Ardgermeli Betonarme Silolarının Tasarım Esasları Ve Bir Uygulama

Abstract

Bu tezin amacı Türkiye’de yok denilebilecek kadar az kaynak bulunan ardgermeli çimento siloları için bir kaynak oluşturabilmek ve ardgerme sisteminin betonarme silolarda uygulanmasının, silo imalatında ve maliyetinde sağladığı avantajları gösterebilmektir. Günümüzde çeşitli malzemelerin üretilmesi ve ihtiyaç halinde kullanılabilmesi için büyük depolama alanlarına ve yapılarına ihtiyaç vardır. Bu malzemelerin depolandığı ve ihtiyaç halinde boşaltıldığı özel tipte depolara silo denir. Silolar yüksekliklerine göre iki sınıfa ayrılabilir. ise derin silo, ise sığ silo ya da bunker olarak adlandırılır. Burada H silo yüksekliğini, A ise silo enkesit alanını göstermektedir. Silolarda çeşitli malzemeler depolanabilir. Bunlar çeşitli tahıl ürünleri, farklı dallarda kullanılan maden cevheri, kömür, kum gibi ham maddeler ve çimento, küspe, kül, klinker, farin vb. endüstri ürün ve artıkları olabilir. Daha az bakım masrafları gerektirmesi, göçme veya burkulmaya karşı emniyetli oluşu ve depolanan malzeme açısından çeşitli avantajlar sunması sebebiyle orta ve büyük hacimli silolar öngermeli veya normal betonarme olarak inşa edilebilmektedir. Silolar genellikle 7 bölümden oluşmaktadır. Bunlar silo çatısı, silo tavan döşemesi, silo gövdesi, silo bunkeri, düşey taşıyıcılar, silo temeli ve bunker kirişidir. Bu bölümlerden en önemli olanı silo gövdesidir. Silo gövdesi depolanan malzemenin yüklerine, sıcaklık farkından dolayı oluşacak yüklere, rüzgâr yüklerine ve deprem yüklerine maruz kalmaktadır. Silo inşaası çeşitli yöntemlerle yapılabilmektedir. Günümüzde en yaygın olarak kullanılan yöntemler kayar kalıp ve tırmanır kalıp sistemleridir. Bu yöntemlerden en hızlı olanı kayar kalıp sistemidir. Kayar kalıp sistemi betonarme perdeli yüksek yapılarda kullanılmaktadır. Bu kalıp sistemi yüksek yapıların kısa zamanda yapılmasını sağlayan, kesintisiz beton dökümü gerektiren, 24 saat çalışmanın son derecede iyi planlandığı ve organize edildiği bir sistemdir. Silo hesabında öncelikle siloya etki eden yüklerin bulunması gerekmektedir. Bu yükler depolanan malzemenin oluşturduğu yükler, rüzgar yükleri, deprem yükleri, depolanan malzemenin ısısı ile dış ortam ısısı arasındaki farktan dolayı oluşan yükler ve simetrik olmayan boşaltma durumunda oluşan eksantrik boşatma yükleridir. Bu yüklerden silo tasarımında en fazla etkin olan yük, malzemenin silo gövdesinde oluşturduğu yüktür. Malzeme yükleri yönetmeliklere göre farklılık göstermektedir. Malzeme yüklerinin bulunmasında en yaygın yöntem ACI313-97 de’de bahsedilen Janssen’s yöntemidir. Günümüzde yüksek ve geniş silolarda ardgerme uygulanmaktadır. Ardgerme sisteminin birçok avantajı vardır. Bunlardan silolar için en önemli olanları arasında; silo gövde kalınlığının betonarme bir siloya göre daha ince yapılabilmesi, silo gövdesinde oluşacak çatlakların önlenmesi ve işçiliğinin betonarme siloya göre daha kolay olması sayılabilmektedir. Ardgerme sistemi siloya, silo duvarında gerekli olan yatay donatının yerine ardgerme kabloların koyulup, siloya malzeme doldurulmadan önce gerilmesiyle uygulanır. Silo duvarına beton dökülmeden önce ardgerme kablolarının kılıfları bırakılmalıdır. Bu kılıflar beton döküldükten sonra, ardgerme kablolarının silo duvarı içine sürülebilmesi için delik oluşturmaktadır. Ardgerme kabloları, beton 28 günlük basınç mukavemetini kazandıktan sonra gerilmelidir. Ardgerme kabloları depolanan malzemeye karşı daha fazla dayanım sağlamakta ve uygulama için silo gövdesi içinde daha az alana ihtiyaç duymaktadır. Bu tez çalışması kapsamında uygulama örneği olarak 66 metre yüksekliğinde 22.5 metre genişliğinde bir çimento silosunun statik hesapları yapılmıştır. Bu siloda gövde kalınlığı temelden +12.636 kotuna kadar 80 cm, malzemenin dolduğu +12.636’dan +55.50 kotuna kadar 40 cm ve +55.50’den +66.00 kotuna kadar 20 cm olarak belirlenmiştir. Hesapları yapılan çimento silosunda C30 beton, S325 donatı çeliği kullanılmıştır. Ardgerme hesapları CEB-FIB model ve ASSTHO’ya göre hesaplanmış ve kullanılan halatların özellikleri ise FREYSINET firmasının kullandığı değerlerden alınmıştır. Çimento silosu ardgermeli ve betonarme olarak ayrı ayrı hesaplanmış ve karşılaştırılmıştır. Ardgermeli siloda kullanılan gövde kalınlığı yeterli olurken, betonarme siloda gövde kalınlığını 20 cm arttırma ihtiyacı duyulmuştur. Böylece betonarme siloda şaft kalınlıkları 100 cm ile başlayıp 60 cm’ye ve 40 cm’ye düşmektedir. Tasarlanan iki silo arasındaki beton hacmi farkı 982 m3 olmuştur. Hesaplar sonucunda 66 metre yüksekliğinde ve 22.5 çapında bir çimento silosunu betonarme tasarlamak, ardgermeli tasarıma göre %26 daha pahalı olduğu sonucuna varılmıştır. Aynı zamanda betonarme siloda kullanılması gereken donatıların çapları yüksek olacağından, uygulamasının zor olduğu ve uzun zaman alacağı tespit edilmiştir.

The aim of this study is to develop a reference for designing post-tensioned concrete silos, which are too rare in Turkey, and to show the effectiveness of using post-tensioning tendons instead of rebar in terms of cost and applicability. In this study mainly design principles of post-tensioned silos are explained and post-tensioned silo construction and reinforced concrete silo techniques were compared in terms of cost and applicability. In this summary, study on the principles of post-tensioned cement silos and application will be briefly presented. A silo is a type of industrial structure that is used for storing bulk materials in a wide range of economic area. Silos are more commonly used for bulk storage of grain, coal, cement, carbon, woodchips, food products and sawdust. Especially in growing economies, there is improving demand for effective ways ways in techniques in terms of time saving, cost saving efficiency and durability to build silos so that they can function properly in a number of areas. Silos as a civil engineering structure can be defined in two groups according to their height and area covered, as shown below; is a deep silo. is a bunker (shallow silo). H represents the height of a silo whereas A represents a silo’s area. The physical properties of materials stored in silos and bunkers determine flowability of the material and the forces that the material applies to the silo walls and bottom. Those properties vary from one material to another. The unit weight, angle of internal friction and the coefficient of friction between the stored material and the silo wall are the most important properties for pressure computation. Some materials can be hot when they are stored; Cement, cement clinker, and fly ash are good examples for those kinds of materials. Large volumes of hot stored material can cause serious thermal stresses on the walls, bottom and roof of the silo structure. Concrete cement silos consist of seven parts. These are silo roof, silo slab, silo body, silo hopper, silo foundation, ring beam and downward carriers. Silo body is the most important part of any silo. Silo body resists against material loads, temperature loads caused by temperature difference between the stored material and outside, wind loads and earthquake loads. There are different ways to build a concrete silo. Most commonly used are slip form and climbing form techniques. Between these two techniques, the faster way to build a concrete silo is using a slip form. Slip forming is a kind of construction method in which concrete is poured into a continuously moving form. Slip forming is used for tall structures (such as bridges, towers, buildings, and dams), as well as horizontal structures like roadways. Slip forming enables continuous, non-interrupted, cast-in-place flawless concrete structures, which have superior performance characteristics to piecewise construction using discrete form elements. Slip forming relies on the quick-setting properties of concrete, and requires a balance between quick-setting capacity and workability. In order to determine the required reinforcement inside the silo wall, loads acting on the silo wall have to be calculated. These loads include stored material loads, wind loads, earthquake loads, temperature loads and eccentric unloading effects. To determine the horizontal reinforcement of the silo wall, material forces are of prior concern. On the other hand to determine the vertical reinforcement of the silo wall, earthquake loads need to be taken into account in the first place. There are different methods to calculate material loads. In this study, three different methods (Riembert method, DIN 1055 method and Janssen method) are referred. Janssen method is the most widely used one to calculate material loads. Silos can be constructed with either reinforced concrete or post tensioned concrete. Studied method of “post-tensioned concrete” is the term describing a method of applying compression after pouring concrete and the curing process. The concrete is cast around plastic, steel or aluminum curved duct, to follow the area where, otherwise, tension would occur in the concrete element. A set of tendons are fished through the duct and the concrete is poured. Once the concrete has hardened, the tendons are tensioned by hydraulic jacks that react (push) against the concrete member itself. When the tendons have stretched sufficiently, according to the design specifications, they are wedged in position and maintain tensions after the jacks are removed, transferring pressure to the concrete. The technique of post-tensioning of a concrete silo includes placing post-tensioning strands and straining them instead of placing rebar inside the silo wall. In order to place post tensioning strands inside the silo wall, a corrugated metal sheath must be placed inside the silo wall before the concrete is poured. After the concrete is poured, metal sheath provides a hole where the strand is placed. Poured concrete has to gain its 28-day strength in order to strain the post-tension strands. Straining must be done before the material stored. Post tension strands provide more strength against stored material and require less area inside the concrete silo wall. For the application of the method, calculations were made for the post-tensioned cement silo at Qizildas cement plant located in Baku, Azerbaijan. The calculated cement silo in this study is 66 meters high and 22.5 meters wide. The thickness of the silo wall is 80 cm between elevations +0.00 and +12.636, 40 cm between elevations +12.636 and +55.50, where material is stored and 20 cm between elevations +55.50 to +66.00. C30 concrete and S235 rebar were used in calculations made on the silo. To calculate the post-tensioned tendon losses, methods in CEB-FIB and ASSTHO were compared and CEB-FIB model was selected to calculate post-tension losses. The properties of post-tension tendons were taken from the FREYSINET catalog. This silo in the current study is designed by using both reinforced concrete and post-tensioned concrete. Under the same material loads, required reinforcement and post tension tendons are calculated. The costs of silos are compared. The thickness of the silo wall is enough for the post-tensioned silo, however reinforced-concrete silo needs more thickness to place the required rebar inside the silo wall. Thus, thickness of the reinforced concrete silo wall is increased by 20 cm. New wall thickness of the reinforced concrete silo is 100 cm between elevations +0.00 and +12.636, 60 cm between elevations +12.636 and +55.50, where material stored and 40cm between elevations +55.50 and +66.00. Reinforced concrete silo design needs 989,9 m3 more concrete than post-tensioned silo design. It is concluded that a reinforcement concrete cement silo with 66 meter high and 22.5 diameter costs %26 more than a post-tensioned concrete silo. It is found that post-tensioned silo building technique is more effective than reinforced concrete technique in terms of cost and applicability.