View
21
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
BARET KAZIKLI RADYE TEMELLERİN ÜÇ BOYUTLU
SONLU ELEMANLAR ANALİZİ
3D FINITE ELEMENTS ANALYSIS OF BARRETTE PILED RAFT
FOUNDATIONS
Halil Murat ALGIN*1
Arda Burak EKMEN2 Levent YENMEZ
3
ABSTRACT The use of raft foundation systems built on the barrette pile groups is preferred in practice
especially for high-rise buildings, and the settlement analysis of this foundation system is
becoming a new challanging research area for the geotechnical engineering design. The
foundation systems of the Donau City (DC) towers in Vienna that are the longest skyscraper of
Europe have been modeled in detail to demonstrate that the three-dimensional (3D) models of this
foundation stysyem can be conducted realistically using the noval image processing techniques.
Since these two skyscrapers are very close to each other, the influence of these two foundation
systems on each other has been investigated. The 3D finite element (3D FE) models developed
within the scope of this research have been analyzed together with the neighboring piled raft
system. The obtained settlement results are compared with the actual measurement values. The
presented paper provides to take this advanced modeling one step forward by introducing the
novel image processing technique to these complex foundation systems. Paper validates this
technique in order for its application to more general design cases and such a complex soil-
structure interaction solutions.
Keywords: Barrette piled raft, Image processing, Finite elements analysis, 3D modelling,
Settlement analysis.
ÖZET Baret kazık grupları üzerinde inşa edilen radye temel sistemlerinin kullanımı, özellikle
uygulamada yüksek katlı yapılar için tercih edilmekte olup, bu temel sisteminin oturma
analizlerinin yapılması, geoteknik mühendisliği açısından yeni bir bilimsel mücadele alanı
olmaktadır. Bu temel sistemlerinin sayısal üç boyutlu (3B) modellerinin görüntü işleme tekniğiyle
daha gerçekçi olarak yapılabildiğini göstermek amacıyla, Viyana'daki Avrupa’nın en uzun
gökdelenlerinden biri olan Donau City (DC) kulelerinin temel sistemleri ayrıntılı bir şekilde
modellenmiştir. Bu iki gökdelen birbirlerine oldukça yakın olduklarından bu iki temel sisteminin
birbirlerine etkisi incelenmiştir. Bu araştırma kapsamında geliştirilen üç boyutlu sonlu elemanlar
(3B SE) modelleri sayesinde, geoteknik mühendisliğinde önemli bir temel çeşidi olan baret
kazıklı radyelerin oturma analizleri, komşu kazık sistemiyle birlikte analiz edilmiştir. Elde edilen
oturma sonuçları gerçek ölçüm sonuçlarıyla kıyaslanmıştır. Bu bildiride sunulan analizler
sayesinde, literatürde daha önce sunulan 3B SE analizi geliştirilerek oturma analizlerinin daha
hassas olarak ileri bir geometrik modelleme tekniği ile yapılabileceği açıklanmıştır.
Anahtar Kelimeler: Baret kazıklı radye, Görüntü işleme, Sonlu elemanlar analizi, Üç boyutlu
modelleme, Oturma analizi.
*1 Prof. Dr., Harran Üniversitesi, hmalgin@harran.edu.tr (Yazışma yapılacak yazar) 2 Arş. Gör., Harran Üniversitesi, ardaburakekmen@harran.edu.tr 3 Y.Lisans Öğrencisi., Harran Üniversitesi, leventyenmez@harran.edu.tr
505
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
mailto:ardaburakekmen@harran.edu.tr
1. GİRİŞ
Viyana’daki Avrupa’nın en uzun gökdelenlerinden biri olan Donau City kulelerinin derin
temel sistemleri ve etkileşimleri bu bildiri kapsamında sonlu elemanlar metoduyla analiz
edilmiştir. Kuleler birbirine çok yakın konumlandırılmış olduklarından, bu iki kulenin
etkileşimi incelenmiştir (Şekil 1). Temel sistemi, önceki çalışmalarda (Adam ve Markiewicz,
2013; Tschuchnigg ve Schweiger, 2013; Martak ve diğ., 2007; Tschuchnigg ve Schweiger,
2010; Tschuchnigg ve Schweiger, 2011) ifade edilen proje detayları dikkate alınarak, Algin
(2016 ve 2017) tarafından tanıtılan görüntü işleme tekniği kullanılarak modellenmiş ve üç
boyutlu sonlu elemanlar (3B SE) modellerinin oturma analizleri gerçekleştirilmiştir. Elde
edilen analiz sonuçları, önceki çalışmalar ve arazi ölçüm sonuçları ile kıyaslanmıştır.
Şekil 1. Donau City Kuleleri, Viyana
Yakın zamanda inşa edilen Viyana’daki DC kulelerinden birincisi Avrupa’nın en yüksek
gökdeleni olup, birinci kule 220 m ve ikinci kule 168 m yüksekliğe sahiptir. İki kule
arasındaki mesafe, Şekil 2’deki temel planından da görülebileceği üzere, 24 m olarak
projelendirilmiştir. İki kulenin temel sistemlerindeki radyenin inşası için yapılan kazı derinliği
6.6 m civarındadır (Şekil 3). Bu yapılarda kullanılan temel radye ve kazık sistemleri Şekil
2’de sunulmuştur. Şekil 2’den görüleceği üzere derin temel sistemi pek çok baret ve
Continuous Flight Auger (CFA) kazık uygulaması içermektedir. Sonlu elemanlar
modellemesinde temel alınan zemin profili (Martak ve diğ,. 2007) Şekil 3’te sunulmuştur. Her
ne kadar, bu zemin profilinde sondaj kuyuları arasında farklılıklar görünmüş olsa da, temel
anlamıyla tabakalı bir zemin tanımına uygun ortak profil Şekil 3’te gösterildiği gibi
tanımlanabilir.
506
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
Şekil 2. Kulelerin Konumları, Yeraltı Otoparkı ve Kazık Temellerin Yerleşimleri
Bu çalışmada modellenen Viyana’daki Donau City kulelerinin baret ve CFA kazıklı derin
temel sistemleri Adam ve Markiewicz (2013), Tschuchnigg ve Schweiger (2013)
çalışmalarındaki geometrik veriler esas alınarak modellenmiştir. Şekil 2’de görülebileceği
üzere, temel sisteminde 20 m, 25 m ve 30 m olmak üzere farklı uzunlukta baret kazığı inşa
edilmiştir. CFA kazıkları 20 m uzunluğunda uygulanmıştır. CFA ve Baret kazıkları
betonarme olarak diyafram duvar ile yerinde imal edilmiştir. Diyafram duvar kalınlığı 0.8 m
olup kazıklar 0.8 m çapındadır. Tablo 1’de çalışmada kullanılan malzemelerin özellikleri
gösterilmiştir. Şekil 2 ve 3’te kazıklı derin temel sistemi ve kazık derinliklerine göre
kazıkların yerleşimi görülmektedir. Şekil 2’de görülebileceği üzere, birinci kulenin baret
kazıklarının yerleşiminin ve boylarının tasarlanmasında ikinci kulenin birinci kulenin
oturması üzerinde oluşturacağı etkileri azaltıp birinci kule için üniform bir oturma davranışı
elde etmek amacıyla baret kazık boyu olarak 20 m, 25 m, 30 m ve 25 m sıralaması
kullanılmıştır (Tschuchnigg ve Schweiger, 2010; Tschuchnigg ve Schweiger, 2011).
507
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
Şekil 3. 3B SE Modellemesi Yapılan Zemin Profili
Tablo 1. Malzemelerin Özellikleri Malzeme
n (kN/m3) E (MPa) 'c (MPa) ' (
o)
Siltli Kum (MC) 19.5 32 0.2 0.022 32
Çakıl (MC) 21 120 0.2 0 33
Kum (MC) 19 35 0.2 0.015 30
Dolgu (MC) 21 120 0.2 0 33
Diyafram Duvar (LE) 25 33000 0.2 - -
İnce Radye Temel (LE) 25 33000 0.2 - -
Kalın Radye Temel (LE) 25 33000 0.2 - -
CFA Kazıkları (LE) 25 33000 0.2 - -
Baret Kazıklar (LE) 25 33000 0.2 - -
2. ÜÇ BOYUTLU SONLU ELEMANLAR ANALİZİ
Algin (2016 ve 2017) tarafından açıklanan görüntü işleme tekniği kullanılarak gerçekleştirilen
3B SE ağ modeli Şekil 4’te sunulmuştur. Bu model ağ yaklaşık 1.5 milyondan fazla dört
üçgen yüzlü hacimsel element ihtiva etmekte olup, kazık grupları ve radye temel etrafında
element sıklaştırılması yapılarak global element sayısı azaltılmaya çalışılmıştır. Oturma
analizleri açısından model sınırları Şekil 4’te gösterildiği gibi tasarlanmıştır. Modelin
derinliği 90 m olup, kazık boylarının uzun olmasından dolayı bu model derinliği
kullanılmıştır. Model oluşturulurken inşa aşamalarının etkisi dikkate alınmamış olup son
aşama modellenmiştir. Ancak başlangıç gerilmeleri dikkate alınarak analiz yapılmıştır. Önce
diyafram duvar ve kazı modellenmiş ancak kazı içine akış, modele dahil edilmemiş ve sızma
analizi yapılmamıştır. Baret ve CFA kazıklar aynı aşamada modellenmiş olup zamana bağlı
deformasyon analizi yapılmamıştır. Ancak efektif parametreler kullanılarak efektif analiz
yapılmıştır. Modelde, kazık yüzeyleri ve zemin arasındaki etkileşimi tanımlamak için
508
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
Coulomb sürtünme katsayısı 0.7 olarak alınmıştır. Şekil 2‘de gösterilen DC Kule I’in kalın
radye temeli için 1700 kPa ve çevreleyen diğer bölge için 200 kPa; DC Kule II’nin kalın
radyesi için 1000 kPa ve çevre radye temel için 200 kPa olarak temel yükleri üniform basınç
şeklinde uygulanmıştır. Yüklerin belirlenmesinde binanın kendi ağırlığı ve bina üzerine
gelecek hareketli yükler dikkate alınmıştır. Model boyutları Şekil 4’te görülebileceği üzere
361 m 321 m 90 m olup, zeminin malzeme özellikleri Şekil 3’te sunulan tabaka sistemine
bağlı olarak derinliğe bağlı değişmektedir. Şekil 5’de geliştirilen model ağın alttan yakın
olarak görünümü sunulmuş olup, temel sistemlerindeki 20 m, 25 m ve 30 m olmak üzere
farklı boylardaki baret kazıkları, diyafram duvar sistemleri, CFA kazıkları ve radyeler ağ
olarak yakından görülmektedir.
Şekil 4. Modellenen Zemin ve Temel Sistemlerinin Genel Görüntüsü
Şekil 5. Kazık Sisteminin Alttan Görünüşü
509
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
Yük tanımlama işleminin ardından modele sınır koşulu tanımlanmıştır. Modelin tabanı ve yan
yüzeyleri her yönden mesnetlenmiş ve hareketi Şekil 6’da gösterildiği gibi sınırlandırılmıştır.
Yapılan analiz sonucunda elde edilen oturma sonucu Şekil 7’de sunulmuştur. Abaqus
programı kullanılarak tamamlanan analizler sonucunda elde edilen oturma değerleri
incelendiğinde yüklerin radye temeller üzerine üniform olarak uygulanmalarına rağmen baret
ve CFA kazıklarının yerleşimleri ve uzunluklarındaki değişimlerde kullanılan yöntem sebebi
ile maksimum oturmaların merkezin dışına doğru kaydığı görülmektedir. Kulelerin birbirine
bakan cephelerinin altına yerleştirilen kazıkların boylarının uzun tutulmasının ve kulelerin
diğer cephelerinin altına yerleştirilen kazıkların boylarının nispeten kısa tutulmasının temel
amacı, kulelerin bir biri üzerlerindeki etkilerini azaltmak, kulelerin arasındaki bölgede yüksek
diferansiyel oturmalar oluşmasını engellemek ve üniform oturmalar elde etmek şeklinde ifade
edilmiştir. (Tschuchnigg ve Schweiger, 2010; Tschuchnigg ve Schweiger, 2011). Analizler
sonucunda elde edilen oturma değerlerine bakıldığında kulelerin arasındaki bölgede daha
düşük oturma değerleri elde edildiği ve tasarım aşamasında amaçlanan hedefe kısmen
ulaşıldığı görülmektedir. Analizler sonucunda birinci kulenin altında 76 mm maksimum
oturma değeri elde edilmiştir (Şekil 7).
Şekil 6. Geliştirilen Modelin Sınır Koşul Uygulaması
Analizler sonucu elde edilen bulgular, Adam ve Markiewicz (2013) tarafından yapılan analiz
sonuçları, birinci kulenin yapımının ardından yerinde yapılan ölçüm sonuçları (Şekil 7) ve
Tschuchnigg ve Schweiger (2013) tarafından yapılmış nümerik analiz bulguları ile
kıyaslanmıştır (Şekil 7). Şekil 7’de görülebileceği gibi elde edilen maksimum oturma değeri
daha önce elde edilen sonuçlarla uyumludur. Oturma ölçümleri inşaat tamamlandıktan 1 yıl
sonra temel düzeyinde ölçülmüş olup referans alınan kaynaklarda ne tür bir ölçüm cihazı ile
ölçümlerin yapıldığına dair bir bilgiye rastlanılmamıştır. Adam ve Markiewicz (2013)
tarafından raporlandığı üzere, birinci kulenin inşasının tamamlanmasının ardından yerinde
yapılan ölçümler sonucunda 41 mm oturma oluştuğu belirtilmiştir. Ancak oturma
ölçümlerinin yapıldığı sırada kulenin henüz kullanılmaya başlanmadığı ve bu sebeple kule
üzerine gelecek olan hareketli yüklerin henüz tamamlanmaması sebebiyle, nümerik
analizlerde etkitilen yükten daha az bir yükün zemine etkimesi, dolayısıyla kulenin kullanıma
başlanmasının ardından, bu oturmanın 55-60 mm değerlerine yaklaşabileceği belirtilmiştir.
Şekil 7’de önceki çalışmalar ile bu çalışma kapsamında elde edilen sonuçların kıyaslanması
görülmektedir. Her üç çalışma kıyaslandığında, Adam ve Markiewicz (2013) çalışması ile bu
510
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
çalışma sonucu, neredeyse aynı maksimum oturma değerlerinin elde edildiği, Tschuchnigg ve
Schweiger, (2013)’nin bulduğu değerden ise yaklaşık 11 mm daha az bir maksimum
oturmanın hesaplandığı görülmüştür. Diğer çalışmalardan farklı olarak bu çalışmada, Algin
(2016 ve 2017) tarafından tanıtılan görüntü işleme tekniği kullanılarak modelleme yapılmış ve
3B SE oturma analizleri gerçekleştirilmiştir.
Şekil 7. Analizler Sonucunda Elde Edilen Oturmalar ve Ölçüm Sonuçlarıyla Kıyaslama
3. SONUÇLAR
Bu çalışmada dikkate alınan değişik uzunluklardaki baret ve CFA grup kazıkları, diyafram
duvar sistemi ve radye temel sistemlerinin beraber düşünüldüğü karmaşık temel
uygulamalarında, komşu temelleri de dikkate alacak şekilde gerçekçi senaryoların, görüntü
işleme tekniğiyle 3B modellerinin yapılarak sonlu elemanlar modellerinin gerçekçi bir şekilde
oluşturulabileceğini göstermiştir. Yapılan analizler gerçek ölçüm sonuçlarına yakın değerler
sağlamış olup, 30 m uzunluğundaki baret temellerin uzunluklarında bir miktar azaltmaya
gidilebileceği sonucu ise maksimum oturmanın radye merkezi dışına ötelenerek üniform
senaryoda eksantrisite oluşması temelinde ifade edilebilir.
KAYNAKLAR
[1] Adam, D., and Markiewicz, R., “Donau citytower 1 – deep foundation, excavation and
dewaterings cheme for the 220 m tallhigh-rise building in vienna” 03.- 04. June
2013,Vplyvvodyna geotechnic kékonštrukcie, Bratislava
511
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
[2] Tschuchnigg, F., Schweiger, H. F., “Comparison of Deep Foundation Systemsusing 3D
Finite Element Analysis Employing Different Modeling Techniques.” Geotechnical
Engineering Journal of the SEAGS & AGSSEA 44(3) September 2013 ISSN 0046-
5828.
[3] Martak, L., Mayerhofer, A.F., Tschuchnigg, F., Vorwagner, A., "Bahnhof Wien Mitte –
Ein zentrales Infrastrukturprojekt im Herzen Wiens". In M. Dietzel et al. (eds.), Proc.
23th Christian Veder Kolloquium, Graz, pp. 79-96, 2007.
[4] Tschuchnigg, F., Schweiger, H. F., “Study of a complex deep found ation systemusing 3D
Finite Element analysis. Numerical Methods in Geotechnical Engineering” (NUMGE
2010), Numerical Methods in Geotechnical Engineering Benz &Nordal (eds), Taylor
& Francis Group, London, ISBN 978-0-415-59239-0.
[5] Tschuchnigg, F., Schweiger, H. F., “Comparison of deep foundation systems using 3D
Finite Element analysis.”, Proc. of IACMAG, 9–11 May 2011, Melbourne, Australia.
[6] Algin, H. M., “Optimised design of jet-grouted raft using response surface method”,
Computers and Geotechnics, 74; 56–73, 2016.
[7] Algin, H. M., “Optimised design of jet-grouted rafts subjected to nonuniform vertical
loading”, KSCE, Korean Society of Civil Engineers, 1-15, 2017.
512
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
Recommended