İSTİNAT YAPILARI TASARIMI İstinat Duvarı Tasarım Kriterleri ve Tasarım İlkeleri Yrd.Doç.Dr. Pelin ÖZENER İnşaat Mühendisliği Bölümü Geoteknik Anabilim Dalı
Duvar Tasarımı için Yükler Toprak basınçları Ölü veya canlı sürşarj yükleri Duvar ağırlığı Isı ve büzülme etkileri Deprem yüklerini
Duvar Tasarımı Klasik duvarların Ağırlık (taş) duvarları Yarı ağırlık duvarları (beton) Konsol (betonarme) olmak üzere başlıca üç türü vardır.
Duvar Tasarımı Konsol duvarlarda yüksekliğin fazla olması halinde daha ekonomik kesitlerle çözüm oluşturmak amacıyla duvar arkası veya önünde duvarın gövde ve taban plağını birleştiren üçgen şekilli payandalar oluşturabilir. 1 2 Payandalar en az 2.5 m aralıklarla (yüksekliğin ~ ü 3 3 arasında) düzenlenir. Gövde plağındaki momentin daha iyi bir dağılımı için gövde plağı arkasında bir konsol oluşturularak yanal gerilmeler azaltılabilir.
Duvar Tasarımı Klasik duvarlar aşağıda gösterilmektedir.
Ağırlık Tipi İstinat Duvarları Harç Beton veya taş duvar Taş Ağırlık tipi duvarlar bilinen en eski dayanma yapılarıdır. Betondan veya kaya molozlarından taş duvarlar şeklinde inşa edilirler. Duvar arkasındaki dolgu yükleri duvarın kendisi ağırlığı ile taşınır. Yapısı nedeniyle, duvar arkası yükler nedeniyle çekme gerilmeleri genellikle oluşmaz veya çok düşük değerlerde oluşurlar. Bu nedenle bu tip duvarlarda genellikle çelikle güçlendirme yapılmaz. 3 m yüksekliğe kadar ekonomiktir.
Konsol Tipi İstinat Duvarları Konsol istinat duvarları betonarme olarak inşa edilirler Tipik olarak yatay bir temel ve düşey bir duvardan oluşurlar. Topuk altındaki zemin kütlesinin ağırlığı duvarın stabil kalmasını sağlar. Konsol duvarlar 10 m yüksekliğe kadar ekonomiktir. Zemine sabitlenmiş düşey konsollar gibi çalışırlar.
İstinat Duvarlarının Tasarım Kriterleri Duvar tasarımında yüksekliğe bağlı olarak aşağıdakine benzer bir ön boyutlama düşünüp daha sonra güvenlik araştırmalarına göre gerekiyorsa boyutları küçültmek ya da büyütmek yoluna gidilmektedir.
Payandalı duvarların yükseklikleri 7-8 m yi bulabilmektedir. Duvar arkası malzemesi Gövde Duvar arkası malzemesi Gövde
GÜVENLİK ARAŞTIRMALARI Bir duvarın güvenli olarak tasarlandığı Öne doğru topuk etrafında devrilmeye Taban boyunca öne ötelenmeye Tabanda taşıma gücüne ve oturmalara karşı yeterli güvenlikte olduğunun gösterilmesiyle incelenir. Bunun yanı sıra duvarın oluşturulduğu yamaçta, duvarı da içerisine alacak biçimde toptan bir yamaç göçmesine karşı yeterli güvenliğin olduğu gösterilmelidir.
Bir istinat duvarı aşağıdaki tüm durumlarda stabil olmalıdır. A- Dönmeye zorladığında B- Kaymaya zorladığında C- Taşıma gücü problemlerinde D- Derin yüzeyli kayma göçmelerine karşı E- Aşırı oturmalara karşı F- Duvar tabanına bir normal kuvvet etkimesi halinde
Klasik Duvarlara Gelen Zemin İtkisi Bu duvarlar, arkadaki zemin itkisi ile öne doğru ötelenme ve dönme türünde yer değiştirme yaptıklarından arka tarafta doğan zemin itkisinin aktif zemin itkisi olduğu varsayılabilir. Duvarın türüne göre Rankine veya Coulomb yanal itki kavramlarından yararlanılarak zemin itkisi hesaplanabilir.
Klasik Duvarlara Gelen Zemin İtkisi
Klasik Duvarlara Gelen Zemin İtkisi Ağırlık türü duvarlarda duvar arkasında toplam itki (a) da gösterildiği üzere Coulomb yanal aktif itki katsayısı göz önüne alınarak duvarın H yüksekliği için hesaplanabilir. Diğer bir seçenek olarak arka topuktan geçen aa' sanal bir yüzeyin duvar tarafındaki kalan zeminin duvarla birlikte hareket ettiği düşünülerek H' yüksekliğinde düşey duvara gelen itki bulunabilir. Bu durumda eğik zemin yüzeyi için değiştirilmiş Rankine çözümü ile aktif itki katsayısı bulunup toplam itki H' yüksekliği için hesaplanmalıdır.
Klasik Duvarlara Gelen Zemin İtkisi Benzer çözüm (c) de görüldüğü üzere konsol duvarlar için de yapılabilir. (b) ve (c) çözümlerinde duvarla birlikte hareket ettiği varsayılan zemin kütlesi ağırlığı Ws duraylılık analizlerinde duvar ağırlığı yanı sıra ayrıca göz önüne alınmalıdır.
Çizgisel Yük Etkisi Duvar arkası aktif zemin itkisinin yanı sıra zemin üzerine etkime olasılığı olan çizgisel bir yükün duvara yapacağı etkiyi belirlemek için, 40 0 lik açı ile duvar arkasına etkitilerek yeri belirlenir ve büyüklüğü P aq =Q x K a
Çizgisel ve yayılı yük etkisi q=7 kn W2 W1 Pa3 Pa1 Pa2 W3 q.ka.h.ka
Yayılı Yük Etkisi 2 2
Devrilmeye Karşı Güvenlik
Devrilmeye Karşı Güvenlik W i ler duvar ölü ve topuk üzeri zemin ağırlıklarıdır. Duvarın arkasında aktif, önünde pasif gerilmelerin doğduğu varsayılmıştır. Duvar arka dolgusu granüler nitelikte olduğu düşünülüp aktif itki bileşeninin H /3 te etkidiği gösterilmiştir. Gösterilen kuvvetlerden aktif itkinin yatay bileşeni duvarı devirici, diğer tüm kuvvetler devrilmeyi önleyici momentler doğurmaktadır. Önleyici momentlerin devirici momentlere oranı devrilmeye karşı güvenlik sayısıdır. Devrilmeye karşı güvenlik için 2.0 gibi bir değer yeterlidir. Deprem yükleri altında güvenlik en az 1.3 olmalıdır.
Devrilmeye Karşı Güvenlik FS devrilme M M R O Duvar önünde doğacağı varsayılan pasif itki erozyon ya da sonradan kazı olasılığı ile etkimeyebileceği düşünülürse güvenlik olarak göz önüne almamak daha doğru bir yaklaşımdır.
Ötelenmeye Karşı Güvenlik Duvarın OO' tabanında dışa doğru ötelenmeye karşı güvenlik, ötelenmeye karşı duran kuvvetlerin öteleyici kuvvetlere oranı olarak tanımlanır ve en az 1.5 güvenlik sayısı aranır. Depremli durumda en az 1.1 olduğu gösterilmelidir. Ötelenmeye karşı direnen kuvvetler OO' boyunca doğan kayma dayanımı direnci ile P p pasif itkisidir. Tabanda duvar-zemin sürtünme açısı 2, adezyon c a ile gösterilirse ötelenmeye karşı güvenlik FS kayma ( v) tg Bc P P a 2 cos a p
Ötelenmeye Karşı Güvenlik ( v) OO' üzerindeki tüm düşey kuvvetler olup P a nın düşey bileşeni P v de katılmalıdır. Yukarıdakine benzer şekilde P p fazladan bir güvenlik amacıyla göz önüne alınmayabilir. 2 sıkıştırılmış taban zeminine dökülecek beton nedeniyle zemin içsel sürtünme açısına eşit alınabilir c a zemin kohezyonunun (0.5 ~ 0.7) katı kadar olduğu düşünülebilir.
Ötelenmeye Karşı Güvenlik Ötelenmeye karşı güvenlik yeterli değilse duvar altında bir diş oluşturulabilir. Dişin gövde donatısı uzatılarak elde edilmesi düşünülebilirse de arka topukta oluşturulması daha etkin olabilir. Diş oluşturmak yerine taban genişliğinin artırılması daha ekonomik olabilir.
Taşıma Gücü Yönünden Güvenlik Düşey bileşke ( v) nin etkime yeri O noktasına göre moment alarak bulunabilir. Bu bileşkenin taban orta 1/3 sınırları içerisinde olması halinde tabanda trapez biçimli ve her iki tarafta basınç gerilmeleri doğuracağı mukavemet biliminin temel bilgilerindendir.
Taşıma Gücü Yönünden Güvenlik e B 2 x ' e B M M B R 0 2 V 6 Bu durumda simetri eksenine göre eksantirisite e ise taban gerilmeleri q max, min B v 6e (1 ) B
Taşıma Gücü Yönünden Güvenlik Düşey kuvvet bileşeni (b) de gösterildiği gibi orta 1/3 çekirdeğinin dışında etkiyorsa en az gerilme, çekme gerilmesi olup tabanın zeminden ayrılması (negatif gerilmeler alınamayacağından) anlamına gelecektir. Bu tarafta gerilme sıfır olacağından (b ) de gösterildiği gibi yeni bir gerilme dağılımı olacaktır. Bu durumda V kuvvetinin çekirdek sınırına denk gelmesi anlamına geleceğinden gerilmenin etkidiği taban olacaktır. Düşey kuvvet dengesi yazılırsa B q v 3( e). 2 2 max
Taşıma Gücü Yönünden Güvenlik Zeminin taşıma gücüne karşı güvenlik katsayısı aşağıdaki şekilde hesaplanabilmektedir: F Eşitliklerde q all q all İzin verilebilir taşıma gücü, q max q max ise taban basıncını göstermektedir. q u Temelin birim alanı için son taşıma gücüdür. q all q u F
Taşıma Gücü Yönünden Güvenlik q u = c N c + q N q + ½ B N Burada; q u : Temelin birim alanı için son taşıma gücüdür. c : Zeminin kohezyonu N c, N q, N : İçsel sürtünme açısı ye bağlı taşıma gücü faktörleri : Zeminin birim hacim ağırlığı B : Temel genişliği q : temel düzeyindeki sürşarj gerilmesidir.
Taşıma Gücü Yönünden Güvenlik
Toptan Göçmeye Karşı Güvenlik
Toptan Göçmeye Karşı Güvenlik
Duvar Güvenliğinde Diğer Konular Duvarların güvenlik araştırmalarında duvar yapımından sonra duvar arkasında inşaat malzemesi ve makine bulundurulmasının etkileri 15 kpa mertebesinde bir ek yayılı yük gözetilerek göz önüne alınabilir. Sınırlı bir alanda duvar arkası dolgusunun sıkıştırılması aktif ve hatta sükunetteki zemin itkilerinden daha büyük gerilmeler doğuracağı göz önüne alınmalıdır. Kil-silt yüzdesi %15 den fazla malzemeler genelde arka dolgu için uygun değildir. Zorunlu halde kullanılmaları halinde drenajdaki zorluk nedeniyle zemin itkisi yanında su basınçlarının da göze alınması gerektiği açıktır.
Duvar Güvenliğinde Diğer Konular İnce dane oranı yüksek dolgu kullanılacaksa şişme ve don etkisi olasılığı gözönünde bulundurulmalıdır. Genelde CL, MH, ML, OL grubuna giren siltler ve killi siltler dona karşı, CH grubu killer şişmeye karşı duyarlı olduklarından atmosferik etki ve sudan korumak (zemin yüzünde geçirimsiz tabaka veya membran), duvar arkasında şişme basınçlarını sönümleyecek filtre malzemesi yerleştirmek iyi bir uygulamadır.
Duvar Güvenliğinde Diğer Konular Duvar arkasında topukta yatay drenaj borusu yerleştirmek ve duvarda barbakan delikleri oluşturmak drenaj için mutlak gereklidir. Dolgu malzemesinin delik veya boruya doğru yıkanması uygun bir filtre malzemesi veya geotekstil malzeme ile önlenmelidir. Filtre malzemenin filtre koşulları adı ile bilinen özelliklerde olması gerekmektedir.
Duvar Güvenliğinde Diğer Konular Duvarların boyuna doğrultuda her 8-12 m de düşey büzülme derzleriyle ayrılması genel bir uygulamadır. Dış kalıba düşey bir şerit yerleştirilerek sağlanacak bu derzler ısı veya priz nedeniyle olabilecek çatlakların görünümü bozmasını engellemektedir.