Ardgermeli betonarme siloların tasarım esasları
Design principals of post-tensioned reinforced concrete silos
Yazar: DİLEK DALMIŞ
Danışman: PROF. DR. TÜLAY AKSU ÖZKUL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Çeşitli dane çapındaki malzemelerin depolanması ve gerektiğinde kullanılabilmesi amacıyla tasarlanan özel yapı tiplerine silo denir. Silolarda her türlü kohezyonsuz daneli malzemeler depolanabilmektedir. Depolanan malzemeler tahıl ürünleri, çeşitli endüstri dallarında kullanılan hammaddeler veya endüstri ürün ve artıkları olabilir. Siloların kesitlerinin ekonomik olabilmesi amacıyla genellikle dairesel silolar tercih edilmektedir,  fakat yapım kolaylığı sağlanabilmesi açısından çokgen kesitli silolarda tercih edilmektedir.
Yapılan çalışmanın temel amacı, özel bir yapı tipi olan ardgermeli siloların tasarımıyla ilgili ülkemizdeki kaynaklara katkı sağlayabilmektir. Bu amaçla gerçekleştirilen çalışma beş ana bölümünden oluşmaktadır.
Birinci bölümde; konuyla ilgili genel bir giriş yapıldıktan sonra çalışmanın amacıyla ilgili bilgilere yer verilmiştir. Burada konuyla ilgili ülkemizdeki kısıtlı kaynaklara katkıda bulunmak amacıyla ardgermeli betonarme bir farin silosu tasarlanacağından bahsedilmiştir.
İkinci bölümde; silo tanımı, silo bölümleri, silo elemanları, stok malzemeleri, ardgerme sistemi ve avantajları detaylı olarak açıklanmıştır.  Burada silo bölümleri; kabul kuyusu, elevatörlü işletme kuyusu, yatay dağıtım tavan katı, silo hücresi, tiremi ve yatay boşaltım zemin katı olarak sınıflandırılmıştır. Bir silo yapısı; silo çatısı, silo tavan döşemesi, silo gövdesi, silo hunisi, düşey taşıyıcılar ve  silo temeli olmak üzere altı elemandan oluşmaktadır. Bu elemanlar arasında değişken kalınlıkta yapılabilen silo gövdesinde; malzeme basınçlarının etkileri, deprem etkileri, rüzgar etkileri ve sıcaklık farklarının etkilerinden dolayı oluşan çekme ve eğilme durumları büyük önem taşımaktadır. Silo temellerinde hareketli yük salınımları ve doldurma durumuna bağlı olarak, değişik dağılım gösteren zemin basınçları oluşmaktadır. Bu durumlardan kaynaklı oturmaların ve üst yapıda çatlakların oluşmaması için silo temellerine büyük önem verilmesi gerekmektedir. Silolarda stok malzemeleri; siloların doldurma, boşaltma ve depolama durumlarındaki davranışlarının belirlenebilmesi için önem arz etmektedir. Silolarda depolanan malzemeler; işlenmemiş tarımsal ürünler, işlenmiş tarımsal ürünler, anorganik işlenmemiş hammaddeler ve  endüstri ürünleri olarak gruplandırılabilir.  Çapı ve depo malzemesinin depolanma derinliği büyük olan silolarda, silo cidarında oluşan çekme kuvvetleri geleneksel betonarme sistemlerle karşılanamaz. Karşılanabilmesi durumunda bile aşırı donatı ihtiyacı nedeniyle, silo betonarme sisteminin imalatında büyük zorluklar yaşanmaktadır ve uygulamada büyük zaman kayıpları doğmaktadır. Böyle durumlarda ardgerme sistemleri birçok avantaj sağlar. 
Üçüncü bölümde hesap esasları anlatılmıştır. Silo malzeme basınç katsayılarının EN 1991-4:2006 yönetmeliğine göre nasıl hesaplandığı açıklanmıştır. Ayrıca silo tasarımı için malzeme basınç katsayılarının hesaplanması kadar önemli olan sıcaklık etkileri, sismik etkiler ve rüzgar basıncının etkisi de irdelenmiştir. Ardgerme hesap esasları da bu bölümde anlatılmıştır. EN 1991-4:2006 kapsamında silo tasarımı yapılabilmesi için bazı sınırlar verilmiştir. Bunlar, silo kesitlerindeki sınırlamalar ve boyutsal sınır değerlerdir. Silolar çalışma biçimlerine göre; etki değer sınıfı 1, 2 ve 3 olarak ayrılmıştır.  Silo narinliği, silo tipi yapılarda depo malzemesinin akış biçimini etkilemektedir. Silo içindeki malzeme akışına bağlı olarak üç temel durum söz konusu olmaktadır. Bunlar; toplu akış hali, baca akış hali ve karma akış halidir. Yönetmelikte belirli malzemelere göre karakteristik tasarım değerleri verilmiştir. Duvar sürtünme özelliklerine göre yapılan sınıflandırma D1, D2, D3 ve D4 olarak verilmiştir. Silo narinlik biçimlerine göre; silo düşey duvarındaki yüklerin belirlenmesi için yapılan hesaplamalar değişmektedir. Silolar; narin silolar, yarı narin silolar, bodur silolar, istinat duvar tipli silolar ve hava girişli silolar olarak gruplandırılır. Silo huni tipleri; düz tabanlı huni, derin huni ve sığ huni olarak üç gruba ayrılır. Sıcaklık etkileri EN 1991-1-5:2003 yönetmeliği dikkate alınarak incelenmiştir. Silo taşıyıcısı ile depo malzemesi arasında veya dış çevre koşulları ile silo taşıyıcı elemanları arasındaki farklı sıcaklık değişimi nedeniyle silo taşıyıcı elemanlarında moment etkileri ortaya çıkmaktadır ve bu durum silonun tasarımında etkin rol oynamaktadır. Silo yapılarına etkiyen rüzgar yükleri siloda depolanan malzemeden bağımsız olarak silo geometrisine göre belirlenmektedir. Rüzgar yüklerinin belirlenmesinde özellikle dairesel silolar için Greiner formülü kullanılmaktadır. Deprem hesabı, Deprem Bölgelerinde Yapılacak Binalar Hakkında Yönetmelik esas alınarak yapılmıştır. Ayrıca, EN 1998-4:2006'ya göre; silolarda sismik etkilerden dolayı oluşan yatay malzeme basınç değerlerinin hesabı da incelenmiştir. Öngermeli elemanlar ve yapılara ilişkin hükümler EN 1992-1-1:2004'e göre anlatılmıştır. Ardgerme durumunda, anlık kayıpların hesabı ve zamana bağlı kayıpların hesabı gösterilmiştir.
Dördüncü bölümde hesabı yapılan silo yapısının özellikleri tanıtılmıştır ve  yapılan hesaplara değinilmiştir. Bu tez çalışması kapsamında hesaplanan yapı Düzce ilimizde inşa edilen, temel üst kotu -2.100 m ve tepe kotu +85.000 m olan ardgermeli bir farin silosudur. Temel üst kotundan itibaren konik huni mesnet kotuna kadar, 90 cm kalınlıklı alt duvar boyutlandırılmıştır. Konik huni +17.000 m kotuna mesnetlenmektedir. Konik huni mesnet kotundan itibaren 40 cm kalınlıklı silo üst duvarı yapının en üst kotu olan +85.000 m kotuna kadar devam etmektedir. Silo, ardgermeli çözüldüğü için 4 adet ve birbirine 90˚ açı ile duran 90 cm kalınlığında, +18.000 m ile +77.000 m kotları arasında ardgerme kafaları tasarlanmıştır. Konik huni duvar kalınlığı 40 cm'dir. Hesapları yapılan farin silosunda C35 beton, S420 donatı çeliği  ve ardgerme malzemesi Grade 1860 kullanılmıştır. Tasarımı yapılacak silo yapısının modellemesi, SAP2000 14.1.1 yazılımı kullanılarak yapılmıştır. Yapı, silo ana taşıyıcı sistem ve konik huni taşıyıcı sistem olarak ayrık modellenmiştir. Tüm yapı elemanları kabuk eleman olarak modellenmiştir. Hesaplarda öncelikle boyutsal sınır değerlerin kontrolü yapılmış olup hesabı yapılan silonun uygunluğu kontrol edilmiştir. Silo çalışma biçimi belirlenmiştir. Hesaplanan farin silosu, silo davranış biçimleri için tavsiye edilen sınıflandırmaya göre etki değer sınıfı 3 çalışma sınıfına girmektedir. Malzeme özellikleri belirlenmiştir. Farin silosunda depolanan malzeme kireçtaşı tozu olarak belirlenmiştir. Duvar sürtünme özelliklerine göre duvar tipi belirlenmiştir ve D3 tipi duvar olduğuna karar verilmiştir. Silo düşey duvarındaki yüklerin belirlenmesi için öncelikle silo narinliğinin belirlenmesi gerekmektedir. Silo narinlik biçimine göre yapılacak hesaplar değişiklik göstermektedir. Hesabı yapılan silo narin silo sınıfına girmektedir. Sıcaklık etki basınçları hesaplanırken; düzgün sıcaklık değişimi ve farklı sıcaklık değişimi incelenmiştir. Modelleme aşamasında silo duvarı planda 48 parçaya ayrılmıştır. Her 7.5 derecelik dilim için rüzgar basıncındaki değişim hesaplanmıştır. Silo gövdesine etkiyen rüzgar basıncının açıyla değişim değerleri Greiner bağıntısı kullanılarak hesaplanmıştır. Yapıya etkiyen deprem yüklerinin hesabı DBYBHY2007'ye göre yapılmıştır. Depo malzemesinin silo düşey duvarına yayılan kütlesi hesaplanıp modele girilmiştir.  Çözümlemede Mod Birleştirme Yöntemi sonuçları Eşdeğer Deprem Yükü Yöntemi'ne dönüştürülerek hesaba Eşdeğer Deprem Yükü Yöntemi ile devam edilmiştir. Ardgerme işlemi sırasında betonun anlık elastik şekil değiştirmesi, betonda zamana bağlı oluşan rötre ve sünme etkileri ve kablolardaki gevşeme etkilerinden meydana gelen kayıplar ve bu kayıplara ilave olarak ankraj kafasındaki şekil değiştirme ve sürtünme etkilerinden dolayı oluşan kayıplar da göz önüne alınarak, ardgerme işlemi sonrasında bir kabloda oluşan en büyük ve en küçük çekme kuvveti için kullanılan kablo iç kuvvetleri belirlenmiştir
Beşinci bölümde yapılan çalışmanın sonuçları özetlenmiştir.

Abstract:
Special types of structures designed to store and use various diameters of materials are called silos. In silos, all kinds of cohesion-free materials can be stored. Stored materials can be cereal products, raw materials used in various industries or industrial products and residues. Circular silos are generally preferred in order to make the sections of the silos economical, but they are preferred in polygonal silos for ease of construction.
The main purpose of the study is to contribute to the resources in our country related to the design of post-tensioned reinforced concrete silos, which is a special type of building. The study consists of five main sections.
In the first chapter; the purpose of the study is explained after a general introduction about the subject. It is mentioned here that a reinforced concrete silo will be designed in order to contribute to the limited resources in our country and the application of post-tensioning system.
In the second chapter; description of silo, silo sections, silo elements, stock materials, post-tensioning system and advantages are explained in detail. Acceptance well, elevator operating well, horizontal distribution ceiling solid, silo cell, tiremi and horizontal discharge ground floor are classified as the silo sections. Structure of a silo consists of six elements such as; silo roof, silo slab, silo body, silo hopper, vertical carriers and silo foundation. In these elements, the silo body can be constructed with variable thickness. The tensile stress and bending moment caused by material pressures, seismic effects, wind effects and effects of temperature differences are vital important in the silo body. Depending on the moving load oscillations and filling conditions, different pressures are occurred in the silo foundations. Due to these effects, the silo foundations should be given great importance in order to prevent from displacement and cracks of upper structure. Stock materials in silos is quite significant to determine the behavior of silos in filling, unloading and storage situations. The materials stored in silos can be grouped as unprocessed agricultural products, processed agricultural products, inorganic raw materials and industrial products. In silos with large diameter and large storage depth of storage material, the tensile forces formed in the silo wall cannot be met by conventional reinforced concrete systems. Even if it can be met, due to the need for excessive reinforcement, the production of the silo-reinforced concrete system has great difficulties and a great loss of time in practice. In such cases, post-tensioning systems provide many advantages.
In the third chapter, the calculation principles are explained. Silo material pressure coefficients are calculated according to EN 1991-4:2006 code. In addition, temperature effects, seismic effects and wind effects on the silo design which are as important as the calculation of the material pressure coefficients, are analyzed.    Post-tensioning systems calculation principles are also described in this section. Some limits are given for silo design according to EN 1991-4:2006 code. These are the limitations in the silo sections and dimensional limit values. The silo design should be carried out according to the requirements of the following three action assessment classes; action assessment class 1, action assessment class 2 and action assessment class 3. Different silo aspect ratios (slendernesses), hopper geometries and discharge arrangements lead to different design situations. The design should consider the consequences of the flow pattern during discharge, which may be described in terms of the following categories; mass flow, pipe flow, mixed flow. The properties of any particulate solid may be taken as represented by the default stored solid given in EN 1991-4:2006 code. D1, D2, D3 and D4 are classified as the wall surface categories. The loads on silo vertical walls shall be evaluated according to the slenderness of the silo determined according to the following classes; slender silos, intermediate slenderness silos, squat silos, retaining silos, silos containing solids with entrained air. Silo hopper types are divided into three groups as flat bottoms, steep hoppers and shallow hoppers. The temperature effects are examined by taking into account EN 1991-1-5:2003 code. Due to a temperature difference between the stored solid and the silo structure and/or between the external environment and the silo structure, the moment effects occur in the silo structure elements and this plays an active role in the design of the silo. Wind loads acting on silo structures are determined according to silo geometry regardless of the material stored in the silo. The Greiner formula is used to determine wind loads especially for circular silos. Earthquake resistance for silos are designed according to Turkish Seismic Code 2007 (DBYBHY2007). In circular silos the additional normal pressure occurred by seismic effects on the wall are taken into account by EN 1998-4:2006 code. Prestressed members and structures are described according to EN 1992-1-1:2004 code. The calcultion of the immediate losses and the time dependent losses are shown in the case of  post-tensioning.
In the fourth chapter, The characteristics of the silo structure has been introduced and the calculations have been mentioned. The structure calculated within the scope of this thesis is post-tensioned raw meal silo located in Düzce, Turkey.  The basic elevation of the silo is -2.100 meters and the peak elevation of the silo is +85.000 meters. The bottom wall was dimensioned at 90 centimeters in thickness from the base elevation to the conical hopper support elevation. Conical hopper is supported at +17.000 meters elevation. The silo top wall of 40 centimeters in thickness starting from the conical hopper support elevation continues to the peak elevation of +85.000 meters. Post-tensioning heads are designed between elevations +18.000 meters and +77.000 meters. The thickness of the conical hopper wall is 40 centimeters. C35 concrete, S420 rebar and post-tensioning material Grade 1860 were used in calculations made on the silo. Three dimensional structural analysis model has been generated in SAP2000 V 14.1.1 and all analyses have been performed by using this structural analysis and design software. The structure is discrete model as silo main carrier system and conical hopper carrier system. All structural elements were modeled as plate elements. First of all, the limitations in the silo sections and dimensional limit values were checked. Action assessment class of silo is determined as action assessment class 3. The material stored in the raw meal silo is determined as limestone powder and values of limestone powder properties are used in calculations. Wall surface categories are determined and the wall type is D3. In order to evaluate the loads on the vertical wall of the silo, it is necessary to determine to the slenderness of silo initially. The calculations to be made according to silo slenderness form vary. The class of the silo to be made calculation is slenderness silo. When considering the temperature effect pressures; uniform temperature effects and  thermal differentials effects are analyzed. In the model, the silo wall is divided into 48 parts in the plan. The wind pressure change for each 7.5 degree slice are calculated. The angle values of the wind pressure on the silo body were calculated by using the Greiner equation. Earthquake resistance for silos are designed according to Turkish Seismic Code. The additional normal pressure occurred by seismic effects on the wall is calculated and entered into the model. In this study, the results of the Mode Superposition Method are converted to the Equivalent Seismic Load Method and the calculation was continued with Equivalent Seismic Load Method. The immediate losses and the time dependent losses are calculated for determining internal forces on cable after post-tensioning.
In the fifth chapter, the results of the study are summarized.