AASHTO ŞARTNAMESİ İLE ZORLU SANAT YAPILARI VE UZUN AÇIKLIKLI FATİH SULTAN MEHMET KÖPRÜSÜNÜN DEPREM PERFORMANSI;
Otomobil sektörü hızla gelişirken, buna parelel olarak sanat yapıları ve karayolları gelişmek zorunda kalmıştır. Bu sanat yapılarını ve kompleks projelerini bir çoğumuz bilmekteyiz. Hatta forum sayfaların kurucuları Mega yapılar bölümüyle bizlerle çok güzel paylaşımlar yapmışlardır. Millau köprüsü, Oresund köprü yolu ,Alp tüneli, İzmir-İzmit yolu, Yavuz Sultan Mehmet Köprüsü vs. İnsanlığın bir sanat eserleridir. Millau köprüsünün 343 metre yüksekliğinde olması, Oresun köprü yolunun iki kıtayı birleştirmesi Alplerin içinden 60.000 metreyle tünelle geçilmesi, İzmit-İzmir karayolu Marmara denizinin üzerinden geçmesi, hakikaten şapka çıkarılacak projelerdir.
Sanat yapıları denilince akla Dünya Sanat Yapıları Şartnamelerinin başında Amerikan Karayolu Şartnamesi gelir .Bu baş harfleriyle kısaca
AASHTO’dur. AASHTO(American Associatin of State Highway and Transportation Officials)Amerikan Karayolu köprüleri ve sanat yapıları projelendirmesi ve yapımına ilişkin şartname ve kurallarını içermektedir.
AASHTO Şartname açıklığı 150 metreyi geçen köprüleri kapsamamaktadır. Oldukça çok kapsamlı olan AASHTO şartnamesini genel bir bakışla inceleyelim. Yönetmelik ABD yer ivmesine göre
I. esas köprüler ve II.diğer köprüler olmak üzere ikiye ayrılır.Köprüler A-B-C-D sınıflarına bölünmüştür. A sınıfı deprem etkisi önemsizdir. D sınıfı köprüler ise depremde en fazla bu önemli olmaktadır. Bu tanımlar deprem yönetmeliğimizde Z-1,Z-2,Z-3,Z-4 olarak karşı gelmektedir.
Bu zemin türlerini bir S katsayısı ile etkilemektedir. (S) ikiden fazla mesnet üzerinde sürekli olan döşemelerin eğilme momentlerinin ve yük dağılımlarının hesaplanmasında kullanılır (AASHTO 3.24.1.2). Öngermeli önçekim prekast kirişlerin üst flanş genişliğinin minimum kalınlığa oranının 4'e eşit veya 4'ten büyük olması durumunda "S" kiriş üst flanşları arasındaki net mesafe ile kiriş üst flanş genişliğinin yarısının toplamına eşittir. Bu oranın 4'ten küçük olması durumunda, "S" sadece üst flanşlar arasında kalan mesafe kadar olmalıdır (AASHTO 3.24.1.2). Burulma rijitliğinin küçük değerleri için "S" kiriş aks aralığı "bw" kadar alınabilir. Burulma rijitliğinin büyük değerleri için ise "S’’ kirişler arası net mesafe olmalıdır.
Yapının titreşim periyodu T,eşdeğer deprem yükünü T⁰·⁸yerine T⅔ etkilemektedir. Bu durumda elastik deprem davranış katsayısı Cˢ=1.2A.S/ T⅔ tanımlanmıştır.
Cˢ katsayısı en çok 2.5A değerini almaktadır. Deprem yönetmeliğimizde taşıyıcı sistem davranış katsayısına karşı gelen davranış değiştirme katsayısı da burada yine sistemin sünekliğine bağlı olarak verilmiştir. Duvar türünden köprü ayakları için R=2,çerçeve türü ayaklar için R=5 olarak öngörülmüştür. Bağlantılarda R değeri 0.8-1.0 arasında değişmektedir. AASHTO yönetmeliğinde ,yük birleştirmeleri için ayrıntılı bir tablo vardır.
Deprem yükü gözönüne alındığında hareketli yükler, rüzgar sıcaklık ve büzülme etkileri yük birleştirmelerine katılmaktadır., Köprülerin kenar ayak, orta ayak mafsal bölgelerinde, kirişlerin mesnetlere oturma boyları, köprü sınıfına, açıklığına ve ayak yüksekliğine bağlı olarak tanımlanmıştır. Depremde pek çok köprüden mesnet bölgelerinin yeterli uzunlukta olmaması nedeniyle köprünün yapısal hasar görmemesine rağmen kayıp düştüğü ve büyük hasar meydana geldiği için bu sefer mesafeler önem taşımaktadır.
AASHTO yönetmeliğinde çözümleme esasları şu şekildedir. a.)Düzgün yayılı yük yöntemi, b.)Tek modlu spekturm çözüm yöntemi, c.)Çok modlu spektrum çözüm yöntemi, d.)Zaman alanında çözüm yöntemi. olarak dört şekildedir. Temel hesaplarında deprem yüklerini içeren yükleme için ,temelin orta noktasına kadar zeminden ayrılması kabul edilebilir.Fakat bu durum gerilmeler bakımından zemin dayanım sınırını aşmamalıdır.
Sanat yapılarının cins ve kullanış şekillerine göre bakarak ve bilgi dağarcığımızı hep beraber tazeleyerek , aşağıda tariflere göz atalım.
Dere ekseni: Tesisin yapılacağı yerdeki dere yatağının akış istikametinde tam ortasından geçen eksendir .
Menfez ve köprü ekseni:Karşıdan karşıya yolun ortasından geçen eksendir. Köprü ricatlarıyla beraber boyuna kesiti tam ortalamaktadır.
Verevlik açısı:Dere ekseni ile köprü ekseninin kesiştikleri noktadan dere eksenine çıkılan dikle, köprü arasında kurulan açıdır .
Mesnet ekseni: Tabliye ve kirişten gelen yüklerin mesnet bandına intikal ettiği noktaları birleştiren düşey eksendir .
Mesnet aralığı (l) :Mesnet eksenleri arasındaki mesafedir.
Serbest açıklık (s) : Karşılıklı her iki ayağın mesnet bandları iç kenarlarının arasındaki mesafedir. Mesnet ekseninin, mesned bandı kenarına kadar olan mesafenin iki katının mesnet açıklığından çıkarılması ile bulunur. İnşaat anında ayaklar arası açıklığın kontrolü bununla yapılır .
Menba ve mansap: Suyun tesise geliş istikametine menba, çıkış yerine mansap denir .
Talveg hattı: Dere mecrasının köprü eksenine rastlayan en derin noktasından geçen yatay hattır. Temel üst seviyesi bu hattın mutlak surette en az 50 cm. altında olacaktır .
Afuyman: Suların feyezan halinde dere yatağında meydana getirdiği oyuntulara denir. Temel alt yüzeylerinin afuyman sahasının altındaki sağlam zemine indirilmesi şarttır. Afuyman, bilhassa derenin kendisinin getirdiği yığma (teressübat) tabakalarında çok görülür.
Akacak su seviyesi (a.s.s.) :Suyun en az olduğu seviyeye denir. Proje çiziminde gösterilir .
Yüksek su seviyesi (y.s.s.) :Feyezan halinde ve 40 – 50 senede bir defa dahi olsa , tesisin yapılacağı dere yatağında suyun en çok yükseldiği seviyedir .
Temel: Tesisin yüklerini zemine intikal ettiren kısımdır.
Elevasyon: Temelin üst yüzeyinden mesnet bandı alt katına kadar olan kısma denir. Elevasyon temelde bir bütün teşkil edecek şekilde inşa olunmalıdır .
Ayak: Temel, elevasyon, mesnet bandı ve ricatlardan teşekkül eden bir bütündür. Kenar ve orta ayaklar şeklinde ifade olunur .
Ricat duvarı:Ayakların geriye doğru olan uzantılardır. Ayakların yüksek olan mukavemetlerini ve dolgu toprağını tutmasını temin eder .
Kanat duvarları: Yaklaşım dolgularını tutmak ve suların bu dolgulara zarar vermesini önlemek amacıyla inşa edilen kargir veya beton duvarlardır. Boyutları istinat duvarları kısmında verilen ölçülere göre hesaplanarak inşa olunur.
Rötret hattı: Temelin üst yüzeyine denir. Talveg hattından asgari 0.50 –1.00 m. aşağıda olarak projelendirilir .
Tabliye (üst yapı) : Ayakların üzerinde ve mesnet bandına oturan esas kiriş, orta kiriş, kenar kiriş, bordür, korkuluk ve döşemeden oluşur.
Mesnet bandı: Elevasyonun üzerinde ve esas kirişlerin oturduğu 350 kg. Dozajlı betonarme kısımdır. Tabliyeyi ve üzerinden geçen yükü taşıyan kısım olduğundan beton, tazyike karşı olan gücünü arttırmak için demirle yapılır. Hatta Esas kirişlerin tam mesnet noktalarında mukavemeti fretlerle arttırılır (fret, Esas kiriş uçlarının altlarına konan helezon demirdir.). Menfezlerde sadece kirişlerin başlarına, köprülerde band boyunca depremlere dayanması ve kirişlerin boyuna olarak fırlamaması için arkasına Perde denen betonarme dayanak yapılır .
Boylama kiriş (esas – ana kiriş) : Tabliye üzerindeki sabit ve hareketli yükleri mesnet bandları üzerine ve dolayısıyla ayaklarına intikal ettiren taşıyıcı kirişlerdir.
Kenar ve orta kirişler (enleme – arzani kirişler) : Kenar kirişler her iki kenar ayaklarının üzerinde olup esas kirişleri birbirine bağlar. Ancak esas kiriş gibi mesnet bandına oturmaz. Orta kirişler mesnet açıklığına bağlı olarak bir veya birkaç tane olur. Her ikisinin de taşıyıcı özelliği vardır ve üst yükleri dağıtmış olurlar.
Hattı fasıl: Esas kirişleri ve dolayısıyla üst yapının mesnet bandı perdesiyle arasında kalan boşluktur. Bu boşluk, deprem tabliyenin ileri geri hareket etmesini sağlayacak şekilde emniyet payı olarak konur. Korkuluklar dahi bu kısma ayrık olarak yapılır. Bu boşluk, su sızıntılarının betona zarar vermemesi amacıyla, köprü eninde, içi kömür cürufu ile doldurulmuş bakır levhalarla kaplanıp, tabliye üstünde lama demirleriyle örtülür.
Ampatman (tırnak) : Elevasyonun, temel yüzeyinde daha geniş bir alana oturmasını sağlamak amacıyla bırakılan çıkıntılardır.
Köprülerde hareketli ve sabit mesnetler: Deprem anında üst yapının elastikiyetini temin için esas kirişler mesnet bandı üstünde hareket edebilecek şekilde yapılır. Yani esas kirişlerin mesnet bandına oturduğu yere kurşun, bakır veya kauçuklu mesnet (neopren mesned) levhalar konur. Kiriş deprem anında bunun üzerinde gider-gelir. Mesnet bandının arkasındaki perdede boşluk (hattı Fasıl) olduğundan hareket temin edilir. Bakır levhalar yerine, içinde çelik ince levhalar bulunan kauçuktan yapılmış neopren denen mesnetler bugün daha fazla kullanılmaktadır. Ayrıca mesnet bandı üzerine konulan pandül’lerin üzerine esas kirişler oturtularak hareket temin edilir (pandül: takoz halinde, dört köşeli ve 450 kg. Dozlu demirli betondur. Pek kullanışlı değildir.).
Bordür:Tabliyenin üstünde ve köprü eninin her iki tarafından yayaların yürümesi için yapılan demirli beton kısımlardır. Üstüne korkuluk yapılır .
Garguy:Tabliye üzerindeki suların betona zarar vermemesi için akıtılmasında kullanılan pik veya plastik borulara denir.
Dilatasyon (ayrım) : Kargir ayaklarda, temel zemin emniyet gerilmesinin değişik olduğu hallerde ricat ile ayak, temelden itibaren ayrı ayrı örülüp arada 2cm. veya daha fazla boşluk bırakılır. Bu boşluğa dilatasyon denir. Beton ayaklarda dilatasyon bulunmaz .
Gido: Köprü ayaklarının daima suya paralel yapılması arzu edilir. Dere yatağından akan suyun köprü ayaklarına paralel gelmediği ve kenar ayaklarının arka yüzeylerine çarparak afuymana sebebiyet verdiği hallerde yatakta suyun akışını köprüye doğru yöneltmek maksadıyla yapılacak imalata gido denir. Suya paralel olarak kargir veya betondan veya kargirin betonla kaplanması suretiyle İnşa olunurlar .
Kardökon:Köprü başlarında yani kenar ayaklarda yaklaşım dolgularını tutan ve su tesirlerine karşı koruyan, taş, beton, kaplama veya taş doldurulmuş kafes tel sandıklardan yapılmış koruyucu bir inşaat tarzıdır .
Guse (pah) :Köprü tabliyelerinin alt yüzeyinin kirişte oturduğu yerlerdeki eğime guse denir.
Deprem takozu:Ana kirişler ve dolayısıyla tabliyenin, depremin köprü enine doğru olan tesirlerini karşılamak amacıyla mesnet bandlarının kenarlarına yapılan betonarme takozlardır.
İskele:Menfez veya köprülerde, döşenecek demir ve dökülecek betonu priz müddetince taşıyacak olan yapıdır. Ahşap veya demirden yapılır.
Yaklaşım dolgusu:Köprü ayak arkasına köprü üst kotu ile yol kotunu birleştirmek için yapılan dolguya denir .
Parafuy: Menfezlerde, menba ve mansap tarafındaki oyulmaları önlemek İçin yapılan tesislere denir.
Menfez; Sürekli olarak akan yada yağış sonucu oluşan küçük akarsuları yol gövdesinin bir tarafından diğer tarafına geçirmede kullanılan hidrolik sanat yapılarına denir.
Viyadük; Vadi, ırmak üstünden , demir yolunun veya kara yolunun geçişini sağlayan, ayaklar üzerine oturtulmuş yüksek ve uzun köprüdür. Artık günümüzde gelişen karayolları sonucu eğimin max %6 ve kurplarında geniş açı ile aynı eksende düşünülmesi sonucu sanat yapılarını daha kompleksli hale getirmektedir.40 ve 50 yıl önce bir menfez döşemesinin kalınlığı ortalama 40 cm .se şimdi ise yapılması gereken bir karayolu projesinde menfez kalınlığı 100-110 cm kadar olmaktadır. Ayrıca menfez üzerinde dolgu zeminlerde buna mükabil oldukça daha fazla olmaktadır. Ortalama kotu bozmamak adına yapılan çalışmalar sanat yapılarını muhteşemleştirmiştir.
Menfezler büyümekte ve viyadükler çok açıklıklı olmaktadır. Örneğin Türkiye’mizde 3.Yol köprü şantiyesinde yapılmış olan bir menfezin döşeme kalınlığı 1.00 metrenin üzerinde olup 35 metreye yakında üst dolgusu bulunmaktadır.(Aşağıda şekilde görüldüğü gibi) Geniş şeritli , eğimi az olan karayollar ve beton yollar kıtalar arasını birleştirdiği gibi uzaklıklarıda yakın etmektedir. Tabii çevresel ve doğa etkilerden etkilenen projelerde de bazen üzüntülü anlarda olmaktadır. Tıpkı Tacoma köprüsü gibi.
OTDÜ öğretim görevlilerin yaptığı çalışmalara dayanarak çok açıklıklı köprülerin deprem performansını ana hatlarıyla inceleyecek olursak ve bunun içinde en iyi örnek olarak da, ülkemizde bulunan Fatih Sultan Mehmet Köprüsünü irdeleyelim. Fatih Sultan Mehmet Köprüsü 1090 mt.’lik ana açıklığa ve 210 mt’lik kenar açıklıklara sahiptir. Kenar açıklıklarda tabliye bulunmamaktadır. Köprü 110 mt. yüksekliğinde çelik kulelere, düşey askılara ve aerodinamik forma sahip çelik kutu kesitli tabliyeye sahiptir. Düşey kuleler ikişer adet yatay kiriş ile birbirine bağlanmış olup, köprünün taşıyıcı ana kabloları, her bir kulenin en üstünde yer alan kablo semeri üzerinden geçirilmiştir. Nihai durumda ana kablo çapı orta açıklıkta 0.77mt., kenar açıklıklarda ise 0.80 mt.’dir. Tabliye Boğaziçi köprüsünde olduğu gibi ortotropik, berkitmeli panellerden oluşan aerodinamik en kesitli kapalı kutu şeklindedir.
Projelendirme aşamasında deprem hesabı için deprem ivmesi yatayda 0.1g, düşeyde 0.05g olarak alınmıştır. Deplasmanların maksimum olduğu tabliye uçlarında yol yüzeyinin sürekliliği özel genleşme derzleri ile sağlanmıştır. Fatih Sultan Mehmet Köprüsü 2-Boyutlu sonlu eleman modeli 145 adet düğüm noktasından, 142 adet kiriş elemandan ve 60 adet kafes elemandan oluşmaktadır. Seçilen sonlu eleman modeli 418 serbestlik derecesi ile temsil edilirken, sönüm oranı %5 olarak alınmıştır. Deprem hareketi değişim bileşenlerinin ayrı ayrı dikkate alındığı analizler ile Fatih Sultan Mehmet Asma Köprüsü için denklemi ile hesaplanan ortalama maksimum tabliye düşey yer değiştirmeleri karşılaştırılmaktadır.
Korelasyon etkisi dikkate alınarak elde edilen yer değiştirmeler genellikle en büyük olurken, zemin cinsinin yumuşak kabul edildiği Asya Kıtasındaki mesnet noktalarında zemin etkisi dikkate alınarak elde edilen çözümlerin en büyük olduğu gözlenmektedir. Bunun yanında zemin etkisinin dikkate alınması durumunda zemin cinsinin sert olarak kabul edildiği Avrupa Kıtası tarafındaki yer değiştirmeler genellikle en küçük olmaktadır. Dalga yayılma etkisi için elde edilen yer değiştirmeler ise genellikle üniform yer hareketi kabulü ile elde edilen yer değiştirmelerden daha büyük, korelasyon etkisi için elde edilen sınır değerleri daha küçük olmaktadır. Bu karşılaştırmada deprem hareketi değişim bileşenlerinin ihmal edildiği ve zeminin homojen orta zemin cinsi kabul edildiği üniform yer hareketi modeli referans model olarak dikkate alınmaktadır. Köprü açıklığı boyunca en büyük yer değiştirmenin elde edildiği noktada korelasyon ve dalga ayılma etkileri için elde edilen yer değiştirmeler üniform yer hareketi modeli için elde edilen yer değiştirmeden sırasıyla %21.2 ve %12.8 daha büyük olurken, zemin etkisi için elde edilen yer değiştirme %19.7 daha küçük olmaktadır.
Burada korelasyon etkisi için elde edilen tepki değerleri en büyük olurken, zemin etkisi için elde edilen tepki değerleri en küçük olmaktadır. Dalga yayılma etkisi için elde edilen tepki değerleri ise üniform yer hareketi için elde edilen sonuçlardan daha büyük çıkmaktadır. Kule taban noktasında korelasyon ve dalga yayılma etkisi için elde edilen eğilme momenti değerleri üniform hareket için elde edilen eğilme momentine oranla sırasıyla %87 ve %46 oranlarında artış gösterirken, zemin etkisi için elde edilen yer değiştirme değeri %28 oranında azalmaktadır.
Deprem hareketindeki değişime neden olan korelasyon, dalga yayılma ve zemin etkilerinden her birinin köprü sistemlerinin dinamik davranışları üzerindeki etkileri belirlenmeye çalışılmıştır. Her bir köprü sistemi için tabliye ve kulelerde elde edilen ortalama maksimum tepki kuvvetleri yer hareketinin özel durumları için deprem hareketi değişim bileşenlerinin ihmal edildiği ve zeminin homojen kabul edildiği üniform yer hareketi modeli için elde edilen sonuçlarla karşılaştırılmıştır.
Dikkate alınan asma köprünün dinamik davranışı incelendiğinde, deprem hareketi değişim bileşenlerinin dinamik davranış üzerinde önemli etkilerinin olduğu gözlenmektedir. Özellikle korelasyon etkisinin dinamik davranış üzerindeki etkisi ön plana çıkarken, dalga yayılma etkisinin de tepki bileşenlerini referans analiz olarak dikkate alınan üniform yer hareketi modeline oranla artırdığı gözlenmektedir. Bunun yanında zemin etkisi için elde edilen tepki değerleri üniform yer hareketi modeline oranla azalma göstermektedir. Kablolu köprü sisteminin dinamik davranışı incelendiğinde, asma köprü için elde edilen değişime benzer olarak, deprem hareketi ile değişim bileşenlerinin kablolu köprü dinamik davranışı üzerinde önemli etkilerinin olduğu anlaşılmaktadır. Özellikle korelasyon ve dalga yayılma etkilerinin dinamik davranış üzerindeki etkileri ön plana çıkarken, zemin etkisi için elde edilen tepki değerleri genellikle üniform yer hareketi modeli için elde edilen tepki değerlerine yakın olmaktadır.
Ayrıca zemin etkisi için zeminin yumuşak olarak dikkate alındığı mesnet noktalarında yer değiştirme değerleri en büyük olurken, zeminin sert olarak belirlendiği mesnet noktalarında yer değiştirme değerleri en küçük olmaktadır. Kemer köprü sisteminin dinamik davranışı incelendiğinde, deprem hareketi değişim bileşenleri için elde edilen değişimin asma ve kablolu köprü sistemleri için elde edilen değişimden biraz daha farklı olduğu anlaşılmaktadır. Kemer Köprü sistemi için deprem hareketi değişim bileşenleri için elde edilen tepki değerlerinin, referans analiz olarak dikkate alınan üniform yer hareketi modeli için elde edilen tepki değerlerine oranla daha küçük olduğu ortaya çıkmaktadır. Zemin etkisi için belirlenen tepki değerlerinin ise yine diğer köprü sistemlerinde en küçük olduğu, bunun yanında korelasyon etkisi için elde edilen tepki değerlerinin genellikle dalga yayılma etkisi için elde edilen tepki değerlerinden daha büyük oluğu gözlenmektedir.
Deprem hareketi değişim bileşenleri dikkate alınarak elde edilen tepki değerleri, üniform yer hareketi modeli için elde edilen tepki değerlerinden daha küçük veya daha büyük olabilmektedir. Deprem hareketi değişim bileşenlerinin genellikle daha büyük tepki değerlerine neden olacağı ortaya çıkarken, dikkate alınan köprü sisteminin dinamik özellikleri, tepki değerinin hesaplandığı köprü bölümü, dikkate alınan tepki cinsi ve köprü sisteminin doğal frekanslarının deprem hareketi doğal frekanslarına yakınlığı üniform yer hareketi modeli için en büyük tepki değerlerinin ortaya çıkmasına neden olabilmektedir.
Deprem hareketi değişim bileşenleri için elde edilen tepki değerlerinin üniform yer hareketi modeline oranla %87 mertebelerine varan oranlarda daha büyük ve %52 mertebelerine varan oranlarda daha küçük tepki değerleri verdiği zaman ve dolayısıyla deprem hareketinin değişim bileşenlerinin uzun açıklıklı köprü sistemlerinin tasarımında oldukça önemli olabileceği gözlemlenmektedir. Bu nedenle dikkate alınan uzun açıklıklı köprü sistemlerinin dinamik analizlerinde deprem hareketinin değişim bileşenlerinin dikkate alınması daha gerçekçi bir yaklaşım olacaktır.
Teşekkürederim..
08.11.2014
Ahmet Özürün
İnşaat Mühendisi
Kaynaklar; 1.)AASHTO şartnameleri,
2.)Prof.Dr.Zekai Celep ve Prof.Dr.Nahit Kumbasar Deprem Mühendisliğine giriş,
3.)ODTÜ makaleleri,
4.)Orman Bakanlığının makaleleri, 5.)1.Köprü ve Viyadükler Sempozyumu Antalya-2007
6.)3.Yol Köprü projelerin Sap 2000 çözümleri ve ekleri.
Benzer Başlıklar (1)
29 Ocak 2018, 17:08:42