ZEMİN ANKRAJLARI İSTİNAT YAPILARI TASARIMI

Transkript

1 ZEMİN ANKRAJLARI İSTİNAT YAPILARI TASARIMI

2 Ankraj nedir? Ankraj, üzerine uygulanan gerilme kuvvetini elverişli zemine ileten yapısal bir parçadır. Ankrajlar pasif veya öngermeli olarak tasarlanabilirler. Pasif ankrajlar kendi başına yük taşımazlar. Zemin, ilgili ankraj parçasına doğru hareket ettikçe, yük ankraja iletilir. Pasif ankrajın maksimum yük taşıma gücüne ulaşabilmesi için büyük hareketlere gereksinme olabilir. Büyük hareketleri daha kabul edilebilir düzeye indirgemek için zemin ankrajları genellikle yapıya veya zemin yüzeyi levhasına veya bileşenlerine doğru çekilerek önceden gerilerek öngermeli olarak imal edilebilirler.

3 Ankrajlı duvarlar Özellikle şehirlerde yerleşimin yoğun olduğu bölgelerde derin kazılar çok sıralı ankrajların kullanımı ile güvenli ve ekonomik olarak gerçekleştirilebilmektedir. Ankrajlı duvarlarda farklı yapısal elemanlar kullanılabilir Püskürtme beton ile fore kazık, Yerinde dökme beton perde, Yerinde dökme diyafram duvar, Destek kazıkları ile birlikte yerinde dökme veya hazır yatay destekli sistemler, Püskürtme beton ve ağ veya palplanş duvar olabilir.

4 ANKRAJLI PERDE İNŞA YÖNTEMİ Kazı DONATI etonlama Adım 1 Adım 2 Plakave başlık Adım 3 Adım 4 (a) BİRİNCİ KADEME ANKRAJ (b) İKİNCİ KADEME ANKRAJ

5 ÖNGERMELİ ANKRAJ Serbest Uzunluk Kök Bölgesi

6

7

8

9

10 Ankraj kullanımının yararları Kullanılan elemandan bağımsız olarak bu tür duvarların klasik dayanma yapılarına göre birçok olumlu yanı vardır: Geçici kazı sistemi kalıcı yapının bir parçası gibi kullanılabilir. Yatayda kazı alanı azaltılır. Duvar için yapılacak temelin kazı ve beton işi yoktur. Arka dolgu gerekmemektedir. Daha dar kazı yapılarak zeminde örselenme daha az olmaktadır. Komşu hakkı tartışmalarında azalma olmaktadır. Zemin koşullarında beklenmeyen durumla karşılaşıldığında başka çözüm arayışına olanak tanımaktadır.

11 Ankrajlar nerelerde kullanılırlar? Ankrajların kullanım amaçlarından bazıları aşağıdaki şekilde sıralanabilir; Düşey yer değiştirmelerin önlenmesinde, Yapıların dönmeye karşı güvenceye alınmasında, Yapıların kritik yüzeyler boyunca kaymaya karşı emniyetinin sağlanmasında, Yeraltı yapılarının stabilitelerinin arttırılmasında, Yapıların sismik duraylılığının arttırılmasında, Deney sahası dar olan yerlerde kazık yükleme deneylerinde öngerme sağlayan eleman olarak, Barajların yükseltilmesinde, Dalgakıran ve iskelelerde gemilerin iskeleye verdikleri yükün dağıtılmasında kullanılır.

12 a-) Otoyol Dayanma yapılarında

13 b-) Şevlerin stabilitesinin iyileştirilmesinde

14 b-) Kazı tabanının desteklenmesinde c-) Beton barajların inşaatında

15 Kazı tabanının desteklenmesinde

16 Ankraj Elemanları Zemin ankrajları uygulanan çekme yüklerini taşıyıcı zemine aktarırlar. Ankrajlar, Ankraj kafası, Serbest boyu, Ankraj kökü elemanlarından oluşur.

17 Ankraj Elemanları

18 1-Ankraj Kafası Ankraj kafası : Öngermenin uygulandığı ve kilitlenmesinin yapıldığı bölgedir. servis yüküne gerilen ankrajın Bu bölge öngerme kuvvetinin yüzeye yayılmasını temin eder. Esas olarak germe kafası, sıkıştırıcılar (kamalar), ankraj ve ankraj plakasından meydana gelir. Kontrol için açık olması gereken ankrajlarda bir de koruyucu kapak yapılması önerilir.

19

20 2) Serbest Ankraj Boyu Ankraj gövdesinin başlangıcı ile ankraj kafası arasındaki mesafedir. Serbest ankraj kısmının yapısı ankrajdan beklenen hizmete bağlıdır, bunlar: Ankrajın ömrü (geçici ya da kalıcı ankraj olması). Korozyon ve mekanik örselenmeye karşı ne düzeyde koruma gerektiği. Ankrajın aşamalı olarak gerilmesi zorunluluğu. Çekme kuvvetini her an ölçme olasılığı. Germe elemanlarının boşaltılması ve sonradan tekrar gerilmesi zorunluluğu. Zeminin olası enine yerdeğiştirmelerinin karşılanması olasılığıdır.

21 3) Ankraj Kökü Öngerme kuvvetini zemine aktaran kısımdır. Çimento harcının yüksek basınç altında ankraj deliğine itilerek doldurulması ile kök bölgesi oluşturulur. Çeliğin ankraj gövdesi içine yerleştirilme şekli zeminin özelliklerine bağlıdır. Halatlar ya doğrusaldır ya da yer yer sıkılıp yer yer serbest bırakılarak bir dizi boğum meydana getirecek şekilde birbirine bağlanır. Ankraj Kökü

22 Kullanım sürelerine göre ankrajların sınıflandırılması Geçici ankrajlar: Bu ankrajlar, genellikle bir projenin inşaatı sırasında kısa süreli olarak kuvvetlere karşı koyan ve böylece güvenli inşaat imkanı sağlayan ankrajlardır. Genellikle kullanım süreleri 2 yıldır. Servis ömrülerine göre 2 ye ayrılırlar. 1.Nolu geçici ankrajlar: Servis süreleri 6 aydan daha az ve göçmesi çok ciddi sorunlar yaratmayan toplumun güvenliğini etkilemeyen (örn. Kısa süreli kazık yükleme deneylerinde reaksiyon sistemi olarak kullanılan) ankrajlardır. 2. Nolu geçici ankrajlar: Servis süreleri 2 yıl civarında olan göçmesi sonucu oldukça ciddi sorunlar ortaya çıkabilen uyarı olmaksızın toplum güvenliğini etkilemeyen (örn. İksa duvarlarının desteklenmesinde kullanılan) ankrajlardır.

23 Kullanım sürelerine göre ankrajların sınıflandırılması devam... Sürekli ankrajlar: Sürekli yapıların ve kazı destekleme sistemlerinin servis ömrü boyunca güvenliğinin ve stabilitesinin sağlanması amacıyla yapılırlar. 3.Nolu sürekli ankrajlar: Korozyon riskinin yüksek olduğu ve/veya göçme durumunda çok ciddi sorunlar yaratan (örn. Asma köprülerin ana gergilerinde kullanılan ya da su etkisi ile kalkan yapıların stabilitesinin sağlanması amaçlı ağırlık yapısının elemanları olarak kullanılan) ankrajlardır.

24 Ankraj Sınıfı Minimum Güvenlik Faktörleri Tendon Zemin/ enjeksiyon Ara yüzeyi Enjeksiyon / tendon ya da enjeksiyon/ kapsülleme yüzeyi Kontrol Yükü Faktörü Geçici Ankrajlar(1) Geçici Ankrajlar(2) Sürekli Ankrajlar(3) x 2.5 x Not: x Eğer tüm araziyi kapsayan deneyler yapılırsa bu değer minimum olarak 2.0 alınabilir. + Bu değer zeminin limit sünme değerine ulaşması halinde 4.0 a kadar çıkar.

25 Farklı Beton Ankraj Tipleri A B C D A Tipi Ankrajlar (Kayalarda uygulanır) Zemin ile harç arasındaki kayma mukavemeti, kök kısmındaki sıyrılmaya karşı direnci oluşturur. Dayanım, deliğin stabilitesine bağlı olup, doğrusal ya da doğrusal olmayan düz şaftlı ankrajlardır. Çoğunlukla kayalarda ya da katı ve sert kohezyonlu zeminlerde kullanılır. Mukavemet, zemin-enjeksiyon yüzeyi arasında oluşan yüzey kayma gerilmelerine bağlıdır.

26 B Tipi Ankrajlar (genellikle kohezyonsuz zeminlerde) B Ankraj kök çapının zemin içinde minimum hasar yaratarak genişletilmesi sonrası çimento harcının 1000 kn/m 2 dan daha düşük basınçlar altında boşluklara ve çatlaklara girmesi sağlanarak oluşturulan ankraj tipidir. İyi derecelenmiş kohezyonsuz zeminlerde kullanıldığı gibi yumuşak çatlaklı kayalarda ve kaba alüvyonlarda da kullanılır.

27 B Tipi Ankrajlar (genellikle kohezyonsuz zeminlerde)... Kohezyonsuz zeminlerde kök çevresindeki zeminin çimento sızdırmazlığından yararlanarak basınç altında iyice sıkıştırılması ile geniş bir ankraj kökü oluştururlar. Dikkat edilmesi gereken, enjeksiyon basıncının her zaman toplam jeolojik yükten düşük olması gerektiğidir.

28 C Tipi Ankrajlar (kohezyonsuz ve kohezyonlu zeminlerde) 2000 kn/m 2 den daha yüksek basınç altında çimento harcının zemin boşluklarına sızdırılması ile ankraj kökü genişletilir. A B C D

29 Birinci enjeksiyonun sertleşmesinden sonra, çoğunlukla basınç, ikincil enjeksiyon sırasında uygulanır. İkinci enjeksiyon genellikle manchette system adı verilen özel bir tüp sistemi ile ya da ankraj kökü içinde çalışabilen minyatür enjeksiyon tüpleri kullanılarak yapılır. Kohezyonsuz zeminlerde, bazen de kohezyonlu zeminlerde başarılı bir şekilde kullanılır. Üniform bir kayma mukavemetinin ankraj kökü boyunca var olduğu prensibine göre taşıma gücü hesaplanır.

30 D Tipi Ankrajlar (katı kohezyonlu zeminlerde) Mekanik aletlerle ya da patlayıcılarla oluşturulmuş bir dizi kökten oluşan ankrajın enjeksiyonunda Tremie yöntemi uygulanır. A B C D

31 Katı kohezyonlu zeminlerde kullanılan bu ankrajlarda, kayma mukavemeti ve uç mukavemeti sıyrılmaya karşı direnci oluşturur. Kullanılması çok yaygın bir uygulama olmamakla birlikte kohezyonsuz zeminlerde de kullanılabilmektedir.

32 Ankrajın zemine girilmesi

33 Kaya Ankrajları

34 Derin Kazılarda Çok Sıra Ankrajlı İksa Sistemlerinin Tasarımı Çok ankrajlı bir iksa sisteminin tasarımında hesap adımları Çok ankrajlı iksa sistemine gelen toprak basıncının belirlenmesi Düşeyde (kazı kesiti boyunca) ankraj aralıklarının seçimi Seçilen ankraj aralıkları için sistemin belirlenen toprak basıncı dağılımı altında sürekli kiriş olarak çözümü Sistemde söz konusu yük altında oluşan ankraj kuvvetlerinin ve maksimum momentlerin belirlenmesi Yatayda (kazı kesitine dik doğrultuda) ankraj aralıklarının seçimi Ankrajların serbest boylarının hesabı Ankraj kök boylarının hesabı Kök boyunun seçimi ve toplam ankraj boylarının hesabı Sistemin (iksa perdesinin) boyutlandırılması

35 Zemin Ankrajlarının Tasarımı Ankraj, kaya ve zemin içinde açılmış bir deliğe yerleştirilen korozyona karşı korunmalı ve yüksek mukavemetli özel çelikten yapılmış öngermeli bir halat veya halatlar demetidir. Ankraj karşı koyucu kuvvetleri zeminden alarak yapısal elemana (örn. Betonarme veya fore kazık duvara) aktarır. Kısaca, ankraj, üzerine uygulanan gerilme kuvvetini elverişli zemine ileten yapısal bir parçadır.

36 Zemin ankrajlarının tasarımında aşağıdaki aşağıdaki başlıklar büyük önem taşır. Ankraj kökünün boyutları Gömme derinliği Grup etkisi Toptan göçme tahkiki

37 Ankraj Tasarım Kriterleri Ankrajın serbest boyu hesaplanırken: Kökün, duraylılık analizlerine göre bulunacak (dairesel veya düzlemsel) yüzeyin dışında olması sağlanmalıdır. Kök, Rankine aktif yüzeyinden 1/5 H (min 1.5 m) kadar uzakta ve ona paralel bir yüzeyin dışında kalmalıdır. Duvar yüzünden köke kadar eğik serbest boyu en az 4.5 m olmalıdır. Ankraj kök uzunluğu zeminlerde 3-10 m arasında olmalıdır. Ankraj eğimi genellikle =10 0 _ 15 0 olabilir. Daha büyük açılarda ankraj kuvvetinin düşey bileşeni değerlendirilmelidir.

38 Ankraj Tasarım Kriterleri Duvar Minimum Serbest Ankraj Boyu =4.5 m

39 S v S h

40 Toprak Basıncı dağılımının Belirlenmesi a-kumlar b- Katı Killer c-yumuşak orta katı killer

41 Toprak Basıncı dağılımının Belirlenmesi Ankrajlı Duvar İçin NAVFAC Önerisi

42 Toprak Basıncı dağılımının Belirlenmesi İsveç Yönetmeliği Ankrajlı Duvar İçin İsveç Yönetmeliği Önerisi

43 Kök Taşıma Gücünü Etkiyen Etkenler Ankrajın maksimum taşıma kapasitesini etkileyen faktörler Ankraj kökünün şekli Ankraj kökü civarındaki zeminin cinsi ve tabakalaşma durumu Ankraj kökü üzerindeki jeolojik yük Ankrajın boyutları Enjeksiyon basıncı Ankrajın gerilme deformasyon bağıntısı Taşıma gücünü en doğru şekilde ve kesin belirleme yöntemi, doğrudan doğruya yerinde ankraj yükleme deneyleri yapılmasıdır.

44 Bazı Kayaçlar için Tipik Kök Sıyrılma Değerleri (NAVFAC 1983)

45 Kumçakıl Kum Kum ve silt Gevşek Orta sıkı Sıkı Gevşek Orta sıkı Sıkı Gevşek Orta sıkı Sıkı LL, PI, LI kısıtlamalarıyla (katı) Silt-kil karışımları veya İnce mikalı kum veya silt karışımları (çok katı) Granit veya bazalt Dolamitik kireçtaşı Yumuşak kireçtaşı Kumtaşı Sleyt ve sert şeyl Yumuşak şeyl m Uzunluk İçin Kökte Son Taşıma Gücü ( kn ) (FHWA)

46 Ankraj Demeti (Örgü Tel) Daha büyük öngerme kuvvetleri uygulamak amacıyla belli bir sayıda telin bir araya getirilip bükülmesinden elde edilen örgü teller hem bükülebilme özelliğine sahiptir hem de tellerin mekanik özelliklerinden tam olarak yararlanmayı sağlar. Örgü teller genellikle soğuk çekme düz karbon çeliğinden yapılmış olup bugüne kadar en yaygın örgü tel 7 tel ile yapılandır. Aşağıdaki Tablo da öngermeli tendon malzemeleri için tipik boyutlar ve karakteristik dayanımlar verilmiştir.

47 Örgü Tel

48

49 Zemin Ankrajlarında Stabilite Tahkikleri Ankrajların güvenle taşıyabileceği yük ankrajlı çözümün yapılabilirliğini, buna bağlı olarak belirlenen ankraj aralığı da perdenin yapısal tasarımını etkilemektedir. Bir ankrajın taşıma gücünü aşağıdaki durumlar belirlemektedir. 1-Ankraj Demetinde (Çelik halatta) kopma: Uygulanan yük çelik halatın yapısal taşıma gücünü aşarsa kopma kaçınılmazdır. Tasarımda ankraja gelecek yük halat kopma yükünün 0.6 katını, ankraj deneylerinde 0.8 katını geçmemelidir.

50 Zemin Ankrajlarında Stabilite Tahkikleri 2-Enjeksiyon-tendon sıyrılması Uygulanan enjeksiyon basıncıyla bir ilişkisi olmamakla birlikte belirli bir değerden sonra lineer olmayan bir ilişki vardır. Adhezyon Sürtünme Mekanik bağ

51 3-Zemin-enjeksiyon sıyrılması Granüler zeminlerde kök basıncı artırılarak ankraj deliğinin çapı artırılabilir Kohezyonlu zeminlerde genişletilmiş çan şeklinde bir uygulama yapılabilir.

52 4-Zeminde göçme: Ankraj köküne iletilen yükle birlikte kök çevresinde bir zemin kitlesinin koparılması söz konusu olabilir. Sığ ankraj köklerinde, kök önünde bir bölgede kabarma ile başlayan ve pasif göçme yüzeyine benzer bir yüzeyde göçme ile sonuçlanan bir hareket görülebilir. Pratik olarak 5(m) den daha derinde kökü olan ankrajlarda bu tür göçme çok az görülmektedir.

53 Zeminlerde Ankraj Taşıma Gücü Zeminlerde ankrajın yük taşıma kapasitesi P i =K.π.D.L. =c'+σ' v tg (drenajlı durumda) =2/3c u (drenajsız durumda) D veya b: Kök çapı (10-15 cm) σ' v : kök uzunluğu ortasındaki düşey efektif gerilme : Zemin-duvar arasındaki sürtünme açısı ( =2/3 ) L : kök uzunluğu K : Yanal itki katsayısı (kumlarda ), (killerde 0.75) alınabilir

54 Zeminlerde Ankraj Taşıma Gücü Ankraj Taşıma kapasitesi (P kök kapasitesi ) = Taşıma kapasitesi için kullanılacak güvenlik sayısı P i GS Minimum GS=1.5 Ankraj taşıma kapasitesi*(cosβ) Ankrajların yatay aralıkları (s h ) = Pa P a = Yatay toprak basıncı (kn/m) s v s h

55 GİRİŞ TOPRAK BASINCI DAĞILIMLAR 3-ANKRAJ KUVVET HESABI ANKRAJ KÖK KUVVETİ ( P i =p *D*L*K* ) (kn) ve YATAY MESAFESİ BELİRLENMESİ (s h ) Ankraj Geometrik Boyutlar Ankraj Sıra No Çapı (D) Birim Çevre Alanı (p*d) Yanal İtki Katsayısı (K) Kayma Gerilmesi ( ) (kn/m 2 ) Drenajlı Drenajsız Kuvveti (P i ) Eğim Düşey Mesafe H-düşey Mesafe Serbest Boy (L s ) Seçilen Seçilen Kök Boyu Toplam Boy m m 2 c u kn/m 2 sv' s v ' Düşey mesafe (m) tan (c'+s v '*tan ) 2/3 c u Drenajlı/Drenajsız ( ) m m m Değerlendirme m Değerlendirme drenajsız DOĞRU 9.0 DOĞRU drenajsız DOĞRU 9.0 DOĞRU drenajsız DOĞRU 9.0 DOĞRU drenajsız DOĞRU 9.0 DOĞRU drenajsız DOĞRU 9.0 DOĞRU drenajsız DOĞRU 9.0 DOĞRU drenajsız DOĞRU 9.0 DOĞRU drenajsız DOĞRU 9.0 DOĞRU drenajsız YANLIŞ 9.0 DOĞRU drenajsız YANLIŞ 9.0 DOĞRU YANLIŞ YANLIŞ YANLIŞ YANLIŞ YANLIŞ YANLIŞ YANLIŞ YANLIŞ 0.0 G.S. 1.5 SP i = Ankraj Taşıma Kapasitesi=P Ankraj Yatay Aralığı=s h =(Ankraj Taşıma Kapasitesi*cos )/Pa Seçilen Yatay Aralık S h (m) SP i /GS DOĞRU Min 1.2m 2.00 m m

56 1-Enjeksiyon ile (Tendon-Halat) Ankraj Arası Aderans Tahkiki P halat em / P ankraj yükü >2.0 P halat em = em x A halat yüzey alanı x Halat Sayısı Nervürlü çelik için em =700 kn/m 2 alınacak. (A halat yüzey alanı =p x D halat x L halat ). D halat = 15,2 mm= 0,0152 m L halat = Kök Uzunluğu Halat Sayısı = (P i max ) / (P kopma ) oranına göre belirlenir (tam sayı). P kopma = 260*0,6=160 kn Not : Bu projede çapı 15.2 mm olan 7 telli örgü tel kullanılacaktır. (Çap=15.2mm, Kesit Alanı=139 mm 2, Halat sayısı belirlendikten sonra, bu değere göre halatların emniyetli olarak taşıyabileceği yük miktarı belirlenecektir.

57

58 ENJEKSİYON İLE TENDON ARASI ADERANS TAHKİKİ Seçilen Halat Çapı (D halat ) Seçilen Halat Kesit Alanı Seçilen Halat Kopma Dayanımı (P kopma ) P i mak (Max P i ) Ankraja gelen maksimum Yük Halat Sayısı = P i mak / (P kopma *0,6) Halat Yüzey alanı= p x D halat xl kök boyu P halat emniyet = x A halat yüzey alanı xhalatsayısı 15.2 mm 140 mm kn kn 2.16 Seçilen m em = 700 kpa Phalat emniyet/pi max> ENJEKSİYON İLE TENDON ARASI SIYRILMA PROBLEMİ YOK

59 2- Ankraj demeti Kopma Tahkiki Maksimum P Ankraj Demeti Kopma / P ankraj yükü >1.4 Not: Tasarımda ankraja gelecek yük halat kopma yükünün 0.6 katını geçmemelidir. P Ankraj Demeti Kopma =260x0.6xHalatSayısı= 140kN x Halat Sayısı ANKRAJ DEMETİ KOPMA TAHKİKİ Ankraj Demeti Kopma Yükü (P kopma *0,6*Halat Sayısı) kn Ankraj Demeti Kopma Yükü /Maksimum Ankraj Yükü = 1.44 > 1.40 Kopmaya Karşı Emniyetli

60 Derin Kayma Tahkiki Ankrajlı bir perdenin derin kayma tahkikini yaparken genellikle Kranz tarafından tek ankrajlı sistemler için geliştirilen yöntemi esas alan çok ankrajlı hesap yöntemleri kullanılmaktadır. Ankraj kökünün merkezinden geçen fiktif bir plak göz önüne alınmaktadır.

61 Blok göçme tahkiki Ankrajlı duvarların duraylılığında gözetilmesi gerekli diğer bir durum ankrajın gerilmesi ile birlikte ankraj kökünün belirlediği bir zemin kamasının ana kitleden koparılmasına karşı yeterli güvenliğin sağlanıp sağlanmadığıdır. Blok analizi adı verilen bu analizde göz önüne alınan ankraj kökünün ortasını düşeyle ve duvarın altıyla birleştiren yüzeylerin belirlediği düşünülmektedir. Burada bloğun dengesi Pa, ankraj plağına gelen toprak basıncı W, blok ağırlığı P A, duvara gelen toprak basıncı Q, blok destek kuvveti A, ankraj çekme kuvveti A bloğu dengede tutan kuvvet Güvenlik Sayısı GS=

62

63 Tek ve Çok Sıralı Ankrajlarda Blok Analizinde Güvenlik Sayısı (a) da görüldüğü gibi kuvvet poligonu çizildiğinde A kuvveti bloğu dengede tutan kuvvet olarak bulunmaktadır. Bloğa A den daha küçük bir kuvvet (ankraj) uygulanması halinde blok güvenli, daha büyük kuvvet uygulanması halinde güvensiz olacaktır. (b) de 1 no lu ankraj için belirlenen blok dengesinde 2 no lu ankraj kuvvetinin etkisi yoktur. Yine benzer nedenle (kökün blok dışında kalması) 2 no lu ankraj için belirlenen blok dengesinde 1 no lu ankraj kuvvetinin etkisi yoktur. (c) de 1 yüzeyinde 2 no lu ankrajının etkisi yok, ancak 2 yüzeyinde 1 no lu ankraj kuvveti bloğa uygulanan bir dış kuvvet gibidir ve güvenlik sayısı tanımında gözönüne alınmıştır. (d) de ise 1 yüzeyinde 2 no lu ankraj kuvveti etkili, 2 yüzeyinde 1 no lu ankraj kuvveti etkisizdir.

64

65