_____________________________________________________
1 Arş. Gör., İskenderun Teknik Üniversitesi, [email protected] *2 Doç. Dr., İskenderun Teknik Üniversitesi, [email protected] (Yazışma yapılacak yazar) 3 İnşaat Müh., İskenderun Teknik Üniversitesi, [email protected] 4 İnşaat Müh., İskenderun Teknik Üniversitesi, [email protected]
KABUK TEMELLERİN TAŞIMA GÜCÜ
BEARING CAPACITY OF SHELL FOUNDATIONS
Yakup TÜREDİ1 Murat ÖRNEK
*2
Salih KUNDUZ3 Hıdır ALTUNKAYNAK
4
ABSTRACT
Shell foundations are an altenative to for the flat foundations due to the especially transfer
of heavy structural loads to soils with low bearing capacity and economic advantage. In
this study, the bearing capacity behavior of two different shaped and sized shell
foundations rested on loose sand soil was investigated with laboratory model tests.
Additionaly two circular foundations similar diameter with the shell foundations are used.
Load displacement curves were plotted and compared according to the circular
foundations. According to the test results, the bearing capacity of the shell foundation is
greater than the circular foundations. The reason for these differences is accepted as the
geometry of the foundation and its rigidity.
perform better in the compared to flat foundations.
Keywords: Shell foundation, circular foundation, bearing capacity, loose sand.
ÖZET
Kabuk temeller özellikle ağır üstyapı yüklerinin, taşıma gücü yetersiz zeminlere
aktarılmasında ve ekonomik avantaj sağlaması yönünden düz temeller için bir alternatif
olmaktadır. Bu çalışmada, gevşek kum zemine oturan iki farklı şekil ve boyuttaki kabuk
temellerin taşıma gücü davranışı laboratuvar model deneyleriyle araştırılmıştır. Ayrıca
kabuk temeller ile aynı çapa sahip iki tane dairesel temel kullanılmıştır. Yük deplasman
eğrileri çizilerek dairesel temellere göre karşılaştırma yapılmıştır. Deney sonuçlarına göre,
dairesel temele göre kabuk temellerin daha fazla yük taşıdığını göstermiştir. Bu
farklılıkların nedeni temelin geometrisi ve rijitliği olarak kabul edilmektedir.
Anahtar Kelimeler: Kabuk temel, dairesel temel, taşıma gücü, gevşek kum.
1. GİRİŞ
Temeller, yapı yükünü (normal kuvvet, moment, vs.) yer yüzeyine (zemine) aktaran yapı
elemanlarıdır. Diğer bir deyişle temeller, yapının ayakları olarak tanımlanmaktadırlar.
Temeller yapıdan gelen yükleri emniyetle zemine aktaracak şekilde tasarlanırlar. Temeller
aynı anda taşıma gücü, oturma ve ekonomi gibi kıstasları sağlamak zorundadırlar. Başka
bir ifadeyle bir temel göçmeye karşı yeterli güvenlikte olmalı ve muhtemel maksimum
toplam ve farklı oturmalar, kabul edilecek değerleri geçmemelidir. Aynı zamanda, sadece
amaç temel sisteminin zeminde oluşan gerilmeyi zeminin taşıyabileceği seviyeye indirmek
325
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
değil, kolon veya perdenin altındaki zeminde oluşacak çökmeyi (oturma) sınırlı bir
seviyede tutarak üst yapının farklı oturmalarından zarar görmesini de önlemektir.
Diğer boyutları ile karşılaştırıldıklarında farklı bir temel çeşidi olan kabuk temeller, küçük
kalınlığa sahip olan, üç boyutlu eğrisel veya katlanmış plaklardan oluşan yapı
elemanlarıdır. Kabuk temeller zayıf zeminlerde ağır üst yapıları zemine en iyi aktaran ve
yüksek maliyet ve işçilik gerektiren bu gibi yerlerde ekonomiklik sağladığı gözlenen
yapılar olduğu kabul edilmektedir. Avantajlarından dolayı kabuk temeller 1970’li yıllardan
sonra dünya çapında birçok bilim adamının ilgisini çekmiştir (Shin vd. 2002, El-kady M.
S. ve Badravi E. F. 2017, Esmaili D. ve Hataf N. 2008, Kurian 2006). Kabuk temellerin
taşıma gücü yetersiz zeminlerde, ağır üstyapı yüklerinin, aktarılmasında düz temele göre
daha iyi performans gösterdiği görülmüştür. Kabuk temellerin geometrik şekli ve rijitliği
bu derece farklılığın oluşmasının nedeni olarak ifade edilmektedir. Teorik, sayısal ve
laboratuvar ve arazi deney sonuçları ile elde edilen veriler ışığında bu değerlendirmeler
yapılmaktadır.
Colmenares vd. tarafından yapılan
Kurian 2006 tarafından yapılan çalışmada kabuk temellerin altında zeminde oluşan gerilme
yayılışı gösterilmiştir. (Şekil 1). Ayıca kabuk temellerin sınıflandırılması, taban basıncı
dağılımı ve altında oluşan taşıma gücüne esas kırılma mekanizmaları Şekil 2-4’te
verilmektedir (Aksoy vd. 2014, Rinaldi 2012).
Şekil 1. Düz ve içbükey kabuk temeller altında zeminde gerilme dağılışı (Kurian, 2006)
Şekil 2. Kabukların sınıflandırılması (Rinaldi, 2012)
326
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
Şekil 3. Düz ve kabuk temel altında zeminde oluşan kırılma yüzeyleri (Rinaldi, 2012)
Şekil 4. Rijit temeller altında taban basıncı dağılımı (Rinaldi, 2012)
Azzam ve Nasr (2014) tarafından kum zemine yerleştirilmiş kabuk temellerin kullanıldığı
tek donatılı ve donatısız olmak üzere model deneyler yapılmıştır. Ayrıca model deneyler
sonlu elemanlar programı PLAXIS ile analiz edilmiştir. Kabuk temellerin düz temele göre
daha fazla yük taşıdığı görülmüştür.
Hanna ve Abdel-Rahman (1998) tarafından laboratuvarda farklı sıkılıkta kuru kum zemine
oturan düz ve kabuk temel modellerle yapılan yükleme deneyleri ile geoteknik açıdan
performansını yansıtan η kabuk kazanım faktörü (%) tanımlanmıştır. η kabuk temelin düz
temele göre taşıdığı (% olarak) nihai yükteki artışı olarak tarif edilmiştir. Kabuk kazanım
faktörü;
us uf
uf
Q Q
Q
1
olarak tanımlanmıştır.
Burada; Qus kabuk temelin taşıdığı nihai yük, Quf ise düz temelin taşıdığı nihai yüktür.
Bu çalışmada, gevşek kum zemine oturan iki farklı şekil ve boyutlardaki kabuk temellerin
taşıma gücü değerine etkisi laboratuvar deneyleriyle araştırılmıştır. Her bir deneyin
327
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
ardından yük-oturma bağıntıları çizilerek taşıma kapasitesi değişimleri belirlenmiş, göçme
mekanizmaları yorumlanmıştır.
2. MATERYAL VE METOD
Model deneyler, İskenderun Teknik Üniversitesi, İnşaat Fakültesi, İnşaat Mühendisliği
Bölümü, Geoteknik Laboratuvarı’nda yapılmıştır. Model deneyler, ebatları 125cm x
100cm x 100cm (uzunluk, genişlik, derinlik) olan dikdörtgen kesitli bir kasa içerisinde
gerçekleştirilmiştir. Deneylerde kullanılan yükleme düzeneği tasarımı Şekil 5’te yer
almaktadır.
Şekil 5. Deneysel çalışmada kullanılan yükleme tasarımı (a) düşey kesit (b) plan görünümü
Model deneylerde Ceyhan nehir yatağından elde edilen üniform, yıkanmış, ince kum
zemin kullanılmıştır. Kullanılan kuma ait elek analizi, kesme kutusu, sıkılık, piknometre
deney sonuçları Tablo 1’de ve dane çapı dağılımı Şekil 6’da verilmiştir.
Tablo 1. Deney Kumunun Mühendislik Özellikleri
Özellik Değer
İri kum yüzdesi (%) 0.00
Orta kum yüzdesi (%) 65.00
İnce kum yüzdesi (%) 35.00
D10 (mm) 0.13
D30 (mm) 0.28
D60 (mm) 0.58
Üniformluk katsayısı, Cu 4.46
Derecelenme katsayısı, Cc 1.04
Özgül ağırlık 2.72
Maksimum kuru birim hacim ağırlık (kN/m3) 17.11
Minimum kuru birim hacim ağırlık (kN/m3) 15.44
Kohezyon, c (kPa) 0.00
İçsel sürtünme açısı, (derece)
Zemin sınıfı (USCS)
36.00
SP
328
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
Şekil 6. Deney kumunun dane çapı dağılım eğrisi
Deneylerde kullanılan kubbe, silindirik kabuk ve dairesel model temellere ait ölçüler
sırasıyla Tablo 2 ve Tablo 3’te verilmiştir. Temellerin model tasarımları ise Şekil 6 ve
Şekil 7’de yer almaktadır. Burada; K kubbe kabuk temel, S silindirik kubbe temel, R
temellere ait çap, t ise temellerin et kalınlıklarıdır.
Tablo 2. Kubbe Kabuk Model Temellerin Boyutları
K-Daire K-1 K-2 K-3
R – h (cm) R – h - t (cm) R - h – t (cm) R – t (cm)
18 - 3 18 - 11 - 3 18 - 11 - 2 18 - 11 - 1
Şekil 7. Kubbe Model Kabuk Temeller Tasarımı
Tablo 2. Silindirik Kabuk Model Temellerin boyutları
S-Daire S-1 S-2
R2 – h (cm) R2 – h - t (cm) R2 – h - t (cm)
15 - 3 15 - 6.5 - 2.5 15 – 6.5 - 1.5
Şekil 7. Silindirik Model Kabuk Temeller Tasarımı
329
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
Kum zemin, kasa içerisine tabakalar halinde ve gevşek şekilde yerleştirilmiştir. Bu amaçla,
gerekli kum ağırlığı 5cm’lik her tabaka için hesaplanmış ve bu şekilde yerleştirme
yapılmıştır. Kum zemin yerleştirme işlemi tamamlandıktan sonra zemin üst yüzeyinin
düzgünlüğü su terazi ile kontrol edilmiş ve model temel zemin yüzeyine yerleştirilmiştir.
Uygulanan yükün, model temel merkezine düşey yönde ve üniform olacak şekilde etki
ettirilmesine özen gösterilmiştir. Deneyler sırasında, yükleme hızı sabit tutulmuştur. Elde
edilen değerler veri işleme ünitesi ile toplanmış ve verilere ait yük oturma grafikleri
çizilmiştir.
3. ARAŞTIRMA VE BULGULAR
Kubbe ve silindirik kabuk temellere ait yükleme düzeneği ve yapılan yükleme deneyleri
sonucunda elde edilen yük-oturma grafikleri aşağıda sunulmuştur (Şekil 8 ve Şekil 9).
Şekil 8. Model deneylerde yükleme aşaması
a) Kubbe kabuk temel
330
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
b) Silindirik kabuk temel
Şekil 9. Yük-Oturma İlişkisi
Şekil 9a ve Şekil 9b’de de görüldüğü gibi her iki farklı boyut ve kalınlıklara sahip kabuk
temel için de aynı deplasman altında nihai taşıma gücü değerlerinin düz temele göre daha
fazla olduğu görülmektedir. Örneğin 4mm deplasmanda taşınan yük değerleri K-1 ve S-1
kabuk temelleri için sırasıyla yaklaşık olarak 5kN ve 1.8kN; aynı çapa sahip dairesel K-
daire ve S-daire temellerde ise yaklaşık olarak 2kN ve 1kN olmaktadır.
Kum zemin üzerine oturan K-1 ve S-1 kabuk temeller ile yapılan model deneylerde eşitlik
1 kullanılarak elde edilen η kabuk kazanım faktörü aşağıdaki Tablo 4’de verilmiştir.
Tablo 4. Kabuk Temel Kazanım Faktörü
Kabuk Kazanım
Faktörü
Temel
K-1 S-1
η 1.50 0.80
K-1 ve S-1 kabuk temelleri için aynı deplasman değerinde düz temellere göre kazanım
faktörü yaklaşık olarak sırasıyla %150 ve %80 seviyelerinde olmuştur. Elde edilen
kazanımları incelendiğinde önemli mertebelerde artışların meydana geldiği görülmektedir.
SONUÇLAR
Bu çalışmada, farklı boyuttaki kubbe ve silindirik kabuk temellerin dairesel temeller ile
taşıma gücü değerine etkisi laboratuvar model deneyler yapılarak değerlendirilmiştir. Elde
edilen sonuçlar aşağıdaki ifade edilmiştir.
Aynı plan oturumuna sahip kabuk temellerin taşıma yükü değerlerinin, düz temele
göre daha fazla değerler aldığı görülmüştür.
Taşıma yükü değerlerinde yaklaşık olarak 2-3 kata varan artışlar meydana gelmiştir.
Kabuk temellerin taşıma gücü performansı incelendiğinde kazanım faktörünün
özellikle K-1 temeli için yaklaşık olarak %150’e seviyelerine ulaştığı gözlenmiştir.
Benzer şekilde S-1 temeli içinde %80 civarında gelişerek ciddi bir kazanım elde
edilmiştir.
331
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul
KAYNAKLAR
[1] Shin E. C., Das B. M., Lee E. S., Atalar C. (2002), “Bearing capacity of strip
foundation on geogrid-reinforced sand” Technical Note Geotechnical and
Geological Engineering, 20, 169-180.
[2] El-kady M. S. and Badravi E. F. (2017). “Performance of Isolated and Folded
Footings”, Journal of Computational Design and Engineering, 4(2), 150-157.
[3] Esmaili D. and Hataf N. (2008). “Experimental and Numerical Investigation of
Ultimate Load Capacity of Shell Foundations on Reinforced and Unreinforced
Sand”, Iranian Journal of Science and Technology Transactions of Civil
Engineering, 32(5), 491-500.
[4] Kurian, N. P. (2006). “Shell foundations, geometry, analysis, design and construction”,
Harrow, U.K., 379.
[5] Aksoy İ. H., Gündüz A. N. ve Tan A. O. (2014). “Elastik Zemine Oturan Kabuk
Temellerin Statik Yükler Altında Davranışı”, Zemin Mekaniği ve Temel
Mühendisliği II. Özel Konulu Sempozyumu, 24-25 Nisan 2014, Antalya.
[6] Rinaldi, R. (2012). “Inverted Shell Foundation Performance in Soil”, (PhD Thesis),
Montreal, Quebec, Canada., 332.
[7] Azzam W.R. and Nasr A.M. (2014). “Bearing Capacity of Shell Strip Footing on
Reinforced Sand” Journal of Advanced Research, 6(5): 727-737.
[8] Hanna, A. and Abdel-Rahman, M. (1998). “Experimental Investigation of Shell
Foundations on Dry Sand”, ASCE Journal of Geotechnical Engineering, 116(12),
1851-1863.
332
7. Geoteknik Sempozyumu 22-23-24 Kasım 2017, İstanbul