Eksenel statik çekme yüküne maruz betonarme tekil kazık davranışı ve orijinal bir kazık deney ve imalat yaklaşımı
A novel construction and testing approach for cast in-situ piles subjected to tension/uplift load
Yazar: ORHAN ESAT İNANIR
Danışman: PROF. DR. AYKUT ŞENOL ; PROF. DR. MEHMET MUHİT BERİLGEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Beton kazıklar = Concrete piles ; Fore kazık = Bored pile ; Tekil kazık = Single pile

Özet:
Bütün dünyada ve Türkiye'de son yarım yüzyılda gökdelenler, köprüler, tüneller, barajlar, enerji santralleri, rüzgar türbinleri, açık deniz yapıları gibi projelere olan yüksek talep kazıklı temellere olan ihtiyacı hızla arttırmıştır. Enstrümante edilmiş kazık yükleme deneyleri ile kazık boyunca oluşan yük dağılımının belirlenebilmesi, Performansa Dayalı Kazık Tasarımına (PDK-T) imkan vermekte ve temel kazıklarının tasarımındaki belirsizlikleri asgari düzeye indirmektedir. Kazıklı temel tasarımı kapsamında kazık "kapasitesi" tesbiti ekseriyetle, yükün kazık boyunca nasıl dağıldığını inceleyerek başlar ancak, çoğu zaman sadece uç ve şaft ayrımı belirtilerek hesaplanır. Mevcut şartnamelerde "statik kazık hesabı" yaklaşımı çoğu kez temelin oturmasını göz ardı etmektedir. Ancak, kazığa tatbik edilen yük, kazığın deplasmanı ve zemin oturması kazığın yük dağılımı davranışını kontrol eden ayrılmaz bileşenlerdir. Enstrümante edilmiş eksenel yüke maruz kazık yükleme deneyleri kazık davranışının değerlendirilmesini ve t-z/q-z ilişkilerine bağlı zemin direnci ve deplasman davranışının simülasyonunun yapılmasına ve "Tekil Kazık-Zemin Etkileşim Modelinin" oluşturulmasına imkan vermektedir. Bu sayede elde edilen etkileşim modeli "Geoteknik Modele" dönüştürülerek farklı kazı, su seviyesi değişimi vs durumları için kazık davranışının hesaplanmasına imkan vermektedir. Çekme yüküne maruz betonarme kazıklarda (fore kazık, prekast çakma kazık, yerinde dökme çakma kazık Vibreks, vs.) mobilize olan çekme gerilmeleri sebebiyle oluşan çatlak gelişimi kazıklarda bütünlük ve uzun vadede durabilite problemlerini gündeme getirmektedir. Betonarme kazıklara kazık başından yukarı istikamette yük tatbik edilmesi ve bu yükün beton çekme mukavemetine ulaştığı en zayıf kesitten itibaren çatlak gelişimi söz konusu olmaktadır. Bu çatlak gelişimi, kazığın çekme yükü altında deplasman davranışını etkilemektedir. Bu durum kazık çekme deneylerinde kazık davranışının değerlendirilmesini, t-z ilişkilerine bağlı kazık-zemin etkileşimini dikkate alan hesap modeli kurulmasını ve analizlerin gerçekliliğini etkimektedir. Bu doktora tezinde, çekme yükü etkisindeki tekil kazık yük tansfer ilişkisinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu amaç için enstrümante edilmiş kazıklar üzerinde yükleme deneyleri yapılmıştır.
Bu kapsamda ilk olarak görece daha uzun bir kazık ile ara mesafesi yaklaşık 6m olan komşu iki kazıkta eksenel statik çekme kazık yükleme deneyi gerçekleştirilmiştir. Bu deney kazıklarına konvansiyonel olarak kazık başından çekme uygulanmış ve üçüncü kazıkta ise özel bir tertibat ile kazığa tabanından çekme yükü uygulanmıştır. Bu deneylerde yapılan aletsel gözlemlerden elde edilen veriler ile çatlak gelişimi, yayılımı ve yük-deplasman performansı değerlendirilmiştir. Kazık başından çekilmesi durumu için deneyde uygulanan eksenel çekme yükü altında betonun çekme deformasyon
xxxiv
kapasitesine ulaşıldığında çatlak gelişimi birim deformasyon ölçümlerinde tespit edilmiș ve tahribatsız deney uygulamalarıyla da teyit edilmeye çalışılmıştır. Bu araştırmalar yanında deney kazıklarının malzeme özellikleri dikkate alınarak yapılan eksenel kazık rijitliklikleri deneysel gözlemlerle paralellik arzetmiștir. Eldeki gözlemler ve hesaplar değerlendirildiğinde "Çatlamamış safha" da yükün kazık kompozit kesiti ile taşındığı ve ilk çatlak gelişme noktası sonrasındaki bölge olan "nihai çatlak oluşmuş safha" da ise donatı ile taşındığı anlașılmaktadır. Kazık malzeme özelliğindeki değişim, kazık kapasite hesaplamalarını şaft sürtünmesinden kaynaklı olmamasına rağmen sun'î bir şekilde etkilemektedir Konvansiyonel çekme yüküne maruz deney kazığında yaklaşık 70-120 mikroStrain birim deformasyon mertebelerinde çatlak gözlenmiș olup bu sonuç literatürdeki eksenel yük ve momente maruz beton kesitindeki çatlak gelişimini inceleyen çalıșmalar ile uyumludur. Betonarme kazıkta çekme yükü altında çatlak oluşumunu önlemek için kazık tabanından çekme yükü uygulanması durumu için gerçekleştirilen kazık yükleme deneyinde kazık gövdesindeki betonda çekme gerilmesi oluşmasına müsaade etmeyecek ve kazık donatı kafesi ile bütünleşik tarzda orijinal bir tertibat tasarlanmıştır. Bu tertibat vasıtası ile konvansiyonel yüklü kazık ile aynı şartlardaki komşu kazık tabanından yukarı doğru çekilerek betonda basınç gerilmesinin mobilize olması sağlanmıştır. Geliştirilen bu orijinal kazık tipi ve deney tertibatı konvansiyonel olarak kazık başından çekilerek tatbik edilen çekme yükleme durumundaki problemleri bertaraf ettiği kazığın yük deplasman performansında ve yük transfer ilişkisinde hatırı sayılır bir şekilde performans artışı sağladığı gözlenmiştir. Kazıkların yük tatbik noktasının farklı olması sebebiyle doğrudan karşılaştırma yapmak mümkün olmamakla beraber genel bir kıyaslama için Davisson Yöntemi ile yapılan hesapta konvansiyonel çekme yüküne maruz kazıkta 6.1MN tahmin edilirken tabanından çekme yükü uygulanan kazıkta 8.9MN olarak tahmin edilmiştir. Kazık tabanı yük – kazık tabanı deplasman için yapılan analizde ise tabanından yüklü kazığın nihai taşıma kapasitesi 7.3MN olarak belirlenmiştir. Bu sonuç benzer şartlarda iki komşu eş fore kazığın farklı tarzda yüklenmesiyle elde edilen kapasitenin kazık başı yük – kazık başı deplasman ilişkisine göre "Davisson Kazık Kapasitesi Tahmin Yöntemi" ile ~%146 mertebelerinde kazık tabanı yük – kazık tabanı deplasman ilişkisi kıyaslamasına göre ise ~%120 mertebelerinde daha yüksek çekme kapasitesine ulaştığı anlamına gelmektedir.

Abstract:
The demand for piled foundations in the last half-century is accelerating all over the world and in Türkiye as well, due to the increasing number of projects in high-rise buildings, bridges, wind tribunes, power plants, tunnels, dams and offshore structures. Better understanding in pile load-transfer mechanism with instrumented pile loading test will give oppurtunity for Performance Based Design Method (PBD-M) and this will prevent under/over-estimated design of piled foundations. On the otherhand, if the bored piles are subjected to uplift forces due to the tension stresses developed along the pile, the integrity and durability might be the main concerns.
Instrumented pile loading tests can give a better understanding about the pile load-transfer mechanism. This might prevent under/over-estimated design of foundation piles and allows to perform Performance Based Design Method (PBD-M). Design of a piled foundation starts with an analysis of the axial load transfer mechanism and separate calculations for shaft and toe resistances for "capacity" calculation. Finally design ends with determining only a pile "capacity" from a pile loading test. Principally, the load-transfer analysis is a necessary part of a settlement analysis. The settlement analysis of a piled foundation cannot be separated from how the axial load is transferred to the soil.
Instrumented axial static compression pile loading test (S-PLT/C) can provide necessary information for determining the load transfer mechanism and test simulation with t-z/q-z relations for "Single Pile - Soil Interaction Model". The interaction model can be transformed to "Geotechnical Model" for simulation of pile behaviour under various site conditions (such as excavation, ground water lowering, etc.).
The instrumented pile loading tests as mentioned above can give a better understanding about the pile load-transfer mechanism and also gives an opportunity to assess the integrity and durability issues of the bored piles under tension. When a reinforced concrete pile subjected to high tension forces, it might reaches to tensile stress capacity of concrete and cracking occurs at the weakest section. The crack formation is a complex process that primary and secondary crack formations controls the stress-strain behaviour of the reinforced concrete structure.
This mechanism was studied by Somayaji and Shah, (1981) and was described with three region on a typical load-strain curve of reinforced concrete members subjected to tension. First region represents the elastic behaviour of the member up to start of primary cracking. Second region covers deformation behaviour from the first primary crack to the final cracking point. Third region represents the behaviour from the final cracking point to the yielding of the reinforcement.
Fields and Bischoff (2004) identified axial stress and strain distribution along the reinforced concrete members subjected to tension. When the stress in concrete first reaches the tensile strength at a weakest section, cracking occurs. After cracking, the stress in the concrete at the crack drops to zero. The concrete stress increases with distance from the crack due to the bond action, until at distance called the transfer length, from the crack the concrete stress is not affected by the crack. Slip at the concrete steel interface in the region of significant bond stress causes the crack to open. A relatively small increase in load will cause a second crack to develop at a cross-section at some distance from the first crack. While the load is increasing, the primary cracks form at somewhat regular intervals with propagating along the member and primary crack pattern is established. The concrete tensile stress at each crack is zero, rising to a value, which never reaches the tensile strength of the concrete.
The formation of cracks influences the load-displacement behaviour of piles under tension load and it causes difficulties during interpretation of pull-out tension test results. The full shaft resistance capacity can only be taken into account when it reaches the required relative displacement along the pile for fully mobilized shaft resistance and crack deformation. Especially for long piles this cannot be achieved in the acceptable pile displacement ranges. Thus there are different tendencies in various design manuals to limit the pile capacity under tension by applying higher safety factors or by lowering the resistance factors. However, these approaches might not always guarantee crack free design under service load.
In this research, the results of an instrumented axial static tensile pile loading test (S-KYD/Ç) program, consist of TK-1 (TİP-A), TK-2 (TİP-A), TK-3(TİP-B), were evaluated in terms of crack development and propagation. It has been determined that crack development occurs when the tensile deformation capacity of the concrete is reached under the axial tensile load applied in the experiment. Pile axial stiffness calculations also showed parallel characteristics with experimental observations. When the observations and calculations are evaluated, it is understood that the load is carried by the pile composite section in the "uncracked phase" and it is carried by the reinforcement in the "final cracked phase", which is the region after the first crack development point. The change in the pile material property affects the pile capacity calculations artificially, although not due to shaft friction behaviour. During TK-2 (TİP-A) pile test, this phenomenon was observed at approximately 70-120 microStrain unit deformation levels and is consistent with similar studies in the literature.
Above mentioned problems were eliminated with a novel approach, which prevents the tensile stress development in the reinforced concrete body under tension load. GEWI Plus bars were used for transferring pile head load to the pile toe. This mechanism ensures the development of compression stresses in the pile during upward pull-out loading from pile toe. Loading from the pile toe contributes considerably the load-displacement behaviour of the piles which are under tension load.
TK-2 (TİP-A) and TK-3 (TİP-B) test results cannot be directly compared due to different load application locations. However, for a general understanding the comparison might be done with "Davisson Pile Capacity Estimation Method" for TK-2 (TİP-A) and TK-3 (TİP-B) pile loading test results as per pile head load – pile head movement relation. By Davisson method, 6.1MN calculated for TK-2 (TİP-A) and 8.9MN for TK-3 (TİP-B). Even TK-3 (TİP-B) pile toe load – pile toe movement relation results 7.3MN capacity. These figures represent ~%146 and ~%120 capacity increase for piles under tension load.