İSKELE KAZIKLARININ SAYISAL ANALİZLERİ

Transkript

1 İSKELE KAZIKLARININ SAYISAL ANALİZLERİ Erkan Şenol 1 Bilge Doran 2 Murat Ergenekon Selçuk 3 Mehmet M. Berilgen 4 Yalçın Yüksel 5 1 YTÜ, İnş. Fak., İnş. Müh. Böl., Yapı Anabilim Dalı, Esenler-İstanbul Tel: , Fax: ; esenol@yildiz.edu.tr 2 YTÜ, İnş. Fak., İnş. Müh. Böl., Yapı Anabilim Dalı, Esenler-İstanbul Tel: , Fax: ; doran@yildiz.edu.tr 3 YTÜ, İnş. Fak., İnş. Müh. Böl., Geoteknik Anabilim Dalı, Esenler-İstanbul Tel: , Fax: ; mselcuk@yildiz.edu.tr 4 YTÜ, İnş. Fak., İnş. Müh. Böl., Geoteknik Anabilim Dalı, Esenler-İstanbul Tel: , Fax: ; berilgen@yildiz.edu.tr 5 YTÜ, İnş. Fak., İnş. Müh. Böl., Hidrolik Anabilim Dalı, Esenler-İstanbul Tel: , Fax: ; yuksel@yildiz.edu.tr ÖZET Kıyı ve liman yapıları, güvenli ve ekonomik bir yol olan su taşımacılığı için vazgeçilmez bir yapılarıdır ve oldukça önemli miktarda sismik yüklere maruz kalırlar. Kazıklı iskele yapılarında, zemin-kazık ve kazık-iskele bağlantı noktaları dinamik yüklere karşı direnci sağlayacak önemli kesimlerdir ve ne yazık ki anılan birleşim noktalarının sismik performansı henüz tam olarak anlaşılmış değildir. Kıyı ve Liman Yapıları, Demiryolları, Hava Meydanları İnşaatlarına İlişkin Deprem Teknik Yönetmeliği nde, bu tür yapıların sismik performanslarının belirlenmesinde şekil değiştirmeye göre tasarım ilkeleri benimsenmiştir. Anılan yönetmelik esaslarına göre sismik değerlendirmede doğrusal olamayan zemin-kazık etkileşimi doğrusal olmayan zemin yayları ile dikkate alınmaktadır. Ancak tasarımda kimi zaman kazıklar için belirli bir ankastrelik boy dikkate alınarak zemin-kazık etkileşimi daha basit bir şekilde tarif edilmektedir. Bu çalışmada, düşey kazıklardan oluşan, farklı zemin profillerine sahip düzlemsel kazıklı iskele yapısında zemin-kazık etkileşimi, mesnet şartı olarak doğrusal olmayan yaylar (detaylı modelleme) ve belirli bir ankastrelik boyu gözetilerek (basitleştirilmiş modelleme) tabanda tam ankastre şeklinde tarif edilmiş ve yatay yük taşıma kapasiteleri araştırılmıştır. NUMERICAL ANALYSIS OF WHARF STRUCTURES Wharfs are essential to shipping and support very large gravity loads which cause quite large seismic internal forces. In this context, seismic design of such structures is reasonably important issue. In pile-wharf structures, connections between soil-pile and pile-wharf gain an important role during seismic activities and unfortunately their seismic performance is not yet fully understood. In seismic performance evaluation of such structure based on performance-based evaluation criteria is set forth by the Turkish Code for 357

2 Coastal and Port Structures. According to above regulation, the nonlinear interaction between soil and pile should somehow be considered (soil springs) in non-linear analysis. However, piles generally assume to be fully restrained at an accepted distance below the mud line for design purpose. In this study, 2 dimensional vertical pile-wharf structures are first modeled as a one slab supported by piers of equivalent lengths that are fully restrained at their bases (simplified modeling) and then modeled with nonlinear soil springs (detailed modeling) considering current soil condition and then nonlinear static analysis of these structures are separately investigated. Anahtar Kelimeler: Zemin yayları, itme analizi, eşdeğer kazık boyu, modelleme teknikleri GİRİŞ Kazıklı iskele yapıları su taşımacılığı hizmetlerinin gerçekleştirilmesini sağlamak üzere sıkça inşa edilen kıyı ve liman yapılarındandır. Bu yapılar genellikle betonarme iskele döşeme ve/veya kirişleri zemin ve su içinde yer alan kazıklara oturtulmaktadır. Kazıklı iskeleyi oluşturan kazık uzunluğunun bir kısmı su içinde kalmakta ve tamamen zemine gömülemediğinden genellikle uzun kazıklar olup kara kazıklarına göre burkulma açısından çok daha narin elemanlardır. Diğer yandan deprem, hidrodinamik kuvvetler, gemi çarpması ve diğer yanal etkiler iskele kazıklarının burkulmaya karşı narinliği artırmaktadır. Deneysel çalışmalar bu tip kazıkların ön uyarı vermeden ani bir şekilde burkulduğunu ortaya koymuştur (Brandtzaeg ve Harboe, 1957). Çeşitli araştırmacılar tarafından kısmi gömülü kazıkların burkulması üzerine çalışmalar yürütülmüştür. Davisson ve Robinson (1965) konsol kazıkların burkulmasına yol açan burkulma yüklerini tahmin etmek için eğilme denklemini kullanmıştır. Budkowska ve Szymczak (1996) kazıkların burkulmasına yol açan kritik burkulma yüklerini, kazık enkesiti, zemin parametreleri ve uç konumuna göre kısmi gömülü kazık/zemin sisteminde potansiyel enerjinin birinci mertebeden varyasyonunu esas alarak araştırmıştır. Heelis et al. (2004), kısmi gömülü kazıkların burkulma yüklerinin tahmininde Davisson & Robinson (1965) ve Fleming et al. (1992) a göre çok daha gerçekçi analitik bir yaklaşım önermiştir. Bu yaklaşım, öncülerin yapmış olduğu çok sayıda varsayımı ortadan kaldıran daha gene bir yaklaşımdır. Bu analitik yaklaşımlar kazığı kiriş, zemini ise yatay yaylar ile modelleyen elastik zemine oturan kiriş yaklaşımı ile gerçekte üç boyutlu problemi bir boyutlu olarak ele almaktadır. Bugünkü bilgisayar ve sayısal analiz imkânları ile problemi daha gerçekçi çözmek mümkündür. Ancak bu yaklaşım pahalı bir yazılım ve bilgisayar donanımı ihtiyacı yanında zaman alıcı olduğundan tasarımda daha basit yaklaşımlar tercih olunmaktadır. Bu çalışmada, düşey kazıklardan oluşan, farklı zemin profillerine sahip düzlemsel tek sıra kazıklı bir iskele yapısında zemin-kazık etkileşimi, mesnet şartı olarak doğrusal olmayan yaylar (detaylı modelleme) ve belirli bir ankastrelik boyunun gözetildiği basitleştirilmiş modelleme yaklaşımı ile 358

3 tabanda tam ankastre modellenmiş ve bu durumdaki yatay yük taşıma kapasiteleri karşılaştırılmıştır. MODELLEME TEKNİKLERİ Davisson ve Robinson (1965) tarafından önerilmiş olan ve halen günümüzde kullanılmakta olan formüller, kazık boyunca zemin özelliklerinin sabit olduğu varsayımına dayanmaktadır. Buna göre eşdeğer kazık boyu, L f aşağıdaki bağıntılar yardımıyla belirlenebilir: L eq L f L u (1) 0.25 EI y L f 1,4 (Kil zemin) (2) Ec 0.20 EI y L f 1,8 (Kum Zemin) (3) nh (1) Bağıntısında, L eq eş değer kazık boyunu, L u serbest kazık boyunu, L f ise kazığın zemin içerisinde kalan kısmını ifade etmektedir. L f, zeminin sadece kum veya kil tabakalarından meydana gelmesi kabulüne bağlı olarak hesaplanmaktadır; (2-3) bağıntılarında, EI y, kazığın eksen etrafındaki eğilme rijitliğini, E c, kil zeminin elastisite modülünü, n h ise kum zeminin derinliğine bağlı değişen bir katsayıyı göstermektedir. Farklı zemin tabaklarının özelliklerini dikkate almak açısından daha gerçekçi bir başka yöntem Pardo ve Fırat (2008) tarafından önerilmiştir. Anılan çalışmada, kazık başlarının serbest (dönebilen) veya ankastre mesnetlenmesi durumları (Şekil 1) için farklı yanal rijitliklerin dikkate alınması suretiyle, eşdeğer kazık boyunun hesabı için bir takım bağıntılar önerilmiştir. Anılan çalışmada eş değer kazık boyları, L ; eq EI / K 1/ 3 12 lat eq L [Rijit başlık] (4) eq EI / K 1/ 3 L [Dönebilen başlık] (5) 3 lat K / lat V top top (6) şeklindedir. Bu bağıntılarda, K lat kazıkta kabul edilebilir elastik rijitlik değerini, top kazık tepe noktasının yanal yer değiştirme miktarını ve V top ise 359

4 anılan yanal yer değiştirmeye karşı gelen yatay kuvvetin değerini, EI kazığın eğilme rijitliğini ifade etmektedir. Şekil 1. Eşdeğer kazık boyları (Possiel, 2008) MODELLEME ESASLARI ve SAYISAL ANALİZLER Bu çalışmada, farklı zemin profillerinde tek sıra düşey kazıklı bir iskele yapısı ele alınmıştır (Şekil 2). Bu kazıklı iskelenin yatay yüklere karşı tasarımı için doğrusal olmayan yayların kullanıldığı p-y yöntemi ile belirli bir ankastrelik boyu göz önüne alınarak tabanda tam ankastre modellendiği iki farklı yaklaşım ile analizler yapılmıştır. Analizlerde iki farklı zemin profili göz önüne alınmıştır; zemin tabakaların malzeme özellikleri Çizelge 1 ve 2 de verilmiştir. Çok yumuşak kil Yumuşak/orta katı kil Gevşek/orta sıkı kum Sıkı kum Kireçtaşı Şekil 2. İskele yapısı 360

5 Çok yumuşak kil Yumuşak/orta katı kil Gevşek/orta sıkı kum Sıkı kum Kireçtaşı Şekil 3. Zemin kesiti Çizelge 1 Zemin profili 1 için zemin tabaklarının geoteknik özellikleri Zemin tabakası Tabaka kalınlığı (m) Kohezyon (kn/m 2 ) Kayma mukavemeti açısı ( ) Çok Yumuşak kil Orta katı kil Orta sıkı kum o Sıkı kum o Kireçtaşı Çizelge 2 Zemin profili 2 için zemin tabaklarının geoteknik özellikleri Zemin tabakası Tabaka kalınlığı (m) Kohezyon (kn/m 2 ) Kayma mukavemeti açısı ( ) Çok Yumuşak kil Yumuşak kil Gevşek kum o Sıkı kum o Kireçtaşı

6 İskele yapısının esas taşıyıcısı, betonarme kazıklar ile bu kazıklara monolitik olarak bağlanmış başlık kirişleri ve döşeme plaklarından oluşmaktadır. Kazıkzemin etkileşimi doğrusal olmayan zemin yayları ile göz önüne alınmıştır. Bu amaçla oluşturulan ayrık zemin yaylarının modellenmesinde doğrusal elastik olmayan yaylar kullanılmıştır; eksenel doğrultuda kazık çeperi boyunca (t-z eğrileri), kazık ucunda (Q-z eğrileri), birbirine dik iki yatay doğrultuda kuvvetyer değiştirme ilişkileri (p-y eğrileri). İtme analizinin başlangıç koşullarını belirlemek için ilk aşamada öz ağırlık ve gemi bağlama (baba) yükünün yarısının ortak etkisi altında doğrusal olmayan statik analiz yapılmıştır; artımsal yatay yük dağılımı etkin mod şekline uygun olarak alınmıştır. Bu bağlamda, modelleme aşamasında, 2007 yılında ülkemizde yürürlüğe giren Kıyı ve Liman Yapıları, Demiryolları, Hava Meydanları İnşaatlarına İlişkin Deprem Teknik Yönetmeliği nde (DLH, 2007) ve ilgili yönetmelikler doğrultusunda aşağıdaki kabuller yapılmıştır: Kazıklı iskele yapısı normal yapı olarak sınıflandırılmıştır. Plastik mafsalların sadece kazıklarda ve kazık başlıklarında oluşmasına izin verilmiştir. Plastik mafsal boyları kazık-başlık kirişi birleşimlerinde ve zemin seviyesinin altında 0.44fydb alınmıştır. fy ve db,sırasıyla, donatı çeliğinin akma gerilmesi ve boyuna donatı çapı olarak tanımlanmıştır. Su seviyesinin altındaki kazık kısımlarında ek su kütlesi tanımlanmıştır. Kazıkların bileşik eğilme etkisi altında doğrusal olmayan davranışlarının idealleştirilmesinde plastik mafsal hipotezi kullanılmıştır. Plastik moment-plastik dönme bağıntılarında pekleşme etkisi dikkate alınmamıştır. Kazık-zemin etkileşimi doğrusal olmayan zemin yayları (Şekil 4) ile dikkate alınmıştır. Bu amaçla oluşturulan ayrık zemin yaylarının modellenmesinde doğrusal elastik olmayan; a)birbirine dik iki yatay doğrultuda (p-y eğrileri), b) eksenel doğrultuda kazık çeperi boyunca (t-z eğrileri), c)kazık ucunda (Q-z eğrileri) kuvvet-yer değiştirme ilişkileri göz önüne alınmıştır (API 2000). Şekil 5-6 de kazıklar için tanımlanan t-z, Q-z ve P-y eğrileri verilmiştir. Şekil 4. Zemin yayları 362

7 z=3.85 m z=3.85 m z=8.70 m z=8.70 m z=12.95 m z=12.95 m z=18.95 m z=18.95 m z=23.2 m z=23.2 m Şekil 5. Zemin profili 1 için (p-y), (t-z) ve (q-z) eğrileri 363

8 Şekil 5. Devamı z=3.85 m z=8.70 m z=12.95 m z=18.95 m z=23.2 m z=23.2 m Şekil 6. Zemin profili 2 için (p-y), (t-z) ve (q-z) eğrileri 364

9 İRDELEMELER Zemin-kazık etkileşiminin yatay yük taşıma kapasitesine olan etkisi ile farklı sayısal modelleme teknikleri irdelenmiştir. Bu bağlamda düşey kare kesitli betonarme kazıklardan oluşan, düzlemsel tek sıra kazıklı bir iskele yapısının, farklı zemin profilleri için zemin-kazık etkileşiminin detaylı ve basitleştirilmiş modelleme teknikleri kullanılarak doğrusal olmayan statik çözümlemeleri (itme analizi) yapılmıştır. Mesnet şartı olarak doğrusal olmayan yaylar ve belirli bir ankastrelik boyunun (L eq) gözetildiği anılan teknikler ile elde edilen yatay yük taşıma kapasiteleri karşılaştırılmalı olarak verilmiş (Çizelge3; Şekil 7-8). Leq=35.32 m (a) Detaylı modelleme (b)basitleştirilmiş modelleme (c) Kapasite eğrileri Şekil 7. Zemin profili 1 için yapısal çözümleme 365

10 L eq=77.22 m (a) Detaylı modelleme (b) Basitleştirilmiş modelleme (c) Kapasite eğrileri Şekil 8. Zemin profili 2 için yapısal çözümleme 366

11 Çizelge 3 En büyük taban kesme kuvvetleri Zemin durumu ve modelleme Tekniği Detaylı Zemin profili 1 Basitleştirilmiş Vmax [kn] Detaylı Zemin profili 2 Basitleştirilmiş SONUÇLAR Yapılan değerlendirmeler sonucunda aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir: 1. Zemin profili 1 in zemin profili 2 ye nazaran daha sıkı olması nedeniyle her iki modelleme tekniğine ait sonuçların birbirine oldukça yaklaştığı, 2. Her iki zemin profili için de kapasite eğrilerinin, ilk plastik mafsalın oluştuğu ana kadar, elastik bölgede eğimlerin hemen hemen birbirine yakın olduğu ancak zemin profili 2 için, mekanizma durumuna yaklaştıkça; taşıma kapasitesine ulaştıkça modelleme tekniklerine ait sonuçların birbirinden uzaklaşma eğiliminde olduğu görülmüştür. 3. Yatay yük taşıma kapasiteleri açısından karşılaştırıldığında, zemin profili 1 için detaylı modelleme tekniğine göre hata payı yaklaşık olarak %10 iken zemin profili 2 için bu değer yaklaşık olarak %60 mertebesindedir. Sonuç itibariyle bu çalışma ile sıkı zemine oturan sadece düşey kazıklı iskele yapılarında basitleştirilmiş modelleme tekniğinin kullanılmasının mühendislik yaklaşımları çerçevesinde yeterli olacağı ancak gevşek zeminlerde ise detaylı modelleme tekniğinin daha doğru sonuç vereceği için tercih edilmesi gerektiği belirlenmiştir. KAYNAKLAR API (2000), Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms Working Stress Design. Brandtzaeg, A. and Harboe, E. (1957). "Buckling Tests of Slender Steel Piles in Soft, Quick Clay," Proc., 4th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Vol. 2, Davisson, M.T., and Robinson, K.E. (1965). Bending and Buckling of Partially Embedded Piles.ǁ Proc. Sixth International Conference Soil Mechanics and Foundation Engineering. University of Toronto Press, Montreal, Canada DLH (2007) Kıyı ve Liman Yapıları, Demiryolları, Hava Meydanları İnşaatlarına İlişkin Deprem Teknik Esasları, Ulaştırma Bakanlığı. 367

12 Doran, B., Seçkin A., (2013). Soil-pile Interaction Effects in Wharf Structures under Lateral Loads, Structural Engineering and Mechanics, Vol. 51, No. 2 (2014) DOI: Possiel, B. A., (2008). Point of Fixity Analysis of Laterally Loaded Bridge Bents, MSc Thesis, Civil Engineering Faculty of North Carolina State University, USA. Robinson, B., Suarez, V., Robalino, P., Kowalsky, M. and Gabr, M., (2006). Pile Bent Design Criteria.NCDOT Research Project Report no. FHWA/NC/ June. SAP2000 V14.0, Structural Analysis Program, CSI Berkeley, Smith-Pardo, J.P., Firat, G.Y., (2008) Lateral Load Analysis of Waterfront Structures Supported on Plumb Piles, The 14th World Conference on Earthquake Engineering, October 12-17, Beijing, China. Yüksel Y, Çevik E (2010) Liman Mühendisliği Beta Basım Yayım Dağıtım A.Ş. 368