Hafta_4 INM 405 Temeller Yüzeysel Temellerde Taşıma Gücü; Taşıma Gücü Teorileri Yrd.Doç.Dr. İnan KESKİN inankeskin@karabuk.edu.tr, inankeskin@gmail.com
TEMELLER Hafta Konular 1 Ders Amacı-İçeriği, Zemin İnceleme Yöntemleri 2 Arazi Deneyleri 3 Yüzeysel Temeller; Kare/Dikdörtgen Temeller, Daire ve Halka Temeller, Birleşik Temel, Sürekli Temel, Şerit Temel 4 Yüzeysel Temellerde Taşıma Gücü; Taşıma Gücü Teorileri 5 Yüzeysel Temellerde Taşıma Gücü; Arazi Deneyleri ile Taşıma Gücü Hesaplamaları 6 Eksantrik Yüklü Temeller 7 Derin Temeller; Kazıklar 8 Kazıkların Taşıma Gücü; Problem Çözümü 9 Derin Temeller; Ayak ve Keson Temeller 10 Temellerin Oturması; Oturmanın Tanımı, Mekanizması 11 Temellerin Oturması; Problem Çözümleri 12 Temel Zemini İyileştirmeleri 13 Temel Çukuru Güvenliği; Destekli Kazıların Tasarımı 14 Ankarajlar
TEMEL TÜRLERİ Temeller genel olarak sığ temeller ve derin temeller olmak üzere iki ana gruba ayrılmaktadır. Teknik olarak küçük boyu B, büyük boyutu ise L olan bir temel zeminde yüzeyden D f kadar derinlikte oturtulmuş ise D f =B olduğu sürece yüzeysel temel olma özelliğini taşır. Ancak D f >>B ise derine oturtulmuş bir yüzeysel temel olacaktır. Başka bir ifade ile bir temelin derin temel olarak nitelendirilmesi zemine ne kadar derine oturtulduğuna değil bir Df/B oranının büyüklüğüne de bağlı olmaktadır. P V M P V M B D f zayıf Yüzeysel Temel L=D f B Derin Temel sağlam
TEMEL TÜRLERİ Duvar altı temeli Tekil (münferit) Temel (Diktörtgen, kare, daire) TEMELLER D f /B<1 Yüzeysel (Sığ) Temeller D f /B>1 Derin Temeller Birleşik Temel (Aynı Eksende Çoklu Kolon Temeli) Sürekli Temel (Yayılı Birçok Eksende Kolon ve Perdeler) Radye (Radyejeneral) Temel Kazık Kuyu- Ayak Birleşik (konsol, yamuk, dikdörtgen) Bir doğrultuda sürekli temel Bir doğrultuda sürekli temel Kirişsiz radye Kirişsiz radye Yerinde İmal Edilmiş Zemini Delerek-iterek yerleştirilmiş Delinerek yapılmış Kazılarak oluşturulmuş Kutu (Keson/caisson) Kuyu Kutu Kava basınçlı
TEMELLERE ETKİ EDEN YÜKLER Bu yapılara gelen yükler sabit yükler ( kendi ağırlığı, sabit eşya vb.) hareketli yükler, dinamik yükler, kar yükleri, su basınçları, yanal zemin basınçları gibi yatay yada düşey yükler olabilir. Yapılar gibi temellerde statik, sismik/dinamik yüklerden kaynaklanan düşey, yatay ve moment zorlamalar almaktadır. Yayılmış yükler Kar y x Kolon ekseni burulma z eksenel yük Hareketli Yük Rüzgar Ölü Yük Kesme Yükü kesme moment kesme kolon Nokta Yük Deprem Kesme Yükü
Bu yapılardan gelen yükler, zemin yüzeyine yakın zemin ortamında güvenli şekilde taşıtılmak zorundadır. Bunun için zemin uygun hale getirilerek güvenli bir temel tasarımı yapılmalıdır. TEMELLERE ETKİ EDEN YÜKLER Yapılar taşıyıcı sistem açısından yığma yapılar ve çerçeve ( çubuk, karkas, isket vb.) olmak üzere basit bir şekilde sınıflandırılabilir
TEMAS BASINCI Bir yüzeysel temel ve onu destekleyen zemin arasındaki yüzeyi tanımlayan en temel parametre «temas basıncı» dır. Bu değer, temel tabanında birim alana düşen gerilme bir diğer deyişle temas basıncı kuvvetidir. Bir temelin taban (temel) basıncı, q temel (q t ) aşağıdaki gibi hesaplanmaktadır. qq tttttttttt (bbbbbbbb) = Yük (P) PP + WWWW AA UUUU = qq tt qq tttttttttt nnnnnn = qqqq DD ff. γγ Taban basıncı Üniform yayılı yük D f ɣ n D f q t q t Taban basıncı q t : Temas basıncı kn/m 2 P: Düşey kolon yükü (kn) Wf: Temel üzerindeki zeminin ağırlığı dahil kendi ağırlığı A: Temel taban alanı (m 2 ) U D : Boşluk suyu basıncı Bazı mühendislik işlerinde hasas değerlendirmelerde bürüt temel basıncı kullanılmaktadır.
TEMAS BASINCI Taban alanı boyunca temel ve zemin arasında etkiyen kuvvetlerin eşit olması gerekse de bunların düzgün yayılma zorunluluğu yoktur. Özellikle betonarme temeller rijit olamaya yakın olup, temas basınçaları uniform değildir. Hesaplamada oldukça problemli olan bu durum basitleştirilerek temel altında uniform dağılım düşünülerek tasarlanır. Eksenel yüke maruz kalmış bir yüzeysel temelde killi ve kumlu zeminlerde karşılaşılan temel basıncı dağılımları yandaki şekilde ifade edildiği gibidir.
ZEMİNLERİN (TEMELLERİN) TAŞIMA GÜCÜ Her temel bir birinden bağımsız olarak iki şartı sağlamalıdır. a. Temelin göçmeye karşı yeter güvenliği bulunmalıdır (taşıma Gücü Şartı) b. Doğması muhtemel maksimum toplam ve farklı oturmalar kabul edilebilecek değerleri geçmemelidir (Oturma Şartı) Bu iki şartı sağlayan basınç veya yük sığ temellerde Zemin (Temel) Emniyet Gerilmesi derin temellerde Emniyetli Yük olarak adlandırılmaktadır.
ZEMİNLERİN (TEMELLERİN) TAŞIMA GÜCÜ Temel boyutlandırma zemin emniyet gerilmesi kavramına göre yapılmaktadır. Bu deyim sanki her zeminin kendisine özgü bir taşıma gücü değeri olduğu izlenimini verse de bu anlam aslında yanlış bir algıdır. Çünkü yüzeysel temelin son taşıma gücü aşağıdaki parametrelere bağlıdır. Zeminin türü ve özellikleri Temelin boyutları Temelin gömülme derinliği Etkiyen moment ve titreşimler Temelin şekli YASS temele göre konumu YASS varsa temelin yapımından ve yüklenmesinden sonra geçen süre Tabanın pürüzlülüğü
TAŞIMA GÜCÜNÜN AŞILMASI Bir temellin taşıma gücü, zeminde göçme olmaksızın (kayma dayanımı aşılmaksızın) zemine aktarabileceği en fazla gerilme olarak tanımlanabilir. Yüzeysel temeller uygulanan yapısal yükleri yüzeye en yakın zemine aktarırlar. Bu sırada zemin ortamında hem basma gerilmesi hem de kayma gerilmesi oluşmaktadır. Bu değerler zemin ortamının tepkisini aşarsa taşıma gücü yenilmesi meydana gelir. Temel zeminin sıkılığı yada sertliğine bağlı olarak başlıca üç tür taşıma gücü yenilmesinden söz edilebilir. Genel kayma (Kesme) Yenilmesi Yerel-Bölgesel Kayma (Kesme) Yenilmesi Zımbalama Kayma (Kesme) Yenilmesi
TAŞIMA GÜCÜNÜN AŞILMASI Genel Kayma Göçmesi En yaygın yenilme şeklidir. Belirgin bir pik taşıma gücüne ulaşılmaktadır. Kırılma yüzeyleri belirgin olup, aniden oluşur. Yenilme zemin yüzeyine kadar uzanır yanda kabarma görülür, oturma yük eğrisinde kırılma belirgindir. Nispeten sıkışmaz zeminlerde ve sıkı veya sert zeminlerde meydana gelir. ɸ>35 yada Dr>0.70 Temelin heriki tarafında görülmesine rağmen, genellikle temelin tek tarafında temel dönmeleri şeklinde görülür.
TAŞIMA GÜCÜNÜN AŞILMASI Yerel Kayma Göçmesi Zemin başlangıç yüzeyi Kırılma yüzeyleri belirgin değildir. Oturma yük eğrisinde kırılma belirgin olmayıp, yanlarda kabarma görülür. Nadiren karşılaşılır. Binalardaki hasar çoğunlukla taşıma gücü göçmesinden değil oturmaların etkisinden kaynaklanır. Temel daha derine batmaya devam eder. Yerel kayma kırılması yumuşak veya gevşek zeminlerde meydana gelir. ɸ<20 0 yada Dr<0.20
TAŞIMA GÜCÜNÜN AŞILMASI Zımbalama Göçmesi Bu göçme tipinde kayma yüzeyi zemin yüzeyine ulaşamaz. Temel yanlarda kabarma ve kırılma yüzeyleri oluşturmadan göreceli olarak büyük oturmaya uğrar. Oturma yük eğrisinde yerel kayma kırılmasına benzer kırılma noktası belirgin değildir. Zayıf zeminlerde (D r <30, φ=30 0 ) drenajlı koşullarda ve sıkı kumlar üzerinde yüksek yükler altında görülebilmektedir.
TAŞIMA GÜCÜNÜN AŞILMASI Temellerdeki yenilmeye üç yenilme türünden hangisinin etkili olduğu konusuna yandaki grafikle yaklaşımda bulunula bilinir.
YÜZEYSEL TEMELLERDE TAŞIMA GÜCÜ HESABI Taşıma gücü; üst yapının aktardığı yüklerin, temel zemininde yarattığı en yüksek gerilmeyi, bir kayma göçmesi meydana gelmeksizin taşıyabilmesi için temel zemininin sahip olması gereken direnç miktarıdır. Taşıma gücünün belirlenmesi Taşıma gücü teorileri (Terzaghi, Meyerhorf, Hansen vb. Arazi deneyleri SPT, CPT, PMT, PLT Tablolar yardımı ile Taşıma gücü aşılmaksızın yapılan bir yüklemede zeminin oturacağı ve bu oturmanın yapının izin verebileceği oturma miktarını aşabileceği göz önünde tutulmalı bu durum oturma hesapları ile denetlenmelidir.
ZEMİNLERİN (TEMELLERİN) TAŞIMA GÜCÜ Bir temelin sıfır (0) dan başlayarak gittikçe artan bir biçimde yüklenmesiyle oluşan taban basıncı nedeniyle oluşan temel oturmasını izlersek aşağıdaki gibi bir şekil ile karşılaşırız. Q; yük, q=q/a; zemine uygulanan basınç, Q sınır ; temelin göçmesine veya temel zemininin kırılmasına neden olan toplam yük
YÜZEYSEL TEMELLERDE TAŞIMA GÜCÜ HESABI Sınır-Emin taşıma gücü Bir temelin üstündeki yükü taşıyabilmesi zeminin limit taşıma direncinin aşılmamasını gerektirir bu değere zeminin sınır taşıma gücü denir. Mühendislik tasarımında temelin, üstündeki yükü belli bir güvenlik sınırı içinde taşıması ön görüldüğündenizin verilebilir taşıma gücü hesaplanmaktadır. qq aa = qq uu /FF
YÜZEYSEL TEMELLERDE TAŞIMA GÜCÜ HESABI Terzaghi Denklemi (1943) Yüzeysel temeller altında göçme mekanizmasının Şekil de görüldüğü gibi gelişeceği düşünülür ve kaydıran kuvvetlerle karşı koyan kuvvetler dengelenerek limit durum için çözüm yapılır. KABULLER, Zemin, homojen, izotrop ve yarım sonsuzdur. AB tabanı tam sürtünmelidir (Pürüzlü taban) Temel tabanı altında ABC zemin üçgen kaması meydana gelir ve bu kama aşağı doğru hareket eder CAB=CBA=ф. CD, CF kırılma yüzey kısımları logaritmik sipiraldir. FGB=FBG=45-ф/2 Kırılma yüzeylerinin temel derinliği (Df) içindeki kısmı ihmal edilir ve bununyerine temel taban düzeyinde sürsaj (ɣ.df) yayılı yükünün etkidiği düşünülür. Zemin ile temel yan yüzeyleri arasında sürtünme olmadığı varsayılır.
YÜZEYSEL TEMELLERDE TAŞIMA GÜCÜ HESABI Terzaghi Denklemi (1943)
YÜZEYSEL TEMELLERDE TAŞIMA GÜCÜ HESABI Terzaghi Taşıma Gücü Teorisi Bazı şekil katsayıları ile Terzaghi taşıma gücü formülü üç boyutlu durumlar için aşağıdaki gibi genelleştirilmiştir. q u net : k 1.c.N c + γ.d f N q + k 2. B. γ. N γ Temel Şekil Katsayıları Dolgu D f B Taşıma gücü formülünde yer alan üç terimin anlamı şu şekildedir: c.nc: Temel zeminindeki kohezyonun taşıma gücüne katkısı. Eğer c = 0 olursa, bu terim yok olur γ.df.nq: Temel tabanı üzerinde yer alan ve temeli çevreleyen sürşarj yükünün taşıma gücüne katkısı. Bu terimde yer alan γ değeri zemin taban seviyesi üzerinde yer alan zeminin birim hacim ağırlığıdır. γ.b.nγ: Temel zemininin içsel sürtünmesinin taşıma gücüne katkısı. Bu terimde yer alan Nγ içsel sürtünme açısının fonksiyonudur. γ değeri temel tabanı altındaki zeminin birim hacim ağırlığıdır.
YÜZEYSEL TEMELLERDE TAŞIMA GÜCÜ HESABI Terzaghi Taşıma Gücü Teorisi Terzaghi modifiye taşıma gücü faktörleri Meyerhof taşıma gücü faktörleri
YÜZEYSEL TEMELLERDE TAŞIMA GÜCÜ HESABI Temel şekil katsayıları Temellerin kırılma yüzey miktarları faklı olup, şekil katsayıları çeşitli biçimdeki temeller için (kara, şerit, daire vb.) faklı olmaktadır. Temel Şekli k 1 k 2 Şerit 1 0.5 Kara 1.2 0.4 Daire 1.3 0.3 diktörtgen 1 + 0.2 BB LL 1 + 0.1 BB LL
YÜZEYSEL TEMELLERDE TAŞIMA GÜCÜ HESABI Taşıma gücüne YASS nin etkisi YASS mevcut olması durumunda YASS düzeyine bağlı olarak zeminin b.h.a değeri değişecektir. D f Temel B B Temel taban seviyesi; ɣ=ɣ Temel taban seviyesi ile tabandan itibaren B derinliği arasında ise; ɣ ile ɣ n arsında lineer interpolasyon yada ɣ Temel tabanından B kadar aşağıda yada daha derinde seviyesi; ɣ=ɣ n ɣ = batık birim hacim ağırlık= ɣ =ɣ d -ɣ su
YÜZEYSEL TEMELLERDE TAŞIMA GÜCÜ HESABI Depremlerin taşıma gücüne etkisi Depremler zemine dinamik yükler aktarır. Henüz zeminlerin dinamik taşıma gücü konusunda uygulanabilir bir taşıma gücü formülü ortaya konulmamıştır. Depremlerin zeminde yol açtığı en önemli olay sıvılaşma ve oturma problemleridir. (bu konulala ilgili olarak ilerleyen haftalarda uygulama yapılacaktır.)
YÜZEYSEL TEMELLERDE TAŞIMA GÜCÜ HESABI Şeve oturan temeller Böyle temeller için daha küçük taşıma gücü katsayıları kullanılır. b B D f β b<(3-4)b ise şev tarafındaki kırılma yüzeyi şevsiz duruma göre daha kısa olduğu için temellerin sınır veya güvenli yükünde azalma olur.
YÜZEYSEL TEMELLERDE TAŞIMA GÜCÜ HESABI Meyerhof Yöntemi Terzaghi yöntemine göre batık temellerde daha iyi sonuç verir Temelin üzerinde kalan zemin, sadece yük oluşturmaz aynı zamanda dayanım da oluşturur. Daha gerçekçi ancak daha karmaşıktır Düşey yük qu = cn c s c d c + qn q s q d q + 0.5γ'BN ɣ s ɣ d ɣ Eğimli yük qu = cn c s c d c i c + qn q s q d q i q + 0.5γ'BN ɣ s ɣ d ɣ i ɣ s, d ve i ; şekil, derinlik ve yük faktörleri NN qq = ee πππππππππ tttttt 2 (45 + 2 ) NN cc = (NN qq 1)cccccc ) NN γγ = (NN qq 1)tan(1.4 )
YÜZEYSEL TEMELLERDE TAŞIMA GÜCÜ HESABI Hansen Vesic Yöntemi J. Brinch Hansen (1961) (1970) Meyerhorf un önerdiği taşıma gücü eşitliğini temel taban eğimi faktörleri (b) ve zemin yüzü eğim faktörlerini (g) ekleyerek geliştirmiştir. qu = cn c s c d c i c g c b c + qn q s q d q i q g q b q + 0.5g'BNγsγdγiγgγbγ N c, N q Taşıma gücü faktörleri Meyerhof taşıma kapasitesi ile aynı Nɣ ise 1.5 (Nq-1)tanɸ ile bulunur s c,s q,s γ : şekil faktörleri d c,d q,d γ : derinlik faktörleri i c,i q,i γ : yük eğiklik faktörleri g c,g q,g γ : zemin eğiklik faktörleri b c,b q,b γ : temel eğiklik faktörleri
YÜZEYSEL TEMELLERDE TAŞIMA GÜCÜ HESABI Hansen Vesic Yöntemi qu = cn c s c d c i c g c b c + qn q s q d q i q g q b q + 0.5g'BNγsγdγiγgγbγ
TABLOLAR YARDIMI İLE TAŞIMA GÜCÜ HESABI Temel altındaki taşıyıcı malzeme Kıvamlılık Müsaade edilebilitr taşıma basınçı qa (kn/m 2 ) qa aralığı Taşıma için tafsiye edilen değer Masif kristalize mağmatik ve metmorfik kayaç Sert, sağlam kayaç 6000-10000 8000 Yapraklanmalı metamorfik kayaç (sağlam) Tortul kayaç: sıkı çimentolu Şeyl, Kumtaşı, Silt taşı boşluksuz kireç taşı Ayrışmış ve parçalanmış herhangi bir kayaç( şeyl gibi killi kayaçlar hariç)rqd<25 Sıkı Şeyl veya sağlam şartlarda diğer killi kayaç İyi derecelenmiş ince ve iri taneli zemin karışımı (GW-GC, GC,SC) Orta, sert sağlam kayaç 3000-4000 3500 Orta, sert sağlam kayaç 1500-2500 2000 Yumuşak kayaç 800-1200 1000 Yumuşak kayaç 800-1200 1000 Çok sıkı 800-1200 1000 Çakıl, çakıl kum karışımı iri çakıl ve çakıl karışımı (GW,GP,SW,SP) İri orta taneli kum az çakıllı kum (SW,SP) İnce orta kum, siltli veya killi orta iri kum (SW,SM,SC) Homojen inorganik olmayan kil, kumlu veya siltli kil (CL,CH) Organik olmayan silt, kumlu veya killi silt Çok sıkı Orta sıkı-sıkı Gevşek Çok sıkı Orta sıkı-sıkı Gevşek Çok sıkı Orta sıkı-sıkı Gevşek Çok katı-sert Orta katı-katı Yumuşak Çok katı-sert 600-1000 700 400-700 500 200-600 300 400-600 400 200-400 300 100-300 150 300-500 300 200-400 200 100-200 150 300-600 400 100-300 200 50-100 50 200-400 300 100-300 150 50-100 50