TBM TÜNELLERİNDE SOFT-EYE UYGULAMASINDA GFRP DONATI KULLANIMI

TBM’ler dünya genelinde yaygın olarak tünel projelerinde kullanılmaktadır. TBM’ler zemine giriş ve çıkışlarını aç-kapa kazılardan yapmakta veya TBM tünel seviyesindeki bir kazı şaftına indirilmekte ve bu seviyeden tünele girip, kazı çalışmalarına devam etmektedir. Bu uygulama daha çok kalabalık şehir alanlarında kullanılmaktadır. Birkaç yıl öncesine kadar TBM’ler kazı şaftları içerisine sokulup, çıkarılırken ciddi miktarlarda çelik donatılı betonarme olarak tasarlanmış olan şaft duvarlarının geçilmesi gerekmekteydi. Bu iş ciddi bir hazırlık zamanı gerektirmekte olup, maliyeti arttırıcı unsurlar arasındadır. Bununla birlikte son yıllarda bu alanlarda Soft- Eye’ların kullanılması git gide daha popüler hale gelmiştir. Soft-Eye, çelik konstrüksiyon yerine Cam Elyaf ile güçlendirilmiş (GFRP)  bir diyafram duvarı veya kazık duvar olabilir. FRP ürünlerin tünellerde kullanımı gitgide yaygınlaşmakta ve son zamanlarda dünya’da geniş alanda kullanılmaktadır.

AVANTAJLARI

Son birkaç yılda şantiyelerde GFRP destekli kazık yapılarının kullanılması git gide daha yaygın bir hal almaktadır. GFRP malzemeler günümüzde özel durumlarda, özel uygulamalarda, özel çözümler gerektiren hallerde kullanılmaktadır. Malzeme maliyeti geleneksel çelik donatı maliyetiyle karşılaştırıldığında daha yüksek olabilir, ancak TBM’in kazıya başlama karşılama şaft inşaatının yapımı ilgili daha az bir iş ve işçilik miktarı ile bu durum telafi edilmektedir. Teknik açıdan GFRP donatıların önemli avantajları vardır:

•  Korozyon Direnci: GFRP korozyondan etkilenmeyen dayanıklı bir malzemedir. Bu nedenle GFRP donatı/ankrajlar aynı zamanda tüm yaşam ömrü boyunca yapıyı destekleyen nihai kaplamanın bir parçası olarak da kullanılabilir. Çelik donatının aksine GFRP donatının korozyona karşı korunması için aşırı bir tedbir almaya gerek yoktur.

• Yüksek Çekme Dayanımı: GFRP çubuklar çok yüksek çekme yüklerini taşıyabilmektedir. İnşaat sektöründe yaygın olarak kullanılan elyaf çubuklar, aynı çaptaki çelik çubuğun neredeyse iki katı yük taşıyabilmektedir.
• Kesilebilirlik: GFRP malzeme, testere, kazıklama/delme ekipmanı ve TBM araçlarıyla kesilebilir. GFRP sayesinde kesicikafa hasar görmez. Elyaf çubuklar pasa iletim hatlarına zarar vermeyen küçük parçalara bölünebilir.
• Düşük Ağırlık: GFRP çubuğun ağırlığı, aynı boyutlara sahip çelik donatının sadece dörtte biri kadardır. Dar çalışma alanlarında veya kaldırma ekipmanının olmadığı durumlarda dahi kolay montaj sağlamaktadır. Günümüzde piyasada kendi içinde farklı avantaj ve dezavantajlara sahip çok farklı GFRP çubuk mevcuttur. Bu çubuklar, somunlar ve kuplörler gibi mevcut geniş aksesuar yelpazesiyle birlikte GFRP’nin şantiyelerde klasik çelik ürünler kadar esnek şekilde kullanımına izin vermektedir.

GFRP MALZEMESİ

GFRP donatılar pultrüzyon metoduyla imal edilmektedir. Cam elyafının tekil lifleri veya kumaşları reçineyle emdirilmekte ve gerekli şekilde biçimlendirilmektedir. Reçine kürünü almadan önce, örneğin donatı olarak kullanıldıklarında barlar ile beton arasındaki bağlanma özelliklerinin arttırılması için çubuklar yüzey işlemine tabi tutulmaktadır. Yüzey işlemin ardından reçine kürünü alır ve çubuklar boyuna göre kesilir. Çubuklara yüksek gerilme direncini veren malzeme cam elyaflardır. Reçine sadece elyafları bir arada tutmakta ve onları hasarlardan ve alkali bozunmasından korumaktadır. Bu nedenle, çubukların yüksek gerilme direncine ulaşabilmeleri için GFRP ürününün cam içeriğinin yüksek olması arzu edilmektedir. Bu cam içeriği için tipik değer çubuk ağırlığının yaklaşık %70’idir, ancak %80’in üzerine çıkabildiği de görülmüştür. Reçine tek başına normalde ısıtıcıda kürlenen, ısıyla sertleşen reçinedir. Bu, reçinenin polimerizasyonu gerçekleştiğinde bunun geri döndürülemeyeceği anlamına gelmektedir. Bu nedenle, örneğin kesme teçhizatı çubukları için gerekli bükümlerin üretim süresinde fabrikada yapılması gerekmektedir. Burada, gerekli tüm şekiller proje gereksinimlerine göre imal edilmektedir. Şantiyede çubukların bükülmesi mümkün değildir.

TEKNİK PERFORMANS

GFRP donatı çubukları, 1000 N/mm2’nin üzerine ulaşabilen çok yüksek gerilme dayanımına sahiptir. Ayrıca, cam elyafından yapılan donatı çubuğunun çekme dayanımı çubuk çapına da bağlıdır. Daha küçük çaplı çubukların çekme dayanımı daha yüksek çaplılara göre daha yüksektir. Bu nedenle taşıma kapasitesi GFRP çubuklar için daha bilgi vericidir.

GFRP çubuklar, onları sıklıkla kullanılan çelik çubuklardan ayıran bazı tipik malzeme davranışlarına sahiptir. Bunların birincisi ve en önemlisi malzemenin akma davranışından yoksun oluşudur. GFRP çubukların Soft-Eye alanlarında donatı olarak kullanılma sebebi budur. Gevrek yenilme davranışı TBM’in beton ve donatı çubukları içerisinden delme işlemi yapmasına izin vermektedir. Çelik donatılar akma davranışından ötürü TBM’de tıkanmaya sebep olabilir. TBM’in kesicikafası üzerindeki keskilere tünel aynasından uygulanan lokal olarak yüksek yükler çelik donatının akma deformasyonuna dönüştürülmektedir. Bu da TBM’nin çelik donatılı beton yapı içerisinden geçmesini engellemekte ve kesiklerde hasara yol açmaktadır.

GFRP çubukların tipik elatisite modülü yaklaşık 40,000 N/mm2 civarındadır. GFRP çubukların, öngerilimli ankrajlar olarak, örneğin zeminin orta seviye deformasyonlarında kullanılması ankraj yükünde ufak ayarlamalaryapılmasıyla sonuçlanacaktır.

GFRP İLE TASARIM

GFRP, en çok otoyol köprüleri ve havalimanı pistleri gibi buzlanmaya karşı yüksek tuz konsatrasyonlarının kullanılması muhtemel alanlar ile kronman duvarı gibi deniz yapılanda kullanılmıştır. GFRP özellikle ABD, Japonya gibi son derece gelişmiş ülkeler ile geçtiğimiz on yıllar boyunca çok sayıda araştırma çalışmasının gerçekleştirilmiş olduğu Avrupa’da kullanılmaktadır. GFRP ile inşaatta uzun süreli tecrübe sahibi olmanın avantajına sahip bu ülkeler, aynı zamanda GFRP malzemesinin tasarımı için standartlar ve yönergeler oluşturmaktadır. Bunların en sık kullanılanı, Amerikan Beton Enstitüsü tarafından yayınlanan ACI 440.1R “FRP çubuk Donatılı Betonun Tasarım ve İnşaatı” başlıklı Amerikan yönergesidir. Diğer ülkeler de, örneğin Büyük Britanya’nın İngiliz Standartları ve Yapı Mühendisleri Enstitüsünün “Lifli kompozit donatı kullanan donatılı beton yapıların tasarımıyla ilgili ara yönerge”, Almanya’nın DIN Kuralları ve ayrıca Japonya veya Kanada’nınkiler gibi oluşturulmuş ve kabul gören tasarım ve inşaat standartları bulunmaktadır.

Beton haricindeki GFRP donatılı bükülme elemanlarının tasarımı için, çelik donatında kullanılandan farklı bir tasarım yaklaşımı seçilmektedir. Çelik donatı dizaynında genellikle, yapının sünek kırılma eğilimi güvenceye alınmak amacı ile beton kırılmadan çeliğin aşırı yüklenmesi ve akması dikkate alınırken, söz konusu tercih GFRP donatılı tasarımda bir seçenek değildir. GFRP dizaynlarında hem betonun parçalanması (beton parçalanma çökmesi) hem de cam elyaf donatının gerilimden kopması (kopma-kontrollü çökme) dikkate alınır.

Bu nedenle, ACI 440.1R tarafından beton kırılmalı çökme için çubukların gerilme dayanımının indirgeme dayanım katsayısı 0.7 olarak tavsiye edilirken, ani yırtılma kontrollü çökme için daha ihtiyatlı bir oran olan 0.5 önerilmektedir. İki çökme modu arasındaki geçiş aralığında katsayılar arasında doğrusal bir interpolasyon seçilmektedir.

Genel olarak, Soft-Eye’lar gibi kısa yaşam süresine sahip GFRP harici donatılı yapılar için, eğer elastik kriterler endişe konusu değilse çatlak genişliği sınırlamalarının göz ardı edilebileceği söylenebilir. Bununla birlikte GFRP donatılı elemanların deformasyonlarının özellikle, doğrudan çelik donatılı elemanlarda etkileşime geçmeleri halinde dikkate alınmaları gerekmektedir. Kazı şaftındaki emniyetli bir Soft-Eye tasarımına hizmet eden nihai amaç sadece doğru çapı seçmeyle ilgili bir problem değildir. Aynı zamanda genel planlama sürecinin bir parçasıdır ve müşteri, danışman, müteahhit ve uzman tedarikçinin birlikte çalışmasını ve iletişimi gerektirmektedir.

SOFT-EYE’LAR

Soft-Eye’lar genellikle lokal olarak GFRP çubuk donatılarla takviye edilmiş kazık veya diyafram duvarlarından meydana gelmektedir. Tünelin altındaki ve üstündeki kesimler geleneksel çelik kullanılarak güçlendirilmektedir. Tasarımcının ve müteahhidin tercihlerine göre diyafram duvarı diktörtgen şeklinde GFRP çubuklardan oluşmakta ya da cam elyaf donatının tünel kesitine daha yakın olması amacı ile yuvarlak bir şekilde GFRP donatılar ve bağlantı elemanları kesite yerleştirilmektedir. Her iki durum da kendine göre avantajlar içermektedir. Dikdörtgen kesit olacak şekildeki dizilim kafeslerin tasarım ve montajı esnasında zaman tasarrufu sağlarken, tünel kesitini daha yakından takip etmek GFRP çubukların malzeme maliyetini düşürmektedir. Genel uygulama, her iki yöntemi de içeren hibrid bir uygulamadır. Donatılar bağlayıcı kablo, kablo tutucular veya benzer ürünlerle birbirine sabitlenmektedir. Yüksek yüklerin bir bağlantı üzerinden aktarılmasının gerekli olduğu durumlardan donatıların birbirine kenetlemek için U-cıvatalar kullanılmaktadır. Örneğin düşey GFRP çubuklar ile kaldırma ve kafesin yerine indirilmesi süresince donatı kafesinin ölü yükünü kaldırmak zorunda olan çelik çubuklar arasındaki bağlantılar bu durumun örnekleridir.

Diyafram duvarı kafesleri için GFRP donatı kullanılması belirli bir amaç için en uygun panel boyutunu seçmede tasarımcı ve müteahhidi sınırlamamaktadır. Bununla birlikte cam elyaf donatının elastisite modülü göreceli olarak düşük olduğundan, taşıma ve kaldırma sürecinde kafes bütünlüğünü sağlamak için özel tedbirlerin alınması gerekmektedir. Aksi taksirde kafesi kaldırırken ve düşey pozisyona döndürürken büyük deformasyonlar meydana gelebilir. Bunun sonucunda donatılar yer değiştirebilir ve hatta çubuklar yerlerine iyi oturmadığından kafes açık kalabilir.  Söz konusu olayların meydana gelmesini engellemek için taşıma ve kaldırma esnasında GFRP kafesi sabitlemek için destekleyici çerçeveler veya çelik kirişler kullanılabilir. Bu sabitleme elemanları normalde GFRP donatı kafesinin dışına monte edilmekte ve bunların kaldırma sürecinde kafese etki eden eğilme momentlerine dayanacak şekilde tasarlanması gerekmektedir.

SONUÇ

Kazı şaftında TBM’i kazısının çeşitli yollar olsa da, diyafram veya kazık duvarlarında donatı olarak GRFP çubuklarını kullanan

bir çözümün birçok durumda en rekabetçi çözüm olduğu kanıtlanmıştır. Soft-Eye’ların kullanılması sadece toplam inşaat

süresi ve maliyetlerden tasarruf etmekle kalmamakta, aynı zamanda günümüzde şantiyelerde uygulanmakta olan yüksek emniyet standartlarına da uygun bir çözüm sunmaktadır. İnşaat sektörünün GFRP malzemelere olan talebi günden güne artmaktadır ve Soft- Eye kullanımına ek diğer bazı uygulamaların da eklenmesi ile GFRP kullanımı ilerideki yıllarda inşaat sektöründe daha yaygın hale gelecektir.

REFERANSLAR

ACI Committee 440. ACI 440.1R-01: Guide for Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars. American

Concrete Institute. Farmington Hills, 2001.

IStructE. Interim guidance on the design of reinforced concrete structures using fibre composite rein- forcement. The Institution of Structural Engineers. London, 1999.