KAZIKLI YAYILI TEMELLERN SAYISAL ANALZ

Transkript

1 KAZIKLI YAYILI TEMELLERN SAYISAL ANALZ Sayısal analiz yöntemlerindeki gelimeler, imdiye kadar çounlukla iki boyutta incelenebilen zemin-yapı etkileiminin ve zeminlerin dorusal olmayan yük-ekil deitirme davranılarının üç boyutlu modellenmesine olanak salamaktadır. Bu gelimeler ııında, ileri bilgisayar yazılımları kullanılarak kazıklı temellerin tasarımında geleneksel yöntemlerde incelenemeyen yayılı temel-kazık-zemin etkileimleri dikkate alınarak daha gerçekçi ve ekonomik çözümler yapılabilmektedir.

2 Kazıklı Yayılı Temellerin Uygulanma Gerekçeleri Yayılı temeller, genellikle yapı yüklerini taıma gücü açısından yeterli güvenlik sayılarıyla üzerinde yer aldıkları zeminlere iletirler. Bir yayılı temel, taıma gücü açısından yeterli güvenlie sahip olsa bile uzun sürede aırı oturmalar gösterebilir. Farklı oturmalar temelin veya üst yapının rijitliini artırarak düürülebilir. Toplam oturmaları azaltmak için de, yayılı temel alanı geniletilebilir veya yüzdürme amaçlı kazı yapılarak temel sistemi bodrumlu ina edilebilir. Yayılı temel alanını artırmak için daha fazla alana sahip olunması gerekir; kazı yapılması ise bodrum ihtiyacı olmayan durumlar dıında ekonomik deildir. Yayılı temel kullanılmasının oturma ölçütlerini salayamayacaı durumlarda kazıkların hem taıma gücünü artırıcı hem de oturmaları azaltıcı olarak kullanılması akla gelmektedir.

3 Geleneksel yöntemlerde yayılı temel, kazıklı yayılı temel sisteminin bir parçası olmasına ramen hesaplamada tasarım yükünün tamamının kazıklar tarafından taındıı varsayılmaktadır. Gerçekte ise yük, yayılı temel ve kazıklar arasında paylaılarak zemine aktarılır. Tüm yükün kazıklar tarafından taınmadıı, yayılı temelin de belli oranda yük taıdıı temel sistemlerinin tasarımına dair çalımalar son yıllarda ileri düzeye çıkmıtır. Ortaya konulan yöntemlerde kazıklar, yayılı temel ve zemin arasındaki etkileime balı olan yük paylaımı önem taımaktadır. Bu çalımalarda amaç, toplam ve farklı oturmaların kontrol altında tutularak ve taıma gücü açısından güvenlik salanarak ekonomik bir çözüm elde edilmesidir. Ekonomik tasarım için, farklı ve toplam oturmaları kontrol altında tutan yeterli sayıda, çapta ve aralıkta kazık sayısının ve yayılı temel kalınlıının tesbiti gerekmektedir. Buradan hareketle, kazık sayısının hesaplanmasında oturma miktarındaki azalma en belirleyici etken olmaktadır. Kazıkların oturma azaltıcı eleman olarak kullanılmaları ile geleneksel yöntemlere göre kazık sayısı oldukça azaldıı gibi gurup etkisi de daha az olmaktadır.

4 Kazıklı Yayılı Temellerin Kullanıldıı Durumlar Yüzeysel temellerin taıma gücünün üst yapı yükünden gelen gerilmelerden küçük olması, Yapı altındaki zeminin sıkıabilirliinin çok yüksek olması, yüzeysel temellerin kullanımı halinde oluacak oturmaların kabul edilemez düzeye erimesi, Zeminin sıkıabilirliinin ve üst yapı yükü daılımının farklılık göstermesi sebebiyle ayrık yüzeysel temellerde aırı farklı oturmaların ortaya çıkması, Temel sisteminin deprem sebebiyle yatay yük etkisi alması.

5 Kazıklı Yayılı Temellerin Etkili Uygulandıı Durumlar Yayılı temelin tek baına taıma gücünün yeterli olduu, ancak toplam ve/veya farklı oturmaların kabul edilebilir üst sınırları atıı durumlar ( içinde sert killerin ve/veya sıkı kumların yer aldıı zemin profilleri) Kazıklı Yayılı Temeller için Uygun Olmayan Durumlar - Yüzeye yakın kısımlarda yumuak killerin ve gevek kumların bulunduu, - Sı derinliklerde sıkıabilir tabakaların olduu, - Konsolidasyon oturmalarının doabilecei, - Dı etkiler sebebiyle ime gösterebilecek zemin profilleri Kazıklı Yayılı Temellerin Davranıını Etkileyen Faktörler - Yayılı temelin özellikleri (rijitlik, ekil, boyutlar) - Kazık özellikleri (sayı, çap, boy, yerleim, rijitlik) - Yük özellikleri (tekil, düzgün yayılı) - Zemin özellikleri (zemin profili, rijitlik, taıma gücü)

6 Kazıklı Yayılı Temellerin Hesabında Kullanılacak Yöntemlerin çermesi Gereken artlar - Kazık-yayılı temel-zemin arasındaki etkileimin uygun bir biçimde deerlendirilmesi, - Kazıkların sayısının, yerlerinin ve özelliklerinin deiimi, - Gerçek zemin profillerinin kullanımı, - Kazıklar ve yayılı temel arasındaki yük paylaımının hesaplanması, - Kazıklarda basınç ve çekme için son taıma gücüne kadar yüklenebilmenin ve temelde dorusal olmayan yük-deformasyon davranıının incelenebilmesi, - Tüm temel sisteminde toplam ve farklı oturmaların hesaplanabilmesi, - Yayılı temelin yapısal tasarımı için eilme momentleri ve kesme kuvvetlerinin hesaplanması, - Kullanıcıya ek bir eitim ve çaba gerektirmeden kullanılabilme.

7 Yayılı temelli yapılar için oturma kriterleri (Mc Donald ve Skempton, 1955) Kriter Zemin Yapıların Türü Dayanabilecei Önerilen δ max Kil (mm) Kum max Kil (mm) Kum Türkiye için yayılı temelli yapıların tahammül edebilecei toplam oturma üst deerleri Önalp (1983) kilde 100 mm, kumda 60 mm Tasarım önerisi: 40 mm ye göre hesap yapılması Bu durumda farklı oturmalar toplam oturmaların yarısı civarında

8 Alternatif Tasarım Yaklaımları a) Yayılı temelin yük taımasına izin verilen; fakat kazıkların yükün büyük bir kısmını taıyacaı ekilde tasarlandıı geleneksel yaklaım: Kazıkların tüm temel alanına eit aralıklarla yayıldıı bu yöntemde yayılı temelin rijitliine (Randolph, 1983; Randolph ve Clancy, 1993) balı olarak kazık sayısı azalmakta ve yükün % i kazıklar tarafından taınabilmektedir. b) Özellikle killi zeminlerde kazıkların tipik olarak son taıma güçlerinin %70-%80 ine karılık gelen zeminde sünme davranıının etkinletii bir çalıma yükünde tutulduu ve kazıkların yayılı temelle zemin arasındaki taban basıncını zeminin ön konsolidasyon basıncı altında tutabilecekleri sayıda tasarlandıkları creep piling yaklaımı. c) Ana amacı farklı oturmaları kontrol altında tutmak olan, kazıkların stratejik olarak konumlandırıldıı yaklaım. lk iki yaklaımda kazıklar yayılı temel altına düzgün daılımla yayılmakta ve amaç toplam oturmaları kabul edilebilir düzeye çekmek olmaktadır. Önceki yöntemlerde farklı oturmalar toplam oturmalardaki azalmalara balı olarak düürülebilmektedir. Son yaklaımda ise amaç dorudan farklı oturmaları azaltmaktır. Farklı oturmalar denetim altına alındıında toplam oturmalar da kendiliinden kabul edilebilir düzeylere çekilmektedir.

9 28 m boyunda 211 kazık 26 m boyunda 104 kazık

10 //// &&&& ", ", ", ", $ $ $ $ #### %%%% """"!!!! *% *% *% *% #$ "% & #$ "% & #$ "% & #$ "% & "! "! "! "! Düzgün yayılı yüklü yayılı temel Oturma azaltıcı kazıklarla desteklenmi yayılı temel 132 $ $ $ $ 0' 0' 0' 0' $ $ $ $ * "& * "& * "& * "& $#) $ $ $ $ '' ' ' $("+ (((( )' )' )' )' Esnek yayılı temel Rijit yayılı temel Oturma azaltıcı kazıkların çalıma prensibi, (Randolph, 1994) (a) rijit yayılı temel Taban basıncı (b) Az sayıda kazıkla desteklenmi esnek yayılı temel Düzgün yayılı yük Düzgün yayılı yük Kazıklar tarafından taınan yük Kazık gurubu

11 Çeitli tasarım yaklaımlarına göre kazıklı yayılı temelin yük-oturma davranıı Horikoshi ve Randolph (1996) Kazık sayısı geleneksel yöntemlerde hesaplananın % 13 üne kadar düebiliyor Randolph ve Clancy (1993) Geleneksel yöntemle hesapla 350 kazık, yayılı temelin katkısı ile 100 kazık

12 Kazıklı Yayılı Temellerin Analizinde Kullanılan Yöntemler ( Poulos,1997, 2001a, 2001b ) 1) Basitletirilmi hesap yöntemleri (Poulos ve Davis, 1980; Randolph, 1983, 1994; van Impe ve Clerq, 1995; Burland, 1995). 2) Yaklaık sayısal analiz yöntemleri, a) Yaylar üstündeki erit yaklaımı (Poulos, 1991) b) Yaylar üstündeki plak yaklaımı (Clancy ve Randolph, 1993; Poulos, 1994a; Viggiani, 1998; Russo ve Viggiani, 1998; Yamashita vd., 1998; Anagnostopoulos ve Georgiadis, 1998). 3) leri sayısal analiz yöntemleri. a) Yayılı temel ve kazıkların ayrı ayrı parçalara bölünerek, elastik teori yardımıyla aralarındaki etkileimin dikkate alındıı sınır elemanlar yöntemi (Butterfield&Banerjee, 1971; Kuwabara, 1989; Sinha, 1997). b) Yayılı temelin sonlu eleman yöntemiyle, kazıkların ise sınır eleman yöntemiyle incelendii birletirilmi yöntem (Hain&Lee, 1978; Ta&Small, 1996; Franke vd., 1994). c) Temel sistemini bir düzlem zorlanma problemi (Desai, 1974) veya eksenel simetrik problem (Hooper, 1974) olarak çözen basitletirilmi sonlu eleman yöntemleri. d) Üç boyutlu sonlu eleman yöntemi (Zhuang vd., 1991; Lee, 1993; Wang, 1996; Katzenbach vd., 1998).

13 B E kazık E zemi n E elenik duvar s L r s t + = d Kazıklar Zemin Elenik Duvar Kazıklı temelin düzlem zorlanma problemine çevrilii (Desai, 1974) Prakoso ve Kulhawy (2001), ki boyutlu çözümde toplam oturmalar üç boyutlu çözümlere göre % 5 ile % 25 arasında fazla çıkmakta, ayrıca üç boyutlu çözümlerde elde edilen temel merkeziköe arasındaki farklı oturmalar düzlem zorlanma çözümünde elde edilememekte

14 AMAÇ Kazıklı yayılı temel sistemlerinin üç boyutlu analizini yapmak yayılı temel-kazık-zemin etkileimleri zeminlerin dorusal olmayan yük-ekil deitirme davranıları ekonomik çözüm

15 PLAXIS YAZILIMI LE 3 BOYUTLU SONLU ELEMAN MODELNN OLUTURULMASI Sonlu eleman aı boyutlarının seçimi Eleman sayısının belirlenmesi Kazık-zemin ara yüzeyinin modellenmesi ( sıfır kalınlıklı - ince) Sınır artları, yükler Kazık, yayılı temel, zemin ve ara yüzey özellikleri

16 @ ' # 8? : * $, ; * * $, * :( ;% :9 ;;& 8 & : *;! 0 ; $, ;D 0& $, 0 ; :( ;% ;;& :$ C &' SONLU ELEMAN AI 3D sonlu eleman aı 2D sonlu eleman aı 3D model Model kesiti MALZEME ÖZELLKLER σ σ ε ε (a) (b) 7B *' $A') 1 %< -!; :( # $ 0 &< >#; #=< 7 #$; ;D & :#$ 8 -#) * < :( # #$; #=< B 8

17 K BOYUTLU SONLU ELEMAN AI

18 ÜÇ BOYUTLU SONLU ELEMAN AI

19 örnek kesit Sıkı Kum ρ d =18 kn/m 3 Siltli Kil ρ d =18 kn/m 3 c =20 kpa φ =25 e 0 =1.0 OCR=3.5 c =1 kpa φ =40 ψ=10 e 0 =0.4 OCR=3.0 YASS yüzeyde 0-8 m -13 m Kil ρ d =18.5 kn/m 3 c =60 kpa φ =15 e 0 =1.0 OCR= m Kil ρ d =18.5 kn/m 3 c =80 kpa φ =15 e 0 =1.0 OCR=1.5 Kil ρ d =18.5 kn/m 3 c =100 kpa φ =15 e 0 =1.0 OCR= m -70 m

20

21 SAYISAL ÇÖZÜMLER 370 ADET ÜÇ BOYUTLU ÇÖZÜM HAZIRLIK ÇÖZÜMLER (135 ADET) MODEL BOYUTLARI ELEMAN SAYISI MALZEME MODEL ve PARAMETRELER ARA YÜZEY ELEMAN TP ANA ÇÖZÜMLER (165 ADET) MODEL HAZIRLAMA SÜRES 100 SAAT ÇÖZÜM SÜRES 472 SAAT ÇETL FARKLILIKLARIN ETKSNN NCELEND ÇÖZÜMLER (70 ADET) ÇÖZÜM SÜRES 220 SAAT YAYILI TEMEL ÇÖZÜMLER K ve ÜÇ BOYUTLU ÇÖZÜMLER KAZIK BOYUNUN ETKS KAYMA DRENCNDEK DEKLN ETKS KAYMA DRENC DÜÜK ZEMNDE KAZIK BOYUNUN ETKS TEMEL GENLNN ETKS SIKI KUM TABAKASININ BALANGIÇ DERNLNN ve KALINLIININ ETKS UZUN SÜREL OTURMALARIN TAHMN ÇN DRENAJLI ÇÖZÜMLER

22 MODEL DEKENLER L B temel t d d s Arazide dairesel kesit Yazılımda kare kesit B g B gurup B t K a zık G en ili i d (m ) T em el K a lın lıı t (m ) B g /B t 3*3 9 5* *7 49 9*9 81 K azık S ayısı (n) 10* * * * *

23 Ortalama Toplam Oturma, ort (mm) YAYILI TEMEL Ortalama Farklı Oturma, δ ort (mm) Yayılı temelin oturma kalıbı a: Kenar-Merkez-Kenar b: Köe-Merkez-Köe -40 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 Yayılı Temel Kalınlıı, t (m) K M (merkez) Ö (köe) K (kenar) Yayılı temel kalınlıının oturmalara etkisi Toplam Oturma, (mm) Ö Kenar-Merkez-Kenar K-M-K t=1.5m t=1.0m t=0.8m t=0.6m 80 (a) Köe-Merkez-Köe Ö-M-Ö Toplam Oturma, (mm) Merkezden Uzaklık (m) (b)

24 Düey Deplasman m m m m m m Yükleme sonucunda temel plaının e deplasman erileri 2D ile yapılan çözümlerde oturmalar % 20 ye varan farklarla fazla hesaplanmakta

25 80 Ortalama Toplam Oturma, ort (mm) Ortalama toplam oturmaların kazık sayısına balı deiimi d=0.4m,t=0.6m d=0.4m,t=0.8m d=0.4m,t=1.0m Kazık sayısının etkisi Ortalama Toplam Oturma, Kazık Sayısı, n Ortalama toplam oturmaların kazık sayısına balı deiimi ort (mm) Tüm modellerde ortalama toplam oturmaların kazık sayısına balı deiimi Kazık Sayısı, n kytort/ ytort Kazık sayısına balı olarak kazıklı yayılı temelde oturmaların yayılı temele oranı Kazık Sayısı, n

26 Ortalama Toplam Oturma, ort (mm) kazık Kazık Yayılım Oranı Bg/Bt=1.0 Kazık sayısının etkisi 10 Ortalama Toplam Oturma, ort (mm) Kazık Yayılım Oranı B g /B t = Kazık sayısının artıı ile ortalama toplam oturmaların deiimi Ortalama Toplam Oturma, ort (mm) Kazık Yayılım Oranı B g /B t = Ortalama Toplam Oturma, ort (mm) Kazık Yayılım Oranı B g /B t =0.4 d=0.4m,t=0.6m d=0.4m,t=0.8m d=0.4m,t=1.0m d=0.6m,t=0.6m d=0.6m,t=0.8m d=0.6m,t=1.0m d=0.8m,t=0.6m d=0.8m,t=0.8m d=0.8m,t=1.0m Kazık Sayısı, n

27 Ortalama Farklı Oturma, δort (mm) kazık Kazık Yayılım Oranı B g /B t =1.0 Kazık sayısının etkisi Ortalama Farklı Oturma, δort (mm) Kazık Yayılım Oranı B g /B t = Kazık sayısına balı olarak kazıklı temelde farklı oturmalar Ortalama Farklı Oturma, δort (mm) Kazık Yayılım Oranı B g /B t = Ortalama Farklı Oturma, δort (mm) Kazık Yayılım Oranı B g /B t =0.4 d=0.4m,t=0.6m d=0.4m,t=0.8m d=0.4m,t=1.0m d=0.6m,t=0.6m d=0.6m,t=0.8m d=0.6m,t=1.0m d=0.8m,t=0.6m d=0.8m,t=0.8m d=0.8m,t=1.0m Kazık Sayısı, n

28 0 K M (merkez) K (kenar) 0 Ö M (merkez) Ö (köe) Kazık sayısının etkisi Toplam Oturma, (mm) Toplam Oturma, (mm) n=49 n= Merkezden Uzaklık (m) Toplam Oturma, (mm) Toplam Oturma, (mm) n=49 Bg/Bt=0.4 Bg/Bt=0.6 Bg/Bt=0.8 Bg/Bt=1.0 n= Merkezden Uzaklık (m) Kazık sayısına (n) balı olarak temel plaının ekil deitirmesi (d=0.4 m, t=0.6 m) Kazık sayısına (n) balı olarak temel plaının ekil deitirmesi (d=0.6 m, t=1.0 m) Toplam Oturma, (mm) n=49 Toplam Oturma, (mm) n=49 Bg/Bt=0.4 Bg/Bt=0.6 Bg/Bt=0.8 Bg/Bt=1.0 Toplam Oturma, (mm) n= Merkezden Uzaklık (m) Toplam Oturma, (mm) n= Merkezden Uzaklık (m)

29 ÖRNEK ÇÖZÜM Kazıklı temel kullanılarak oluacak deplasmanların kabul edilebilir seviyelere çekilebileceini göstermek amacıyla 3 ü kazıklı temel, 1 i yayılı temel olmak üzere toplam 4 model oluturulmutur. Yapılan çözümlerde aaıdaki sıralama izlenmitir. *. Sondaj ve sonda logları ile deney sonuçlarının birlikte deerlendirilmesi ile zemin profilinin çıkartılması ve zemin özelliklerinin belirlenmesi, *. Kazık ve yayılı temel özelliklerinin belirlenmesi, *. Modelde kullanılacak yüklerin tespiti, Düey yük: 40 kpa * 91,6 m2 = 3664 kn (Temel alanı: 91,6 m 2 ) Kolon alanı: 3,585 m2 Kolon düey gerilme: 3664 / 3, kpa Yatay yükleme yapılan alan: 9,20 * 1,10 = 10,12 m 2 Yatay yük: 200 kpa (200 kpa * 10,12 m 2 = 2024 kn; 2024 kn / 3664 kn = 0,55g) *. Hesap aamalarının tespiti, 1. lk durum (sadece zemin varken gerilmelerin hesaplanması), 2. Temel, çelik kazık ve kazık içi betonun oluturulması + düey yükleme, 3. Yatay yükleme. *. Model geometrisinin oluturulması, malzeme özelliklerinin, sınır artlarının ve yüklerin tanımlanması *. ki ve üç boyutlu sonlu eleman aının oluturulması, *. Hesap aamalarının oluturulması, *. Çözüm, *. Sonuçların deerlendirilmesi.

30 0-1 m -0,90 m z SPTN 1, m Siltli kil 3,00 8 4,50 6-6,9 m Siltli kum 6, , ,5 m -12 m Kil 9, , ,00 28 Kumlu Silt 13, , m ekil 1: Zemin profili

31 ekil 2: Zemin profili (Plaxis)

32

33

34 ekil 3: Çelik kazık kesiti

35 ekil 4: Kazık özellikleri

36

37

38 ekil 6: Kazıklı yayılı temelde kazıkların yerleimi

39 ekil 7: ki boyutlu sonlu eleman aı

40 ekil 8: Üç boyutlu sonlu eleman aı ve kolon yüklerinin gösterimi

41 ekil 9: Yayılı temelin sonlu elemanlara ayrılmı görünümü

42 ekil 10: Kazıklı yayılı temelin sonlu elemanlara ayrılmı görünümü

43 ekil 11: Kazıklı yayılı temelde düey ve yatay yüklemeler

44 ekil 12: Kazıklı yayılı temelde yatay yüklemenin yakından gösterimi

45 ekil 13: 200 kpa lık yatay yükleme sonunda yayılı temelde ve kazıklı yayılı temelde (model 3) deforme olmu sonlu eleman aı

46 ekil 14: 200 kpa lık yatay yükleme sonunda yayılı temelde ve kazıklı yayılı temelde (model 3) oluan yatay deplasmanların gösterimi

47 Yayılı temel Kazıklı yayılı temel - 1 ekil 15: x yönünde orta aksta alınan kesitte yatay deplasmanların gösterimi

48 ekil 16: Yatay yükleme sonucunda kazıklarda oluan ekil deitirmeler

49 ekil 20: Yatay yükleme sonucunda kazıkların yatay deplasmanları

50

51

52 ekil 21: Yatay yükleme sonucunda kazıklarda meydana gelen kesme kuvvetleri

53 ekil 21: Yatay yükleme sonucunda kazıklarda meydana gelen kesme kuvvetlerinin kazık balarında younlamı deerleri

54 ekil 22: Yatay yükleme sonucunda kazıklarda meydana gelen eilme momentleri