Tünel ve şaft kazılarından kaynaklanan zemin hareketleri karşısında binaların davranışı

Kentleşmiş bölgelerde, iki önemli altyapı faaliyeti; metro projeleri ve derin temel kazıları, komşu yüzey yapıları üzerinde önemli derecede olumsuz etkilere neden olabilir. Yüksek yoğunluklu bu bölgelerde ulaşım, konut ve ofis binalarına olan talebin artması, bu tür altyapı yatırımlarının sayısını artırmaktadır. Bu alanlarda, yatay kentsel büyüme olanağı sınırlı olduğundan, düşey alanları daha verimli kullanmak için derin temel çukurları olan yüksek binalar inşa edilmektedir. Sonuç olarak, tünel açma veya derin kazı faaliyetleri nedeniyle meydana gelen düşey ve yatay zemin hareketleri, mevcut yüzey yapıları ya da su iletim boruları gibi altyapı hizmetleri üzerinde ciddi hasar riskleri oluşturmaktadır. Literatürde, tünel açma ve kazı kaynaklı zemin hareketlerinden kaynaklanan sorunlar, genel olarak, bina duvarlarında ve taşıyıcı sistem üzerinde çatlaklar, kapıların ve pencerelerin sıkışması, kirişlerin taşıma gücünü yitirmesi, bazı hassas cihazların arızalanması ve altyapı hizmetlerinin hasar görmesi olarak sınıflandırılmaktadır. Çoğu durumda, gerilme yığılmaları bakımından elverişsiz pencere ve kapı açıklıklarının köşelerinde, farklı oturmalardan kaynaklanan çatlaklara rastlanmaktadır. İlerleyen aşamalarda, farklı oturmaların büyüklüğü arttıkça, bu çatlakların boyu uzamakta veya genişleyebilmektedir. Zemin profilinin dışbükey bölümü üzerinde bulunan yığma taşıyıcı duvarlara sahip binalarda, üste yakın kesitlerde önemli düşey çatlakların ortaya çıktığı rapor edilmiştir. Oturmaların artması ile bu çatlaklar boyunca meydana gelen ayrılmalar gözlemlenmiştir. Tünel açma ve kazıdan kaynaklanan hasarlar, yapı dayanımının ve rijitliğinin ciddi şekilde azalmasına neden olabilir. Bina hasarını önlemek veya hafifletmek için etkili koruma yöntemlerinin belirlenmesi amacıyla, tünel açma ve kazı kökenli zemin hareketlerinin büyüklüğünün ve dağılımının doğru olarak belirlenmesi ve daha sonra bu etkiler altında yapı davranışının tahmin edilmesi gerekmektedir. Ancak, bu problem, zemin ve yapı arasında karşılıklı bir etkileşim problemidir ve çoğu kez malzeme özellikleri, kazı detayları, inşaat aşamaları gibi konulardaki belirsizlikler ve bilinmeyenlerden dolayı kolaylıkla çözümlenemeyebilir. Uygulamada, tünel açma ve kazı kaynaklı zemin hareketlerinden kaynaklanan bina hasar riski üç seviyede değerlendirilir: (i) ön seviye, (ii) ikinci seviye ve (iii) detaylı değerlendirme. Ön seviye risk değerlendirmesi, ampirik gözlemlere dayalı olarak belirlenen oturma ve dönme sınır değerlerinin, her bir binanın izdüşümü üzerinde hesaplanan en büyük oturma ve dönme değerleri ile karşılaştırılması yoluyla belirlenir. İkinci aşama değerlendirmede, binalar için bir kiriş benzeşimi kullanılır. Kiriş denklemlerinin analitik olarak çözülmesi ile en büyük çekme şekildeğiştirmesi hesaplanır. Risk seviyesi, önceden ampirik olarak belirlenmiş çekme şekildeğiştirmesi değerleri ile hesaplanan değerlerin karşılaştırılmasıyla belirlenir. Bu nedenle, ikinci aşama risk değerlendirmesi de yarı ampirik bir tekniğe dayanmaktadır. Elastik kiriş yaklaşımı kullanılarak oluşturulan ve çekme şekildeğiştirmelerinin önceden tanımlanmış sınır değerlerini kullanan bu yönteme sınır çekme şekildeğiştirmeleri yöntemi de (SÇŞY) denilmektedir. Ön ve ikinci seviye değerlendirmede, binanın, aralarında herhangi bir göreli hareket olmaksızın oturma yapmış zemin profilini takip ettiği varsayılmaktadır. Üçüncü değerlendirme aşamasında, sonlu elemanlar yöntemi gibi modern sayısal araçlar kullanılarak ayrıntılı bir inceleme yapılır. Malzemelerin (zemin ve bina için) doğrusal olmayan özellikleri, yapı-zemin etkileşimi, kazı ya da tünel için yapım aşamaları dikkate alınabilir. Daha karmaşık, zaman alıcı ve maliyetli olsa da, bu değerlendirme yöntemi sayesinde gerçeğe daha yakın çözüme ulaşılabilir. Ayrıca, modelleme yapabilmek için daha fazla bilgiye ihtiyaç duyulur. Bina risk değerlendirme prosedürüne göre; genel olarak, ön değerlendirme seviyesinde risk seviyesinin orta veya yüksek olduğu binalar ikinci aşama değerlendirme düzeyinde yeniden değerlendirilmektedir. Benzer şekilde, ikinci aşama değerlendirme seviyesinde risk seviyesinin orta veya yüksek olduğu binalar ise, detaylı değerlendirme aşamasında yeniden değerlendirilmektedir. Nihai risk seviyesini bulana kadar bu adımlar takip edilir. Tipik bir kazı etki bölgesi içinde, çoğu zaman, sadece birkaç bina ve tarihi binalar için detaylı değerlendirmeler yapmak gerekli olmaktadır. Önceki deneyimler, binaların çoğunluğu için nihai risk kararının genellikle SÇŞY kullanılarak ikinci aşama değerlendirme seviyesinde yapıldığını göstermiştir. Bu nedenle, ikinci değerlendirme aşamasında kullanılan SÇŞY'nin doğruluğu ve kesinliği artırılabilirse, sadece bu yöntemle belirlenen nihai risk kararlarının doğruluğu artmakla kalmaz, aynı zamanda detaylı değerlendirmede kullanılan daha masraflı ve daha fazla zaman gerektiren yöntemler ile değerlendirilecek binaların sayısı da azalacaktır. Kullanılan yöntemin basitliği nedeniyle, SÇŞY hızlı değerlendirme olanağı sunmaktadır. Ancak bu durum yapı-zemin etkileşimi gibi bazı önemli faktörlerin dikkate alınamamasına da neden olmaktadır. Ya da örneğin, SÇŞY taşıyıcı duvarlarında geniş boşluklar bulunduran yığma binaların hasar durumunu gerilme yığılmalarını dikkate alamadığı için olduğundan daha az olarak tahmin edebilmektedir. Uygulamada sıklıkla kullanılmasına rağmen, SÇŞY'nin gerçek saha verilerini kullanarak yeniden gözden geçirildiği çalışmaların sayısı hala sınırlıdır. Ayrıca, saha verilerinin ayrıntılı bir biçimde analiz edilmesine imkan verecek şekilde kaydedildiği projelerin sayısı da çok azdır. Kısa bir giriş bölümünün ardından (1. Bölüm), bu tez kapsamında ilk olarak, tünelcilik faaliyetlerinden veya derin kazılardan kaynaklanan bina hasarlarının tahmin edilmesi için geliştirilmiş mevcut yöntemler ele alınacaktır. Bu alanda yapılmış çalışmalar kapsamlı ve karşılaştırmalı bir literatür taraması ile sunulmuştur. Ayrıca, SÇŞY'nin mevcut literatürde belirtilen avantaj ve dezavantajları da açık bir biçimde ortaya konulmaktadır (2. Bölüm). 3. Bölüm'de, SÇŞY'de kullanılan sehim oranı, yapı geometrisi, yapının uzama ve kayma rijitlikleri oranı ve sınırlayıcı çekme şekildeğiştirmesi terimlerinin arasındaki ilişkilerin yorumlanmasını kolaylaştıracak daha bağımsız matematiksel bir ifadenin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu bağlamda, transfer fonksiyonlarından faydalanılmıştır. Ek olarak, zemin ortalama yatay şekildeğiştirmesinin etkisi modifiye edilmiş derin kiriş denklemlerine dahil edilmiştir. Orijinal SÇŞY'de zemin yatay şekildeğiştirmelerinin etkisi doğrudan dikkate alınmamaktadır. Literatürde mevcut olan gerçek ve simüle edilmiş vaka çalışmalarından elde edilen veriler ve gözlenen hasar sınıfları kullanılarak, transfer fonksiyonunun katsayıları için geri hesaplamalar yapılmıştır. SÇŞY'nin, pratik bir araç olarak, kısıtları göz önünde bulundurulduğunda, kazı etki alanında bulunan binalar için yapılacak hızlı değerlendirmeler için kullanışlı olduğu sonucuna varılmıştır. Ancak, mevcut deneysel ve sayısal çalışmaların bulguları, SÇŞY'nin basitliği nedeniyle gerçek bina davranışını öngörmede büyük ölçüde eksik olabileceğini göstermiştir. Sonuçlar, ayrıca, gözlenen hasarın ve ölçülen çatlak genişliklerinin sınır çekme şekildeğiştirmesi değerleri ile belirli oranda uyumlu olduğunu göstermiştir. Orta ya da daha yüksek hasarın gözlemlendiği durumlarda, orijinal derin kiriş denklemlerinin, ortaya çıkan hasar sınıfını daha düşük bir değer olarak dikkate alma eğiliminde olduğu ortaya koyulmuştur. Ayrıca, SÇŞY'nin kullanımının büyük duvar boşluklarına sahip yığma yapılarda muhafazakar olmayan hasar tahminlerine yol açabileceği gösterilmiştir. 4. Bölüm, derin bir şaft ve tünel kazılarının neden olduğu zemin hareketlerinden etkilenen yığma taşıyıcı sisteme sahip tarihi bir yapı için yapılan ayrıntılı analizleri ve sonuçlarını kapsamaktadır. Yapının taşıyıcı duvarlarında kazı öncesi dönemde ortaya çıkmış çatlaklar bulunmaktadır. Yapının duvarlarında bulunan geniş pencere ve kapı boşluklarından dolayı, SÇŞY'nin, kazılardan dolayı oluşması muhtemel hasarları olduğundan daha düşük seviyede tahmin ettiği gösterilmiştir. Bu çalışma ayrıca, dikkate alınan varsayımlar ve basitleştirmelerle birlikte saha raporlarından elde edilemeyen bilgi eksikliklerinin ve belirsizliklerin de gösterildiği iyi bir örnek vaka durumu teşkil etmektedir. Bu bölümde literatürdeki diğer vaka çalışmalarından farklı olarak, iki aşamalı bir nümerik analiz yaklaşımı önerilmiştir. İlk aşamada, her bir duvar, sahada izlenen oturma değerleri kullanılarak ayrı ayrı analiz edilmiştir. Bu şekilde, oturma profili ile ilgili belirsizlikler geçici olarak devre dışı bırakılarak yapı modeli kalibre edilmiştir. İkinci aşamada, bina davranışı bir bütün olarak incelenmiştir. Yapı-zemin etkileşiminin ve önceden var olan çatlakların etkileri de bir takım arayüz elemanları kullanılarak modellemede dikkate alınmıştır. İkinci aşamada yapılan parametrik analizler ayrıca, incelenen vakanın ötesinde genelleştirilebilir sonuçların elde edilmesini sağlamıştır. Analiz sonuçları, iki aşamalı bir yaklaşımın kullanılması ile binanın oturma etkileri altındaki gerçek davranışının tatmin edici bir şekilde simüle edilebileceğini göstermiştir. Elde edilen gerilmelerin büyüklüğü ve modellenen mevcut çatlakların davranışı, bu yapı için ölçülen ve gözlemlenen bilgiler ile uyumludur. Parametrik analiz sonuçları, zemin / yapı rijitlik oranı arttıkça, yapının oturma etkileri altındaki kırılganlığının arttığını ortaya koymuştur. Ayrıca, yapı-zemin etkileşiminin analizlerde dikkate alınması durumunda farklı oturmalardan kaynaklanan gerilmelerin azaldığı gözlemlenmiştir. Mevcut çatlakların analizlere dahil edilmesi ile bu çatlakların çevresindeki gerilmelerin azaldığı, ancak komşu kesitlerdeki gerilmelerin arttığı gözlemlenmiştir. 5. Bölümde, elde edilen sonuçlar bütünsel bir bakış açısıyla sunulmuş ve incelenen konu kapsamında gelecekte yapılabilecek çalışmalar için önerilerde bulunulmuştur.