İstinat Yapıları

1. GİRİŞ

Yanal itki altındaki yapı elemanlarının projelendirilmesi, uygulamacılar için devamlı karşılaşılan önemli mühendislik problemleridir. Genellikle toprak itkisine maruz yapıların projelendirilmeleri, yapıya etki eden zemin tabakalarının davranış belirsizliğinden dolayı daha da önem kazanmaktadır. İstinad yapılarına etki eden kuvvetlerin mümkün olduğu kadar doğru bir şekilde belirlenmesiyle, yapı hem ekonomik hem de istenilen sağlamlıkta projelendirilebilir. Aksi takdirde, zaten maliyetleri oldukça yüksek olan bu yapı elemanlarında, lüzumsuz sağlamlıkta, gayri ekonomik çözümler ortaya çıkacaktır.

Meyilli arazilerde araziden faydalanmak üzere toprağı tabii şev açısından daha dik açıyla tutmak; kayma, göçme ihtimali olan zeminlerin yıkılmasını engellemek; bir binanın bodrum duvarlarını oluşturmak; kıyıların erozyondan veya taşkınlardan korunmasını temin etmek; köprülerde kenar ayak görevini yapmak; derin çukurların yanal duvarlarını tutmak, v.b. amaçlara hizmet etmek maksadıyla inşa olunan düşey ya da düşeye yakın geçişi sağlayan yapılara istinad yapıları denilmektedir.

Çukur kaplama elemanları, zemine ankastre palplanşlar veye ankrajlı palplanş duvarları, alt uçları dönmeyen ve denge hesaplarında kendi ağırlıkları hesaba katılmayan istinad yapılarıdır.Bunların dışındaki tüm istinad yapıları ise toprak itkisi ile alt uçları etrafından ufakta olsa bir dönme yapabileceği varsayımıyla hesaplanır. İstinad duvarları adı verilen bu yapılar, yanal itki kuvvetlerini kendi ağırlıklarıyla dengelemeye çalışırlar.

2. İSTİNAT DUVARLARI

2.1. GENEL BİLGİLER

İstinad duvarını atmosferle temas eden yüzüne  Duvar Önü, zeminle temas ede yüzüne Duvar Arkası denir. Duvarın imalattan sonra arkası uygun bir şekilde doldurulur. İstinad duvarı, yatay hareketlere karşı yeterli mesnet teşkil edecek bir taban ve buna ankastre bir gövdeden oluşur. Tabanın ön tarafındaki alt uca Topuk adı verilir.

2.2 İSTİNAT DUVARLARININ TÜRLERİ

istinad duvarları değişik malzeme ve geometrik şekillerde inşa edilebilirler.

2.2.1 Ağırlık (Masif) İstinad Duvarları :

Kagir istinad duvar adıylada anılırlar, genellikle çimento veya kireç harçlı taş duvar örgülü ya da demirsiz betondan yapılırlar. Bu tür istinad duvarları genel toprak itkisini kendi ağırlıklarıyla dengelemeye çalışırlar. Bu nedenle belirli yükseklikleri aşmamalılar. (4-5 m.) Kagir malzemelerde çekme dayanımı olmadığından duvar içinde çekme gerilmelerine izin verilmez.

2.2.2 Yarı Ağırlık İstinad Duvarları:

Bunlar da masif istinad duvarlarıdır. Genelde beton malzeme miktarını azaltmak için çekme gerilmelerinin meydana geldiği kısımlara az miktarda çelik donatı yerleştirilir.

2.2.3 Betonarme İstinad Duvarları:

2.2.3.1 Basit Konsol Betonarme İstinad Duvarları:

Genellikle, L, ters T ve ters L biçimlerinde olabilirler. Küçük ve orta yükseklikler için ekonomiktirler (7-8 m.). Toprak kazısının mümkün olmadığı durumlarda tabanı dışarıya doğru olan ters T  biçiminde yapılırlar. L ve ters L biçimlerinde gövde arkasındaki toprak ağırlığı sistemin stabilite hesaplarında olumlu katkıda bulunur.

2.2.3.2 Nervürlü (Kontrfor) İstinad Duvarları:

Basit betonarme istinad duvarlarına belirli aralıklarla kama şeklinde destek elemanları konulması ile oluşturulurlar. Böylelikle gövde ve taban elemanları, üç tarafından mesnetli plaklar biçiminde çalışır.

2.2.3.2 Nervürlü (Kontrfor) İstinad Duvarları:

Basit betonarme istinad duvarlarına belirli aralıklarla kama şeklinde destek elemanları konulması ile oluşturulurlar. Böylelikle gövde ve taban elemanları, üç tarafından mesnetli plaklar biçiminde çalışır.

2.2.3.3. Yatay Konsol Plaklı İstinad Duvarları:

Yüksekliği fazla olan istinad duvarlarında gövdeden yatay çıkmalar şeklinde hafifletme konsolları kullanılarak daha ekonomik istinad duvarları yapılabilir. Konsol plak altında blok oluştuğundan, üstünde de zemin ağırlığı olduğundan, gövdeye bağlandığı yerde moment dağılışını faydalı şekilde etkileyecek negatif momentler ortaya çıkar.

2.3.3.4 Zemine Ankastre İstinad Duvarları:

İstinad duvarının taban kısmının, dolgu tarafından yapılmasına imkan olmadığı zamanlarda duvarın stabilitesini sağlamak maksadıyla gövde daha derinlere ankre edilir. Bu durumda gövdenin üst kısmının, toprak itkisi ile dışa doğru hareketinde, alt kısım zemin içine doğru hareket edeceğinden, alt kısımda pasif toprak basıncı ortaya çıkacaktır. Hesaplarda bu pasif toprak basıncının lehde olan etkisinden faydalanılacaktır.

2.2.3.5 Gergili İstinad Duvarları :

İstinad duvarının arkasında sağlam zemin bulunması durumunda, bu sağlam zemine yapılan ankrajla gövdenin boyutlandırılmasında ekonomiye gidilir.

2.2.3.6 Kafes İstinad Duvarları:

Prefabrike betonarme kiriş elemanlarının, istiflenerek yanları kapalı üstü açık sandık şeklindeki bölmeler, içi taş veya toprakla doldurularak teşkil edilirler. Kendi bünyeleri içinde drenajı temin etmeleri, sökülüp takılabilir olmaları, tamamlanır tamamlanamaz yük taşıyabilir olmaları, küçük oturmalardan etkilenmemeleri ve bakımlarının kolay olması tercih edilebilecek üstünlükleri vardır.

2.3 İstinad Duvarlarının Ön Boyutlandırılması:

İstinad duvarlarının ön boyutlandırılması bu güne kadar bu konuda elde edilen bilgi ve tecrübelerden faydalanılarak yapılmaya çalışılır. İstinad duvarının yüksekliğine bağımlı olarak önceden enkesit boyutları yaklaşık olarak belirlenir. Seçilen bu ilk boyutlara göre istinad duvarının stabilite kontrolleri yapılarak kesitin yeterliliği araştırılır, gerekli ise hesaba göre boyutlarda değiştirme yapılabilir.

Ayrıca küçük boyutlu istinad duvarları için hemen yararlanılabilecek T.C. Karayolları Genel Müdürlüğünce hazırlanmış ilgili tablolar bulunmaktadır. Önemli durumlarda bu tablolardan alınan boyutlar, duvara tesir eden kuvvetlere göre mutlaka tahkik edilmelidir.

2.4 İstinad Duvarına Gelen Kuvvetler :

İstinad duvarları konumlarına göre değişik kuvvetlere maruz kalırlar. Duvarın hem ekonomik hemde sağlam  bir şekilde boyutlandırılması için, duvara tesir eden kuvvetlerin oldukça doğru bir şekilde tesbit edilmesi gerekmektedir. Bu kuvvetler kısaca şöyle özetlenebilir.

2.4.1 Duvarın Kendi Ağırlığı:

Genellikle ağırlık türü istinad 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.

2.4.2.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.

Zemin yüzünden H (m) derinlikte bir dH elemanını alalım.

Düşey basınç               : (8 H) ve
Yatay basınç                : (K₀ 8 H) dir.

Burada K₀, zemin yapısına bağlı bir katsayı olup, sükunette 0.4~0.6 arasında alınabilir.

H derinliğinde dH elemanına etki eden toplam basınç kuvveti :

yazılabilir.

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.

2.4.2.1 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.

Değeri ile hesaplanır.

2.4.2.2 Pasif Toprak Basıncı:

Duvar, arkasındaki zemine doğru çok az hareket ediyorsa;

Bu 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.

değeri ile hesaplanır.

Gerek aktif gerekse pasif basınçların ortaya çıkması için gerekli ötelenme miktarı oldukça azdır ve bu pratikte de çoğu zaman tam olarak gerçekleşir. Pasif Toprak Basıncının değeri, Aktif Toprak Basıncının değerinden daha büyüktür.

2.4.3 Duvar Önündeki Toprak Basıncı:

İstinad 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.

2.4.4 Suların Yapacağı Basınçlar:

İstinad duvarı arkasında hiçbir zaman, yer üstü ve yer altı sularının toplanması istenmez. Bu suların duvarda yapacağı hidrostatik basıncın gözardı edilmemesi gerekir. Ayrıca suyun zemin danelerini yüzdürme kuvveti de hesaplara dahil edilmelidir.

2.4.5 Deprem Tesiri :

Depremin doğurduğu yatay ivme, istinat duvarında yaklaşık %10 kadar ani yanal basınç artmalarına sebep olur.

2.4.6 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.

2.4.7 Üst Yük (Sürşarj) Etkisi :

İstinad 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.