4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı

11-13 Ekim 2017 – ANADOLU ÜNİVERSİTESİ – ESKİŞEHİR

BİR DURUM ÇALIŞMASI: ZONGULDAK KOZLU’DA İNŞA EDİLMİŞ ESKİ

BİR ŞÖVELMANIN İNCELENMESİ

M. Karabulut1, M. E. Kartal2, O. F. Capar3, S. Duyar4

1 Arş. Gör., İnşaat Mühendisliği Bölümü, Bülent Ecevit Üniversitesi, Zonguldak

2 Doç. Dr., İnşaat Mühendisliği Bölümü, Bülent Ecevit Üniversitesi, Zonguldak

3 Yrd. Doç. Dr., İnşaat Mühendisliği Bölümü, Bülent Ecevit Üniversitesi, Zonguldak

4Öğr. Gör., İnşaat Teknolojisi Programı, Bülent Ecevit Üniversitesi, Zonguldak

e-mail: karabulut@beun.edu.tr

ÖZET:

Maden işçilerinin emniyeti için şövelmanlar çok büyük öneme sahiptirler. Son yıllarda dünya genelinde

şövelmanlar da hasarlar meydana geldiği için şövelmanların yapısal açıdan değerlendirilmesi hayati önem

taşımaktadır. Bu çalışma eski bir şövelman için yapısal değerlendirme, emniyet durumu ve restorasyon önerileri

sunmaktadır. Bu çalışmada grizu patlamasına maruz kalmış bir şövelman incelenmiştir. Bu şövelman Zonguldak

ilinin Kozlu ilçesinde inşa edilmiştir. Bu çalışma da şövelmanın proje verileri yapının şuan ki mevcut durumu

dikkate alınarak yapılmıştır. SAP2000 sonlu eleman programı kullanılarak şövelman modellendi. Zemin

incelemelerinin bulunduğu teknik rapordan zemin parametreleri ve zemin tipleri seçilmiştir. Elastik temeli

yansıtabilmek için yay elemanlar tanımlandı. Nümerik analizlere göre, şövelmanın bazı elemanlarının kesit

yetersizliği nedeniyle değişmesi gerektiği gözlemlendi. İyileştirilen sonlu eleman modeli deprem, patlama ve

kendi ağırlığı gibi farklı yük durumları altında analiz edilmiştir. Bu yapının güçlendirilmesi statik ve dinamik

analiz sonuçlarına göre yapılmıştır. Şövelmanın mevcut haldeki durumu ve güçlendirilmiş modelleri AISC-ASD

89 tasarım kriterlerine göre kontrol edilmiştir.

ANAHTAR KELİMELER: Elastik Temel, Grizu Patlaması, Patlama Yükü, Sonlu Eleman Modeli, Şövelman

A CASE STUDY: INVESTIGATION OF THE OLD HEADFRAME

CONSTRUCTED IN KOZLU, ZONGULDAK

ABSTRACT:

The headframes are very important for safety of mineworkers’ lives. Structural health assessment of a headframe

is vital important because of the fact that some headframes have been damaged all over the world in last years.

This paper presents the structural evaluation, safety identification and restoration proposals for an old headframe.

In this study, a headframe is investigated which was exposed to firedamp explosion. This headframe was

constructed in Kozlu, Zonguldak. The authors studied the headframe taking into account the project data for current

structural situation. Then, they modelled the headframe by using SAP2000 finite element program. The soil

parameters and soil type of the headframe were selected from the technical reports including soil investigations.

After that spring elements are defined to represent elastic foundation. According to numerical analyses, some

component of the headframe had to change because of inadequate cross-sections. The updated finite element model

is analyzed for the different load cases including dead, firedamp explosion load and earthquake loads. The

reinforcement of this structure is carried out according to the results of static and dynamic analyses. The existing

and reinforced models of the headframe are checked to the design criteria in AISC-ASD 89.

KEYWORDS: Explosion Load, Elastic Foundation, Finite Element Model, Headframe, Firedamp Explosion

4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı

11-13 Ekim 2017 – ANADOLU ÜNİVERSİTESİ – ESKİŞEHİR

1. GİRİŞ

Şövelmanlar madencilik endüstrisinde önemli rol oynamaktadır. Şövelmanların çeşitli kullanım amaçları

bulunmaktadır. Asansör, hava bacası ürün servisi, malzeme ulaştırmada ve en önemlisi de maden işçilerini kazı

alanına indirmede kullanılmaktadırlar. İnsan hayatı söz konusu olduğu için bu tür çelik yapıların emniyet açısından

denetiminin yapılması elzemdir. Grizu patlamasına maruz kalan şövelmanların statik ve dinamik analizleri sabit

yükler, deprem yükü ve patlama yükleri düşünülerek yapılmalıdır. Rusinski, E. vd. (2013) sonlu eleman modeli

kullanarak emniyet açısından bir şövelmanı incelemişlerdir. Yaptıkları çalışmada şövelmanı ve oturduğu temeli

bilgisayar ortamında modelleyerek nümerik analizler yapmış ve elde edilen sonuçlarla yapının kendisinden

aldıkları sonuçları karşılaştırmışlarıdır.

Türkiye Taşkömürü Kurumu Genel Müdürlüğü İnşaat ve Emlak Dairesi Başkanlığı’na ait Kozlu Müessesesi

Müdürlüğünün İşletme Sahasında 2013 yılında yapmayı planladığı Aspiratör Tesisinin zemin ıslahı ve şövelman

onarımının projelendirilmesi isteği incelenmiştir. Bölümümüz tarafından zemin ıslahı şövelman onarımının

projelendirilmesi aşağıdaki üç adımda yapılması gerektiği bildirilmiştir.

•Arazinin jeolojik ve geoteknik özelliklerinin belirlenmesi ve iyileştirilmesi projesi,

•Deformasyon ölçümü hizmeti ve bilgilendirme

•Şövelman yapısal güvenliğinin araştırılması ve projelendirilmesi

şeklindedir.

Türkiye Taş Kömürü Kozlu Müessesesine ait Şövelman tipi yapının mevcut projesinde ve yerinde incelemeler

yapılmıştır (Şekil 1). Şövelmanın sayısal modeli, proje bilgileri dikkate alınarak yapının başlangıç durumu için

hazırlanmıştır. Yapının ilk inşa edildiği hali proje verilerine dayanarak bilgisayar ortamında hazırlandıktan sonra

iç ve dış etkiler altındaki durumu incelenmiştir.

a) b)

Şekil 1. Şövelman görünüşleri.

Yerinde yapılan incelemelerde şövelman da çelik yapı elemanlarında bazı kalıcı deformasyon ve çubuk kopması

gibi bazı aksaklıklar tespit edilmiştir (Hata! Başvuru kaynağı bulunamadı.). Bu aksaklıkların 1992 yılında

4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı

11-13 Ekim 2017 – ANADOLU ÜNİVERSİTESİ – ESKİŞEHİR

yaşanan grizu patlaması nedeniyle olduğu tahmin edilmektedir. Çelik konstrüksiyonda tespit edilen aksaklıklar

Tablo 1’de verilmektedir.

Tablo 1. Çelik Bağlantı Elemanları için Yerinde Yapılan Tespitler

Cephe Adı Aks Eleman No Profil Cinsi Hasar Durumu

Dere Cephesi 1-3 313 L 45 45 5 Elemanda kopma var

Dere Cephesi 1-3 315 L 45 45 5 Elemanda kopma var

Dere Cephesi 1-3 321 L 45 45 5 Elemanda kopma var

Dere Cephesi 1-3 323 L 45 45 5 Elemanda kopma var

Yol Cephesi 2-4 314 L 45 45 5 Elemanda kopma var

Yol Cephesi 2-4 316 L 45 45 5 Elemanda kopma var

Yol Cephesi 2-4 322 L 45 45 5 Elemanda kopma var

Yol Cephesi 2-4 324 L 45 45 5 Elemanda kopma var

2. ŞÖVELMAN MODELİ

TTK Kozlu Müessesesi bünyesinde bulunan Şövelman için sonlu eleman modeli SAP2000 V16.1.1 programında

hazırlanmıştır. Yapıya ait sayısal hesaplar hazırlanan üç boyutlu sonlu eleman modeli dikkate alınarak bilgisayar

ortamında yapılmıştır (Şekil 2). Çelik konstrüksiyon 6 ayaklı inşa edilmiş ve beton ayaklarla zemine oturtulmuştur.

Sayısal modellemelerde gerçeğe daha yakın çözümler elde edebilmek için yapının esnek zemine oturduğu kabul

edilmiştir. Bu amaçla şövelmanın temelle birleşim bölgesinde elastik mesnetler tanımlanmıştır. Zemin etütleri

dikkate alındığında şövelman modeline ait ayaklar 18000 kN/m’lik elastik yaylar üzerine oturtulmuştur. Çelik yapı

elemanlarının birleşim bölgelerinde birbirlerine rijit olarak bağlandığı kabulü yapılmıştır. Sonlu elemanlar modeli

öncelikle yapının mevcut hali yani projede olup da yerinde tespit edilemeyen elemanlar yokmuş gibi

oluşturulmuştur. Bu modele ait eleman türleri ve sonlu eleman sayıları

a) 2U 220. 10 birleşimi b) 2L 130.130.13 birleşimi

Şekil 2. Şövelman da kullanılan çelik profil örnekleri

4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı

11-13 Ekim 2017 – ANADOLU ÜNİVERSİTESİ – ESKİŞEHİR

Şekil 2. Şövelmanın mevcut hali için üç boyutlu sonlu eleman modeli.

Çelik konstrüksiyon olarak imal edilen şövelman da U ve L kesitli profiller kullanılmıştır. U ve L birleşim

elemanları eğik ayaklara bağlantı yapılarak eğik ayakların burkulma boylarının azaltılması ve taşıma gücünün

artırılması hedeflenmiştir.

4. YÜKLER

Şövelman yapısının mevcut durum değerlendirmesi için yapının kendi ağırlığı, kaza yükü ve deprem etkileri

dikkate alınmıştır.

4.1 Sistemin Kendi Ağırlığı

TTK Kozlu Şövelman yapısının kendi ağırlığı yapı malzemesi olarak kullanılan çeliğin birim hacim ağırlığı 76.50

kN/m3 olacak şekilde dikkate alınmıştır. SAP2000 Programı vasıtasıyla yapının toplam ağırlığı 352,725 kN

(35,955.66 tf) olarak hesaplanmıştır.

4.2 Kaza Yükü Hesabı

Şövelmana ait kaza yükünün hesabında T.T.K. Kozlu T.İ.M. 30 numaralı Ali Soydaş Kuyusuna ait verilen 35

tonluk halat kopma yükü dikkate alınmıştır. Olası halat kopması durumunda şövelmana etkiyecek kaza yükünün

hesabı Şekil ’de açıklanmıştır. Kaza yükünün sonlu eleman modeline etkiyen hali iste Şekil ’da gösterilmektedir.

4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı

11-13 Ekim 2017 – ANADOLU ÜNİVERSİTESİ – ESKİŞEHİR

Şekil 4. Kaza yükü hesabı ve gösterimi.

Şekil 5. SAP2000 programında kaza yükünün gösterimi.

4.3 Deprem Yükü

Bu çalışmada Ali Soydaş şövelman yapısının olası bir deprem etkisi altındaki davranışı da incelenmiştir. Bunun

için 2007 Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik’te (ABYYHY) verilen özel tasarım ivme

spektrumu kullanılmıştır. Tasarım spektrumunun elde edilmesi için dikkate alınan diğer parametreler hazırlanan

geoteknik rapor ve SAP2000 programından elde edilen yapının hakim periyodu dikkate alınarak seçilmiştir.

Seçilen parametreler Sae(T) tasarım ivme spektrumu değerleri için gereklidir (1).

g × A(T) = (T)S

S(T)× I × A = A(T)

ae

0 (1)

Burada S(T) Spektrum katsayısı olup yapının hakim periyoduna ve yerel zemin şartlarına bağlı olarak aşasıdaki

gibi seçilir. Taşıyıcı çelik yapı sistemin içerdiği çapraz elemanların merkezi ve dışmerkezi olması durumları

35t

35t

36m

21

.4m

m

mm

31

35t 35t×Sin31=18t 35t

35t×Cos31=30t

30ton

53ton

4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı

11-13 Ekim 2017 – ANADOLU ÜNİVERSİTESİ – ESKİŞEHİR

dikkate alınarak R=5 olarak seçilmiştir. Sistemin birinci moda ait periyot (T) değeri SAP2000 programından

0.368878s olarak hesaplanmıştır. Bu değer spektrum karakteristik periyodu (TA) değerinden daha büyüktür

(TA=0.15 < T=0.368878). Bu yüzden deprem yükü azaltma katsayısı olan Ra, Ra(T)=R olarak seçilmiştir.

Çalışmada 2007 ABYYHY’de önerilen ortalama ivme spektrumunun yanı sıra, 1999 Kocaeli depreminin Ereğli

istasyonunda ölçülen ivme kaydının Doğu-Batı, Kuzey-Güney ve Düşey bileşenleri %3 sönüm oranı için elde

edilmiş ivme spektrumları da kullanılarak deprem tahkikleri tekrarlanmıştır.

Mod Birleştirme Yöntemi dikkate alınarak yapılan dinamik çözümlerde etkin kütlenin yeterince dikkate

alınabilmesi için her bir mod için kütle katılım oranlarına bakılmıştır. Toplam kütlenin %90’ı aştığı mod sayısı

120 olarak elde edildiğinden çözümlerde ilk 120 mod dikkate alınmıştır.

Deprem spektrum eğrileri Bina Önem Katsayısı, Yerçekimi İvmesi ve Deprem Yükü Azaltma Katsayıları ile

işleme konulduktan sonra şövelman yapısı için deprem hesapları yapılmıştır.

5. SAYISAL HESAPLAMALAR

Şövelman tipi yapının üç boyutlu sonlu eleman modeli bilgisayar ortamında oluşturulduktan sonra yapının kendi

ağırlığı, kaza yükü ve deprem etkileri dikkate alınarak sonlu eleman analizleri gerçekleştirilmiştir. Çelik yapılar

doğaları gereği mafsallı olarak modellenirler. Ancak Şövelman incelendiğinde çok perçinli ve kısmen kaynaklı

birleşimlerle çubukların birbirine bağlandığı görülmüştür. Tek perçinli birleşimlerin olmaması sebebiyle yapı rijit

birleşimli olarak çözülerek elverişsiz sonuçlar araştırılmıştır.

Sayısal hesapları yapılan şövelman da ST37 çelik malzemesi kullanılmıştır. Kullanılan çeliğe ait malzeme

özellikleri

Tablo ’de verilmektedir.

Tablo 2. Şövelman da kullanılan çelik için malzeme özellikleri.

ÖZELLİK DEĞER BİRİM

Birim Hacim Kütlesi 7.8008 kN/m³

Birim Hacim Ağırlığı 76.50 kN/m³

Elastisite Modülü 210 GPa

Poisson Oranı 0.30 -

Isı Genleşme Katsayısı 1.17×10-5 -

Kayma Modülü 80769231 kN/m²

Min. Akma Dayanımı 240000 kN/m²

Min. Çekme Dayanımı 370000 kN/m²

Sisteme etkiyen yükler genel olarak asansör, halat, molet ve vinç tanburu arasında oluşan etkileşimden meydana

gelmektedir. Şövelman da oluşacak en kritik etkiler kaza anında halatın kopması durumunda beklenmektedir.

Belirlenen bu etkiler altında en kritik çubuklarda gerilme kontrolleri yapılacaktır. Böylece proje bilgilerine

dayanarak yapının emniyeti araştırılmıştır.

5.1 İç Kuvvetler Ve Gerilmeler

Şövelman da yapının kendi ağırlığı, kaza yükü ve deprem etkileri elastik zemin koşulları dikkate alınarak

incelenmiştir. Çözümlerde birleşimler rijit olarak dikkate alınmıştır. Yapıya ait sonlu eleman modeli öncelikle

yapının mevcut hali için çözülmüştür. Çözümlerde dikkate alınan mukavemet eşitliği Denklem (2)’de

verilmektedir.

4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı

11-13 Ekim 2017 – ANADOLU ÜNİVERSİTESİ – ESKİŞEHİR

²144000kN/mW

M

W

M

A

Nσ

3

3

2

2

(2)

Gerekli tahkikler SAP2000 programında yer alan AISC-ASD89 yönetmeliği gereğince yapılmıştır. Bu yönetmelik

Ülkemizde kullanılan TS648 yönetmeliğine karşılık geldiği bilinmektedir. Yapının mevcut hali için yapılan

çözümler sonucunda çelik yapı elemanlarının zorlanma durumlarını gösteren 3 boyutlu şövelman model Şekil ’de

verilmiştir. Buradaki zorlanma durumu, yapının kendi ağırlığı, kaza yükü, kendi ağırlığı+kaza yükü, kendi

ağırlığı+deprem yükü (2007 ABYYHY) ve kendi ağırlığı+1999 Kocaeli Deprem yükü etkileri zarf olarak

(yalnızca maksimum değerleri) gösterilmektedir. Şekil ’den görüldüğü üzere bazı elemanlar emniyetli değildir. Bu

nedenle, şövelman yapısı öncelikle kopan parçalar projesine göre yerine konulmuş, tekrar tahkik yapılmıştır.

Emniyetin sağlanmadığı belirlendiği için yetersiz kesite sahip elemanlar takviye (kesit büyütme) yapılmak

suretiyle sistem emniyetli halde getirilmiştir (Şekil ).

Şövelmanın mevcut halinin bahsi geçen yük etkileri ve bunların kombinasyonları için SAP2000 programı ile analiz

sonucuna göre kesitleri yetersiz kalan elemanlar Şekil ’de kırmızı olarak görülmektedir. Kesitlerin yetersiz kaldığı

elemanlar sırasıyla 127, 128, ve 146 numaralı elemanlardır. Bu elemanlardan 127 ve 128 numaralı elemanların

mevcut profil tipi 2L.60.60.6’dır. 127 ve 128 numaralı elemanların profil tipinin 2L.70.70.7 olarak değiştirilmesi

gerekmektedir. Buna ek olarak sadece 146 numaralı elemanın mevcut profil tipini değiştirmek simetrik bir yapıya

sahip olan Şövelmanın rijitlik merkezi ile sistem kütle merkezinin birbirinden uzaklaşmasına yol açacağından ki

bu istenmeyen bir durumdur sistemdeki 147, 148, 149 numaralı elemanları da aynı profil tipi ile yenilemek

gerekmektedir. Bu nedenle 146, 147, 148, 149 numaralı elemanların mevcut profil tipi 2L.120.80.10 olup bu

elemanların 2L.130.90.10’luk profillerle yenilenmesi gerekmektedir.

Ayrıca şövelmanın en üst katında projesinde var olan fakat şuan ki mevcut halinde eksik görünen 8 tane parçanın

da yerine konması gerekmektedir. Bu parçalar 2L.45.45.5’lik profil tipinde olmalıdır.

Şekil 6. Kritik durumda ki çubuk numaraları ve profil tipleri

4. Uluslararası Deprem Mühendisliği ve Sismoloji Konferansı

11-13 Ekim 2017 – ANADOLU ÜNİVERSİTESİ – ESKİŞEHİR

a) Yapının güçlendirilmemiş hali b) Yapının güçlendirilmiş hali

Şekil 7. Yapının güçlendirme işleminden önceki ve sonraki hali için emniyet durumu.

6 SONUÇLAR

Ali Soydaş Şövelman yapısının mevcut hali, yapının kendi ağırlığı, kaza yükü ve deprem etkileri için sonlu

elemanlar yöntemi dikkate alınarak irdelenmiştir. Deprem etkisi 2007 ABYYHY ve 1999 Kocaeli Depremi ivme

spektrumları için dikkate alınmıştır. Şövelmanın oturduğu zemine ait geoteknik raporlar irdelenmiş ve zeminin

elastikliğini dikkate almak için düşey yönlü elastik yay elemanlar sonlu elaman modeline dahil edilmiştir.

Yapılan sayısal çözümlemelerde dikkate alınan tüm yükler çeşitli kombinasyonlar altında düşünülmüş ve tüm

elemanlar ayrı ayrı AISC-ASD89 Yönetmeliğine göre kontrol edilmiştir. Yapılan kontrollerde bazı elemanların

kritik duruma düştüğü belirlenmiştir. Bunun önüne geçebilmek adına ilk önce projede var olan ancak zaman içinde

kopan bazı elemanların takviyesi yapılmış ancak yeterli verim alınamayınca mevcut elemanlar takviye edilerek

kesitleri büyütülmüştür. Bunun sonucunda şövelman sistemindeki tüm elemanların emniyetli olduğu SAP2000

programı vasıtasıyla da gösterilmiştir.

KAYNAKLAR

Rusinski, E. vd. (2013). Estimating the Remaining Operating Time of Mining Headframe with Consideration of

Its Current Technical Condition, Science Direct, 57, 958-966.

Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik 2007

Check/Design for AISC-ASD89