Istinat yapıları

3. İSTİNAT YAPILARI

Zeminler ile toprak, kum, çakıl gibi malzemelerden oluşan dolgu zeminler, eğer farklı kottaki iki yüzey arasında düşey bir düzlem halinde ise dengede duramaz ve göçerler. Göçmeyi önlemek

için ya şev ya da bir istinat duvarı yapılır. Yol kenarlarında, dere kenarlarında ve meyilli arazide toprağın kaymasını veya suyun zemini aşındırmasını önlemek amacı ile yapılan duvarlara istinat veya dayanak duvarları denir. (WEB2)

İstinat duvarlarının atmosferle temas halindeki yüzüne duvar önü, zeminle temas halindeki yüzüne duvar arkası denir. İstinat duvarı, yatay hareketlere karşı yeterli mesnet teşkile decek bir taban ve buna ankastre bir gövdeden oluşur. Tabanın ön tarafındaki alt uca topuk adi verilir. (WEB2)

Şekil 3.1. İstinat duvarı yapılarak kayması önlenen zemin ve kazanılan kısım.(WEB2)

İstinat duvarının yapım amacı duvarın arkasında bulunan malzemeden doğan itkiye karşı gerekli stabiliteyi sağlamasıdır.

3.1. İstinat Yapılarının Kullanım Yerleri

Şekil 3.2. a)yamaç yolları, b)büyük dolgu ve yarma gerektiren yollar, c)zemin tutma, d)kanal ve eklüzler, e)kıyıların erozyondan korunması, f)taşkın duvarları, g)köprü kenar ayakları (WEB1)

3.2. İstinat Duvarlarının Türleri

1) Ağırlık (masif) istinat duvarları

2) Betonarme istinat duvarları

3) Prefabrike elemanlı istinat duvarları (WEB2)

3.2.1. Ağırlık (masif) İstinat Duvarları

Zeminde doğan yanal itkiyi kendi ağırlığıyla karşılamaya çalışan istinat yapılarıdır.

Şekil 3.3. Beton ağırlık istinat duvarı (WEB1) Şekil 3.4. Taş ağırlık istinat duvarı(WEB1)

Taş ve beton, çekme dayanımı düşük malzemeler olduğu için bu tip yapılarda çekme gerilmesine izin verilmez. 4-5 metre yüksekliği geçmemesi istenir. Pere, moloz taş istinat duvarları olmak üzere çeşitleri vardır.(WEB2)

3.2.1.1. Pere İstinat Duvarları

Bir dolgu şevinin dik tutulabilmesi için iri moloz taşları ile harçlı ya da harçsız olarak yapılan şev kaplamasıdır. Pereler, toprak yarmalarında ve şevli dolgularda yüzeyi düzeltmek, kaymayı önlemek üzere yapılır. Uygulamanın esası, yüzeyleri düzeltilmiş taşların bir sıra halinde, harç kullanmaksızın muntazam olarak toprak zemin üzerine kaplanmasıdır.(WEB2)

Şekil 3.5. Taş pere istinat duvarı (WEB2) Resim 3.1. Pere uygulaması (WEB3)

3.2.1.2 Moloz Taş İstinat Duvarları

Toprak kaymasını önlemek ve yarma yapılan yerlerde pürüzlü yüzeyleri düzeltmek üzere harçlı veya harçsız örülen taş duvarlardır. Yükseliği en çok 4 m ve üst kısmının kalınlığı en az 60 cm olmalı ve toprak etkisine dayanıklı olması için temele doğru kalınlığı arttırılmalıdır. (WEB2)

Şekil 3.6. a) pere, b)kuru moloz taş, c)harçlı moloz taş, d)kaba yonu taş (WEB2)

3.2.2. Betonarme İstinat Duvarları

Yüksekliğin fazla olduğu, duvar kalınlığının az ve sağlam olması istenilen yerlerde,elverişli taş temininin zor olduğu durumlarda istinat duvarları betonarme olarak inşa edilir.

Betonarme İstinat Duvarları:

1) Yekpare betonarme istinat duvarı

2) Basit konsol betonarme istinat duvarı

3) Kademeli betonarme istinat duvarı

4) Nervürlü (kontrfor) betonarme istinat duvarı

5) Zemine ankastre betonarme istinat duvarı

6) Gergili istinat duvarı (WEB2)

3.2.2.1. Yekpare Betonarme İstinat Duvarları

Kalınlıkları, taş duvarlara göre daha az olur. Duvarın betonarme çelik donatısı, temel donatısına bağlanır ve toprağın yanal basınçlarını önlemek üzere gergi çelikleri konur. Duvar arkasındaki topraktan su ve nemin betona nüfuz etmemesi için duvarın arka yüzüne su yalıtım malzemeleri uygulanır, kuru taş dolgu yapılır ve sular barbakanlarla ön cepheye akıtılır. (WEB2)

Resim 3.2. Betonarme istinat duvarı (WEB1)

3.2.2.2. Basit Konsol Betonarme İstinat Duvarları

Genellikle “L” ve “Ters T” biçiminde yapılırlar. “L” şeklindekiler toprak kazısının mümkün olmadığı durumlarda tercih edilirler. Yaklaşık 7-8 m yükseklikler için ekonomiktirler. (WEB2)

Şekil 3.7. Basit konsol betonarme istinat duvarı (WEB1)

3.2.2.3. Kademeli Betonarme İstinat Duvarı

İstinat duvarının hesap sonucu bulunan temel tabanının genişliği fazla,eğimli bir yüzeyde duvar yüksekliği çok ise taban genişliğini gizlemek ve görünümünü güzelleştirmek üzere, birleşik veya ayrı temel üzerinde, çift betonarme duvar yapılır. (WEB2)

Şekil 3.8. Kademeli betonarme istinat Resim 3.3. Kademeli b. i. d. Uygulaması (WEB2) duvarı (WEB2)

3.2.2.4. Nervürlü (kontrfor) Betonarme istinat duvarı

Bu tür istinat duvarları, basit betonarme istinat duvarlarına belirli aralıkla kama şeklinde destek elemanları konulması ile oluşturulurlar. (WEB2)

Şekil 3.9. Nervürlü betonarme istinat duvarı(WEB1)

3.2.2.5. Zemine Ankastre Betonarme İstinat Duvarı

Bir istinat duvarında taban kısmı, dolgu yapılmasına imkan olmadığı durumlarda duvarın stabilitesini sağlamak amacıyla daha derinlere indirilir. (WEB2)

Şekil 3.10. Zemine ankastre betonarme istinat duvarı (WEB2)

Şekil 3.11. Zemine ankastre betonarme istinat duvarı (WEB1)

3.2.2.6. Gergili İstinat Duvarı

İstinat duvarının arkasında veya altında sağlam zemin bulunması durumunda, bu sağlam zemine çakılan palplanşlarla gövdenin geriye çekilmesi yoluyla yapılan betonarme istinat duvarıdır. En çok tercih edilen istinat duvarıdır. (WEB2)

Şekil 3.12. Duvar arkasından gergili istinat duvarı (WEB2)

Şekil 3.13. Temelden gergili istinat duvarı(WEB1)

3.2.2.6.1. Gergili İstinat Duvarlarının Avantajları

1) Yüksek çekme dayanımına sahiptir.

2) Nispeten hafif malzeme kullanılır.

3) Tekrar tekrar kullanılabilmesi.

4) Su altında ve üstünde uzun ömürlü olabilmesi.

5) Kazıkların çakılmasının kolay olması.

6) Ekleme yerlerinde deformasyonun az olması.

7) İstenilen duruma göre malzeme seçiminin olması.

Ancak bu yapılar yamaçlarda çok kullanılmaz, çünkü deplasmana müsait olmaları, korozyona uğramaları ve yüksek maliyet söz konusudur. (WEB3)

3.3. Prefabrik Betonarme İstinat Duvarı

Toprak kaymasını önlemek üzere yüksekliği az olan istinat duvarları kısa zamanda ve kolaylıkla inşa edilebildiğinden tercih edilir. En çok 12 m uzunluğunda, 20*20 ve 20*30 cm kesitli betonarme kirişlerle, aynı kesitte ve 2-3 m boyunda kirişler kullanılır. Bu tip istinat duvarları karayolları ve demiryolları kenarlarında kullanılır. (WEB2)

Şekil 3.14. Prefabrik, dilatasyonlu betonarme istinat duvarı (WEB1)

Şekil 3.15. Yol kenarında prefabrik betonarme istinat duvarı (WEB2)

3.3.1. Prefabrik ızgara duvar

Şekil 3.16. a) büyük deformasyona imkan verir, b) su geçirir, c)bahçe mimarinse elverişlidir, d)ucuz maliyetli, e) şevler yeşillendirilebilir, f)kalıcıdır, g) inşaat süresi kısadır (WEB3)

3.4. İstinat Duvarlarına Etkiyen Kuvvetler

İstinat duvarları inşa edileceği yer ve maksadına göre farklı yüklere maruz kalırlar. Projelendirme aşamasında bu yükleri iyi belirleyip hesaba dahil edilmesi gereklidir. Aksi takdirde dikkate alınmayan bir yük duvarımızda olumsuz bir durum yaratabileceği gibi yine gereksiz alınan bir yük ise mühendisi ekonomik çözümlerden uzaklaştırabilir. (WEB1)

Şekil 3.17.İstinat duvarına etkiyen yükler (WEB1)

3.4.1.Duvarın Kendi Ağırlığı

Genellikle ağırlık türü istinat duvarlarında, yanal itkiyi önleyecek en büyük kuvvet, duvarın kendi ağırlığıdır. Duvar tabanına gelen bu kuvvet, tabanla-zemin arasındaki sürtünmeden dolayı ortaya çıkan harekete ters yöndeki yatay sürtünme kuvvetlerini oluşturur. Bu sürtünme kuvveti ile duvara gelecek yatay kuvvetler karşılanacaktır. (WEB1)

3.4.2.Duvar Önündeki Toprak Basıncı

İstinat duvarının tabanı zemine gömülü olduğundan duvarın öne doğru hareketi sırasında, temel zemine doğru hareket edeceğinden stabilite hesaplarında olumlu etki yapacak pasif basınç gerilmeleri de taban üzerinde ortaya çıkacaktır. (WEB1)

3.4.3.Duvar Arkasındaki Zeminin Yanal Etkisi

İstinat duvarları genellikle bu yanal toprak basıncını taşımak için inşa edilirler. Yanal basınçların hesabına ait ilk çalışmalar, Coulomb (1776), Poncelet (1840) ve Rankie (1857) tarafından yapılmıştır. Bugün hala yaklaşık iki asır öncesinde bu araştırıcılar tarafından geliştirilen hipotezler kullanılmaktadır. Prensip itibariyle, Ponceler, Fenban (1871), Culmann (1886) ve Engeseer (1880)’in geliştirdikleri metodlar, Coulomb hipotezlerine; Resal (1910) ve Caquot (1934) ‘in metodları ise Rankine hipotezlerine dayanır. Denge konumunda iken toprak etkisini hesaplamak oldukça güçtür. Ancak bazı kabullerle duvarın hareket ettiği düşünülerek toprak basıncının iki sınırı olduğu görülmüştür. Bunlar, Aktif Toprak Basıncı ve Pasif Toprak Basıncıdır. (WEB1)

3.4.4.Aktif Toprak Basıncı

Duvar, toprak itkisi ile çok az zemin dışına doğru hareket ediyorsa bu durumda, mevcut sükunetteki zemin gerilmelerinde bir gerilme azalması başlayacak, bu azalma belli sınır değeri aştıktan sonra zeminin dengesi bozularak bir kayma yüzeyi meydana gelecektir. Bu kayma yüzeyi boyunca dışarı doğru hareket etmeye çalışan zemin kaması ortaya çıkacaktır. Bu anda duvara kamanın yapmış olduğu toprak basıncına aktif toprak basıncı denir. (WEB1)

3.4.5.Pasif Toprak Basıncı

Duvar, arkasındaki zemine doğru çok az hareket ettiği durumda ise, mevcut sükunetteki zemin gerilmelerinde bir artma meydana gelecek, belli bir sınırı aştıktan sonra zeminde kabarma başlayacak ve bir kayma yüzeyi meydana gelecektir. Bu anda toprak kamasının duvara yapmış olduğu toprak basıncına pasif toprak basıncı denir. (WEB1)

3.4.6.Suların Yapacağı Basınçlar

İstinat duvarı arkasında hiçbir zaman, yer üstü ve yer altı sularının toplanması istenmez. Bu suların duvarda yapacağı hidrostatik basıncın göz ardı edilmemesi gerekir. Ayrıca suyun zemin danelerini yüzdürme kuvveti de hesaplara dahil edilmelidir. (WEB1)

3.4.7.Don Tesiri

Zeminde yer altı su seviyesinin yüksek veya zeminin suya doygun olduğu durumlarda, zemin soğuk mevsimlerde muayyen bir derinliğe kadar donar. Duvarın arkasında ve topuğunda buz merceklerinden dolayı ilkbaharda buzların erimesiyle bu kısımlar yumuşayacaktır. Bilhassa topuk kısmında gerilmelerin yüksek olmasından dolayı bu kısımlarda daha büyük oturmalar meydana gelir ve bu ters etki duvarın devrilmesine sebep olabilir. Zeminin uygun bir şekilde drenajı, don tesirlerine karşı alınacak tedbirlerin en uygun olanıdır. (WEB1)

3.4.8.Üst Yük (Sürşarj) Etkisi

İstinat duvarının arkasındaki zemin üzerine fonksiyonları gereği genelde ilave veya dış yüklerde tesir edebilir. Ulaşım araçlarının bulunması, malzemede kullanılması bir yapı yapılması gibi etkiler, duvar arkası zemini üzerinde üniform yük, şerit yük, tekil yük gibi ilave yük tesirleri yaparlar. (WEB1)

3.4.9. Sismik Toprak Basınçları

Genel olarak sismik kuvvetleri elde etmede tavsiye edilen ve ekivalan-statik katsayıları benimseyen metot kullanılmaktadır. Ekivalan-statik metotta zemin kamasının ağırlığına eşit yanal deprem kuvveti sismik bir katsayı ile çarpılmakta ve bunun zemin ağırlık merkezine etkidiği farz edilmektedir. Bu deprem kuvveti duvar üzerindeki statik kuvvetlere ilave bir kuvvet oluşturur. Genelde bir deprem süresince duvar üzerine gelen toplam basınç aşağıdaki üç kuvvetin toplamıdır.

1)Ağırlık yüklerinden gelmesi beklenen statik basınç

2)Depremden gelmesi beklenen dinamik basınç

3)Dolguya bir dış kuvvetten gelebilecek basınç (WEB1)

3.5. Tasarımda Dikkat Edilmesi Gereken Hususlar

İstinat duvarı temelinin önündeki toprağın analizde olumlu bir etkisi vardır ancak bu toprak; su, rüzgar gibi doğal etkilerle zamanla kaybolabileceği için olumlu etkisinin göz ardı edilmesi daha doğrudur. Duvar arkasındaki ek yükler kalıcı değilse ek yükten (sürşarj) doğan olumlu etki analize dahil edilmemelidir. Zemin taşıma gücü kontrolünde dış merkezlik oluşmasına izin verilmemelidir. Duvar ile dolgu zemin arasında sürtünme açısı  hesaba  dahil  edilerek  duvara etkiyen yatay yük değeri düşürülebilir.

İstinat tabanındaki zeminin adhezyon değeri analize dahil edilerek kayma güvenliği sağlanabilir. Taban plağı dökülmeden hemen önce, temel seviyesinde, bu plağın oturacağı yerde 10~15 cm kalınlıklı bir toprak tabakası kaldırılmalı, bunun yerine derhal aynı kalınlıkta kompakt, iri taneli kum veya kum-çakıl serilmelidir. Temel plağı don derinliğinin altında imal edilmelidir. İstinat duvarının arkasındaki dolgu aşırı sıkıştırılmamalı ve bir toprak hareketinden duvarın hareketine olanak sağlanmalıdır. Duvar arkasındaki dolgu zemin silindir ile sıkıştırılacaksa silindirden oluşacak yatay itki analizde dikkate alınmalı ve silindirin duvara minimum çalışma mesafesi hesaplanmalıdır. (WEB2)

3.1. İstinat Duvarlarının Projelendirilmesindeki Adımlar

1) Genel bilgilerin toplanması ( Topografya- yükseklik-çevre koşulları vb.)

2) Zemin profilinin ve zemin özelliklerinin saptanması

3) Ek yük durumunun belirlenmesi ( Sürekli-Noktasal-Çizgisel Yükler )

4) İstinat duvarının türünün seçimi

5) İstinat duvarlarına etkiyen yüklerin saptanması

6) Stabilite kontrollerinin yapılması

Devrilme Tahkiki

Kayma Tahkiki

Taban Basıncı Tahkiki

7) İstinat duvarı elemanlarının hesabı

8) Drenaj sisteminin seçimi

9) Yer değiştirmelerin bulunması (WEB4)

3.6. İSTİNAT DUVARLARININ STABİLİTESİ

İstinat duvarları hesabında toparlanan bilgiler ışığında öncelikle devrilme, kayma, zemin taşıma kapasitesi ve toptan göçme kontrollerinin yapılması gerekir.

3.6.1. Devrilme Güvenliği

İstinat duvarının arkasında oluşan yüklerden istinat tabanının sol alt köşesinden devrilmeye eğilimlidir. Şekil 18 gösterilmiştir.

Şekil 3.18. Konsol istinatta devrilme durumu

Bu devirme momenti, duvar ağırlığı ve duvar tabanı üzerindeki zemin ağırlığı ile karşılanır. Uygulamada istinat duvarı boyutlarının, Mk karşı koyan momentler, Md devirme momentleri olduğuna göre,                                                   

Gdevrilme=Mk/Md≥Ggüvenlik olması gerekir.

Ggüvenlik

Depremsiz durumda 1.5

Depremli durumda 1.3 koşulunu sağlaması kontrol edilir.(prof dr vahit kumbasar)

3.6.2. Kayma Güvenliği

Dolgu zemin ve ek-yükten ileri gelen itki, aynı zamanda istinat duvarının tabanını temel üzerinde kaymaya zorlar.Pasif itki ihmal edilirse, duvar tabanını kaydırmaya çalışan kuvvetler, taban ile zemin arasındaki sürtünme ve yapışma kuvvetlerinin bileşkesi olan yatay bir kuvvetle karşılanırlar. Şekil 19 de gösterilmiştir.

Şekil 3.19. Konsol istinatta kayma durumu

Doğrudan doğruya zemine dökülen beton durumunda olabileceği gibi taban alt yüzü pürüzlü ise, ks sürtünme katsayısı olarak, zemin içsel sürtünme açısı () olmak üzere yaklaşık olarak tg() alınabilir.Kaymanın istinat duvarının tabanında meydana geldiği kabul edilerek, kayma güvenliği

Ns= Kaymaya karşı koyan kuvvet/Kaydırıcı kuvvet > 1,5

N_s = ( N + P_p ) / P_ah

olarak hesap edilir.Burada, N temeldeki normal kuvvettir. Sürtünme katsayısı  = tan  alınması tavsiye edilir. Çünkü, istinat duvarı altındaki zemin ne kadar düzgün yüzeyli sıkıştırılırsa sıkıştırılsın, taban plağı yaş betonu zemine nüfuz edecek ve etkili sürtünme zemin ile zemin arasında meydana gelecektir. Kayma güvenliğinin 1.5 den küçük olmaması gerekir.

Depremli durumda ise, 1.1 değerine kadar inilebilir. Kayma güvenliğinin hesabında duvarın ön kısmındaki Pp pasif basıncı genellikle ihmal edilirse de, kayma güvenliğini sağlamak için taban dişi düzenlendiği durumda hesaba katılır. Dişin uygun şekilde boyutlandırılıp donatılarak taban dişi yapılarak, kaymaya karşı bir kuvvet oluşturmak yanında, taban plağının boyunu büyüterek taban normal kuvvetini ve dolayısıyla sürtünme kuvvetini arttırmak tavsiye edilir.(prof dr vahit kumbasar)   

3.6.3. Toptan Göçme Kontrolü

Zeminin zayıf olduğu durumda, istinat duvarı ile beraber zemin kütlesinin alt zemin üzerinde kayması ile toptan göçme ortaya çıkabilir. Bu durumda kayma yüzeyinin silindirik ekseninin düzlemi kestiği nokta ve yarıçap sisteminin bütün parametrelerine bağlı olduğu için belirsizdir. Genel olarak, göçme dairesinin istinat duvarı daire içinde kalacak şekilde, duvarın arka ucundan geçtiği kabul edilir. Daire merkezinin yeri seçildikten sonra, toptan göçme güvenliği

Nt = Toptan devrilmeye karşı koyan moment / Devirici moment (Bkz.4.1) olarak hesap edilir.

Burada, moment dönme merkezi olan daire merkezine göre alınacaktır. Zemin ve duvarın ağırlıklarının momenti devirici momenti ve kayma dairesi üzerindeki sürtünme kuvvetlerinin momenti karşı koyan momenti oluşturmaktadır. Toptan göçme güvenliği, zemin ve duvardan küçük düşey dilimler alarak hesaplanabilir.

Daire merkezinin yeri değiştirilerek güvenliğin minimum değeri aranır. Bulunan sonucun öngörülen bir değerden küçük olması durumunda, duvarın daha derine yerleştirilmesi veya taban plağının boyunun büyütülmesi tavsiye edilir(web2)

3.7.4. Zemin Gerilmesi Kontrolü

Zemin yatay itkisi ve ağırlığı altında ( G  +  Q yükleme durumu ) duvarın taban plağı altındaki gerilmeler kontrol edilerek bunların zemin emniyet gerilmesini geçmediğinin belirlenmesi gerekir. Ayrıca, çekme gerilmesinin meydana gelmemesi de tavsiye edilir. Bu kontrolün sağlanamaması durumunda taban plağı büyütülerek zemin gerilmelerinin daha düzgün yayılması ve küçülmesi sağlanabilir. Daha ileri bir önlem olarak taban plağının kazıklara oturtularak, yükün daha derinde bulunan taşıyıcı zemin tabakalarına verilmesi sağlanabilir.(prof dr. vahit kumbasar)

3.8.5.Duvar Güvenliğinde Diğer Konular

Sınırlı bir alanda duvar arkası dolgusunun sıkıştırılması aktif ve hatta sükûnetteki zemin itkilerinde daha büyük gerilmeler doğuracağı göz önüne alınmalıdır. Kilt –silt yüzdesi %15 den fazla malzemeler genelde arka dolgu için uygun değildir. Zorunlu halde kullanılmaları halinde drenajdaki zorluk nedeniyle zemin itkisi yanında su basınçlarının da göze alınması gerektiği açıktır. Yine bu tür dolgularda şişme ve don etkisi olasılığı fazla olup aktif itkiden daha fazla basınçların göz önüne alınması gerekir.

Genelde CL ML MH ve OL grubuna giren siltler vekilli siltler dona karşı CH grubu killer şişmeye karşı duyarlı olduklarından atmosferik etki ve sudan korumak (zemin yüzünde geçirimsiz tabakalı veya mebran) duvar arkasında şişme basınçlarını sönümleyecek filtre malzemesi yerleştirmek iyi bir uygulamadır.

Duvar arkasında topukta yatay drenaj borusu yerleştirmek ve duvarda barbakan delikleri oluşturmak Drenaj için mutlak gereklidir. Dolgu malzemesinin delik veya boruya dogru yıkanması uygun filtre malzemesi veya geotekstil malzeme ile önlenmelidir. Filtre malzemesinin filtre koşulları adı ile belirlenen özelliklerde olması gerekmektedir.

Duvarların boyuna dogrultuda her 8-12 m de düşey büzülme derzleriyle ayrılması genel bir uygulamadır. Dış kalıba düşey bir şerit yerleştirerek saglanacak bu derzler ısı veya priz nedeniyle olabilecek çetlakların görünümünü bozmasını engellemektedir. ( prof Dr. Sönmez yıldırım)

KAYNAKLAR

1. Zemin Mekaniği Problemleri (Prof.Dr.Vahit KUMBASAR)

2. Zemin Mekaniği (Mustafa YILDIRIM)

3. (WEB 1) http://www.istinatduvari.com (İnş. Yük. Müh. Levent ÖZBERK)

3. (WEB2) İstinat Duvarları Dilatasyon Derzleri (Öğr. Gör. Cahit GÜRER)

4. (WEB3)İstinad Yapıları (Yrd. Doç. Dr. M. Şükrü Özçoban)

5. (WEB4) http://ab.org.tr/ab08/bildiri/26.doc (istinat duvarının projelendirilmesindeki adımlar)

6)