Köprü ve Tünel Güçlendirme İnşaatlarında KYB Kullanımı

(1)

Köprü ve Tünel Güçlendirme İnşaatlarında KYB Kullanımı

Engin Çiçekliyurt

Epo Yapı Kimya Değirmen Yolu Sok. No: 12 34752 İçerenköy, İstanbul Tel: (216) 572 02 55

E-Posta: info@epo.com.tr Bekir Yılmaz Pekmezci

İTÜ İnşaat Fakültesi Yapı Malzemesi ABD 34469 Maslak, İstanbul Tel: (212) 285 37 56

E-Posta: bpekmezci@ins.itu.edu.tr

Öz

Betonarme yapılarda, yapının zaman içinde birtakım hasarlar görmesi sonucu, onarım veya yapının performansını arttırmak amacıyla güçlendirme uygulamaları yapılmaktadır. Bu uygulamalara ülkemizde 1999 depremlerinden sonra daha fazla ihtiyaç duyulmuş ve geçen 8 yıllık süre içinde yapılan güçlendirmelerde deneyimler kazanılmıştır. Bu çalışmada T.C. Karayolları na ait 2 adet köprü, 1 adet tünel olası bir depreme karşı taşıma kapasitelerinin artırılması çalışması sürecinde yapılan kendiliğinden yerleşen beton (KYB) uygulamaları incelenmiştir. Kendiliğinden yerleşen betonun tercihinde etkili olan etmenler irdelenmiş ve bu seçimin doğruluğu tartışılmıştır. Betonun tasarımı sırasında laboratuarda elde edilen işlenebilme (V hunisi ve yayılma) deneyleri sonuçları ile şantiyede KYB nin kalıba yerleşebilmesi arasındaki ilişkiler belirlenmiştir. Bunun yanında kendiliğinden yerleşen betonun tasarımı sırasında elde edilen laboratuar test sonuçları ile şantiyede yapılan işlenebilme deneyi ve basınç deney sonuçları karşılaştırılarak, kendiliğinden yerleşen betonun en büyük problemlerinden biri olan beton özelliklerinde oluşan sapmalar irdelenmiştir.

Anahtar sözcükler: Kendiliğinden yerleşen beton, Güçlendirme, İşlenebilme, Taze beton özelikleri, Onarım.

Giriş

1999 yılında ülkemizde meydana gelen depremden sonra özellikle stratejik yapıların depreme karşı dayanıklılığı tartışılmaya başlanmıştır.

Depreme karşı dayanıklılığı tartışılan ve deprem esnasında en yüksek performansı göstermesi beklenen yapılar arasında hastaneler, okullar, karakollar, köprüler ve viyadükler öncelikli olarak yer almaktadır.

(2)

Türkiye Cumhuriyetinin tüm kurumları gibi T.C. Karayolları da kendi sorumluluk alanında bulunan stratejik köprü ve viyadüklerin onarımı ve depreme karşı güçlendirilmesini hedeflemiştir.

T.C.Karayolları 17. Bölge Müdürlüğü kendi sahasındaki köprü ve viyadükler üzerinde incelemeler yapmış ve bu yapısal incelemeler sonucunda bazı köprü ve viyadüklerde betonarme kesitin arttırılması için mantolama yapılmasına ve viyadük kirişleri arasına deprem takozları konulmasına karar verilmiştir.

Söz konusu onarım ve güçlendirme çalışmalarında mantolama kesitinin darlığı ve donatı yoğunluğunun fazla olması nedeniyle konvansiyonel betonla uygulamanın zorlukları öngörülmüş ve uygulamada Kendiliğinden Yerleşen Beton kullanılması doğru bulunmuştur.

Kendiliğinden Yerleşen Beton ve Güçlendirme

KYB, katkı teknolojisindeki gelişmelerle birlikte 1990’lı yıllarda beton endüstrisindeki yerini almış, 2000’li yıllarda da Türkiye’de güçlendirme inşaatlarının sayısının artmasıyla oldukça popüler hale gelmiş ve adından sıklıkla söz ettirmeye başlamıştır.

Mevcut yapılarda onarım ve güçlendirme için öncelikle uygulanacak en uygun metodun, buna bağlı olarak da kullanılacak malzemenin belirlenmesi gerekir.

Onarım ve güçlendirme çalışmasının başarıya ulaşması için, yüksek dayanımlı, uzun ömürlü (dayanıklı) bir malzeme ile pratik bir uygulama yürütmek gerekir. Öngörülen onarım ve güçlendirme sistemi yapının maruz kalacağı çevresel etkilere dayanıklı olmalıdır. Uygulanacak malzemenin geçirimliliği en alt düzeyde olmalı, eski betonla yüksek aderans sağlamalıdır. Mevcut alt tabaka betonun benzer özelikler taşıması da bir avantaj olarak değerlendirilmektedir.

Uygulamanın yapıldığı elemanlarda uygulama sırasında dinamik yük mevcut olduğundan hızlı imalat ve erken dayanım aranan önemli özelikler arasında yer almaktadır. Tüm bu aranan özelikler değerlendirildiğinde, KYB’nin onarım ve güçlendirme için uygun bir malzeme olabileceği düşünülmektedir. KYB, kolonların yüksek olması ve sık güçlendirme donatısı sebebiyle de köprü ve viyadük güçlendirmelerinde tercih edilmektedir. KYB’nin köprü ve viyadük güçlendirmelerinde tercih edilmesinin önemli nedenleri aşağıda sıralanmaktadır.

• Kalıbı ve sık donatıların arasını boşluksuz doldurma yeteneği

• Segregasyona karşı dirençli olması

• Vibrasyona gerek olmadan kolayca yerleşebilmesi

• İşçilik hatalarını tolere edebilmesi

• Zamandan tasarruf sağlaması

• Daha az rötre yapması

• Yüksek aderans sağlaması

• Erken yüksek dayanım sağlaması.

KYB’nin geleneksel betona göre üstünlükleri yukarıda sıralandı. Türkiye’deki güçlendirme inşaatlarında geleneksel beton ile kesit arttırımı birçok yapıda uygulanmıştır ve halen uygulanmaya devam etmektedir. Ancak köprü ve viyadük güçlendirmeleri göz önüne alındığında, güçlendirilen elemanlara eklenen kesitlerdeki donatının sıklığı, buna bağlı olarak vibratör kullanılamaması, betonun yüksekten

(3)

köprü, viyadük veya tünel servis hizmeti vermeye devam edeceğinden beton döküm ve yerleştirme işlemi çok süratli biçimde yapılmalıdır.

Şekil 1. de Viyadük başlık kirişinde dar alanda betonun PVC boru ile kendi akışında taşınması gösterilmektedir. Bu noktaya betonun pompa ile ulaşması mümkün değildir, betonun insan gücüyle taşınması da süreci oldukça fazla uzatacaktır. Bu uygulamada, KYB’nin tercih edilmesinin en önemli nedeni uygulama sürati ve pratikliğidir.

Şekil 1 Dar alanda KYB’nin kendi akışında taşınması

Şekil 2’de sık donatı içeren taşıyıcı elemana beton dökülmesi gösterilmektedir. Bu uygulamada en büyük problem donatının sıklığıdır. Burada vibratör kullanmak ve betonu donatıların arasından aktarma konvaysiyonel betonla mümkün olamadığından ugulamada KYB tercih edilmiştir.

Şekil 2. Sık donatı içeren taşıycı elemanda beton dökülmesi

(4)

Deneysel Çalışmalar

Güçlendirmesi yapılan elemanın beton sınıfı, güçlendirmede kullanılacak malzemenin dayanımının belirlenmesinde en önemli etkenlerden birisidir. Her iki betonun elastisite modüleri, boyutsal stabilitesi, kimyasal, fiziksel ve geçirimlilik özelliklerinin benzer olması tercih edilmektedir. Bunun yanında onarım ve güçlendirme işlerinde kullanılacak olan betonda yüksek akışkanlık, kendiliğinden yerleşebilme yeteneği, ayrışmaya karşı yüksek direnç, düşük kalıp basıncı, erken dayanım, mevcut betona çok iyi yapışma ve minimum rötre yapma özelikleri aranmaktadır.

Bu bildiri dahilinde anlatılacak olan çalışmalarda, proje aşamasında güçlendirme betonundan beklenen mekanik ve fiziksel özelikler belirlenmiştir. T.C. Bayındırlık ve İskan Bakanlığı Karayolları Genel Müdürlüğü 17. Bölge Müdürlüğü Özel Teknik Şartnamesine göre, betonarme kesiti artırılacak elemanlarda, deprem takozu yapılacak bölgelerde C30 sınıfı, kiriş oturma payı genişletilecek elemanlarda C25 sınıfı beton kullanılması gerekli görülmüştür. İmal edilecek olan KYB, akıcı kıvamda olacak, elde edilecek karışımın rötresi minimum olacak, malzemenin minimum çimento dozajı 400 kg/m3 olarak öngörülmüştür. KYB’de toplam klorid miktarı çimento kütlesinin

%0,1’ini geçmeyecektir. Mikrosilika miktarı toplam çimento kütlesinin %5’inden fazla olmayacaktır. Suda eriyen sülfat miktarı (SO3) %4 den fazla olmamalıdır. Hava miktarı 20 ⁰C de maksimum %7 olmalıdır. CaCl2 ve klorür tuzlarını içeren katkı maddeleri kullanılmayacaktır.

Yukarıda verilen kriterler göz önüne alınarak laboratuarda beton tasarımları yapılmış ve seçilen test yöntemleri ile bu betonların taze ve sertleşmiş özellikleri belirlenmiştir.

Taze betonun akıcılık özeliklerini belirlemek amacıyla V hunisi (Şekil 3) ve çökme yayılması (Şekil 4) deneyleri yapılmıştır. (Bartos ve diğ., 2002). Bu deneylerde KYB’nin akma kapasitesi ve yerleşme yetenekleri incelenmiştir. Ayrıca üretilen KYB’lerden 15’cm lik küp numuneler alınarak kirece doygun 20±2 ⁰C lik su içerisinde 7 ve 28 gün saklandıktan sonra basınç deneyleri uygulanmış ve betonların hedeflenen basınç dayanımına sahip olup olmadığı belirlenmiştir.

Laboratuarda elde edilen beton bileşimleri, şantiyede büyük ölçekte üretilmiştir.

Laboratuarda uygulanan deneylerin tümü beton kalitesindeki salınımları belirlemek amacıyla şantiyede de uygulanmıştır.

İlk aşamada beton santrallerinde çimento, ince ve iri agrega, su karışımı hazırlanarak şantiyede beton dökümü yapılması hedeflenmiştir. Ancak elde edilen karışımlarda beklenen kararlılık her zaman elde edilememiştir. Şantiyede KYB’lerin işlenebilirlik özelikleri arasında zaman zaman farklılıklar olabildiği belirlenmiştir. Bu uygulamada elde edilen laboratuar ve saha test sonuçları Tablo 1’de gösterilmektedir

Tablo 1. Hazır beton tesisi karışımları deney sonuçları Uygulanan Deney Laboratuarda yapılan deney

sonucu

Sahada yapılan deney sonucu

V hunisi 5-6 sn 4-8 sn

Çökme yayılması 66-70 cm 50-71

(5)

değişimler olduğu dikkat çekmektedir. Bu sapmalar hazır beton tesisine gelen agrega özelliklerindeki değişimlere bağlanmıştır. Agrega özelliklerindeki küçük bir değişim tesisteki geleneksel betonun işlenebilirliğini önemli ölçüde etkilememesine karşın KYB işlenebilirlik deney sonuçlarında dikkate değer değişimlere neden olmaktadır. Hazır beton tesisinde agregaların kalitesinin kararlılığı sağlandığında bu sorun ortadan kalkacaktır. Bazı beton santrallerinde agrega kalitesinin daha kararlı olduğu tespit edilmiş ve bu santrallerden katkısız karışım transmikserle sahaya kadar taşınmış ve sahada sadece polikarboksilat esaslı katkı ilave edilerek KYB üretilmiştir.

Agrega özelliklerinde salınımlar olan beton santrallerinin bulunduğu bölgede, bu sorunu aşmak amacıyla, çimento, ince ve iri agrega, kimyasal toz akışkanlaştırıcı, mineral katkı ve ayrışmayı düzenleyici katkıdan oluşan kuru karışım fabrikada paketlenerek

kullanıma hazır halde şantiyeye sevkedilmiş ve sahada sadece su ilave edilerek KYB hazırlanmıştır.

Böylece laboratuar koşulları ile şantiye arasındaki farklılıklar en aza indirilmiştir.

Üretilen betonların bileşimleri Tablo 2. de verilmektedir.

Tablo 2 Üretilen betonların bileşimleri

Malzeme Çimento Su Kırma

kum Doğal

kum Kırmataş 1

Kimyasal akışkan-

laştırıcı katkı

Mineral Katkı

(silis dumanı)

Viskozite

düzenleyici Slump Koruyucu kg/m³ 400 180 288 672 780 8,0 40 7 4 kg/m³ 420 214 315 735 680 8,4 30 7 4 kg/m³ 420 185 366 680 670 8,4 30 7 4

Tablo 3, 4 ve 5 de hazır beton tesisinde kuru karışım olarak üretilen veya fabrikada paket olarak üretilen betonların laboratuarda tasarım sırasında elde edilen deney sonuçlarıyla sahada beton dökümü sırasında yapılan deneylerden elde edilen sonuçları karşılaştırılmaktadır. Paket karışımların sahada elde edilen deney sonuçlarıyla laboratuar sonuçları karşılaştırıldığında sapmanın oldukça düşük olduğu açıkça görülmektedir.

Tablo 3. Sağmalcılar Viyadüğü’nde KYB’ye ait deney sonuçları (Hazır Beton Tesisi) Uygulanan Deney Laboratuarda

Yapılan Deney Sonucu

Sahada

Gözlemler

Basınç Dayanımı 52,0 N/mm² 45,0 N/mm²

V hunisi 6 sn 4 sn Segregasyon yok

Çökme yayılması 66 cm 71 cm Segregasyon yok

Tablo 4. Yenibosna Köprüsü’nde dökülen KYB’ye ait deney sonuçları (Paket Üretim) Uygulanan Deney Laboratuarda

Sahada

Gözlemler

(6)

Tablo 5. İzmit Batı Tüneli’nde dökülen KYB’ye ait deney sonuçları (Hazır Beton Tesis) Uygulanan Deney Laboratuarda

Sahada

Gözlemler

Tablo3. de gösterilen Sağmalcılar Viyadüğü ve Tablo 5. de gösterilen İzmit Batı Tüneli güçlendirmesinde kullanılan betonlar santralden şantiyeye transmikserle getirilmiştir.

Tablo 4. de verilen Yenibosna köprüsünde kullanılan beton ise fabrikada paketlenerek şantiyede bu karışıma sadece su eklenmiştir.

Şekil 5,6 ve 7’de sırasıyla hazır beton tesisinde üretilen ve şantiyede katkı eklenen karışımla fabrikada paket olarak hazırlanan kuru karışımın deney sonuçları karşılaştırılmaktadır.

0 10 20 30 40 50 60 70

Laboratuvar Şantiye Basınç Dayanımı (N/mm2 )

Torbalı hazır karışım HB Tesisi karışımı 1 HB Tesisi karışımı 2

Şekil 5. Basınç dayanımı deney sonuçlarının karşılaştırılması

62 64 66 68 70 72 74

Laboratuvar Şantiye

Çökme yayılması (cm)

Torbalı hazır karışım HB Tesisi karışımı 1 HB Tesisi karşımı 2

(7)

0 1 2 3 4 5 6 7

Laboratuvar Şantiye

v hunisi (sn) .

Torbalı hazır karışım HB Tesisi karışımı 1 HB Tesisi karışımı 2

Şekil 7. V hunisi deney sonuçlarının karşılaştırılması

Grafikler genel olarak incelendiğinde, laboratuar ve şantiye arasındaki uyumun mertebe olarak birbirine oldukça yakın olduğu söylenebilir. Laboratuar ve şantiye sonuçlarını daha detaylı değerlendirebilmek için şantiye deneylerinden elde edilen sonuçların laboratuar deneylerinden elde edilen sonuçlara göre bağıl değişimi (%) hesaplanmış ve Şekil 8 de gösterilmiştir.

3

13

3 5

8

4 20

33

17

0 5 10 15 20 25 30 35

Torbalı hazır

karışım Hazır beton

tesisi Hazır beton tesisi Değ

işim (% ) .

Basınç Deneyi Çökme Yayılması V Hunisi

Şekil 8. Şantiye ve laboratuar sonuçlarının bağıl değişimi

Şekil 8 incelendiğinde torbalı karışımdaki basınç dayanımı deneyi ve çökme yayılması deney sonucundaki değişimlerin hazır beton tesisinde hazırlanan karışımlara göre daha düşük miktarlarda kaldığı açıkça görülmektedir. Ancak 2. hazır beton tesisinde üretilen betonlardan elde edilen sonuçlar da torbalı karışıma oldukça yakındır. Birinci ve ikinci hazır beton tesislerinde üretilen betonlardan elde edilen deney sonuçları kendi aralarında değerlendirildiğinde birinci hazır beton tesisinde elde edilen şantiye ve laboratuar farkının ikinci tesisteki sapmanın yaklaşık iki katı olduğu dikkati çekmektedir. Bu da KYB deney sonuçlarında, laboratuar ve şantiye uyumunun tesis bazında değerlendirilmesi gerektiği gerçeğini ortaya sermektedir. V hunisi deney sonuçları

(8)

şekilden incelendiğinde torbalı karışım ve her iki tesis üretimi için de laboratuar ve şantiye arasında dikkate değer bir farklılık olduğu göze çarpmaktadır.

Her ne kadar fabrikada yapılan torbalı karışımın laboratuar (tasarım)-şantiye uyumu, hammadde stabilitesine bağlı olarak daha fazla olsa da ekonomik ve pratik açıdan uygun bir çözüm değildir. Bu sorunu aşmak için hazır beton tesisine gelen malzemenin stabilitesine azami özen gösterilmelidir.

KYB ile Yapılan Örnek Güçlendirme Uygulamaları Sağmalcılar Viyadüğü Başlık Kirişi Güçlendirmesi

Sağmalcılar viyadüğünde (İstanbul) yapılan olası depreme karşı güçlendirme çalışmalarında temelden başlanarak elevasyon ve başlık kirişlerinin kesitleri büyütülmüştür. Kendiliğinden yerleşen beton başlık kirişinin alt bölümünde bulunan sık donatılı kısımda uygulanmıştır.

Başlık kirişlerinin kesitinin büyütülecek kısmının boyutları, 13,15 metre uzunluğunda 4,35 metre eninde 1,20 metre yüksekliğindedir. Güçlendirilen başlık kirişinin kesiti Şekil 9.’da gösterilmektedir.

Şekil 9 Başlık kirişi kesiti

Önce güçlendirilecek olan başlık kirişinin yüzeyi pürüzlendirilmiştir. Pürüzlendirilmiş kirişin resmi Şekil 10. da gösterilmektedir. Daha sonra bu elemana güçlendirme projesine uygun olarak epoksi ile çelik ankrajlar Şekil 11’de görüldüğü şekilde ankre edilmiştir. Hazır beton tesisinde karışım (çimento ve agrega) ve su, laboratuarda oluşturulan tasarıma bağlı kalınarak transmiksere doldurulmuş ve viyadük üzerine getirilmiştir. Dolum yapılırken transmikserin kapasitesinin en fazla ¾ ünün kullanılmasına özen gösterilmiştir. (Skarendahl, Peterson, 2000)

(9)

Şekil 10 Pürüzlendirilmiş kiriş Şekil 11 Donatı ekilmiş kiriş Şantiyede polikarboksilat esaslı akışkanlaştırıcı katkı karışıma eklenerek karışım laboratuarda tasarlanan kendiliğinden yerleşen beton karışımı olarak elde edilmiştir.

Şekil 12. de iki viyadük arasına yerleştirilen hazneden başlık kirişine akıtılan KYB ugulaması görülmektedir. Beton borularla döküleceği noktaya kadar taşınmış ve başlık kirişine vibrasyon uygulamadan yerleştirilmiştir. Haznenin girişi ile betonun döküldüğü nokta arasındaki kot farkı 2,5 m’dir.

Şekil 12 Başlık kirişine betonun yerleştirilmesi.

Benzer bir uygulama Yenibosna Köprüsü’nde yapılmıştır. Burada köprünün elevasyonlarının kesitleri temelden başlayarak arttırılmıştır. Buradaki uygulamanın bir üsttekinden farkı Yenibosna Köprüsü’nde fabrikada paketlenmiş kuru karışımların şantiyede su ile karıştırılarak KYB’nin elde edilmesidir. Elevasyona KYB uygulaması Şekil 13.’de gösterilmektedir. Burada elevasyonun bir noktasından dökülen KYB bu elemanın tüm çevresini 12 m dolanarak seviyelenip kalıbı üst seviyelere kadar doldurmuştur. Kalıp söküldüğünde herhangi bir gözle görünen boşluk tespit edilememiştir.

(10)

Şekil 13. Paket olarak hazırlanmış KYB ile elevasyon güçlendirmesi

Sonuçlar

Köprü viyadük ve tünellerin depreme karşı güçlendirilmesinde kendiliğinden yerleşen beton kullanımı teknik performans, ekonomiklik, işçilik hatalarının en aza indirilmesi ve yapım hızı açısından geleneksel betona göre daha avantajlı çözümler sunmaktadır.

KYB nin en büyük problemi olan laboratuar ve şantiye uyumu ve betonun teknik özelliklerini tekrarlayabilme özelliği bu çalışmada araştırılmıştır. Çalışma sonucunda elde edilen verilere dayanılarak genel olarak hammaddenin kararlılığı sağlandığında ve KYB üretiminde gerekli özen gösterildiğinde bu beton için yeterli tekrarlanabilirliklerin elde edilebileceği ve kalitenin devamlılığının sağlanabileceği söylenebilir.

Kaynaklar

Bartos, P.J.M, Sonebi, M. and Tamimi, A.K., Workability and Rheology of Fresh Concrete: Compendium of tests, Report of RILEM Technical Committee, TC 145- WSM Workability of special Concrete Mixes. , 2002

Skarendahl, A. and Peterson,Ö., Self-Compacting Concrete State-of-the-Art report of RILEM Technical Committee, Report 23. , 2000

T.C. Bayındırlık ve İskan Bakanlığı Karayolları Genel Müdürlüğü 17. Bölge Müdürlüğü, Otoyollar Üzerindeki Viyadük ve Köprülerin Onarımı ve Depreme Karşı Güçlendirilmesi İşi, Özel Teknik Şartname. 2001