Toprakarme İstinat Yapıları Nedir? Tipleri ve Çeşitleri


Toprakarme istinat yapıları yatay olarak serilip sıkıştırılan bir dolgu içerisine gömülü olarak bulunan donatılardan ve seçilen bir yüzey kaplama sisteminden oluşmaktadır.

Toprakarme istinat Yapıları 

İstinat yapıları, yol, yapı, altyapı tasarımları başta olmak üzere inşaat mühendisliğinin bütün uygulama alanlarında sıkça kullanılmaktadır. Öncelikli olarak yol inşaatlarında topografik koşulların bir sonucu olarak dayanma yapılarının kullanılması bir zorunluluk haline gelmiştir. Bu noktada alternatif istinat yapılarının tasarım ve kullanımı önem kazanmaktadır.

İstinat yapıları; yol projelerinde, köprü ve kavşak yaklaşımlarında, şev stabilitesi sorunu bulunan bölgelerde, yol genişletme çalışmalarında çokça kullanılmaktadır. Uzun yıllar boyunca istinat yapılarının tamamına yakını betonarme olarak tasarlanmış ve uygulanmıştır. Bu duvarlar ağırlık tipi olarak çalışmaktadır. Ancak betonarme istinat yapılarının rijit özellikte olması ve temel zemininde büyük gerilmeler oluşturması, derin temel sistemlerinin kullanılmaması durumunda oturma ve taşıma gücü problemleri yaratmıştır. Yüksek kesitlerin ortaya çıkması, bu tipteki istinat yapılarının zayıf zemin koşullarındaki performansını düşürmüştür. Söz konusu problemlerin çözümü aşamasında, konvansiyonel betonarme istinat yapılarının maliyetleri ciddi bir artış göstermiştir.



Bu noktada, toprakarme istinat yapıları, betonarme istinat yapılarına bir alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Toprakarme istinat yapılarının önemli bir özelliği, konvansiyonel sistemlere göre daha büyük deformasyonları karşılayabilmesidir. Bu yapıların tasarımı, zemin içerisinde yerleştirilen çelik donatıların, sıkıştırılmış geri dolgu ile arasında meydana gelen sürtünme kuvveti sayesinde taşıyıcı özelliği olan, sağlam, kompozit bir yapı oluşturulması esasına dayanır.

Klasik bir toprakarme istinat yapıları yatay olarak serilip sıkıştırılan bir dolgu içerisine gömülü olarak bulunan donatılardan ve seçilen bir yüzey kaplama sisteminden oluşmaktadır. Yapı içerisinde kullanılacak donatılar metal ya da polimer olarak seçilebilmektedir. Yüzey kaplamasının başlıca amacı, kullanılan geri dolgunun, donatıların arasından akmasını önlemektir. Kaplama elemanları genellikle betonarme olarak imal edilir ve yapısal elemanlarla donatılara bağlantısı sağlanır. Kaplama elemanları prekast betonun yanı sıra çelik kafes olarak da yapılabilmektedir. Bağlantı elemanları ise çeliğin yanında polimer olarak imal edilebilir.

Toprakarme istinat yapısı tip kesiti

Şekil 1.2 : Tipik bir toprakarme istinat yapısının üç boyutlu görünümü (REAŞ, 2006)

toprakarme istinat yapısının üç boyutlu görünümü

Şekil 1.2 : Tipik bir toprakarme istinat yapısının üç boyutlu
görünümü (REAŞ, 2006)

Toprakarme istinat duvarlarının tarihi gelişimi

Zemin içinde donatı kullanılarak güçlendirme fikri çok eski zamanlarda çeşitli şekillerde günlük hayatta kullanılmıştır. Kerpiç bloklarının içinde güçlendirmek amacıyla saman kullanılması, çamur karışımların içinde ahşap çubukların kullanımı,tarihten uygulanmış güçlendirme yöntemlerindendir. 17. ve 18. yüzyılda Kanada da çamur hendeklerini güçlendirmek için ahşap çubuklar kullanılmıştır. Ayrıca günümüzden yaklaşık 1000 yıl önce Çin’de ağaç dalları kullanılarak daha yüksek dayanımlı toprak yapılarının elde edildiği bilinmektedir. Aynı yöntem 1880 li yıllarda Mississippi nehri kıyılarında da uygulanmıştır. İngiltere’de toprak kaymalarına karşı zemin içerisinde kullanılan ahşap parçaları da eski dönemlerde iyileştirme amacıyla zemin içerisinde kullanılan yardımcı elemanlardandır.

Zeminlerin donatılar kullanılarak güçlendirilmesinin sistemli bir mühendislik yaklaşımıyla gerçekleştirilmesi 1960’lı yıllara denk gelir. Fransız mimar mühendis Henry Vidal 1966 yılında çekme dayanımlı donatılarla güçlendirilmiş zeminlerin pratik kullanımı üzerine rasyonel dizayn prosedürleri geliştirmiştir. Bununla beraber toprakarme istinat duvarlarının uygulamaları tüm dünyada büyük hız kazanmış ve ilgi görmüştür. Klasik sistemlere göre imalat, performans ve ekonomi yönünden getirdiği avantaj ve yenilikler toprakarme istinat yapılarının yenilikçi bir uygulama olarak talep görmesinin önünü açmıştır. 1970 li yıllarda prekast cephe panellerinin ilk defa kullanımı, tırnaklı donatıların üretilmesi, bu teknolojinin dönüm noktası kabul edilir (Elias, 2001).

1980li yıllardan itibaren ülkemizde de uygulama alanı bulan toprakarme istinat duvarları, inşaat mühendisliği alanında son 40 yılın önemli yeniliklerinden kabul edilmektedir. Son 20 yıl içerisinde sadece Türkiye’de 400.000 m2 nin üzerinde toprakarme duvar imalatı yapılmıştır. Karayollarında köprü yaklaşımları ve kenar ayaklar toprakarme sisteminin en çok uygulandığı yerlerdir. Bunun yanında askeri yapılarda, demiryollarında, sanayi yapılarında, barajlarda, kıyı ve liman yapılarında bu sistem tercih edilmektedir (Durgunoğlu, 2008).

Esnek istinat yapıları dünya çapında uygulanmaya devam etmektedir. Yapıların tasarımına ilişkin şartnameler,bu teknolojinin profesyonel anlamda uygulandığı ve geliştirildiği Fransa, Amerika, Almanya gibi ülkelerde hazırlanmıştır. Malzeme, imalat, tasarım konusunda her geçen gün yeni mühendislik yaklaşımları ortaya konmakta, sistem gelişimini sürdürmektedir.

toprakarme kenar ayak uygulaması

Şekil 1.3 : Bir toprakarme kenar ayak uygulaması (Baltimore Beltway Maryland USA)

Esenler Hal Kavşağı TEM Bağlantı Yolu

Şekil 1.4 : Esenler Hal Kavşağı TEM Bağlantı Yolu (REAŞ, 2003)

TOPRAKARME İSTİNAT YAPI SİSTEMİ

Yapı Tipleri

Toprakarme istinat yapıları genel olarak üç temel bileşenden oluşmaktadır. Bunlar:



  • Donatı
  • Seçilmiş Dolgu
  • Yüzey kaplama elemanları

Bazı toprakarme sistemlerinde dördüncü bileşen olarak panel-şerit bağlantısının elemanları da sayılabilir. Tüm sistemlerde bu bileşenlerin özellikleri dikkate alınarak dizayn yapılır.

Toprakarme sistemleri kullanılan donatı malzemesine, donatı geometrisine, yüzey kaplama elemanlarının ve bağlantılarının tipine ve çalışma mekanizmasına bağlı olarak sınıflandırılır. Donatılar çelik veya geosentetik malzemeden imal edilebilir. Şekil olarak donatılar ise şerit, kafes, kablo şeklinde olabilmektedir. Donatıların temel çalışma prensibi aşağıdaki gibi özetlenebilir:

  • Donatı yüzeyi ile dolgu arasındaki sürtünme kuvveti
  • Donatı yüzeyinde rölatif hareketin normali doğrultusunda oluşan pasif toprak basıncı
Donatı yüzeyi ile dolgu arasındaki sürtünme kuvveti

Şekil 2.1 : Donatı yüzeyi ile dolgu arasındaki sürtünme kuvveti (Mitchell, 1987)

Donatı yüzeyinde meydana gelen pasif toprak basıncı

Şekil 2.2 : Donatı yüzeyinde meydana gelen pasif toprak basıncı (Elias, 2001)

 

Geometriye göre donatılar üçe ayrılmaktadır:

  • Lineer tek yönlü donatılar: Nervürlü veya düz çelik şeritler, kaplamalı geosentetik şeritlerdir.
  • Kompozit tek yönlü donatılar: Ağ Aralığı 150 mm’ den büyük kafes tipi donatılardır.
  • Düzlemsel çift yönlü donatılar: Kaynaklı veya dikişli olabilen geosentetik elemanlardır. Ağ aralığı 150 mm’den küçüktür.

Malzeme tipine göre donatılar ikiye ayrılır:

  • Metal donatılar: Tipik yumuşak çelikten üretilir. Malzeme galvaniz veya epoksi kaplanarak kullanılır
  • Metal olmayan donatılar: Genel olarak geosentetik malzemeden imal edilirler. Polipropilen, polietilen veya polyester özellikte olabilirler.

Uzama özelliklerine göre donatılar ikiye ayrılır:

  • Uzayamayan donatılar: Göçme anındaki donatı deformasyonu, zeminin uğradığı deformasyondan daha azdır. Deformasyona izin vermeyen tipte donatılar bu sınıfa girer. Çelik donatılar buna örnektir.
  • Uzayabilen donatılar: Zemin ve donatının aynı anda veya kıyaslanabilir mertebede göçtüğü kabul edilen tipte donatılardır. Geosentetik donatılar buna örnektir.

Şerit tipi donatılı toprakarme yapıları

Bu yöntem, lineer doğrusal şerit tipi donatılarla, seçilmiş dolgu arasındaki meydana gelen sürtünme kuvveti esasına dayanır. Metal veya geosentetik şeritler, tabakalar halinde serilerek sıkıştırılan dolgu ile birlikte taşıyıcı özellik kazanır. Mukavemet mekanizması donatının imal edildiği malzemeye ve donatı geometrisine bağlıdır.

 Lineer tek yönlü metal donatı enkesiti

Lineer tek yönlü geosentetik donatı enkesiti

Şekil 2.3 : Lineer tek yönlü metal ve geosentetik donatı enkesiti (Mitchell, 1987)

Toprakarme sistemi, düz veya tırnaklı donatılar ile inşa edilen bir yapıdır. Metal veya beton kullanılarak imal edilen prekast yüzey elemanları ile şeritler birbirine bağlanır. Şartnamelerle belirlenen geoteknik özellikleri sağlayan geri dolgu malzemesi toprakarme sisteminin diğer bileşenidir.

Çelik şerit donatılara alternatif olarak toprakarme yapılarında kullanılan geosentetik şeritler, korozyonun fazla olduğu bölgelerde tercih edilebilmektedir. Prensip olarak çelik şeritli toprakarme yapılarına benzer şekilde tasarımı yapılarak imal edilirler. Geri dolgu olarak kum-çakıl boyutunda granüler malzeme kullanılır.

Kafes tipi donatılı 

Bu tip donatılar, çekme dayanımı yüksek, metal ya da polimerden imal edilen yapısal elemanlardır. Kafes tipi donatıların dikdörtgen ızgaralar halinde yatay olarak dolgu içerisine yerleştirilmesi sonucu, istinat yapısı inşa edilir. Dayanım özelliği, şerit tipi donatılar ile yapılan toprakarme duvarlarda olduğu gibi dolgu-donatı arasındaki yüzeysel sürtünme kuvveti ve şerit üzerinde meydana gelen pasif toprak basıncına bağlıdır.



Toprakarme elemanlarının şematik gösterimi

Şekil 2.4 : Toprakarme elemanlarının şematik gösterimi (ASCE, 1994)

Izgara tipi kafes donatılı istinat yapılarında, her tabakadaki donatı elemanı bükülerek bir üstteki tabakada yer alan donatı tabakasına bağlanır. Kafes donatılar bir başka toprakarme tipi olan donatılı zemin dolgularda da yer almaktadır. Bu tipte kafes yapılar prekast beton paneller ile birlikte kullanılır.

Polimerden imal edilen kafes tipi donatılar, çevresel faktörlerin uygun olmadığı korozif ortamlarda ve su etkisinde kalması öngörülen istinat yapılarında kullanılmaktadır. Yüzey kaplamasında donatıların bohçalanması yönteminin yanında gabion ve beton paneller kullanılabilir.

Tabaka tipi donatılı

Sürekli tabakalar halinde yatay doğrultuda zemine serilen geotekstiller ile dolgunun sıkıştırılması sonucu elde edilen yüksek dayanımlı kompozit yapının elemanlarıdır. Geotekstil malzemeler genelde polyester veya polipropilen özelliktedir. Kaynaklı, dikişli, reçineli geotekstil ürünler de bu donatı sınıfına girer. Toprakarme dolgu malzemesi siltli kum-çakıl boyutunda seçilmiş granüler özelliktedir.Yüzey kaplamasında genellikle bohçalama yöntemi tercih edilmektedir. Buna alternatif olarak gabion ve beton paneller de kullanılmaktadır. Geotekstil donatılar ile toprakarme duvarın yapısal elemanları bindirme, çivileme gibi bağlama yöntemleriyle birbirine sabitlenir.

Kafes Donatılı Toprakarme Yapısı tipik kesiti

Şekil 2.5 : Kafes Donatılı Toprakarme Yapısı tipik kesiti (Mitchell, 1987)

Çubuk tipi donatılı

Ankrajlı zemin olarak da isimlendirilen bu sistemde zemin-donatı arası gerilme transferi pasif dayanıma dayanır. Bu yönden geleneksel ankrajlı iksa sistemine benzer. Toprakarme prensibinde zemin-donatı arasında meydana gelecek direncin donatı boyunca meydana gelmesi beklendiğinden, bu sistem tam olarak bir toprakarme yapısı olarak tanımlanamaz. Ancak oluşan kompozit yapı, yine de dayanma yapısı özellikleri taşımaktadır. Zemin içindeki ankrajlar bu sistemde de prekast yüzey panellerine bağlanır.

Çubuk Tipi Donatılı Toprakarme Sistemi

Şekil 2.6 : Çubuk Tipi Donatılı Toprakarme Sistemi (Mitchell, 1987)

Lif tipi donatılı

Bu sistemde gelişmiş mekanik özelliklere sahip çekme dayanımı yüksek lifler, seçilmiş dolgu malzemesi ile birlikte taşıyıcı özellik göstermektedir. Zemin içinde lifler kullanılarak uygulanan iyileştirme sistemi henüz gelişiminin başındadır ve yaygın biçimde kullanılmamaktadır. Lif olarak kullanılabilecek malzeme türleri halen araştırılmaktadır. Malzeme olarak, doğal lifler, sentetik lifler (geotekstil kökenli) veya küçük boyutlu metal elemanlar kullanılabilir.

Gözenekli donatılı

Gözenekli donatılar yapısal dolguların temellerinde, zayıf zemin üzerine inşa edilecek yapı temellerinde ve şevli dolguların stabilizasyonunda kullanılabilmektedir. Bu sistemde kullanılacak donatıların laboratuvar ve sahadaki deney çalışmaları genellikle Amerika’da yapılmaktadır.

Şerit Donatılı Toprakarme Yapılar

Şerit donatılı toprakarme uygulamaları

Şeritli toprakarme sistemleri, klasik betonarme veya ağırlık tipi istinat yapılarına göre daha ekonomik bir alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Toprakarme istinat köprü kenarayaklarında, yaklaşım dolgularının ve şevlerin stabilizasyonunun sağlanmasında yaygın olarak kullanılan yapılardır. Uzun yıllar boyunca tüm dayanma yapıları betonarme olarak dizayn edilmiş ve uygulaması yapılmıştır. Bu yapıların rijit özellikte olmasından dolayı zayıf zemin koşullarında farklı oturmalara karşı risk teşkil ettikleri bilinmektedir. Taban zemininde büyük gerilmeler meydana getirmeleri, taşıma gücü problemlerine de sebep olmaktadır. Konvansiyonel betonarme istinat yapıları, bu problemlerden dolayı kazıklı temel sistemleriyle birlikte inşa edilmiştir. Zayıf zemin koşulları ve depremsellik gibi etkenler, duvar yüksekliğinin artmasıyla birlikte büyük maliyetler doğurmaktadır.

Toprakarme istinat duvarları, oturmalara karşı daha yüksek toleranslar gösterebilmesi yönünden betonarme istinat yapılarından farklı olarak ek önlemler gerektirmemektedir. Bu nedenle maliyetleri daha düşüktür. Sıkıştırılmış dolgu içine serilen donatılar ile iyileştirilmiş kompozit bir zemin kütlesi elde edilir. Donatılar arasında bulunan dolgunun akmasını önleyici bir yüzeysel kaplama sistemi yardımıyla dik eğimli ve düşey istinat yapıları güvenle inşa edilebilmektedir. Bazı durumlarda, kayma kuvvetine karşı çalışan donatılar ekstra stabilite sağlayabilmektedir. Bu durum donatıların içinde bulunduğu seçilmiş dolguya direkt olarak bağlıdır.

Toprakarme istinat yapıları zayıf zemin özelliği gösteren bölgelerde konvasiyonel betonarme istinat yapılarından çok daha avantajlı olabilmektedir. Kritik zemin koşullarında ve yüksek sismisiteye sahip bir alanda yapılacak konvansiyonel istinat sistemleri, taban iyileştirmesi için ek önlemler gerektirecektir. Esnek istinat yapıları bu koşullarda göreceli olarak daha küçük çapta önlemlerle inşa edilmektedir. İyileştirme önlemlerinin önüne geçilmesiyle toplam inşaat maliyeti %50′ ye varan oranlarda azalabilmektedir.

 



Kaynak

Tahir Yıldız

AŞIRI YÜKLEMELER ALTINDA TOPRAKARME İSTİNAT YAPILARININ
TASARIMI


Cevap Bırakın