Köprülerin Batmasını Önleme Teknolojisi

 (practical.engineering)
1 puan yazan GN⁺ 2024-07-04 | 1 yorum | WhatsApp'ta paylaş
  • Köprülerde alttan nehir, demiryolu ve yolun geçebilmesi için boşluk bırakılması gerektiğinden, üst yapı yükleri köprü ayakları ve abutmanlarda yoğunlaşır ve zayıf nehir/deniz zeminlerinde bile dayanacak derin temeller gerekir
  • Kazıklı temel, uzun elemanların zemine çakılması ya da delinerek yerleştirilmesiyle, sağlam tabakaya ulaşan uç taşıma ve çevredeki zeminle oluşan çevresel sürtünme sayesinde düşey yükleri taşır
  • Çakma kazıklar, kurulum sürecinde bir tür yük doğrulaması gibi çalışsa da gürültü ve titreşim, zemin kabarması, rotadan sapma ve sert tabakaları geçme zorluğu gibi kısıtlar taşır
  • Yerinde dökme kazık türü drilled shaft, kazıdan sonra donatı ve beton yerleştirilmesiyle yapılır; su altında ise muhafaza borusu ve tremie kullanılarak deliğin çökmesi ve betonun seyrelmesi önlenir
  • Millennium Tower ve 2004 Tampa Lee Roy Selmon Expressway ayak oturması vakaları, derin temellerin de başarısız olabileceğini ve geotekniğin karmaşıklığının maliyet ile takvim sorunlarına yol açabileceğini gösterir

Köprü yükleri neden zeminde yoğunlaşır?

  • Köprünün özü, sadece bir şeyin “üzerinden geçmek” değil, alttan nehir, demiryolu ya da yolun geçeceği bir boşluk sağlamaktır
  • Normal bir yolda kuvvet doğrudan zemine aktarılırken, köprüde açıklık üzerindeki kuvvetler iki yandaki köprü ayakları ya da abutmanlarda toplanır
  • Alt yapı çok güçlü tasarlansa da gerçek kurulum noktaları çoğu zaman yük taşımak için elverişli değildir
    • Nehir ve denizlerde büyük ağırlıkları iyi taşımayan yumuşak ve çamurlu zeminler yaygındır
    • Birçok köprü temeli su altında kurulur
  • Zemin, taşıyamayacağı kadar yük aldığında taşıma gücü göçmesi oluşur ve temel toprağın içine çöker
  • Yük uygulanınca daha derine inmesini sağlayan bu fikir, yaygın kullanılan yapısal eleman olan temel kazığına götürür

Çakma kazıkların malzemeleri ve kurulum prensibi

  • Kazık, zemine çakılan ya da delinerek yerleştirilen uzun kolon biçimli bir yapısal elemandır
  • Federal Highway Administration'ın Design and Construction of Driven Pile Foundations 1. cildi 500 sayfayı aşar; giriş bölümü ancak 11 sayfa sembol ve 2 sayfa kısaltmadan sonra gelir, bu da ilgili mühendisliğin ne kadar karmaşık olduğunu gösterir
  • Çakma kazıkların tarihi kayıtlı tarihten de eskiye uzanır ve temel fikir bir çubuğu zemine vurarak sokmaktır

  • Kazık malzemelerine göre özellikler

    • Ahşap kazıklar
      • Ucuzdur, çakma kuvvetlerine iyi dayanır ve kurulumu kolaydır
      • Çürüyebilir, ağaç boyutu nedeniyle uzunluk sınırı vardır ve alternatif malzemelere göre daha düşük dayanımlıdır
    • Beton kazıklar
      • Çeşitli boyut ve şekillerde üretilir ve derin temellerde yaygın kullanılır
      • Zemine çakılırken gereken kuvvete dayanabilmeleri için büyük olmaları gerekir; bazı beton kazıklar 30 inç veya 75 cm'den daha geniştir
    • Çelik kazıklar
      • Betondan daha ince üretilebilir
      • Başlıca türleri pipe pile ve H-pile'dır

  • Neden çekiçle çakılır?

    • Kazığı derine itmek için aynı büyüklükte bir tepki kuvveti gerekir
    • Devasa ağırlıklar veya zemine ankrajlanmış güçlü yapılar kullanmak yerine genelde çekiç kullanılır
    • Yüksekten bırakılan nispeten küçük bir kütlenin potansiyel enerjisi kinetik enerjiye dönüşür ve düşüşü durduran kuvvet kazığa aktarılır
    • Birçok pile driver, gerekli kuvveti büyük bir çekiç ya da titreşim başlığıyla üretir

Kazıklar yükleri nasıl taşır?

  • Temelin ana amacı, yük altında hareket etmemektir
  • Kazıklar düşey yüklere karşı temelde iki şekilde direnç gösterir

  • Uç taşıma ve çevresel sürtünme

    • Uç taşıma, kazığın ucunun yani toe kısmının sert bir zemin tabakasına veya kaya tabakasına ulaşarak daha büyük yükleri taşımasıdır
    • Gerçek jeoloji, basit bir “bedrock” kavramından daha karmaşıktır ve her zaman makul derinlikte sert bir tabaka bulunmaz
    • Çevresel sürtünme ya da shaft resistance, kazık çakılırken çevredeki zeminin sıkışıp yoğunlaşması ve kazık yüzeyiyle sürtünme oluşturmasıyla ortaya çıkar
    • Kazık daha derine indikçe sürtünme direnci artar

  • Kurulumun kendisi bir doğrulama işlevi görür

    • Kazığa aynı yükseklikten bırakılan çekiçle tekrar tekrar vurulduğunda, başlangıçta belli bir derinlik kadar ilerler, sonra darbe başına ilerleme miktarı giderek azalır
    • Kazığın neredeyse hiç hareket etmediği nokta teknik olarak refusal durumuna ulaşıldığını gösterir
    • Derinliğe göre darbe sayısı grafiğe döküldüğünde, kazık derine indikçe düşey yük direncinin arttığı görülebilir
    • Pile Driving Contractors Association'ın “A Driven Pile is a Tested Pile” ifadesi, çakma kazığın kurulum sırasında belirli bir kuvvete dayanabildiğinin doğrulanması özelliğini anlatır
    • Yeterli direnç görülmezse çoğu durumda daha derine çakılarak istenen dirence ulaşılabilir

Yatay yükler ve çakma kazıkların sınırları

  • Yapılar yalnızca aşağı doğru bastıran kuvvetler almaz
  • Binalar rüzgârdan kaynaklı yatay yükler alır; köprüler de akan su, buz veya gemi teması nedeniyle yatay yüklere maruz kalabilir
  • Taşkın kaynaklı kaldırma kuvveti ya da şiddetli rüzgâr, yerçekimine karşı çekme yükleri oluşturabilir
  • Köprü çevresindeki zemin, inşaattan hemen sonra ve birkaç taşkından sonra farklı durumda olabilir
    • Mühendisler, doğal taban değişimlerini ve köprünün kendisinin yarattığı etkileri dikkate alarak oyulmayı öngörmelidir
    • Temel, uzun vadede değişen zemin koşullarında da dayanımını koruyacak şekilde tasarlanmalıdır
  • Köprü ayağı yükleri pile cap üzerinden kazıklara aktarılır ve dağıtılır
  • Şiddetli yatay yükler bekleniyorsa bazı kazıklar eğik yerleştirilerek battered pile kullanılır
    • Eğik kazıklar, çevresel sürtünmeden daha iyi yararlanarak temel dayanımını yatay yüklere karşı artırır

  • Çakma kazıkların kısıtları

    • Çakma kazık kurulumu yüksek gürültü ve titreşim üretir; bu yüzden yoğun kentsel alanlarda kabul edilmesi zor olabilir
    • Kurulum titreşimi çevredeki altyapıyı etkileyebilir
    • Çoğu durumda kazıklar, nihai yapı yükünden çok daha büyük kurulum kuvvetlerine dayanacak şekilde tasarlanmalıdır
    • Sert jeolojik tabakaları, çakılı zeminleri veya büyük taşları kolay geçemez
    • Yer altındaki ilerleme rotası doğrudan görülemediği için hattan sapabilir
    • Toprak çıkarılmadan itildiği için zeminde kabarma oluşabilir

Drilled shaft ve su altı beton imalatı

  • drilled shaft, derin bir delik açılıp donatı yerleştirildikten sonra betonla doldurulması yöntemidir
  • FHWA'nın Drilled Shafts: Construction Procedures and Design Methods kılavuzu 747 sayfadır
  • Zayıf zeminlerde veya ıslak koşullarda deliğin duvarlarının çökmesini önlemek için muhafaza borusu kullanılır
    • Muhafaza borusu genellikle kazı sırasında auger ile birlikte aşağı indirilir
    • Boru su seviyesinin üstüne çıksa bile tabandan içeri su sızabilir
  • Betonun su-çimento oranı dayanım ve performans için kritik olduğundan, su altında doğrudan dökülürse suyla karışıp seyrelir
  • Tremie, deliğin tabanına kadar inen bir borudur; ucu beton yüzeyinin altında tutulursa beton suyla karışmaz
  • Beton sudan daha yoğundur; bu nedenle deliğin altından yükselirken suyu yukarı iter

  • Muhafaza borusu ve pile cap yaklaşımı

    • Su altı kurulumlarında muhafaza borusu çoğu zaman yerinde bırakılır
    • Muhafaza borusundan yararlanmak, büyük bir cofferdam kurup çalışma alanını kurutmak yerine pile cap'i suyun içinde veya üstünde inşa etmeyi mümkün kılar ve uygulama karmaşıklığını azaltır
    • Bu tür high rise pile cap çözümleri deniz üstü rüzgâr türbinlerinde sık kullanılır
    • Duruma göre beton doldurulduktan sonra muhafaza borusu çekilerek dev çelik boru maliyetinden tasarruf edilebilir
    • Betonun basıncı delik duvarlarına etki ederek zeminin çökmesini engelleyebilir
    • drilled shaft, çakma kazıklardan çok daha büyük yapılabildiği için bazen birden fazla kazık ve pile cap gerektirmez
    • Rüzgâr türbinleri, otoyol tabelaları gibi yapılar tek bir drilled shaft olan mono-pile foundation üzerine kurulabilir
    • drilled shaft tabanının reaming ile genişletilmesi, toe yüzey alanını artırarak oturma eğilimini azaltabilir ve çekme direncine de katkı sağlayabilir

Çeşitli derin temel türleri ve başarısızlık örnekleri

  • Derin temel sistemleri sadece çakma kazıklar ve drilled shaft ile sınırlı değildir
  • Continuous flight auger pile, hollow-stem auger kullanarak kazı ile beton dökümünü fiilen tek adımda yapar; ardından donatı yaş betona yerleştirilir
  • stone column veya ticari adıyla Geopier, yalnızca basınç yüklerinin dikkate alındığı durumlarda deliği beton yerine sıkıştırılmış agrega ile doldurur
  • helical pile ya da screw pile, vurularak çakılmak yerine döndürülerek zemine sokulur; böylece titreşim ve bozulma azalır
  • micropile, erişim kısıtları veya jeolojik sınırlamalar olduğunda kullanılan küçük bir drilled shaft'a daha yakındır
  • sheet pile, temelden çok duvar veya bariyer oluşturmak için çakılan kazık türüdür

  • Derin temeller de başarısız olabilir

    • Kazıklar, sığ temellere göre genelde çok daha güçlü olsa da başarısız olabilir
    • San Francisco'daki Millennium Tower, kazıklı temel üzerindeki yüksek yapının zemine oturup eğildiği bir örnektir
    • Büyük ölçüde düzeltilmiş görünse de hâlâ ara sıra haberlere konu olur
    • Florida Tampa'daki Lee Roy Selmon Expressway ayağı, 2004 yılında karmaşık jeoloji nedeniyle inşaat sırasında 11 fitten, yani 3 metreden fazla oturdu
    • Onarım maliyeti 90 milyon dolardı ve projenin tamamlanması 1 yıl gecikti
    • Ağır yükleri zemine emanet eden tasarımlarda geoteknik bilimi ve mühendisliği çok büyük bir rol oynar

İlgili okumalar

1 yorum

 
GN⁺ 2024-07-04
Hacker News yorumları

  • Pile Driving Contractors Association’ın “A Driven Pile is a Tested Pile” sloganı özellikle hoşuma gitti
    Mantık şu: Kazık çakıldığı anda zaten belirli bir kuvvete dayanabildiği doğrulanmış oluyor ve direnç yetersizse genelde yeterli direnç elde edilene kadar daha derine çakmak mümkün oluyor

    • Yavaş statik yük altında batabilir ama dinamik darbeye dayanabilir gibi görünüyor
      Zemin sıvılaşması tuhaf bir olgu; yavaşça dokununca yumuşak ama hızlı darbe verince sertleşen Silly Putty’ye benziyor
    • Kendi kodu için de benzer şeyler söyleyen çok kişi var
    • “Çoğu durumda yeterli direnç elde edilene kadar aşağı doğru çakmaya devam edersiniz” sözünde, bence asıl dinlemeye değer olan bunun işe yaramadığı durumlar olurdu
      Acaba sadece çok uzun süre çakmaya devam mı ediyorlar, ne kadar uzun sürüyor merak ediyorum
    • Deprem sırasındaki sıvılaşma karşısında bu doğrulamanın nasıl dayandığını merak ediyorum
    • Kurulum anındaki testin 30 yıl sonra da geçerli bir test olduğu anlamına gelmez

  • Aynı çelik profilin hem I-beam hem de H-pile diye anılmasının nedeni, gerçek şekillerinin farklı olması
    I tipi kirişte amaç eğilmeye karşı koymak için kütleyi flanşlarda toplamak olduğundan web daha incedir; H kazığında ise eksenel yük ve uygulanabilirlik nedeniyle web kalınlığı flanşlara yakın olacak kadar kalındır
    Standart profillerde I tipi kirişler W (wide flange) ve S kesitlere ayrılır, H tipi kirişler ise HP kesit diye adlandırılır
    Temel işlerinde bazen birbirinin yerine belirtilebilseler de, yer üstü yapılarda genelde HP yerine W ya da S gibi daha verimli kesitler seçilir

    • Üniversitedeyken bilgisayar bilimlerinden çok mimarlık/İnşaat okuyanlarla takılırdım; onların dediği W flange bana I-beam gibi gelirdi
      Özellikle sorup düzeltmeye çalışmadım; yoksa epey sinir bozucu biri gibi görünebilirdim
    • Arka plan bilgisi olarak, I kesitin yatay elemanına flange, dikey elemanına web denir
      Referans görsel: [https://en.wikipedia.org/wiki/File:I-BeamCrossSection.svg](https://en.wikipedia.org/wiki/File:I-BeamCrossSection.svg)

  • “Üzerine sürekli yük ekleyip daha derine batırırsak ne olur?” fikri, Monty Python and the Holy Grail’de Herbert’in babasının bataklık için kullandığı temel mühendislik yaklaşımıyla aynı görünüyor
    https://m.youtube.com/watch?v=w82CqjaDKmA

    • Buraya ilk geldiğimde her yer bataklıktı
      Herkes bataklığın üstüne kale yapmanın delilik olduğunu söyledi ama inat edip yaptım ve kale bataklığa gömüldü
      İkinci kale de gömüldü, üçüncüsü yandı, devrildi ve bataklığa gömüldü ama dördüncüsü ayakta kaldı
      Yani sana miras kalacak şey, bu adalardaki en güçlü kale olacak
    • “Bir gün bunların hepsi senin olacak, oğlum!”
      “Ne yani, perdeler mi?”

  • Tırnak içindeki ana kaya basit bir kavram ama gerçek jeoloji çok daha karmaşık
    Ana kaya her zaman vardır ama bazı yerlerde ona ulaşmak için kazıkların gerçekten çok uzun olması gerekir
    Örneğin Münih’in güneyindeki çakıl birikintilerinin 100m(330ft) derinliğe ulaştığı ve kuzeye gidildikçe sığlaştığı söyleniyor
    https://en.wikipedia.org/wiki/Munich_gravel_plain

    • Yeni Zelanda’daki Otira Gorge Viaduct, Southern Alps üzerinden geçen otoyolu taşıyor; temelleri, yüzyıllar boyunca Hills Peak’ten düşerek birikmiş derin bir moloz yelpazesinin üzerine oturuyor
      Bu kaya hareketi yüzünden mevcut yolu değiştirmek için viyadük inşa edildi; yamaç aşınması nedeniyle yolu giderek daha yukarı taşımak ve kötü şöhretli Zig Zag’a daha fazla hairpin eklemek gerekmişti
      Kaya düşmeleri de yolu tehlikeli hale getiriyordu ve ana kayaya ulaşmaya çalıştılar ama o fazla derine gömülüydü
      https://teara.govt.nz/files/p-8788-gns.jpg
      https://www.stuff.co.nz/national/117150792/awardwinning-otir...

  • Bazı köprüler batmaz. Sebebi yüzmeleridir
    https://en.wikipedia.org/wiki/Nordhordland_Bridge

  • Ken Burns'ün Brooklyn Bridge yapımını anlatan belgeseli, o dönemde 19. yüzyılın sonlarında yenilikçi sayılan mühendislik tekniklerini ve zorluklarını ele aldığı için gerçekten çok ilgi çekici
    Yaklaşık 1 saat uzunluğunda olduğu için kısa da sayılır; şiddetle tavsiye ederim
    https://kenburns.com/films/brooklyn-bridge/

  • Japon kazık çakma şirketi Giken'in, sessiz kazık çakma teknolojisini ve bunun ilginç kullanım örneklerini gösteren harika mühendislik videoları var
    Lav akışını durdurmak veya şehir merkezinde yer altı bisiklet parkı yapmak gibi örnekler de var
    https://www.youtube.com/@GikenGroup/videos

  • “Piledriver”ın WWE tarafından icat edilmediğini bugün öğrendim

    • WWE icat etmedi ama mükemmelleştiren onlar oldu

  • Bazı köprüler kasıtlı olarak batırılır, bazılarıysa kötü tasarım yüzünden batar
    https://en.wikipedia.org/wiki/Submersible_bridge, https://en.wikipedia.org/wiki/Lacey_V._Murrow_Memorial_Bridg...

  • Yazarı Grady Hillhouse
    Video: https://www.youtube.com/channel/UCMOqf8ab-42UUQIdVoKwjlQ
    Blog: https://practical.engineering/blog/
    Akış: https://practical.engineering/blog?format=rss