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