Köprü ve Tünel Güçlendirme İnşaatlarında KYB Kullanımı

Transkript

1 Köprü ve Tünel Güçlendirme İnşaatlarında KYB Kullanımı Engin Çiçekliyurt Epo Yapı Kimya Değirmen Yolu Sok. No: İçerenköy, İstanbul Tel: (216) E-Posta: Bekir Yılmaz Pekmezci İTÜ İnşaat Fakültesi Yapı Malzemesi ABD Maslak, İstanbul Tel: (212) E-Posta: Öz Betonarme yapılarda, yapının zaman içinde birtakım hasarlar görmesi sonucu, onarım veya yapının performansını arttırmak amacıyla güçlendirme uygulamaları yapılmaktadır. Bu uygulamalara ülkemizde 1999 depremlerinden sonra daha fazla ihtiyaç duyulmuş ve geçen 8 yıllık süre içinde yapılan güçlendirmelerde deneyimler kazanılmıştır. Bu çalışmada T.C. Karayolları na ait 2 adet köprü, 1 adet tünel olası bir depreme karşı taşıma kapasitelerinin artırılması çalışması sürecinde yapılan kendiliğinden yerleşen beton (KYB) uygulamaları incelenmiştir. Kendiliğinden yerleşen betonun tercihinde etkili olan etmenler irdelenmiş ve bu seçimin doğruluğu tartışılmıştır. Betonun tasarımı sırasında laboratuarda elde edilen işlenebilme (V hunisi ve yayılma) deneyleri sonuçları ile şantiyede KYB nin kalıba yerleşebilmesi arasındaki ilişkiler belirlenmiştir. Bunun yanında kendiliğinden yerleşen betonun tasarımı sırasında elde edilen laboratuar test sonuçları ile şantiyede yapılan işlenebilme deneyi ve basınç deney sonuçları karşılaştırılarak, kendiliğinden yerleşen betonun en büyük problemlerinden biri olan beton özelliklerinde oluşan sapmalar irdelenmiştir. Anahtar sözcükler: Kendiliğinden yerleşen beton, Güçlendirme, İşlenebilme, Taze beton özelikleri, Onarım. Giriş 1999 yılında ülkemizde meydana gelen depremden sonra özellikle stratejik yapıların depreme karşı dayanıklılığı tartışılmaya başlanmıştır. Depreme karşı dayanıklılığı tartışılan ve deprem esnasında en yüksek performansı göstermesi beklenen yapılar arasında hastaneler, okullar, karakollar, köprüler ve viyadükler öncelikli olarak yer almaktadır. 417

2 Türkiye Cumhuriyetinin tüm kurumları gibi T.C. Karayolları da kendi sorumluluk alanında bulunan stratejik köprü ve viyadüklerin onarımı ve depreme karşı güçlendirilmesini hedeflemiştir. T.C.Karayolları 17. Bölge Müdürlüğü kendi sahasındaki köprü ve viyadükler üzerinde incelemeler yapmış ve bu yapısal incelemeler sonucunda bazı köprü ve viyadüklerde betonarme kesitin arttırılması için mantolama yapılmasına ve viyadük kirişleri arasına deprem takozları konulmasına karar verilmiştir. Söz konusu onarım ve güçlendirme çalışmalarında mantolama kesitinin darlığı ve donatı yoğunluğunun fazla olması nedeniyle konvansiyonel betonla uygulamanın zorlukları öngörülmüş ve uygulamada Kendiliğinden Yerleşen Beton kullanılması doğru bulunmuştur. Kendiliğinden Yerleşen Beton ve Güçlendirme KYB, katkı teknolojisindeki gelişmelerle birlikte 1990 lı yıllarda beton endüstrisindeki yerini almış, 2000 li yıllarda da Türkiye de güçlendirme inşaatlarının sayısının artmasıyla oldukça popüler hale gelmiş ve adından sıklıkla söz ettirmeye başlamıştır. Mevcut yapılarda onarım ve güçlendirme için öncelikle uygulanacak en uygun metodun, buna bağlı olarak da kullanılacak malzemenin belirlenmesi gerekir. Onarım ve güçlendirme çalışmasının başarıya ulaşması için, yüksek dayanımlı, uzun ömürlü (dayanıklı) bir malzeme ile pratik bir uygulama yürütmek gerekir. Öngörülen onarım ve güçlendirme sistemi yapının maruz kalacağı çevresel etkilere dayanıklı olmalıdır. Uygulanacak malzemenin geçirimliliği en alt düzeyde olmalı, eski betonla yüksek aderans sağlamalıdır. Mevcut alt tabaka betonun benzer özelikler taşıması da bir avantaj olarak değerlendirilmektedir. Uygulamanın yapıldığı elemanlarda uygulama sırasında dinamik yük mevcut olduğundan hızlı imalat ve erken dayanım aranan önemli özelikler arasında yer almaktadır. Tüm bu aranan özelikler değerlendirildiğinde, KYB nin onarım ve güçlendirme için uygun bir malzeme olabileceği düşünülmektedir. KYB, kolonların yüksek olması ve sık güçlendirme donatısı sebebiyle de köprü ve viyadük güçlendirmelerinde tercih edilmektedir. KYB nin köprü ve viyadük güçlendirmelerinde tercih edilmesinin önemli nedenleri aşağıda sıralanmaktadır. Kalıbı ve sık donatıların arasını boşluksuz doldurma yeteneği Segregasyona karşı dirençli olması Vibrasyona gerek olmadan kolayca yerleşebilmesi İşçilik hatalarını tolere edebilmesi Zamandan tasarruf sağlaması Daha az rötre yapması Yüksek aderans sağlaması Erken yüksek dayanım sağlaması. KYB nin geleneksel betona göre üstünlükleri yukarıda sıralandı. Türkiye deki güçlendirme inşaatlarında geleneksel beton ile kesit arttırımı birçok yapıda uygulanmıştır ve halen uygulanmaya devam etmektedir. Ancak köprü ve viyadük güçlendirmeleri göz önüne alındığında, güçlendirilen elemanlara eklenen kesitlerdeki donatının sıklığı, buna bağlı olarak vibratör kullanılamaması, betonun yüksekten dökülme zorunluluğu ve tek bir noktadan beton dökülme mecburiyeti karşısında şantiyelerde oldukça büyük uygulama problemleri yaşanmaktadır. Bunun yanında 418

3 köprü, viyadük veya tünel servis hizmeti vermeye devam edeceğinden beton döküm ve yerleştirme işlemi çok süratli biçimde yapılmalıdır. Şekil 1. de Viyadük başlık kirişinde dar alanda betonun PVC boru ile kendi akışında taşınması gösterilmektedir. Bu noktaya betonun pompa ile ulaşması mümkün değildir, betonun insan gücüyle taşınması da süreci oldukça fazla uzatacaktır. Bu uygulamada, KYB nin tercih edilmesinin en önemli nedeni uygulama sürati ve pratikliğidir. Şekil 1 Dar alanda KYB nin kendi akışında taşınması Şekil 2 de sık donatı içeren taşıyıcı elemana beton dökülmesi gösterilmektedir. Bu uygulamada en büyük problem donatının sıklığıdır. Burada vibratör kullanmak ve betonu donatıların arasından aktarma konvaysiyonel betonla mümkün olamadığından ugulamada KYB tercih edilmiştir. Şekil 2. Sık donatı içeren taşıycı elemanda beton dökülmesi 419

4 Deneysel Çalışmalar Güçlendirmesi yapılan elemanın beton sınıfı, güçlendirmede kullanılacak malzemenin dayanımının belirlenmesinde en önemli etkenlerden birisidir. Her iki betonun elastisite modüleri, boyutsal stabilitesi, kimyasal, fiziksel ve geçirimlilik özelliklerinin benzer olması tercih edilmektedir. Bunun yanında onarım ve güçlendirme işlerinde kullanılacak olan betonda yüksek akışkanlık, kendiliğinden yerleşebilme yeteneği, ayrışmaya karşı yüksek direnç, düşük kalıp basıncı, erken dayanım, mevcut betona çok iyi yapışma ve minimum rötre yapma özelikleri aranmaktadır. Bu bildiri dahilinde anlatılacak olan çalışmalarda, proje aşamasında güçlendirme betonundan beklenen mekanik ve fiziksel özelikler belirlenmiştir. T.C. Bayındırlık ve İskan Bakanlığı Karayolları Genel Müdürlüğü 17. Bölge Müdürlüğü Özel Teknik Şartnamesine göre, betonarme kesiti artırılacak elemanlarda, deprem takozu yapılacak bölgelerde C30 sınıfı, kiriş oturma payı genişletilecek elemanlarda C25 sınıfı beton kullanılması gerekli görülmüştür. İmal edilecek olan KYB, akıcı kıvamda olacak, elde edilecek karışımın rötresi minimum olacak, malzemenin minimum çimento dozajı 400 kg/m3 olarak öngörülmüştür. KYB de toplam klorid miktarı çimento kütlesinin %0,1 ini geçmeyecektir. Mikrosilika miktarı toplam çimento kütlesinin %5 inden fazla olmayacaktır. Suda eriyen sülfat miktarı (SO 3 ) %4 den fazla olmamalıdır. Hava miktarı 20 0 C de maksimum %7 olmalıdır. CaCl 2 ve klorür tuzlarını içeren katkı maddeleri kullanılmayacaktır. Yukarıda verilen kriterler göz önüne alınarak laboratuarda beton tasarımları yapılmış ve seçilen test yöntemleri ile bu betonların taze ve sertleşmiş özellikleri belirlenmiştir. Taze betonun akıcılık özeliklerini belirlemek amacıyla V hunisi (Şekil 3) ve çökme yayılması (Şekil 4) deneyleri yapılmıştır. (Bartos ve diğ., 2002). Bu deneylerde KYB nin akma kapasitesi ve yerleşme yetenekleri incelenmiştir. Ayrıca üretilen KYB lerden 15 cm lik küp numuneler alınarak kirece doygun 20±2 0 C lik su içerisinde 7 ve 28 gün saklandıktan sonra basınç deneyleri uygulanmış ve betonların hedeflenen basınç dayanımına sahip olup olmadığı belirlenmiştir. Laboratuarda elde edilen beton bileşimleri, şantiyede büyük ölçekte üretilmiştir. Laboratuarda uygulanan deneylerin tümü beton kalitesindeki salınımları belirlemek amacıyla şantiyede de uygulanmıştır. İlk aşamada beton santrallerinde çimento, ince ve iri agrega, su karışımı hazırlanarak şantiyede beton dökümü yapılması hedeflenmiştir. Ancak elde edilen karışımlarda beklenen kararlılık her zaman elde edilememiştir. Şantiyede KYB lerin işlenebilirlik özelikleri arasında zaman zaman farklılıklar olabildiği belirlenmiştir. Bu uygulamada elde edilen laboratuar ve saha test sonuçları Tablo 1 de gösterilmektedir Tablo 1. Hazır beton tesisi karışımları deney sonuçları Uygulanan Deney Laboratuarda yapılan deney Sahada yapılan deney sonucu sonucu V hunisi 5-6 sn 4-8 sn Çökme yayılması cm Tablo 1 de verilen sonuçlar incelendiğinde laboratuarda elde edilen sonuçların oldukça kararlı olmasına karşın hazır beton tesisinde üretilen betonlardan önemli miktarda 420

5 değişimler olduğu dikkat çekmektedir. Bu sapmalar hazır beton tesisine gelen agrega özelliklerindeki değişimlere bağlanmıştır. Agrega özelliklerindeki küçük bir değişim tesisteki geleneksel betonun işlenebilirliğini önemli ölçüde etkilememesine karşın KYB işlenebilirlik deney sonuçlarında dikkate değer değişimlere neden olmaktadır. Hazır beton tesisinde agregaların kalitesinin kararlılığı sağlandığında bu sorun ortadan kalkacaktır. Bazı beton santrallerinde agrega kalitesinin daha kararlı olduğu tespit edilmiş ve bu santrallerden katkısız karışım transmikserle sahaya kadar taşınmış ve sahada sadece polikarboksilat esaslı katkı ilave edilerek KYB üretilmiştir. Agrega özelliklerinde salınımlar olan beton santrallerinin bulunduğu bölgede, bu sorunu aşmak amacıyla, çimento, ince ve iri agrega, kimyasal toz akışkanlaştırıcı, mineral katkı ve ayrışmayı düzenleyici katkıdan oluşan kuru karışım fabrikada paketlenerek kullanıma hazır halde şantiyeye sevkedilmiş ve sahada sadece su ilave edilerek KYB hazırlanmıştır. Böylece laboratuar koşulları ile şantiye arasındaki farklılıklar en aza indirilmiştir. Üretilen betonların bileşimleri Tablo 2. de verilmektedir. Tablo 2 Üretilen betonların bileşimleri Malzeme Çimento Su Kırma kum Doğal kum Kırmataş 1 Kimyasal akışkanlaştırıcı katkı Mineral Katkı (silis dumanı) Viskozite düzenleyici Slump Koruyucu kg/m , kg/m , kg/m , Tablo 3, 4 ve 5 de hazır beton tesisinde kuru karışım olarak üretilen veya fabrikada paket olarak üretilen betonların laboratuarda tasarım sırasında elde edilen deney sonuçlarıyla sahada beton dökümü sırasında yapılan deneylerden elde edilen sonuçları karşılaştırılmaktadır. Paket karışımların sahada elde edilen deney sonuçlarıyla laboratuar sonuçları karşılaştırıldığında sapmanın oldukça düşük olduğu açıkça görülmektedir. Tablo 3. Sağmalcılar Viyadüğü nde KYB ye ait deney sonuçları (Hazır Beton Tesisi) Uygulanan Deney Laboratuarda Sahada Gözlemler Yapılan Deney Yapılan Deney Sonucu Sonucu Basınç Dayanımı 52,0 N/mm 2 45,0 N/mm 2 V hunisi 6 sn 4 sn Segregasyon yok Çökme yayılması 66 cm 71 cm Segregasyon yok Tablo 4. Yenibosna Köprüsü nde dökülen KYB ye ait deney sonuçları (Paket Üretim) Uygulanan Deney Laboratuarda Sahada Gözlemler Yapılan Deney Yapılan Deney Sonucu Sonucu Basınç Dayanımı 63,0 N/mm 2 61,0 N/mm 2 V hunisi 5 sn 4 sn Segregasyon yok Çökme yayılması 68 cm 70 cm Segregasyon yok 421

6 Tablo 5. İzmit Batı Tüneli nde dökülen KYB ye ait deney sonuçları (Hazır Beton Tesis) Uygulanan Deney Laboratuarda Yapılan Deney Sonucu Sahada Yapılan Deney Sonucu Gözlemler Basınç Dayanımı 61,0 N/mm 2 58,0 N/mm 2 V hunisi 6 sn 5 sn Segregasyon yok Çökme yayılması 70 cm 73 cm Segregasyon yok Tablo3. de gösterilen Sağmalcılar Viyadüğü ve Tablo 5. de gösterilen İzmit Batı Tüneli güçlendirmesinde kullanılan betonlar santralden şantiyeye transmikserle getirilmiştir. Tablo 4. de verilen Yenibosna köprüsünde kullanılan beton ise fabrikada paketlenerek şantiyede bu karışıma sadece su eklenmiştir. Şekil 5,6 ve 7 de sırasıyla hazır beton tesisinde üretilen ve şantiyede katkı eklenen karışımla fabrikada paket olarak hazırlanan kuru karışımın deney sonuçları karşılaştırılmaktadır. Basınç Dayanımı (N/mm 2 ) Laboratuvar Şantiye Torbalı hazır karışım karışımı 1 karışımı 2 Şekil 5. Basınç dayanımı deney sonuçlarının karşılaştırılması Çökme yayılması (cm) Laboratuvar Şantiye Torbalı hazır karışım karışımı 1 karşımı 2 Şekil 6. Çökme yayılması deney sonuçlarının karşılaştırılması 422

7 v hunisi (sn) Laboratuvar Şantiye Torbalı hazır karışım karışımı 1 karışımı 2 Şekil 7. V hunisi deney sonuçlarının karşılaştırılması Grafikler genel olarak incelendiğinde, laboratuar ve şantiye arasındaki uyumun mertebe olarak birbirine oldukça yakın olduğu söylenebilir. Laboratuar ve şantiye sonuçlarını daha detaylı değerlendirebilmek için şantiye deneylerinden elde edilen sonuçların laboratuar deneylerinden elde edilen sonuçlara göre bağıl değişimi (%) hesaplanmış ve Şekil 8 de gösterilmiştir ) 20 (% im 15 iş ğ e 10 D Basınç Deneyi Çökme Yayılması V Hunisi 0 Torbalı hazır karışım Hazır beton tesisi Hazır beton tesisi Şekil 8. Şantiye ve laboratuar sonuçlarının bağıl değişimi Şekil 8 incelendiğinde torbalı karışımdaki basınç dayanımı deneyi ve çökme yayılması deney sonucundaki değişimlerin hazır beton tesisinde hazırlanan karışımlara göre daha düşük miktarlarda kaldığı açıkça görülmektedir. Ancak 2. hazır beton tesisinde üretilen betonlardan elde edilen sonuçlar da torbalı karışıma oldukça yakındır. Birinci ve ikinci hazır beton tesislerinde üretilen betonlardan elde edilen deney sonuçları kendi aralarında değerlendirildiğinde birinci hazır beton tesisinde elde edilen şantiye ve laboratuar farkının ikinci tesisteki sapmanın yaklaşık iki katı olduğu dikkati çekmektedir. Bu da KYB deney sonuçlarında, laboratuar ve şantiye uyumunun tesis bazında değerlendirilmesi gerektiği gerçeğini ortaya sermektedir. V hunisi deney sonuçları 423

8 şekilden incelendiğinde torbalı karışım ve her iki tesis üretimi için de laboratuar ve şantiye arasında dikkate değer bir farklılık olduğu göze çarpmaktadır. Her ne kadar fabrikada yapılan torbalı karışımın laboratuar (tasarım)-şantiye uyumu, hammadde stabilitesine bağlı olarak daha fazla olsa da ekonomik ve pratik açıdan uygun bir çözüm değildir. Bu sorunu aşmak için hazır beton tesisine gelen malzemenin stabilitesine azami özen gösterilmelidir. KYB ile Yapılan Örnek Güçlendirme Uygulamaları Sağmalcılar Viyadüğü Başlık Kirişi Güçlendirmesi Sağmalcılar viyadüğünde (İstanbul) yapılan olası depreme karşı güçlendirme çalışmalarında temelden başlanarak elevasyon ve başlık kirişlerinin kesitleri büyütülmüştür. Kendiliğinden yerleşen beton başlık kirişinin alt bölümünde bulunan sık donatılı kısımda uygulanmıştır. Başlık kirişlerinin kesitinin büyütülecek kısmının boyutları, 13,15 metre uzunluğunda 4,35 metre eninde 1,20 metre yüksekliğindedir. Güçlendirilen başlık kirişinin kesiti Şekil 9. da gösterilmektedir. Şekil 9 Başlık kirişi kesiti Önce güçlendirilecek olan başlık kirişinin yüzeyi pürüzlendirilmiştir. Pürüzlendirilmiş kirişin resmi Şekil 10. da gösterilmektedir. Daha sonra bu elemana güçlendirme projesine uygun olarak epoksi ile çelik ankrajlar Şekil 11 de görüldüğü şekilde ankre edilmiştir. Hazır beton tesisinde karışım (çimento ve agrega) ve su, laboratuarda oluşturulan tasarıma bağlı kalınarak transmiksere doldurulmuş ve viyadük üzerine getirilmiştir. Dolum yapılırken transmikserin kapasitesinin en fazla ¾ ünün kullanılmasına özen gösterilmiştir. (Skarendahl, Peterson, 2000) 424

9 Şekil 10 Pürüzlendirilmiş kiriş Şekil 11 Donatı ekilmiş kiriş Şantiyede polikarboksilat esaslı akışkanlaştırıcı katkı karışıma eklenerek karışım laboratuarda tasarlanan kendiliğinden yerleşen beton karışımı olarak elde edilmiştir. Şekil 12. de iki viyadük arasına yerleştirilen hazneden başlık kirişine akıtılan KYB ugulaması görülmektedir. Beton borularla döküleceği noktaya kadar taşınmış ve başlık kirişine vibrasyon uygulamadan yerleştirilmiştir. Haznenin girişi ile betonun döküldüğü nokta arasındaki kot farkı 2,5 m dir. Şekil 12 Başlık kirişine betonun yerleştirilmesi. Benzer bir uygulama Yenibosna Köprüsü nde yapılmıştır. Burada köprünün elevasyonlarının kesitleri temelden başlayarak arttırılmıştır. Buradaki uygulamanın bir üsttekinden farkı Yenibosna Köprüsü nde fabrikada paketlenmiş kuru karışımların şantiyede su ile karıştırılarak KYB nin elde edilmesidir. Elevasyona KYB uygulaması Şekil 13. de gösterilmektedir. Burada elevasyonun bir noktasından dökülen KYB bu elemanın tüm çevresini 12 m dolanarak seviyelenip kalıbı üst seviyelere kadar doldurmuştur. Kalıp söküldüğünde herhangi bir gözle görünen boşluk tespit edilememiştir. 425

10 Şekil 13. Paket olarak hazırlanmış KYB ile elevasyon güçlendirmesi Sonuçlar Köprü viyadük ve tünellerin depreme karşı güçlendirilmesinde kendiliğinden yerleşen beton kullanımı teknik performans, ekonomiklik, işçilik hatalarının en aza indirilmesi ve yapım hızı açısından geleneksel betona göre daha avantajlı çözümler sunmaktadır. KYB nin en büyük problemi olan laboratuar ve şantiye uyumu ve betonun teknik özelliklerini tekrarlayabilme özelliği bu çalışmada araştırılmıştır. Çalışma sonucunda elde edilen verilere dayanılarak genel olarak hammaddenin kararlılığı sağlandığında ve KYB üretiminde gerekli özen gösterildiğinde bu beton için yeterli tekrarlanabilirliklerin elde edilebileceği ve kalitenin devamlılığının sağlanabileceği söylenebilir. Kaynaklar Bartos, P.J.M, Sonebi, M. and Tamimi, A.K., Workability and Rheology of Fresh Concrete: Compendium of tests, Report of RILEM Technical Committee, TC 145- WSM Workability of special Concrete Mixes., 2002 Skarendahl, A. and Peterson,Ö., Self-Compacting Concrete State-of-the-Art report of RILEM Technical Committee, Report 23., 2000 T.C. Bayındırlık ve İskan Bakanlığı Karayolları Genel Müdürlüğü 17. Bölge Müdürlüğü, Otoyollar Üzerindeki Viyadük ve Köprülerin Onarımı ve Depreme Karşı Güçlendirilmesi İşi, Özel Teknik Şartname