FRP KAZIKLI RADYE TEMELLERİN DAVRANIŞININ DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ

Transkript

1 6. Geoteknik Sempozyumu Kasım 2015, Çukurova Üniversitesi, Adana FRP KAZIKLI RADYE TEMELLERİN DAVRANIŞININ DENEYSEL OLARAK İNCELENMESİ EXPERIMENTAL INVESTGATION OF THE BEHAVIOUR OF THE FRP PILED RAFT H. Suha AKSOY* 1 Mesut GÖR 2 Esen İNAL 3 ABSTRACT Engineers are use piled raft as foundation for centuries. Driven piles are generally used for transmit building loads to the stiff soil layer. Moreover they can be used as friction pile. Because of long life in water, wooden piles are preferred for centuries. In 20 th century steel used as pile material, because of advances of pile driving technology and economical difficulties. Nowadays, decreasing natural resources prompt to discover alternative pile materials. FRP (fiber-reinforced polymer) is a economic material and it has very long life span in harsh environment. In this study, FRP model piles are vertically loaded in sand soils which prepared 10%, 40% and 65% relative density. As a result of these loading tests, bearing capasity vs. settlement relationships of FRP piled rafts are determined. Load vs. soil mass stress disturibition curves and settlement vs. soil mass stress disturibition curves are figured. Key Words: FRP, Relative Density, Piled Raft, Bearing Capacity, Pressure Bulb. ÖZET Kazıklı temeller yüzyıllardır kullanılan bir temel tipidir. Çakma kazıklar özellikle sağlam zemin tabakasına yapı yüklerini aktarmak için veya sürtünme ile yük taşımak için kullanılırlar. Tarih boyunca ahşap kazıklar kullanılmıştır. Bunun nedeni ahşabın özellikle su içerisinde uzun ömürlü olmasıdır. 20. yüzyılda değişen yapı teknolojisi ve artan ahşap maliyetleri nedeniyle çelik kazıklar tercih edilmiştir. Günümüzde doğal kaynakların azalması nedeniyle alternatif kazık malzemesi arayışları devam etmektedir. Cam takviyeli plastik (FRP) malzemesinin, ekonomik ve deniz suyu gibi olumsuz koşullar altında bile çok uzun ömürlü olması nedeniyle kazık imalatında gittikçe artan miktarlarda kullanılmaktadır. Bu çalışmada; FRP den imal edilmiş model kazıklar, %10, %40 ve %65 relatif sıkılıkta hazırlanmış zeminler içerisinde düşey olarak yüklenmiştir. Yapılan deneyler neticesinde, * 1 Y. Doç.Dr., Fırat Üniv.,aksoy.suha@gmail.com 2 Arş. Gör., Fırat Üniv., mesutgor@gmail.com 3 Yük. Mühendis., Fırat Üniv., inal.esen@gmail.com

2 FRP kazıklı radye temelin taşıma gücü, oturma grafikleri elde edilmiştir. Yük ve oturmalar ile zemin kütlesi içerisinde meydana gelen gerilmelerin değişimleri belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: FRP, Relatif Sıkılık, Kazıklı Radye, Taşıma Gücü, Oturma, Basınç Soğanı 1. GİRİŞ Kazıklı temeller Romalılardan beri kullanılan bir temel sistemidir. Ahşap kazıkların kullanıldığı bu temeller yüzlerce yıl geçmesine rağmen hala hizmet etmektedirler. Ahşap temelleri tercih edilmesinin en önemli sebebi ahşabın su altında neredeyse sonsuz ömürlü olmasıdır. Ahşap kazıkların kullanımı son yıllarda çevresel ve ekonomik nedenlerden dolayı azalmıştır. Günümüzde çakma kazıklar genellikle çelik kullanılarak imal edilmektedir. Ancak çelik pahalı bir malzeme olup yer altı suyunun zararlı madde içermesi halinde ve deniz içinde çabuk tahrip olmaktadır. Bu tahribat, oksijenin varlığına bağlıdır. Bu nedenle bu tür kazıkların ömürleri kumlu zeminlerde genellikle kısa olmaktadır. Bir kazığın taşıma gücü, iki büyüklüğün toplamından oluşur. Bunlar uç mukavemeti ile kazığın çevre yüzeyi boyunca adhezyon veya sürtünme nedeni ile yer alan sürtünme mukavemetidir. Kazıklar pratikte genellikle ikiye ayrılır: 1. Yükün büyük kısmının sert/sıkı bir tabakaya aktarıldığı uç kazıkları; 2. Uç mukavemetinin önemsiz mertebelerde olduğu ve yükün büyük ölçüde sürtünme mukavemeti ile taşındığı sürtünme kazıkları veya yüzen kazıklar. Yapılan deneysel çalışmalar, kazıkların tasarımında kullanılan teorik hesap yöntemlerinin her zemin tipi için geçerli olmadığını ve tabakalı zeminlerde farklı hesap yöntemlerine ihtiyaç olduğunu göstermiştir. Doğal kaynakların sonsuz olmadığı ve dikkatlice kullanılmadığı takdirde bir gün bu doğal kaynakların tükeneceği bilinmektedir. Katı atıkların depolanması ise her geçen gün çevresel ve ekonomik sorunlar doğurmaktadır. Bu nedenle, kaynak israfını önlemek ve ortaya çıkabilecek enerji krizleri ile baş edebilmek için atıkların geri dönüştürülmesi, tekrar kullanılması çevre ve ekonomi için çok önemlidir. Tüm bu hususlar göz önüne alındığında plastik malzemesinin, atık, geri dönüşümlü, ekonomik ve deniz suyu gibi olumsuz koşullar altında bile çok uzun ömürlü olması nedeniyle kazık imalatında gittikçe artan miktarlarda kullanılması kaçınılmazdır [1]. Plastikler, kimyasal yapıları nedeni ile esnek (kırılmaz) yapıya sahiptir. Ancak plastiklerin mekanik dayanımları düşüktür. Bu nedenle plastikler, mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi amacıyla son yıllarda cam elyaf ve benzeri malzemelerle takviye edilmektedir. Cam takviyeli plastik (FRP), takviye malzemesi (camelyafı) ve taşıyıcı matriks in (reçine) birlikte kalıplanması ile elde edilmektedir. Polyester reçineler, kimyasal bir reaksiyon ile polimerize edilerek, sert, çözülmeyen, ergimeyen bir madde haline dönüştürülmekte ve kalıplandığı şekli almaktadır. FRP elemanlar yüksek mukavemetleri, hafif olmaları, korozyon ve kimyasallara dayanımlarının yüksek olması ve yorulma dayanımının yüksek olması gibi avantajları sebebiyle 1940 lardan beri uçak endüstrisinde kullanılmaktadır [2]. FRP nin özgül dayanım σ max /γ değeri yüksek dayanımlı çelikten 60 kat daha yüksektir [3]. Son yıllarda tüm dünyada plastik malzemesinin giderek artan bir hızda zemin problemlerinin çözümünde kullanılmaya başlandığı görülmektedir. Örneğin; geogrid, palplanş perde, ankraj ve kazık malzemesi olarak plastikler kullanılmaktadır. Plastik çeliğe

3 göre oldukça ucuz bir malzemedir. Donatılı plastik olarak isimlendirilen FRP benzeri ürünlerden elde edilen profiller, yeterli dayanıma sahip oldukları için uç kazığı olarak kullanılabilirler. Bunun yanında çeliğe göre daha yüksek bir sürtünme katsayısına sahip oldukları için sürtünme kazığı olarak da kullanılabilmektedirler. Sawwaf (2010) eksantrik olarak yüklenmiş kazıklı radye temellerin taşıma güçlerinin belirlenmesi üzerine çalışmıştır. Radyeye monte edilmiş ve monte edilmemiş kazıkların kullanıldığı model deneyleri yapmıştır. Kumdaki sıkılık artışının özellikle kısa kazıklarda kazıklı radyenin taşıma gücünü artırmada çok etkili olduğunu belirlemiştir. Radye kenarına yakın yerleştirilmiş kısa kazıkların hem oturmaları daha etkin bir şekilde azalttığını hem de radyedeki dönmeleri azalttığını belirtmiştir. Radyeye monte edilmiş kazıkların oturma performansının monte edilmemişlere göre çok daha yüksek olduğunu belirtmiştir [4]. Ashford ve Jakrapiyanun (2001) FRP kazıkların çakılabilirliği üzerine yaptıkları çalışmada betonarme, çelik, betonla doldurulmuş FRP tüp, iki farklı yöntemle üretilmiş FRP ve plastik kaplanmış çelik kazıkların çakılabilirliğini ve düşey yük taşıma kapasitelerini karşılaştırmışlardır. Yapılan deneyler sonucunda bütün FRP kazıkların çelik ve betonarme kazıklara benzer taşıma gücüne sahip olduklarını göstermiştir. Yazarlar özellikle zorlu çevre şartlarına maruz kalan bölgelerde FRP ile kaplanmış kazıkların kullanılmasını önermişlerdir [5]. Bilindiği gibi kazıklar yükleri uç direnci ve yüzey sürtünmesi ile taşırlar. Özellikle sürtünme kazıklarında, kazık malzemesinin taşıma gücünü oldukça değiştirebileceği bilinmektedir. Gireesha ve Muthukkumaran (2011) yaptıkları çalışmada farklı relatif sıkılıkta hazırlanmış kum zeminlerin ahşap, çelik ve beton malzemeleri ile ara yüz sürtünmelerini incelemişlerdir. Relatif sıkılık arttıkça ara yüz sürtünme açısının arttığını belirlemişlerdir [6]. Ayrıca Acar vd (1982) yaptıkları çalışmada relatif sıkılıkla sürtünme açısının arttığını belirlemiş ve Şekil 1. deki sonuçlara ulaşmışlardır [7]. Şekil 1. Relatif Sıkılık ve Yüzey Sürtünme Açısı İlişkisi [7]

4 Sakr ve diğerleri (2007) yaptıkları çalışmada, kesiti incelen (büyük çaptan küçük çapa) FRP tüpünü kendiliğinden yerleşen betonla doldurarak kazık çakma işlemini modellemişlerdir. Kazık çakma işlemini nümerik olarak modelleyerek deney sonuçlarıyla karşılaştırmışlardır. FRP tüp kazıkların sıkı kumlarda güvenle kullanılabileceğini, silindirik kazıklara göre aşağıya doğru kesiti incelen kazıkların çok daha kolay çakılabildiğini, FRP kazıkların çelik ve betonarme kazıklarla benzer çakma davranışı gösterdiğini, FRP tüpünün boş olarak kullanılması durumunda burkulma - kıvrılma davranışlarının görülebileceğini, belirlemişlerdir [8]. Bu çalışmada, 3x3 FRP kazıklı radye temelin farklı sıkılıkta hazırlanmış zeminlerdeki taşıma gücünün belirlenmesi amacıyla model deneyleri yapılmıştır. Farklı relatif sıkılıktaki zeminlerde FRP kazıklı radye temelin taşıma gücünün nasıl etkilendiği belirlenmiştir. 2. MATERYAL VE METOT Laboratuvarda yapılacak model deneylerinde kullanılmak üzere dere kumu temin edilmiş ve yıkanıp elenerek uygun granülometride hazırlanmıştır. Hazırlanan kumun toplam hacmi 2m 3 dür. Kazıkların modellenmesi için 10mm çapında 380mm boyunda FRP çubuklar temin edilmiş ve bu kazıklara uygun 150x150mm radye CNC tezgahında imal edilmiştir. Zemin kütlesi içerisindeki gerilme değişimleri basınç ölçerler (pressure transducer) yardımıyla ölçülmüştür. Deney sonuçları dijital datalogger kullanılarak bilgisayar ortamında kaydedilmiştir Deneylerde Kullanılan Zeminin Özellikleri Laboratuvar deneylerinde, Elazığ ili Murat Nehri yatağında kurulmuş olan kum ocağından temin edilen dere kumu kullanılmıştır. Dere kumu malzemesi ise siyah tonda olup bazalt kökenlidir. Deneylerde kullanılan zeminin granülometri eğrisi Şekil 2 de görülmektedir. Şekil 2. Deneylerde Kullanılan Zeminin Granülometri Eğrisi

5 Deneylerde kullanılan kazıklar FRP malzemelerinden, kazık başlığı (radye plak) çelikten imal edilmiştir. Deneylerde farklı sıkılıktaki zeminlerde kazıkların taşıma gücü değişimlerini belirlemek amacıyla kazık uçlarının soketleneceği alt zemin tabakası bütün deneylerde %90, üst zemin tabakası ise %10, %40 ve %65 relatif sıkılıkta hazırlanmıştır. Bu sayede sıkı zemine soketlenen ve farklı sıkılıktaki zeminlere çakılmış olan FRP sürtünme kazıklarının taşıma güçleri belirlenmiş ve karşılaştırılmıştır. Kum tabakaları oluşturulurken zeminin içerisine belirli aralıklarla basınç ölçerler yerleştirilmiştir. Deneylerde kullanılan zemin üzerinde, ASTM C127-15, ASTM D ve ASTM D422-63(2007)e2 standartlarına uygun şekilde yapılan deneyler sonucunda bu zeminin endeks özellikleri elde edilmiştir ve Tablo 1. de gösterilmiştir [ ]. Tablo 1. Deneylerde kullanılan zeminin endeks özellikleri Dane Birim Hacim Ağırlığı, G s 2.77 D10 (mm) 0.18 D50 (mm) 0.45 Maksimum Minimum Dane Boyutu, D maks -D min (mm) Maksimum Kuru Birim Hac. Ağ. (kn/m 3 ) Minimum Kuru Birim Hac. Ağ. (kn/m 3 ) Maksimum Boşluk Oranı, e maks Minimum Boşluk Oranı, e min FRP Kazıkların ve Kazık Başlığının Özellikleri Deneylerde kullanılan FRP kazıkların özellikleri imalatçı firmadan alınmış olup Tablo 2. de görülmektedir. Tablo 2. Deneylerde kullanılan FRP kazıkların özellikleri Basınç Dayanımı (Mpa) 200 Çekme Dayanımı (Mpa) 240 Çekme Elastisite Modülü (Gpa) 23 Yoğunluk (gr/cm 3 ) 1.8 Cam Lifi Oranı (%) 50 Kazık başlığı 150x150x25mm boyutlarında olup st37 çelik malzemesinden CNC tezgahında imal edilmiş ve paslanmaması için galvanizle kaplanmıştır. Kazık başlığı ve FRP kazıklar Şekil 3. te görülmektedir.

6 Şekil 3. Kazık Başlığı ve FRP Kazıklar 2.3 Deney Sisteminin Özellikleri Model deneylerinde, 150x150mm boyutlarındaki radye plak, çapı 10mm ve boyu380mm olan kazıklar, planda 750x750mm boyutlarında olan ve derinliği 1000mm olan kum tankı içerisinde yüklenerek gerilme deformasyon ilişkisi gözlemlenmiştir. Kum zemin 100mm lik tabakalar halinde istenilen sıkılıkta kum tankına yerleştirilmiştir. Basınç ölçerler kum tabakaları arasına Şekil 3. de gösterilen yerlere konulmuştur. Deneylerde, ortalama 2.0mm/dak deformasyon hızı oluşacak şekilde yükleme yapılmıştır. Deneyler sırasında deformasyonlar, yük ve zemin kütlesi içerisine yerleştirilmiş basınç ölçerlerden alınan değerler saniyede 2 veri olacak şekilde datalogger kullanılarak bilgisayara kaydedilmiştir. Deney sisteminin ayrıntıları Şekil 4. te gösterilmiştir. Radye Plak Gevşek Zemin Kazıklar Basınç Ölçerler Sıkı Zemin Şekil 4. Deney Sistemi

7 3. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ Bütün deneylerde kum tankında alt tabaka %90 relatif sıkılıkta 600mm yüksekliğindeki zemin ile hazırlanmıştır. Bu tabakanın üzerine 300mm yüksekliğinde %10, %40 ve %65 relatif sıkılıkta hazırlanmış kum zemin serilmiştir. Deneylerde 3x3 düzeninde yerleştirilmiş FRP kazıklı radye temel hazırlanan bu kum tankı içerisinde yüklenmiştir. Yapılan deneylerde ölçülen yükler ile oturmaların değişimi Şekil 5. te görülmektedir. Şekil 5. Yük-Oturma Eğrileri Zemin kütlesi içerisine 6 adet basınç ölçer yerleştirilmiştir. Bunlardan kazık uçlarına en yakın (4 numaralı) ve en uzak (1 numaralı) basınç ölçerler tarafından kaydedilen gerilme değerlerinin, kazıklı radyeye uygulanan yük ile değişimleri Şekil 6. da ve Şekil 7. de görülmektedir. Uygulanan yük ile ölçülen gerilmelerin değişimi Şekil 8. de ve Şekil 9. da verilmiştir. Dr=%65 Dr=%10 Şekil 6. Oturmalar ve Kazık Uçlarına En Yakın Basınç Ölçer (4 Numara) ile Ölçülen Gerilmelerin Değişimi

8 Dr=%65 Dr=%10 Şekil 7. Oturmalar ve Kazık Uçlarına En Uzak Basınç Ölçer (1 Numara) ile Ölçülen Gerilmelerin Değişimi Dr=%10 Dr=%40 Dr=%65 Şekil 8. Uygulanan Yük ve Kazık Uçlarına En Yakın Basınç Ölçer (4 Numara) ile Ölçülen Gerilmelerin Değişimi

9 Dr=%10 Dr=%40 Şekil 9. Kazık Uçlarına En Uzak Basınç Ölçer (1 Numara) ile Farklı Relatif Sıkılıktaki Zeminlerde Ölçülen Gerilme Değerleri. 4.SONUÇLAR Yapılan model deneyleri neticesinde, zeminin relatif sıkılığı arttıkça FRP kazıklı radye temelin taşıma kapasitesinin arttığı gözlemlenmiştir. Zemin kütlesinde oluşan maksimum gerilmeler, kazık uç noktalarına yakın bölgelerde zeminin artan sıkılığı ile beraber çok az miktarda artış göstermiştir. Ancak kazık uçlarına en uzak noktada, artan relatif sıkılıkla ölçülen gerilmelerin biraz daha fazla artış gösterdiği belirlenmiştir. Gerilmeler, oluşan basınç soğanı nedeniyle bütün deneylerde kazık uç noktalarından uzaklaştıkça azalmıştır. Relatif sıkılık arttıkça boşluklar azalıp daneler birbirine daha çok yaklaştığından zemin kütlesi içerisinde gerilme aktarımı daha kolay olmaktadır. Bunun neticesinde, oturmaların aynı olduğu noktalar dikkate alındığında relatif sıkılık arttıkça ölçülen gerilme değerlerininde arttığı görülmektedir. KAYNAKLAR [1] Taylor, R.B. "Composite recycled plastic marine piling and timber: An alternate to traditional wood products for marine use." Proceedings, Ports '95, Tampa, FL, pp , (1995). [2] Alampalli, S., O Connor, J., Yannotti, A. P., Luu K. T., FRPs for bridge construction and rehabilitation in New York., Materials and construction: Exploring the connection, ASCE, Reston, VA, , (1999). [3] USACE ETL , Engineering and Design: Composite Materials for Civil Engineering Structures, Washington D.C., (March ). [4] Sawwaf M., E., Experimental Study of Eccentrically Loaded Raft with Connected and Unconnected Short Piles, J. Geotech. Geoenviron. Eng., ASCE, 136: , (2010).

10 [5] Ashford, S. A., Jakrapiyanun W., Drivability of Glass Frp Composite Piling, J. Compos. Constr., ASCE, 5:58-60, (2001). [6] Gireesha N. T, Muthukkumaran K., Study on Soil Structure Interface Strength Property, Int. J. Earth Sciences and Engineering, V:04, No:06, pp: 89-93, (2011). [7] Acar, Y. B., Durgunoğlu, H. T., Tumay, M. T., Interface Properties of Sand. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 108, No. 4, pp , (1982). [8] Sakr, M., Naggar, M. H. E., Nehdi, M., Wave Equation Analyses of Tapered FRP Concrete Piles in Dense Sand, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol: 27, Issue: 2, P: , (2007). [9] ASTM C127-15, Standard Test Method for Relative Density (Specific Gravity) and Absorption of Coarse Aggregate, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2015, [10] ASTM D422-63(2007)e2, Standard Test Method for Particle-Size Analysis of Soils, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2007, [11] ASTM D854-14, Standard Test Methods for Specific Gravity of Soil Solids by Water Pycnometer, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2014,