model sonuçları yeterli olmamaktadır. Sarsma masası
modelleri sayesinde, daha gerçekçi verilere ulaşmak mümkündür.
Tecrübe ve uygun modelleme tekniği ile çevregeotekniği konularında
da sarsma masası modelleri kullanılabilir. Bu tür uygulamalarn
çoğalması, mühendislik uygulamaları için faydalı olacaktır.
Teşekkür Çalışmanın gerçekleştirilebilmesi için verdikleri
desteklerden dolayı Boğaziçi Üniversitesi, Bilimsel Araştırma
Projeleri Koordinatörlüğü’ne (Proje No. 03T102D) ve TÜBİTAK-MAG’a
(Proje No: 103I010) teşekkür ederim.
KAYNAKLAR
Edinçliler A, Benson,CH., ve Edil TB (1996) Shear Strength of
Municipal Solid Waste, Environmental Geotechnics Report No.96-2,
University of Wisconsin, USA.
Edinçliler A, Baykal G, Erdik M ve Mowrtage W (2007) Katı Atık
Depolama Sahalarının Deprem Sırasındaki Davranışının Modellenmesi,
Proje Raporu, TÜBİTAK-MAG, Proje No. 03I010.
-
686 Katı Atık Depolama Sahalarının Deprem Sırasındaki
Davranışının Modellenmesi
Fukutake K, Ohtsuki A, ve Shamoto Y (1990) “Analysis of
Saturated Dense Sand – Structure System and Comprarison with
Results from Shaking Table Test”, Earthquake and Structural
Dynamics, Vol. 19, 977-992
Jessberger H L ve Kockel R (1995) “Determination and Assessment
of the Mechanical Properties of Waste Materials”, Waste Disposal by
Landfill-Green’93, Balkema, Rotterdam, (1995), 313-322.
Gazetas G (1982) “Vibrational Characteristics of soil deposits
with variable velocity”, International Journal of Numerical and
Analytıcal Methods. 6: 1-20.
Kanatani M, Nishi K, Tourma J, Ohnami M and Nsrnita H (1991)
“Numerical simulation of shaking table tests by non-linear response
analysis method”, Proc. 2nd Int. Conf. On Recent Advances in
Geomechnaical Earthqauke Engineering and Soil Dynamics, March
11-15, St. Lous, Missouri, Paper No.5.6.
Kavazanjian EJr, Matasovic N, Bonaparte, R, and Schmertmann, GR
(1995) “Evaluation of MSW Properties for Seismic Analysis”, Proc.,
Geoenvironment 2000, ASCE Geotech. Spec. Publ. No. 46, ASCE.
Reston, Va., 1126-1141
Kavazanjian, EJr, and Matasovic, N (1995) “Seismic Analysis of
Solid Waste Landfills”, Proc., Geoenvironment 2000, ASCE Geotech.
Spec. Publ. No. 46, ASCE. Reston, Va., 1066-1080
Pinto PS (1995) “Dynamic Analysis of Solid Waste Landfills and
Lining Systems” Environmental Geotechnics, Pinto PSS. ed., Balkema,
Rotterdam, 1125-1159.
Rıchards R, Elms DG, and Budhu M (1991) “Dynamic fluidization of
soils”, Journal of Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol.
116, No.5, 740-759.
Singh S and Murphy B (1990) “Evaluation of the Stability of
Sanitary Landfills” Geotechnics of Waste Fills- Theory and
Practise, Landva A., and Knowles D. G., Eds., ASTM, 240-259.
Sharma HD, and Goyal HK (1991) “Performanc of a Hazardous Waste
and Sanitary Landfill Subjected to Loma Prieata Earthquake”,
Proceedings Seconf Internationa Conference on Recent Advances in
Geotecnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics, St.Lous, Mo,
April,.1717-1725.
Taylor CA, Dar AR, ve Crewe AJ (1994) “ Shaking table modelling
of seismic geotechnical problems”, Proc. 10 th European Conference
on Earthqauke Engineering, Vianne, Austria, Rottersa:AA, Balkema,
441-446.
Zekkos DP, Bray D and Riener MF (2006) “Shear Modulus Reduction
and Material Damping Relations for Municipal Solid Waste”,
Proceedings of 8th U.S. National Conference on Earthquake
Engineering, 216-226.