İtme sürme yöntemi ile köprü tasarımı
Incrementally launched bridge design
Yazar: ALPER NAYCI
Danışman: PROF. DR. KUTLU DARILMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: AASHTO standardı = AASHTO standard ; Kara yolu köprüleri = Highway bridges ; Kutu kiriş köprüleri = Box girder bridges ; Köprüler = Bridges ; İtme sistemleri = Push systems

Özet:
Dünya çapında birçok uygulamaları bulunan İtme Sürme Yöntemi (Incremental Launch Method – ILM) ülkemizde de kullanılmaya başlanmış bir köprü yapım yöntemidir. Bu yöntem ile kenar ayaklardan birinin arkasındaki prekast sahada köprü tabliyesi segmentler halinde dökülür ve özel ekipmanlar yardımıyla itilmektedir. Tabliye açıklıkları genelde 40m – 60m arasında değişmekte ve toplam köprü uzunlukları 700m – 800m'ye varan sürekli tabliyeler oluşturulabilmektedir. Bu yöntemin en önemli ekonomik avantajları, malzeme miktarında azalma, yapım süresinin kısalması, mesnet sayısının azalması ve genleşme derzlerinin sayısının azalmasıdır. Bu çalışma, itme sürme yöntemi ile yapılan bir köprünün yapısal analizi ve hesap adımları açıklanmaktadır. Örnek köprü modeli, 35m uzunluğunda iki adet kenar açıklık ve 55m uzunluğunda üç adet ana açıklıktan oluşmakta olup, köprünün toplam uzunluğu 235m'dir. Köprü plan ve boykesiti düz olmak ile birlikte 12m genişliğinde bir kutu kesit tabliyeden oluşmaktadır. İtme sürme yöntemi ile yapılan karayolu köprüsünün tasarımı, AASHTO LRFD'ye (2017) göre yapılmıştır. Köprü, üstyapı ve altyapı olmak üzere iki ana bölümde incelenmektedir. İlk bölümde, köprü açıklıkları, mesnetlenme koşulları ve tabliye geometrisi belirlenmiştir. Ardından, itme sürme ve servis tendonlarının konumları ve miktarları belirlenip aşamalı analizde hesap modeline dahil edilmişlerdir. Aşamalı analiz modeline sürekli yükler, hareketli yükler, sıcaklık, sünme ve büzülme, diferansiyel oturma, sürtünme yükleri ve rüzgar yükleri gibi tüm yük tanımlamalarından sonra analiz sonuçları elde edilmiştir. İtme sürme analizi için uluslararası geçerliliği bulunan köprü tasarım programı kullanılarak 1m aralıklar ile köprünün itme işlemi sırasında oluşan iç kuvvetler elde edilmiştir. Kombinasyonlardan elde edilen zarf kuvvetleri değerlendirilmiştir. Etkili tabla genişlikleri sonucunda belirlenen geometrik özelliklere göre gerilme kontrolleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan kontroller sonucunda gerilme değerlerinin yönetmeliklere göre sınırlar dahilinde kaldığı tespit edilmiştir. Ardından, eğilme kapasitesi kontrolleri gerçekleştirilmiştir. Seçilen tabliye donatısına göre farklı tabliye kesitleri için talep/kapasite kontrolleri gerçekleştirilmiştir. Tabliye kapasitesi her bir etkili tabla genişliği için toplamda 4 farklı kesit olarak hesaplanmıştır. Ardından, kesme ve burulma analizleri gerçekleştirilmiştir. Tabliye kesitinin kesme ve burulma bileşik etkileri altında yeterli olduğu gözlemlenmiştir. Ardından, farklı yükleme durumları altında sehim değerlerinin kontrolleri gerçekleştirilmiştir. Deplasman kontrolleri arasında gaga uç noktasının köprü hareketi boyunca değişken olan deplasman grafiği elde edilmiştir. Bu grafikten elde edilen en elverişsiz deplasman değerine göre düzeltme aparatının, köprü konsol durumda iken, gagayı ayaklardan destek alarak kaldırması gereken mesafeyi göstermektedir. Ardından, üst tabliye, alt tabliye ve gövde için sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak enine analiz gerçekleştirilmiştir. Her döşeme bölümü için elde edilen iç kuvvetlere göre, seçilen donatı doğrultusunda, kapasite kontrolleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan kontroller sonucunda köprü üstyapı tasarımının uygun olduğu sonucuna varılmıştır. İkinci bölümde ise spektrum, yapı önem dereceleri, karşı davranış değiştirme katsayısı, depremden dolayı oluşan iç kuvvetlerin birleşimi, tasarım kuvvetlerinin hesaplanması ve deprem yükleri analizi tanımlanmıştır. Örnek köprünün yapı önem derecesi "önemli köprüler" olarak belirlenmiştir. Sismik bölge 2 ve düzensiz önemli köprüler sınırlamaları ile köprü minimum analiz gereksinimi çok modlu elastik yöntem olarak belirlenmiştir. Karşı davranış değiştirme katsayısı kolon tipi ve yapı önem derecesine göre 2 olarak belirlenmiştir. Tüm yükler köprü modelinde tanımlanmış ve modal analiz gerçekleştirilmiştir. Modal analiz sonucunda, köprünün mod şekilleri elde edilmiştir. Ardından, depremli kombinasyonlardan alınan en elverişsiz iç kuvvetler ile itme sürme yönteminden dolayı ayaklarda oluşan iç kuvvetler karşılaştırılmıştır. Deprem kombinasyonlarından elde edilen iç kuvvetlerin daha büyük olduğu gözlemlenmiştir. Elde edilen zarf kuvvetleri narinlik kontrolüden gelen arttırma katsayısı ile arttırılmıştır ve eğilme analizi gerçekleştirilmiştir. Seçilen donatıya göre normal kuvvet-eğilme momenti (P-M) ve çift doğrultudaki eğilme momenti (M2-M3) kapasite eğrileri elde edilmiştir. Elde edilen en elverişsiz iç kuvvetlerin kapasite eğrisi içinde kaldığı gözlemlenmiştir. Ardından, kutu kesitli dikdörtgen basınç elemanlarının narinlik kontrolü gerçekleştirilmiştir. Seçilen enine donatılara göre kesme kapasitesi ve tasarımı gerçekleştirilmiştir. P-Δ gereksinimleri ve yer değiştirme süneklik kontrolleri gerçekleştirilmiştir. Tüm kontroller sonucunda köprü altyapı tasarımının uygun olduğu sonucuna varılmıştır. Bu tez çalışması sonucunda, itme sürme yöntemi ile yapılan bir köprü için elde edilen zarf eğilme momenti diyagramının literatürde olan zarf eğilme moment diyagramları ile uyumlu olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
Incremental Launching Method (ILM), which has many applications around the world, is a bridge construction method that has also been used in Turkey. In this construction method, the precast yard is located behind one of the abutments, where one segment of the superstructure is manufactured each time. Each segment is prestressed to the previous part of the structure and after hardening the bridge is launched forward with special equipment. Deck spans generally range from 40m to 60m, and continuous decks with total bridge lengths of 700m to 800m can be constructed. The most significant financial advantages of this method are the reduction in material, the reduction in construction time, the reduction in the number of bearings, and the reduction in the number of expansion joints. In this study, the basic steps of the analysis and design of an incrementally launched bridge are explained on a sample bridge. The sample bridge model consists of two 35m long side spans and three 55m long main spans, and the total length of the bridge is 235m. The bridge is straight in plan and elevation and also consists of a 12m wide prestressed concrete box girder section. The design of the incrementally launched highway bridge was carried out according to the AASHTO LRFD (2017). The bridge is examined in two main sections which are the superstructure and substructure. In the first part, bridge span lengths, support conditions, and deck geometry are determined. Post-tensioned tendons were modelled in two groups as launching tendons and service tendons and also included in the calculations. Then, all load cases are defined in the model, such as dead loads, live loads, temperature loads, creep and shrinkage loads, differential settlement loads, friction loads, and wind loads. For the incremental launching method, the internal forces that occur during the launching of the bridge were taken into account at 1m intervals by using an internationally verified bridge design software. The envelope forces obtained from the combinations were evaluated. Stress checks were carried out according to the geometric properties obtained as a result of effective flange width. As a result of the checks, it was determined that the stress values remained within the limits according to the specifications. Then, bending and capacity analyses were performed. Demand/capacity checks were carried out for the deck sections whose capacity was calculated for the selected slab reinforcement. The capacity of the deck is calculated as a total of 4 different cross-sections for each effective flange width. Then, shear and torsion analyzes were performed. It has been shown that the cross-section is sufficient for shear and torsional forces. Subsequently, the deflection values were checked under different loading conditions. The displacement of the launching nose tip point during the launching was obtained. As a result of this value, the lifting capacity of the deflection recovery system was determined. Transverse analysis was carried out for the top slab, bottom slab, and web using the finite element method. According to the internal forces obtained for each slab section, capacity checks were carried out according to the selected reinforcement. As a result of all the checks, it was concluded that the bridge superstructure design was appropriate. In the second part, response spectrum, operational classification, seismic performance zones, response modification factors, the combination of seismic force effects, calculation of design forces, and analysis of earthquake loads are defined. The sample bridge's operational category is "essential bridges". The minimum analysis requirement shall be the multimode elastic method according to seismic zone 2 and irregular essential bridges. Response modification factor is determined as 2 according to column type and operational category. All loads were defined on the bridge model and modal analysis was performed. As a result of the modal analysis, the mode shapes of the bridge were obtained. Then, the envelope forces from the seismic combinations and the internal forces generated in the pier due to the incremental launching were compared. It has been observed that the internal forces from earthquake combinations are more unfavorable. The obtained envelope forces were increased with the increment coefficient from the slenderness check. Then, a bending analysis was performed. The capacity curves obtained for the normal force-bending moment (P-M) and bidirectional bending moment curve (M2-M3) according to the selected reinforcement. It was observed that the most unfavorable internal forces remained within the capacity curve. Then, the slenderness check of hollow rectangular compression members was carried out. Shear capacity and checks were carried out according to selected transverse reinforcements. P-Δ requirements and displacement ductility checks were carried out. As a result of all the checks, it was concluded that the bridge substructure design was appropriate. It has been observed that the incrementally launched bridge envelope bending moment diagram obtained as a result of the analysis is compatible with the envelope bending moment diagrams in the literature.