Lif Takviyeli Kompozit Asma Yaya Köprüsünün Yapısal Davranışının İncelenmesi: Halgavor Asma Yaya Köprüsü

Transkript

1 Lif Takviyeli Kompozit Asma Yaya Köprüsünün Yapısal Davranışının İncelenmesi: Halgavor Asma Yaya Köprüsü Arş. Gör. Murat Günaydın 1 Doç.Dr. Süleyman Adanur 2 Doç.Dr. Ahmet Can Altunışık 2 Doç.Dr. Barış Sevim 3 1-Gümüşhane Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Gümüşhane 2-Karadeniz Teknik Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Trabzon 3-Yıldız Teknik Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, İstanbul 1

2 2 SUNUM İÇERİĞİ GİRİŞ Yaya Köprüleri Lifli Polimer (LP) Kompozit Malzemeler ÇALIŞMANIN AMACI HALGAVOR ASMA YAYA KÖPRÜSÜ SONLU ELEMANLAR ANALİZLERİ SONUÇLAR SONUÇ

3 YAYA KÖPRÜLERİ GİRİŞ Yaya üst geçitleri, yayaların ulaşımlarını rahat, güvenli ve kolay bir biçimde gerçekleştirmelerini sağlayan mühendislik yapılarıdır. Bu yapılar, otoyol üzerlerinde, park ve bahçelerde hatta akarsu üzerlerinde inşa edilebilmektedirler. Ülkemizin, özelliklede büyük şehirlerimizin gerek trafik akışının kesintisiz sağlanması gerekse de yaya geçiş güvenliğinin sağlanabilmesi için yaya üst geçitlerine olan ihtiyacı giderek artmaktadır. Özelliklede büyük şehirlerimizde ana yolların şehir merkezlerinde kalmasından dolayı bu ihtiyaç daha da belirgin hale gelmektedir. Çünkü birçok vatandaşımız bu yollarda karşıdan karşıya geçerken yaralanmakta, hatta hayatını kaybetmektedir. Bu kayıpların ve yayaların neden olduğu trafik aksaklıklarının engellenmesinin en iyi yolu, yaya üst geçitlerinin sayısının, işlevselliğinin ve yayalar tarafından kullanılması sıklığının artırılmasıdır. 3

4 YAYA KÖPRÜLERİ GİRİŞ Ülkemizde son zamanlarda artan yaya üst geçidi ihtiyacını karşılayabilmek için kent kimliğiyle ve doğasıyla uyuşmayan birçok yaya köprüsü inşa edilmiştir. Bu yapıların birçoğunun gerek estetik gerekse de gerekli mühendislik hizmetinden yoksun yapılar oldukları rahatlıkla gözlenebilmektedir. Örneğin, aynı karayolu üzerinde taşıyıcı eleman boyutları birbirlerinden çok farklı aynı malzemeden inşa edilmiş benzer açıklığa sahip yaya köprüleriyle karşılaşmak mümkündür. Bu köprüler ekonomik tasarımlar olmadıkları gibi, hantal görünümleriyle de görüntü kirliliğine neden olmaktadırlar. Ülkemizde çağdaş zamanın teknolojini yansıtan, bulunduğu şehir ile bütünleşen, kullanımı kolay, üzerinden geçen yayaların ilgisini çekebilecek, yaşlı ve engelli insanların beklentilerini karşılayabilecek modern yaya köprülerinin inşası bu köprülerin kullanımını artıracaktır. Ayrıca bu köprüler şehirlerimiz için de birer sembol haline geleceklerdir. 4

5 YAYA KÖPRÜLERİ GİRİŞ 5

6 YAYA KÖPRÜLERİ GİRİŞ Aşağıda modern, kullanışlı, estetik ve kent kimliğiyle uyumlu birkaç yay köprüsü örneği verilmiştir Antalya-Gemi görünümlü Musa Köprüsü-Hollanda Bisiklet yolu-hollanda Barış yaya köprüsü-kanada Gökyüzü köprüsü-malezya

7 GİRİŞ LİFLİ POLİMERLER Yaya köprülerinin inşasında genellikle çelik ve betonarme malzemeden imal edilmiş taşıyıcı veya taşıyıcı olmayan yapı elemanları kullanılmaktadır. Kompozit malzemelerin bir çeşidi olan lifli polimer (LP) kompozit malzemeler hafiflik, yüksek dayanım, yüksek rijitlik, iyi korozyon direnci, düşük bakım masrafı, estetik görünüm, yüksek yorulma direnci gibi olumlu özelliklerinden dolayı yaya köprülerinin ayak, tabliye, kiriş ve kablo elemanlarının imalatlarında günümüzde çeliğe ve betonarmeye kıyasla tercih edilebilir hale gelmiştir. Kompozit köprü elemanları 7

8 LİFLİ POLİMERLER GİRİŞ Kompozit malzemelerin sağladığı avantajlardan yararlanılarak, daha estetik, daha kısa sürede inşa edilebilen, daha hafif çözümler üretilebilmektedir. Pontresina Köprüsü İsviçre Alpler inde-25metre uzunluğunda-3.3 ton ağrılığında kompozit malzemeden inşa edilmiştir. Almanya da 2009 yılında inşa edilmiş, 100 metre uzunluğunda 3.5 metre genişliğinde kompozit köprü Rusya(2008)-22.6m uzunluğunda, 2.8 metre genişliğinde, 5.5 ton, 100 yıl servis ömrü hedeflenerek inşa edilmiş kompozit yaya köprüsü

9 LİFLİ POLİMERLER GİRİŞ Karbon LP kablolar ilk olarak 1996 da İsviçre de inşa edilen 124 metre uzunluğundaki Stork Köprüsün de kullanılmıştır. Stork Köprüsü nde iki adet çelik kablo 5 mm çapında karbon LP telciklerden oluşan kablo ile değiştirilmiştir. Değiştirilen kabloların zaman içerisindeki yapısal performansı optik sensörler ile takip edilmektedir. 241 tane telcikten oluşan, yük taşıma kapasitesi 1349 ton olan karbon kablolar. 9

10 LİFLİ POLİMERLER GİRİŞ 1992 yılında İskoçya da inşa edilen Aberteldy Köprüsü dünyanın tamamı LP kompozit malzemeden üretilen ilk ve en uzun açıklıklı kablolu köprüsüdür. Aberteldy Köprüsü 2,20 metre genişliğinde, 63 metre ana açıklığında, 113 metre toplam uzunluğundadır. Tabliye cam LP den, kabloları ise kevlar LP den üretilmiştir. Aberteldy asma yaya köprüsü 10

11 LİFLİ POLİMERLER GİRİŞ Danimarka da yaya ve araç trafiği için inşa edilen 80 metre açıklığındaki Herning Köprüsü nün 16 çelik kablosu karbon LP den imal edilen kablolarla değiştirilmiştir. Bu amaçla, LP kabloların yaya, araç yükleri ve çevresel etkiler altındaki yapısal davranışları incelenmiştir.

12 12 ÇALIŞMANIN AMACI Bu çalışmada, tabliyesi lifli polimer kompozit malzemeden inşa edilmiş Halgavor asma yaya köprüsünün yapısal davranışının incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, köprünün sonlu elemanlar modeli oluşturularak gerçekleştirilen bazı analizler ile yapısal davranış belirlenmeye çalışılmıştır. Ayrıca, analizler tabliyenin çelik olması durumu için de tekrarlanarak tabliyenin çelik ve kompozit olması durumunda köprünün yapısal davranışında meydana gelebilecek farklılıklar belirlenerek birbirleriyle karşılaştırılmıştır.

13 13 HALGAVOR ASMA YAYA KÖPRÜSÜ İngiltere de 2001 yılında A 30 bölünmüş karayolu üzerinde inşa edilen Halgavor asma yaya köprüsü uygulama olarak seçilmiştir. Halgavor asma yaya köprüsü, 47 m ana açıklığa sahip olup, Avrupa nın tabliyesi cam lifli polimer kompozit malzeme kullanılarak inşa edilmiş ilk yaya köprüsüdür. 4m genişliğe sahip olan köprü tabliyesi yayaları, bisikletlileri ve atlı yayaları taşıyabilecek özellikte tasarlanmıştır. Bu amaçla köprü tabliyesi geri dönüştürülmüş araba lastiklerinden elde edilen işlenmiş kauçuk ile kaplanmıştır.

14 HALGAVOR ASMA YAYA KÖPRÜSÜ Halgavor asma yaya köprüsünün taşıyıcı sistemi: cam lifli polimer kompozit malzemeden inşa edilmiş tabliye, çelik ayaklar, paslanmaz çelikten imal edilmiş ana kablolar ve askılardan oluşmaktadır. Sandviç yapıya sahip olan köprü tabliyesinin alt ve üst yüzeyinde bulunan 10x10m lik paneller ile birlikte köprünün içyapısını oluşturan elemanların tamamı cam lifli polimer kompozit malzemeden imal edilmiştir. Alt ve üst yüzeyde bulunan paneller vakum infüzyon yöntemiyle, tabliye içinde kalan boyuna ve enine kiriş elemanlar ise pultrüzyon yöntemi ile üretilmiştir. Tabliye kesiti Pultrüzyon yöntemi Vakum infüzyon 14

15 SONLU ELAMAN MODELİ Halgavor yaya köprüsünün yapısal davranışını belirleyebilmek için köprünün üç boyutlu sonlu eleman modeli SAP2000 programından faydalanılarak oluşturulmuştur. Döşeme Ayak Kablo Askılar Çubuk Eleman Kafes Eleman Halgavor köprüsünün sonlu eleman modeli Halgavor Köprüsü Kesit ve Malzeme Özellikleri 174 çubuk eleman 169 düğüm noktası 20 kafes eleman

16 16 SONUÇLAR Halgavor Asma Yaya Köprüsünün Yapısal Davranışı Halgavor asma yaya köprüsünün yapısal davranışını belirlemek için sırasıyla köprünün modal, statik ve dinamik analizleri gerçekleştirilmiştir. Her bir analiz tabliyenin çelik olması durumu için de tekrarlanarak elde edilen sonuçlar birbirleriyle karşılaştırılmıştır.

17 17 Modal Davranış SONUÇLAR İlk 10 Moda ait Frekans ve Mod Şekilleri Her iki durum için elde edilen modlar ağırlıklı olarak tabliyenin düşey salınımının farklı şekillerde ortaya çıkması şeklinde elde edilmiştir. Modal analizden elde edilen ilk 6 mod şekli

18 Statik Davranış SONUÇLAR Statik analizlerde yapı elemanlarının kendi ağırlıkları, kaplama ağırlığı, korkuluk direkleri ağırlığı, köprü yan duvarlarındaki ahşap kaplama ağırlıkları hesaplara ilave edilmiştir. Analizlerde geometrik olarak lineer olmama dikkate alınmıştır. Statik analizler sonucunda tabliye boyunca elde edilen yerdeğiştirmeler, kesme kuvvetleri ve kablolarda oluşan eksenel kuvvetler incelenmiştir. Maksimum yerdeğiştirme değerleri kompozit tabliye için 58mm, çelik tabliye için 53mm olarak elde edilmiştir.

19 Statik Davranış SONUÇLAR Kesme kuvveti değerleri tabliye mesnet bölgelerinde maksimum elde edilmiştir. Kompozit ve çelik tabliye durumu için maksimum kesme kuvvetleri sırasıyla 15kN ve 270kN olarak hesaplanmıştır. Kompozit tabliye için maksimum kablo kuvveti 34.50kN olarak elde edilmiştir. Buna karşılık çelik tabliye durumu için maksimum kablo kuvveti 46.32kN olarak elde edilmiştir

20 20 Dinamik Davranışının Belirlenmesi SONUÇLAR Dinamik analizlerde, 1992 Erzincan depreminin doğu-batı bileşeni yer hareketi olarak kullanılmıştır. Deprem kaydı köprüye düşey yönde 20sn boyunca 0.005s lik zaman adımlarıyla uygulanmıştır. Dinamik analizler neticesinde tabliyenin her iki durumu için elde edilen maksimum yerdeğiştirme, maksimum kesme kuvveti ve maksimum eğilme momenti değerleri birbirleriyle karşılaştırılmıştır Erzincan depreminin doğu-batı bileşenine ait ivme-zaman grafiği

21 Tabliye Davranışı SONUÇLAR Çelik Tabliye Maksimum Yerdeğiştirme:3.705sn, 6.2cm Kompozit Tabliye Maksimum Yerdeğiştirme:3.76sn, 5.5cm Maksimum yerdeğiştirme değerinin yer hareketi süresince zamanla değişimi Maksimum kesme kuvveti değerleri kompozit tabliye için tabliye orta noktasına yakın bir elemanda oluşurken çelik tabliye için tabliye mesnet bölgesinde oluşmuştur Çelik Tabliye Maksimum Kesme Kuvveti:3.615sn, 237kN Maksimum kesme kuvveti değerinin yer hareketi süresince zamanla değişimi Kompozit Tabliye Maksimum Kesme Kuvveti:3.780sn, 45kN

22 Tabliye Davranışı SONUÇLAR Maksimum eğilme momenti değerleri her iki durum için de tabliye ortasında bulunan eleman üzerinde meydana gelmiştir. Bu eleman üzerindeki eğilme momenti değerlerinin yer hareketi süresince zamanla değişimi şekilde verilmiştir. Maksimum eğilme momenti kuvveti değerinin yer hareketi süresince zamanla değişimi Çelik Tabliye Maksimum Eğ.Momenti:3.710sn, 826kNm Kompozit Tabliye Maksimum Eğ.Momenti:3.775sn, 192kNm

23 Bu çalışma ile aşağıda belirtilen sonuçlar elde edilmiştir: SONUÇ Tabliye boyunca elde edilen statik ve dinamik yerdeğiştirme değerleri tabliyenin kompozit ve çelik olması durumu için birbirlerine oldukça yakındır, Tabliyenin kompozit malzemeden inşa edilmesi durumunda elde edilen kablo kuvvetleri daha küçüktür, Tabliyenin çelik olması durumunda statik ve dinamik analizlerden elde edilen kesit tesirleri (eğilme momenti, kesme ve eksenel kuvvetler) oldukça artmaktadır. Elde edilen sonuçlar göstermiştir ki Halgavor asma yaya köprüsü tabliyesinin kompozit malzemeden inşa edilmesi yapısal davranış üzerinde olumlu etkilere neden olmuştur. Kompozit malzeme kullanılmasıyla azalan kesit tesirleri sayesinde daha narin, estetik köprüler veya köprü elemanları elde etmek mümkündür. Ayrıca, kolay bakım, montaj ve işçilik kolaylığı, uzun kullanım ömrü, yüksek korozyon direnci gibi özellikler kompozit malzemeleri çelik ve betonarmeye göre tercih edilir kılabilmektedir. 23

24 TEŞEKKÜR EDERİM 24