Öngermeli Ankrajlı Kazıklı Duvar Nümerik Analizi: Hılton Istanbul Bomontı Hotel Ve Konferans Merkezi Projesi Kapsamında Yer Alan Tarihi Bina Önü İksa Sistemi

Abstract

Geoteknik mühendisliğinin en önemli inceleme alanlarından biri de derin kazı destekleme sistemleridir. Temel inşaatı sırasında güvenli bir çalışma ortamı sunabilmek ve çevre yapıları kazı esnasında oluşabilecek olan etkilerden koruyabilmek amacıyla derin kazı destek sistemleri kullanılmaktadır. Bu destekleme sistemleri kalıcı ya da geçici olarak inşa edilebilirler. Bu tez kapsamında, ülkemizde de oldukça yaygın olarak kullanılan öngermeli ankrajlı destek sistemleri üzerinde durulmuştur. Bu tezin konusu, önemli bir yapı kenarında gerçekleştirilen bir derin kazının desteklenmesi amacı ile inşa edilen bir iksa sisteminin araştırılması ve bazı parameterelerin iksa sisteminin davranışı üzerindeki etkilerinin araştırılmasıdır. İnşaat süresinin kısa olması sebebi ile inşa edilen iksa sistemi geçici özelliktedir. Bu tezde, Plaxis 8.2 sonlu elemanlar programı kullanılarak bir vaka analizi yapılmıştır. Bu çalışma kapsamında tarihi bir bina önünde oluşturulan iksalı kazı geoteknik mühendisliği uygulamalarında yaygın olarak kullanılan bir sonlu elemanlar programında modellenmiş ve çeşitli parametrelerin iksa sistemi üzerindeki etkileri araştırılmıştır. İlk bölümde derin kazı destekleme sistemlerinin önemine değinilmiş ve bu tezin kapsamı hakkında bilgi verilmiştir. Yanal toprak basınçları ikinci bölüm kapsamında detaylı bir şekilde incelenmiştir. Klasik toprak basıncı hesaplama metotlarına ek olarak destekli kazılarda ön tasarım hesapları için geliştirilen çeşitli toprak basıncı dağımlarına da detaylı olarak verilmiştir. Derin temel çukurlarını desteklemek amacıyla oluşturulan iksa sistemlerinin boyutlandırılması sisteme etkiyen bütün yüklerin belirlenmesi ve zemin cinsine ve destekleme sistemine en uygun görünür basınç diyagramının belirlenmesi ile gerçekleştirilir. Belirlenen toprak yükleri ile sisteme etkiyen sürşarj yüklerinin birlikte etkisi göz önünde bulundurularak iksa sistemi elemanlarına gelecek kesit tesirleri hesaplanır ve buna göre iksa elemanlarının boyutlandırılması yapılır. Üçüncü bölümde öngermeli ankrajlı duvarlar hakkında geniş bir literatür çalışmasına yer verilmiştir. Öngermeli ankrajlı iksa duvarını oluşturan yatay ve düşey destek elemanları, bu elemanların seçimi ve boyutlandırılması ve öngermeli ankrajlı duvarların imalat aşamaları, imalat süresince ankraj elemanlarının korunması ve uygulanan testler hakkında geniş kapsamlı bir literatür çalışması yapılmıştır. Öngermeli ankrajlarla oluşturulmuş bir iksa duvarında yenilme şekillerinin çoğu, elemanların yanlış boyutlandırılmaları sonucu meydana gelmektedir. Bu nedenle bu bölümde, ankraj elemanlarının boyutlandırılması hakkında standartlara atıfta bulunularak geniş yer verilmiştir. Derin kazılarda meydana gelebilecek deplasmanların sınırlandırılması amacıyla kullanılan öngermeli ankrajların tasarımında güvenli ankraj boyunun tayini oldukça önemlidir. Öngermeli ankrajlarda xxvi ankraj kök boyu ve serbest boyunun tayininde ankrajların boyutlandırılması potansiyel kayma düzleminin yeterli miktarda gerisinde kalacak şekilde yapılmalıdır. Bununla birlikte bu bölümde, öngermeli ankrajların kök boyunun belirlenmesinde zemin sürtünmesinin ve zeminin kohezyon durumunun da belirleyici olmasına değinilmiştir. Öngermeli ankrajlı bir iksa duvarının inşaası öncelikle toprak basıncı, sürşarj yükleri, yeraltı suyunun mevcut olduğu durumlarda hidrostatik basınç ve deprem kuvvetleri gibi duvara etkiyecek olan yanal kuvvetlerin belirlenmesi ile başlar. Genel olarak, geçici iksa sistemleri söz konusu olduğunda daha ekonomik bir tasarım açısından deprem kuvvetleri dikkate alınmamaktadır. Yine üçüncü bölüm kapsamında, öngermeli ankrajlı bir iksa duvarının oluşturulmasında kazı aşamaları ve ankrajların yerleştirilmesi sırasıyla verilmiştir. Temel çukurunun desteklenmesi için yapılmış olan bir derin kazı destek sisteminin, kazı çukuru açık kaldığı sürece dış etkilere maruz kalabileceği düşünülüp sistem elemanlarının korozyona karşı korunması önemlidir. Bu nedenle, öngermeli ankrajlı bir perde duvar elemanlarının korozyona uğramaması için alınacak önlemler üçüncü bölüm kapsamında yer bulmuştur. Bir derin kazı destekleme sisteminin özellikle de yakınlarında tünel, bina gibi önemli bir yapı bulunuyorsa büyük deformasyonlar yapmaması istenir ve tasarım buna göre yapılır. Derin kazı boyunca kazının her kademesinde deneyimli mühendislerce belirlenen zaman aralıklarında kazıda oluşan deformasyonların izlenmesi gerekmektedir. Böylece sistemin periyodik olarak gözlenmesi sağlanarak, kazı boyunca meydana gelebilecek herhangi bir sorunun önceden tespit edilip gerekli önlemlerin alınması sağlanır. Bu amaçla iksa duvarının arkasına deplasmanların izlenmesi için birtakım gözlem aletleri yerleştirilmelidir. Bu tez kapsamında incelenen alana ait yanal deplasman takibi inklinometre cihazlarıyla gerçekleştirilmiş olduğu için bu bölümde inklinometre gözlem aletlerinden bahsedilmiştir. İnklinometre kuyularının tesis edilmesi ve ölçüm alınması hakkında kısa bir bilgi verilmiştir. Öngermeli ankrajlı kazıklı duvar aktif bir iksa sistemi olup, her kademede oluşturulan ankrajlar belirlenen yüklerde yüklenerek sistem aktif hale getirilmektedir. Son olarak bu bölümde, öngermeli ankrajları aktif hale getirmek için uygulanan yükler ve testler ile de ilgili bilgiye yer verilmiştir. Öngermeli ankrajlı sistemlerde her bir ankrajın aldığı yük, yükleme deneyleri ile kanıtlanır. Diğer pek çok mühendislik probleminde olduğu gibi geoteknik mühendisliğinde de incelenen bir problemin daha basit ve anlaşılır bir hale getirilmesi için sonlu elemanlar ya da sonlu farklar metotlarından faydalanılmaktadır. Basit zemin yapıları için çoğunlukla bir boyutlu modeller yeterli olurken, çok tabakalı zemin profillerinin incelenmesi, istinat yapıları ve derin kazılar gibi daha karmaşık problemlerin çözülmesinde modelleme, iki veya üç boyutlu modelleme teknikleri kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Bu tez çalışması kapsamında tarihi bir bina önünde gerçekleştirilen derin kazının modellenmesi Plaxis iki boyutlu sonlu elemanlar programı düzlemsel gerilme koşullarında kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu nedenle dördüncü bölüm dahilinde, geoteknik mühendisliğinde sonlu elemanlar metodu ve modelleme tekniği hakkında bilgi verilmiştir. Daha sonra bu tez kapsamında yapılan çalışmalar boyunca kullanılan Plaxis 2 boyutlu sonlu elemanlar programı hakkında geniş bir bilgiye yer verilmiştir. Ayrıca tez kapsamında ele alınan vaka analizinin modellenmesinde kullanılan gelişmiş zemin modeli Hardening Soil Model hakkında da detaylı bilgi verilmiştir. Hardening Soil Model’de zemin rijitliği gerilme seviyesine bağlı olarak artan basınçla birlikte artmaktadır. Ayrıca bu modelde, zemini tanımlamak için programa girilen zemin mukavemet parametreleri ve elastisite modülü Mohr Coulomb Model’den farklı olarak derinlik boyunca artırılarak kullanılmaktadır. xxvii Önceki bölümlerde yapılan literatür çalışmalarının ardından, beşinci bölümde bir vaka analizine yer verilmiştir. Vaka analizi olarak Hilton İstanbul Bomonti Hotel ve Konferans Merkezi Projesi içinde yer alan tarihi bina önünde konumlandırılacak 7 katlı otoparkın temel inşaatı için yapılan destekli kazı sistemi ele alınmıştır. Bu tez kapsamında, başlıca tasarım ilkeleri ve ilgili standartlar göz önünde bulundurularak nümerik bir çalışma yapılmıştır. Bu bölüm kapsamında öncelikli olarak incelenen kesitin yer aldığı proje tanıtılmış, daha sonra proje için hazırlanmış geoteknik değerlendirme raporunda yer alan sondaj bilgileri, arazi ve laboratuvar deneyleri ile arazi için oluşturulan idealize zemin profiline yer verilmiştir. Geoteknik değerlendirme raporundan elde edilen bilgiler ışığında, yapılan ön tasarım çalışmaları sonucunda kazı destek sistemi olarak öngermeli ankrajlı mini kazıklı iksa duvarının uygun olduğuna karar verilmiş ve yatay toprak basıncına göre her bir ankraj noktasındaki kesit tesirleri hesaplanmıştır. Elde edilen maksimum kesit tesirlerine göre, sistemin ön boyutlandırılması yapılmıştır. Daha sonra, uygun iksa sistemi olarak kararlaştırılan derin kazı destekleme sistemin modeli, iki boyutlu Plaxis versiyon 8.2 sonlu elemanlar programında oluşturulmuştur. Tasarım parametreleri olarak geoteknik raporda önerilen idealize zemin profiline ait parametreler kullanılmış ve zemin modeli olarak da Hardening Soil Model seçilmiştir. Kazı süresince, inceleme konusu arazide her bir kazı kademesini takiben yerinde gözlemler ve aletsel okumalar yapılmıştır. Kazı süresince çevre ile etkileşimin iyi gözlenmesi ve düzenli olarak aletsel okumaların alınması sonucu, oluşabilecek problemler önceden tespit edilmiş ve projede revizyon yapılmasına karar verilmiştir. Revize edilmiş projenin modeli de Plaxis sonlu elemanlar programı versiyon 8.2 ile yapılmış olup sonuçlar beşinci bölümde verilmiştir. Daha sonra eski ve yeni projeler arasında birim fiyat tablosundan yararlanılarak bir maliyet karşılaştırılması yapılmıştır. Ayrıca bu bölümde, sonlu elemanlar programında girilen bazı parametrelerin iksa sistemi üzerindeki etkisi de araştırılmıştır. Bu amaçla, zemin mühendislik özelliklerinin, zemin/yapı arayüz elemanının ve yatay destek elemanları olarak kullanılan öngermeli ankrajların özelliklerinin iksa sisteminin rijitliği üzerindeki etkileri diğer parametrelerin sabit tutulması koşulu ile aynı geometri model üzerinde araştırılmıştır. İlk olarak zeminin elastisite modülü ve içsel sürtünme açısı değerleri değiştirilerek, Plaxis sonlu elemanlar programı ile geri analizler yapılmış ve elde edilen sonuçlara göre; bu mühendislik parametrelerinin iksa sisteminde meydana gelen deplasmanlar üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Daha sonra arayüz azaltma faktörünün yanal yüke maruz kazık elemanındaki deplasmanlar üzerindeki etkisi Plaxis sonlu elemanlar programı kullanılarak araştırılmış; elde edilen sonuçlar sunularak arayüz elemanının kazığın yapıldığı malzeme ve zeminin cinsine göre karakteristik bir değer aldığı anlaşılmıştır. Son olarak ankraj kök boyunun, ankraj yerleştirme açısının, ankraj tendon çapının, ankraj yatay aralığının yanal deplasmanlar üzerindeki etkisi yine Plaxis sonlu elemanlar programı kullanılarak araştırılmış ve elde edilen sonuçlar grafikler ile sunulmuştur. Son bölümde, tez kapsamında yapılan çalışma özetlenmiş; ileriki çalışmalar için yararlanılması açısından sonuç ve önerilere yer verilmiştir. İksa sistemi tasarımında, sistemde oluşabilecek deplasmanların önceden tahmin edilmesinde sonlu elemanlar metodunun önemine değinilmiş ve kazı boyunca yapılan aletsel gözlemlerin tasarımın yeniden değerlendirilmesi ve gerektiği takdirde revize edilmesine olanak sağladığına değinilmiştir. Ayrıca derin kazıların modellenmesinde, zemin ve yapısal özelliklerin değişiminin sistemdeki etkileri de ileriki çalışmalara ışık tutması açısından neden-sonuç ilişkisi çerçevesinde verilmiştir.

One of the most significant research subjects in geotechnical engineering is deep excavation support systems. Deep excavation support systems are used to provide a safety work area and to prevent the failure of surrounding structures during foundation construction. These excavation support systems can be built as permanent structures or temporary structures. Within the scope of this thesis, it is dwelled on prestressed anchored walls that are widely used also in our country. The subject of this thesis is the investigation of a shoring system that will be built to support a deep excavation near an adjacent structure and see the effect of some parameters on the behavior of the shoring system. The shoring system was built as a temporary system due to time of the construction. In this thesis, an actual case study was examined by using a finite element method program Plaxis 8.2. A prestressed anchored pile wall used as an excavation support system for the foundation construction of 7-storey car park as a part of Hilton Istanbul Bomonti Hotel and Conference Center. The depth of the excavation was 26 m and there was a historic building adjacent to excavation. Plaxis 8.2 software was used to model the behavior of the wall and the ground during the staged excavation. In the first chapter, a general information about the importance of deep excavation systems is given and the scope of the study is described. A detailed review of lateral earth pressures is presented in the second chapter. Different types of calculation methods for lateral earth presssures acting on braced cuts and anchored walls are given in detail in addition to classical lateral earth pressure calculation methods. In the third chapter, a detailed literature review of prestressed anchored wall is given. All elements forming a prestressed anchors are firstly represented. The determination criterias for sizing a prestressed anchored pile wall is given in detail according to the standards and codes. The failure mechanisms that may occur in prestressed anchored walls are also given in this chapter. The failure of a prestressed anchored wall may occur as a result of wrong sizing of the structural elements so that the sizing criterias are given in detail. The creation of a prestressed anchored pile wall starts with the determination of the lateral forces acting on the wall due to the lateral earth pressure, surcharge loads, water loads if ground water exists and earthquake loads. Mostly, earthquake loads are ignored while supporting the deep excavation with temporary systems to avoid unnecessary high costs. Moreover, the contruction stage and installation phases of a prestressed anchored pile wall is given step by step in chapter three. During a deep excavation, as long as the foundation works started, the deep excavation support elements must be protected to corrosion. The requirements for corrosion protection of prestressed ground anchors are also given in this chapter. It is xxiv wanted that a shoring system does not make large deformations especially if it is built near an important structure. Therefore, the shoring system must be observed until reaching the bottom of the deep excavation. For this purpose, some instruments were placed just behind the shoring wall to observe the lateral movements that will occur during the deep excavation. The investigated area given in this thesis was observed with inclinometers, thus a a detailed information about the inclinometers is given in this chapter as well. A prestressed anchored pile wall is an active retaining system which means that the ground anchors are loaded at the end of each construction stages. The anchor loading criterias are summarized at the end of chapter three. Finite element modelling in geotechnical engineering was elucidated in the fourth chapter. Moreover, it was given a detailed information about the finite element software Plaxis 2D in this chapter and also the Hardening Soil Model that was used to model the behavior of the ground in front of historic building is given. Following the literature research done in the previous sections, a case study is given in chapter five. In the case study, deep excavation for the foundation of 7-storey car park located in front of historic building included in Hilton Istanbul Bomonti Hotel and Conference Center is discussed. During this study, major design considerations are conceived. The deep excavation support system was selected as mini piled prestressed anchored wall according to the preliminary design and a numerical analysis was carried out by using finite element software Plaxis version 8.2. The idealized soil profile recommended in the geotechnical evaluation report was used in the design and the Hardening Soil Model was used for modeling. During the deep excavation, instrumental measurements and regular observations were carried out carefully and it was decided to the revise the shoring system project to prevent the occurance of some problems. The revised project was remodelled by Plaxis 8.2 and the outputs for the calculations were also given in this chapter. After that a cost analysis was done to compare the old and the revised projects. As well as in the fifth chapter, influence of some soil strength properties, structural properties and soilstructure interface properties were also investigated and the results were interpreted by graphs obtained from Plaxis calculations. First of all, back-calculations were carried out by changing the modulus of elasticity and the internal friction angle values and lateral displacements obtained for each model were given with graphs. After that for the same geometry model, back-calculations were done according to different interface reduction factor values and it was seen that the interface reduction factor is a characterictic property that takes different values according to the type of soil and structure. Also in this chapter, the effect of anchor bonded length, the inclination of the anchor with horizontal, the effect of nominal strand diameter and the horizontal spacing of ground anchors were investigated and the Plaxis results were given with graphs. In last chapter, the work carried out in the thesis was summarized with specific conclusions and recommendations for future studies were given as well.