Farklı zeminlerde PSSI etkisi dikkate alınarak kömür madeni şaft kulesi yapısının sismik yanıt analizi

Yeraltı kuleleri ve depremler neden önemli

Derin kömür madenleri, insanları ve kömürü büyük derinliklerden kaldırmak için yüzeyde yüksek beton şaft kulelerine güvenir. Bu kuleler, katmanlı zemin ve kaya içine uzanan temeller üzerine oturur. Bir deprem olduğunda sallantı yalnızca kuleyi hareket ettirmez; kazıkları ve çevredeki zemini de hareket ettirir ve bu üçü birbirini etkiler. Bu çalışma, zemin, kazık ve kule arasındaki bu görünmez etkileşimin şaft kulesinin deprem sırasındaki davranışını ne ölçüde değiştirdiğini ve bunun bazı yerlerde mevcut tasarım kurallarını fazla riskli, bazılarında ise gereksiz şekilde muhafazakâr hale getirip getirmediğini sorgulayan pratik bir soruyu ele alır.

Kule, kazıklar ve zeminin birlikte hareketi

Yazarlar, dikey beton kuyuya rijit bağlanan kazıklı şilte temeliyle desteklenen yaklaşık 90 metre yüksekliğinde modern büyük bir kömür madeni şaft kulesine odaklanır. Tabanın mükemmel şekilde sabit olduğu varsayımı yerine, kuleyi, kazıkları, şilti, kuyu gövdesini ve katmanlı zemini bir bağlı sistem olarak ele alırlar. Yerleşik fiziksel modelleri kullanarak, bu karmaşık düzeni her parçanın sallandığında, yalpalandığında ve kaydığında nasıl davrandığını taklit edebilecek yaylar, kütleler ve sönümleyiciler kümesine basitleştirirler. Ardından kule katlarının hareketini gömülü temel ve çevreleyen zemin hareketi ile bağlayan hareket denklemlerini türetir ve bu denklemleri özel MATLAB kodu ile sayısal olarak çözerler.

Gerçekçi depremler ve zemin tiplerinin test edilmesi

Bu bağlı davranışın pratikte nasıl işlediğini görme amacıyla, ekip bir vaka çalışması olarak Çin’in Anhui eyaletindeki gerçek bir madeni kullanır. Hem güçlü gerçek depremler hem de dikkatle simüle edilmiş sarsıntılardan oluşan 21 deprem kaydı seçerler ve bunları yatay olarak tabana uygularlar. Çin sismik yönetmeliklerinde kullanılan üç tipik zemin koşulunu incelerler: nispeten sert bir “Tip II” zemin, orta sertlikte bir “Tip III” zemin ve daha yumuşak bir “Tip IV” zemin; her biri farklı rijitlik ve yoğunluklara sahip birden çok zemin tabakası ile temsil edilir. Karşılaştırma için her zemin hareketini iki kez çalıştırırlar: biri tam zemin–kazık–kule etkileşimi ile, diğeri ise temeli tamamen rijit kabul eden yaygın kestirimle.

Kat kat yatay yer değiştirmede neler oluyor

İzledikleri ana nicelik, bitişik katlar arasındaki relatif yatay hareket olan katlar arası desplazmandır; bu, duvarlarda, kirişlerde ve kolonlarda oluşan eğilme kuvvetleriyle yakından ilişkilidir. Yazarlar, gerçek etkileşimli sistemdeki bu katlar arası sürüklenmenin rijit-temel idealizasyonuna oranı olarak bir “artış katsayısı” tanımlar. Birden büyük değerler etkileşimin kuvvetleri artırdığını, birden küçük değerler ise gerçekte rahatlama sağladığını gösterir. Üç zemin tipinde de en büyük artış sürekli olarak kulenin en üstünde ortaya çıkar; burada kamçı etkisi hareketi yoğunlaştırır, orta katlar daha az dramatik hareket eder.

Farklı zeminler, farklı güvenlik marjları

Sonuçlar, zemin–kazık–yapı etkileşimini görmezden gelmenin bazı ortamlarda tehlikeli, bazılarında ise israf olabileceğini gösterir. Sert Tip II zeminde, katlar arası desplazman için ortalama artış katsayıları yaklaşık 1,31 ile 1,61 arasında değişir; bu, gerçek kulenin rijit-temel tasarımın öngördüğünden %30–60 daha büyük sürüklenmelere ve dolayısıyla daha yüksek iç kuvvetlere maruz kalabileceği anlamına gelir. Tip III zeminde ortalamalar birliğe daha yakındır, yaklaşık 0,89–1,25 aralığında olup amplifikasyon ağırlıklı olarak üst katlarda görülür. Yumuşak Tip IV zeminde ortalamalar yaklaşık 0,74–0,97 civarına düşer; bu nedenle etkileşim genellikle rijit-temel varsayımına kıyasla sürüklenmeleri azaltır. Fiziksel olarak, bağlı zemin–kazık–kule sistemi tek başına rijit kuleye göre daha uzun bir titreşim periyoduna sahiptir; bu da onu zemin hareketinin en zarar verici frekans bandından uzaklaştırabilir ve sismik talebi azaltabilir.

Bu durumun maden güvenliği ve tasarımı için anlamı

Uygulamadaki mühendisler için mesaj iki yönlüdür. Sert zemin bölgelerinde ve şiddetli sismik alanlarda, bir şaft kulesini sanki oynak olmayan bir temele oturuyormuş gibi tasarlamak gerçek deprem kuvvetlerini, özellikle üst katlarda, olduğu kadar tahmin edemeyebilir; bu da mevcut yapıları gizli güvenlik riskleriyle bırakabilir. Daha yumuşak zeminlerde ise aynı basitleştirme kuvvetleri fazla tahmin ederek gereksiz derecede ağır ve maliyetli tasarımlara yol açabilir. Çalışma, şaft kuleleri analizine zemin–kazık–yapı etkileşimini dahil etmek için pratik bir çerçeve sunar ve hangi zemin tipi, kule yüksekliği ve titreşim periyodu kombinasyonlarının sismik yanıtı en çok etkilediğini vurgular. Kesin sayılar kulenden kuleye değişse de, üst katların en savunmasız olduğu ve daha yumuşak sahaların bazen zarar değil yarar sağlayabileceği genel deseni, deprem riskli bölgelerde kömür madeni şaft kulelerinin tasarımı ve güçlendirilmesi için daha net ve nüanslı bir temel sunar.

Atıf: Han, L., Zhao, S., Zhang, Y. et al. Seismic response analysis of coal mine shaft tower structure considering PSSI effect under different sites. Sci Rep 16, 6656 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37617-5

Anahtar kelimeler: kömür madeni şaft kulesi, zemin–yapı etkileşimi, kazıklı şilte temeli, deprem mühendisliği, katlar arası deslocman