5 Şubat 2019 Salı

GÖMÜLÜ BORU HATLARININ STATİK VE DİNAMİK YÜKLER ALTINDAKİ DAVRANIŞI

GÖMÜLÜ BORU HATLARININ STATİK VE DİNAMİK YÜKLER
ALTINDAKİ DAVRANIŞI

Ahmet SAĞLAMER ve Müge BALKAYA
İTÜ İnşaat Fakültesi, Geoteknik Anabilim Dalı, 34469 Maslak, İstanbul.

ÖZET
Bu makalede, gömülü boruların statik ve dinamik yükler altındaki davranışları hakkında
bilgi verilmekte, boru döşenmesi sırasında dikkate alınması gereken konulardan ve
kullanılan yataklama yöntemlerinden bahsedilmektedir.
Anahtar Kelimeler: Gömülü borular, deprem hasarları, yataklama yöntemleri, statik - dinamik
davranış
ABSTRACT
In this paper, a brief literature review about static and dynamic behaviors of buried pipes is
presented and important points about pipe laying procedures and bedding types are
introduced.
Keywords: Buried pipes, earthquake hazards, bedding types, static-dynamic behavior.
1. GİRİŞ
Temiz su, atıksu, petrol, doğalgaz ve benzeri sıvı ve gazların taşınması gibi birçok amaçla kullanılan gömülü boru hatları, kent yaşamının sürdürülebilmesi için vazgeçilmez mühendislik yapılarıdır. Borunun hatalı bir şekilde yerleştirilmesi ve yataklanması, yanlış boru ve ekipman seçimi, deprem ve benzeri doğal afetler sebebiyle oluşabilecek hasarlar günlük yaşantıyı olumsuz etkileyebilir. Bu nedenle, gömülü boruların özellikle deprem bölgelerindeki imalatı, titiz ve özenli bir mühendislik çalışması gerektirmektedir. Gömülü boru hatları, tünel ve diğer yeraltı yapılarında zemin sadece yapının üzerine oturduğu bir malzeme değil, aynı zamanda destek vazifesi gören ve yükü transfer eden bir malzeme olduğundan, gömülü bir boru sisteminin tasarımında borunun malzeme özellikleri kadar zemin-boru etkileşimi de göz önünde bulundurulmalıdır [1].
Günümüzde en sık kullanım alanı bulan boru türleri; beton, font, çelik, cam ve teflon kaplı borular, plastik ve PVC borulardır. Kullanılacak boruların seçiminde, maliyetin düşük olmasının yanında borunun teknik ve işletme yönlerinden de yeterli olması amaçlanır. Borudaki aşınma ve korozyona karşı alınacak gerekli koruma yöntemleri, seçilen boru malzemesi, boru çapı ve et kalınlığı, boru hattının geçtiği güzergahın topoğrafik ve sosyoekonomik özellikleri ile hattın uzunluğu gibi faktörler ekonomik açıdan çok önemlidir [1- 2].
Borular, yapıldıkları malzemenin deformasyona karşı gösterdiği dirence göre rijit ya da fleksibl olarak ikiye ayrılırlar. Rijit boruların (asbestli çimento, beton, betonarme, vs.) deformasyon yapmadığı kabul edilir. Bu nedenle, yükün tamamı boru tarafından taşınır.  Rijit borular genellikle, yatay veya düşey boyutlarında %0.1’den fazla değişikliğin zararlı çatlaklara neden olduğu borular olarak tanımlanır. Fleksibl borular (ince çelik, plastik, vs.) ise yük altında deformasyona uğrayabilirler. Bu tür borular, yapısal hasara meydan vermeden en az % 2 oranında eğilme yapabilen borulardır. Bu nedenle fleksibl borularda yük, boru tarafından taşındığı kadar boru etrafındaki zemin tarafından da taşınır [1,3-4].

2. BORU HATTININ İNŞAAT AŞAMALARI VE GÜZERGAH SEÇİMİNDE
DİKKAT EDİLMESİ GEREKEN HUSUSLAR
Gömülü bir boru hattının inşaatı sırasında, öncelikle inşaat sahasında titiz bir ön inceleme yapılmalıdır. Ön incelemenin ardından arazinin hazırlanması, malzemelerin siparişi, alınması, taşınması, kazı yapılması, temel ve boru yatağının hazırlanması, boruların eklenmesi, geri dolgunun yerleştirilmesi ve boru hattının test edilmesi aşamaları gelir [5].
Boru hattının geçeceği güzergahın topoğrafik ve zemin özellikleri, inşaat maliyetine etki eden faktörlerden biridir. Öyle ki, arazinin engebeli oluşu hat üzerinde viyadük ve köprü gibi sanat yapılarını gerektirecek, zemin koşulları yönünden elverişsiz bir yapıya sahip olması durumunda ise hendek kazısı ve desteklenmesi işleri zorlaşacaktır. Ayrıca, güzergah üzerinde bitki örtüsünün çok sık oluşu inşaatı zorlaştıracağı gibi, güzergahın özel mülkiyetin olduğu bölgelerden geçmesi halinde de ortaya istimlak sorunu çıkacaktır. Bu nedenlerden dolayı, boru hattının geçeceği kesin güzergahın belirlenmesinde aşağıdaki hususların göz önünde bulundurulması gerekmektedir [5]:
1. Mümkün ölçüde arazinin az engebeli olduğu kısımlar tercih edilmeli,
2. Boru hattı üzerindeki sanat yapıları minimum sayı ve maliyette olmalı,
3. Boru hattı uzunluğunun minimum olmasına dikkat edilmeli,
4. İnşaat güçlüğü ve heyelan gibi bakım güçlüğü çıkaracak arazi kısımlarından uzak kalmaya çalışılmalı,
5. Özel mülkiyetin olduğu bölgelerden kaçınılmalı,
6. Zemin üstü bitki örtüsünün sık olduğu bölgelerden geçmemeye çalışılmalı,
7. Gerek inşaat, gerekse işletme sırasında bakım ve servis için gerekli ulaşım imkanları
göz önünde bulundurulmalı, mümkün ölçüde yörede mevcut kara ve su yolu imkanlarından yararlanmaya çalışılmalı,
8. Mevcut güzergah alternatifleri arasında bir ekonomik analiz yapılarak güzergahın kesin şekli belirlenmelidir.
Boru hattının kesin projesi hazırlandıktan sonra inşaat safhasına geçilir. Bu safhada, güzergah aplikasyonu yapıldıktan sonra eğer boru hattı toprak altına döşenecekse gerekli hendek açılır ve borular hendeğin kenarı boyunca dizilir. Boru cinsi ve projede öngörülen inşaat tekniğine göre kaynakla ve flanşla birleştirilen borular, pasa karşı gerekli temizleme ve boyama işlemlerinden sonra korozyon için düşünülen dış izolasyon yapılarak hendeğe indirilir. Eğer birleşim kaynaklı yapılıyorsa, kaynak yerlerinin çok sıkı kontrol edilmesi gerekir. Aynı şekilde, yapılan dış izolasyonun da çok sıkı kontrol edilmesi gerekir. Birleşimler flanşlı ve geçmeli yapılıyorsa sızdırmazlık ayrı bir önem taşır [5].
3. BORU DÖŞEME YÖNTEMLERİ
Yük hesapları açısından gömülü borular, yerleştirme ve yükü etkileyen çevre şartlarına bağlı olarak “hendek tipi” ve “dolgu tipi” borular olmak üzere iki ana gruba ayrılır. Dolgu tipi borular da kendi aralarında, “pozitif ve negatif projeksiyonlu borular” olmak üzere ikiye ayrılır [6].
Hendek tipi yerleşimde borular, kısmen kendini tutabilen örselenmemiş zemin içinde kazılmış oldukça dar ve derin bir hendek içine yerleştirilir ve üstü geri dolguyla kaplanır. Kanalizasyon, drenaj, su ve doğalgaz boruları, hendek tipi yerleşime örnek olarak verilebilir. Pozitif projeksiyonlu borular, doğal zemin yüzeyi seviyesinde yapılan sığ bir yatağa yerleştirilir ve daha sonra üzeri dolgu ile kaplanır. Ayrıca, boru çapından üç kat veya daha fazla genişlikte olan hendekler içine yerleştirilen borular da dolgu tipi boru olarak adlandırılır. Otoyol ve demiryolu menfezleri genellikle bu mantıkla yerleştirilir. Negatif projeksiyonlu borular ise, nispeten dar ve sığ bir hendek içine boru üst seviyesi doğal zemin yüzeyinin altında kalacak şekilde yerleştirilen ve daha sonra üzeri dolgu ile örtülen borulardır. Bu yöntem, belirli bir dolgu yüksekliğinden kaynaklanan yükün pozitif projeksiyonlu boru üzerindeki yükten az olması nedeniyle otoyol ve demiryolu menfezlerinin yerleştirilmesinde sıkça kullanılmaktadır. Şekil 1’de bu üç değişik boru yerleştirme tekniği görülmektedir [6].
Şekil 1. Yerleştirme Şartlarına Göre Gömülü Boru Türleri (a) Hendek, (b) Pozitif projeksiyon, (c) Negative projeksiyon [1,7].

3.1 Özel Boru Yerleştirme Yöntemleri
Eksik hendek metodu
Spangler, Marston’un yaptığı deneylerden bazılarında dolgu altına yerleştirilen rijit menfezler üzerindeki yüklerin yapı üstündeki zemin ağırlığından % 90-95 daha büyük olduğunu belirtmiştir. Yapı üzerindeki yükte meydana gelen bu artışı önlemek amacıyla yapılan çalışmalar, eksik hendek metodunun gelişmesini sağlamıştır [8].
Eksik hendek metodu, negatif projeksiyonlu boruya benzer özel bir boru yerleştirme yöntemidir (Şekil 2). Bu yöntemde boru öncelikle pozitif projeksiyonlu boru döşeme yöntemindeki gibi yerleştirilir. Sonra, boru üst kotu üzerinde boru genişliğinin 1-1 ½ katı seviyeye kadar dolgu ile kaplanır. Bu işlem sırasında dolgu iyice sıkıştırılmalıdır. Daha sonra sıkıştırılmış dolgu içinde boru üst kotuna kadar bir hendek kazılır ve boru üzerine mümkün olduğunca gevşek bir biçimde, sıkışabilir bir tabaka yerleştirerek en üst seviyeye kadar hendek yeniden doldurulur. Sıkışabilir malzeme olarak çok hafif olması ve kolayca taşınabilmesi nedeniyle polystren bloklar kullanılabileceği belirtilmektedir. Bu amaçla saman, kuru ot gibi organik malzemeler de kullanılmakla birlikte, organik malzeme kullanımı ayrışma ihtimali ve malzeme özelliklerinin belirlenmesinin zor olması nedeniyle tavsiye edilmemektedir [6,8]. Dolgu yapılırken, yumuşak bölge çevre dolgudan daha fazla sıkışır ve bu nedenle iki bölge arasında yukarı doğru oluşacak kayma gerilmeleri boru üzerine gelen yükü azaltarak boru üzerinde pozitif kemerlenmeye neden olur. Bu işlemler yapılırken hendek genişliği boru genişliğine eşit olmalıdır ve merkezi tam boru merkezinden geçmelidir.
Şekil 2. Eksik Hendek Metodu [8].

Kazısız Kablo/Boru Yerleştirme ve Yenileme Teknolojileri
Gömülü boru hatlarının döşenmesinde, genellikle açık kazı yöntemi kullanılmaktadır. Son yıllarda, kazısız kablo/boru yerleştirme ve yenileme teknikleri (trenchless technology) olarak adlandırılan teknik, açık kazı yöntemine alternatif olarak kullanım alanı bulmaktadır.
Kazısız boru/kablo yerleştirme ve yenileme teknolojileri ise, doğru uygulandıklarında etkili ve çevreye duyarlı bir boru döşeme, bakım ve tamir yöntemleridir. Kazısız teknolojiler; yüzeysel kazıları en aza indirmekte, yeraltı yapılarının inşaası sırasında doğabilecek istenmeyen çevresel etkileri, bakım ve tamir masraflarını azaltmakta, yüzeysel bozulmayı en aza indirerek trafik karmaşasını önemli ölçüde azaltmakta, hava ve gürültü kirliliğini büyük ölçüde önlemektedir. Ayrıca, zemin ve yol kaplamalarının kazısı sırasında meydana gelen atıkların en aza indirilmesini sağlamakta ve derinlikten bağımsız olarak boruyu en uygun zemin tabakasına yerleştirmeyi mümkün kılmaktadır.
Boru patlatma, boru kırma, yatay doğrusal delgi, kablo şebekeleri ve basınçlı altyapı hatlarının yatay doğrusal delgi ile yeraltına yerleştirilmesi, çelik boru çakımı ve köstebek yöntemleri, kazısız kablo/boru yerleştirme ve yenileme teknolojilerine örnek olarak verilebilir [9-11].

4. BORULARIN ZEMİNE YERLEŞTİRİLMESİ
Hendek Derinliği
Boru hatları, zeminden veya trafik darbelerinden gelebilecek etkilerle kırılmaya karşı korunmak, don olayından etkilenmemek, düşük kotlu tesisat elemanlarının sularını tahliye etmelerine imkan vermek amacıyla yeterli derinliğe döşenmelidir. Zemin yüzeyini takip eden borular genellikle don derinliğinin altına döşenirler. Ancak, büyük çaplı boruların üzerine gelen dış yükü azaltmak amacıyla borunun sadece alt yarısı don derinliğinin altına döşenebilir.
Boruların üzerindeki örtü tabakası, normal şartlar altında 0.9 m’den, yoğun trafiğin geçtiği yerlerde ise 1.2-1.3 m’den az olmamalıdır. Ancak, bazı durumlarda üzerinden ağır vasıtaların geçtiği sokak ve caddelerde 1.50 m veya daha kalın bir örtü tabakası gerekli olabilir. 2.0 m’den fazla bir örtü tabakasıyla örtüldüklerinde ise, bu toprak yükünü taşıyabilecek kadar güçlü olup olmadıkları kontrol edilmelidir. Üzerlerindeki toprak yükünü taşıyamayacak durumdaki borular tamamen betonla sarılmalıdır [12-16].
Hendek derinliği, borunun don derinliğinin altında kalacağı şekilde hesaplanmalı ve inşaat sırasında projede belirtilen derinliklere uyulmalıdır. Don derinliği, iklim ve zemin cinsine bağlı olarak değişse de, yol kaplaması üst yüzeyinden veya hendek üstüne gelen tabii zemin kotundan boru üst seviyesine kadar hesaplanmak üzere, su boruları için en az 1.00 m, gaz boruları için en az 0.80 m olmalıdır. Telefon, su, gaz ve elektrik hatları gibi üzerinden geçilmesi mecburi olan yerlerde bu tesislerin derinliğine uyulabilir. Ancak, donmayı önleyici tedbirlerin alınması gerekir [17].
Hendek Taban Şekli ve Genişliği
Hendek tabanının genişliği ve biçimi, boru yataklama cinsine ve gerekli çalışma hamcına göre belirlenir. [8]. Borular hendek tabanına tek noktadan veya bir çizgi boyunca oturacak şekilde yerleştirilmemelidir. Borunun hendek tabanına oturacağı kısım yataklanmış olmalıdır. Hendek tabanı, boru boylu boyunca tabana oturacak şekilde kazılıp tesviye edilmelidir. Gerekli hallerde boru ekleme yerlerinde derinleştirme yapılabilir.
Dış çapı 200 mm’den küçük borular için hendek taban genişliği 0.60 m olmalıdır. Dış çapı 200 mm ile 1000 mm arasında olan borular için bu genişlik, borunun her iki yanından en az 0.20 m kalacak şekilde hesaplanmalıdır. Dış çapı 1000 mm’den büyük olan boruların her iki tarafında en az 0.30 m yer bırakılmış olmalıdır. Aynı hendek içine birden fazla boru konulduğunda iki boru arasındaki aralık en az 0.20 m olmalıdır [17].
Hendek Şevleri
Derinliği 1.50 m’ye kadar olan hendeklerde yan yüzler dik olabilir. Ancak, hendeğin açılmış olduğu zemin bu derinlikte kendini tutamıyorsa veya hendek daha derin ise, gerekli iksa, uygun şev veya basamak yapılmalıdır. Düşey kazılar daha az malzemenin uzaklaştırılmasını gerektirirken çoğu zaman desteklenme ihtiyacını da beraberinde getirir.
Buna karşılık, geniş alanlarda hendek kenarları eğimli yapılarak destekleme ya da kuşaklama ihtiyacı ortadan kaldırılabilir [18]. Hendek şevlerinin tabii zemin yüzeyini kestiği yerlerden başlayarak en az 0.60 m genişlikteki şeritler boru istifi, kazı toprağı vb. ile yüklenmemeli ve boş bırakılmalıdır [17]. Şekil 3’te görüldüğü gibi eğimli kenarları olan bir hendek açıldığında, hemen boru üzerinde yada borunun biraz altındaki genişlik, yük hesaplarında kullanılır. Ayrıca, eğimli yada boruya oranla çok geniş bir hendek açılması gerektiğinde boruyu geniş hendeğin tabanındaki nispeten dar bir alt hendeğe yerleştirmek de mümkündür [6].

Şekil 3. Eğimli Hendeklerde Hendek Genişliği [6].

5. GERİ DOLGU VE YATAKLAMA YÖNTEMLERİ
5.1 Geri Dolgu
Bir boru hattı zemine yerleştirildikten sonra, bir miktar toprakla kaplanmalıdır. Dikkatli bir biçimde uygulanan geri dolgu, yeni yerleştirilmiş bir boru hattının yer değiştirmelerini, değişken gerilmeler yüzünden meydana gelen yüzey oturmalarını ve çevredeki yapı ve temellere verebileceği zararları önlemek açısından çok önemlidir.
Borular etrafında geri dolgu olarak kullanılacak malzeme seçiminde de dikkatli olmak gerekir. Geri dolgu malzemesi olarak içinde kaya ve iri taş ihtiva etmeyen zeminler seçilmelidir. Aksi taktirde, boru üzerindeki örtü tabakası kalın olmalı ya da başka bir şekilde korunmalıdır. Basınç birikmesinden kurtulmak için geri dolgu üniform olarak yerleştirilmeli ve sıkıştırılmalıdır. Borunun üzeri en az 0.6 m dolgu ile kaplanana kadar, malzeme ince üniform tabakalar halinde yerleştirilmeli ve boru etrafında her tabaka sıkıştırılmalıdır. Sıkıştırma işlemi sırasında boruya zarar verilmemesine ve kullanılan malzemenin borunun her yanına aynı seviyede yerleştirilmesine dikkat edilmelidir [1,3,18- 19].
5.2 Yataklama Yöntemleri
Birçok durumda borular, yapısal olarak yalnızca üzerlerindeki zemin yüklerini taşıyabilecek şekilde tasarlanmışlardır. Bu durumlarda, borunun alt 1/3 ya da 1/4’ünde destek sağlamak amacıyla boruyu bir yatak içine yerleştirmek, borunun ezilip kırılmasını önlemek açısından çok önemlidir. Günümüzde uygulanan dört çeşit yataklama yöntemi vardır [18-21]:
Müsaade Edilmeyen Yataklama (D Sınıfı Yataklama):
Müsade edilmeyen yataklama; temelin, boru tabanının şeklini alması ya da boru etrafındaki veya altındaki boşlukların sıkıştırılmış granüler malzemeyle doldurulması için fazla özen gösterilmeden yapılan bir yataklama metodudur (Şekil 4). Bu yöntemde; boru tabii zemin üzerine yerleştirilir [1,4,6].
Sıradan Yataklama (C Sınıfı Yataklama):
Sıradan yataklama; borunun, çapının en az % 50’si kadar genişlikte ve boru tabanının şeklini alan granüler bir temel içine yerleştirildiği yataklama yöntemidir. Bu yöntemde, borunun geri kalan kısmı boru üst noktasından en az 15 cm yukarıya kadar boru altında ve çevresindeki tüm boşlukları tamamen dolduracak şekilde yerleştirilen ve sıkıştırılan granüler bir malzemeyle sarılmalıdır (Şekil 4) [4, 6,19,22].
Birinci Sınıf Yataklama (B Sınıfı Yataklama):
Birinci sınıf yataklama; Borunun, boru tabanının şekline uyacak biçimde, boru çapının en az % 60’ı kadar genişlikteki bir temel içindeki ince granüler malzeme üzerine yerleştirildiği bir yataklama yöntemidir. Borunun geri kalan kısmı, boru üst seviyesinden en az 30 cm yukarıya kadar granüler malzeme ile doldurulur. Bu işlem yapılırken geri dogu 15 cm’i geçmeyecek tabakalar halinde serilir ve her tabakada sıkıştırma işlemi yapılır (Şekil 4) [4, 6,19,22].
Beton Gömlek İçine Yataklama (A Sınıfı Yataklama):
Bu tip yataklamada borunun, boru altında en az boru iç çapının ¼ katı kalınlığa eşit ve yukarı doğru dış çapın ¼’üne eşit düşey bir mesafeye kadar uzanan beton yatak içine yerleştirildiği bir yataklama yöntemidir (Şekil 4) [4, 6,19,22].
Şekil 4. Hendek Tipi Borularda Yataklama Sınıfları [6].

6. GÖMÜLÜ BORULAR ÜZERİNE ETKİYEN DIŞ YÜKLER VE YÜKÜ
ETKİLEYEN KOŞULLAR
Gömülü borulara etkiyen dış yükler; boru üzerindeki geri dolgu ağırlığı, boru ve bileşenlerinin kendi ağırlıkları ve trafik yükleri nedeniyle meydana gelir. Ayrıca, dolgu yüksekliği, boru üzerinde ve etrafındaki zeminin yapısı ve yoğunluğu, hendek genişliği ve derinliği, borunun yük altındaki deformasyonu ve inşaat yöntemleri de boruya etkiyen dış yükler üzerinde büyük öneme sahiptir. Bu nedenle, gömülü borulara etkiyen dış yükleri hesaplarken boru ile yan dolgunun rölatif rijitliği, dolgu yüksekliği, yükün cinsi, yerleştirme şartları, boru çapı, borunun şekli ve malzeme özelliklerini dikkate almak gerekir [1,4,8,23].

Fleksibl ve rijit boruların toprak yükü altındaki farklı deformasyon davranışları zemin-boru etkileşim mekanizmasını değiştirir ve farklı zemin kemerlenme davranışları oluşturur (Şekil 5). Boru rijitliğinin zemin rijitliğine oranı, boru üzerine etkiyen yükün büyüklüğünü belirler. Bu nedenle, gömülü yapıları projelendirilirken, yapı ve içine gömüldüğü zeminin performansı bir arada ele alınmalıdır. Bu durum genellikle zemin-yapı etkileşimi olarak adlandırılır. Zemin, yapı üzerine basınç etkitir. Eğer yapı zemine göre sıkışmaz nitelikteyse, yapı üzerinde basınç birikmesi meydana gelir. Diğer taraftan, eğer yapı zemin yükü altında sıkışır ya da deforme olursa, yapı üzerindeki zemin prizması ağırlığı zeminin mukavemeti sayesinde azalır. Zemin, yapı üzerinde bir taş kemer gibi kemerlenir ve zeminin kemerlenme etkisi yapı üzerindeki basıncı azaltır. Kemerlenme, zeminin mukavemetine ve zemin ile yapının birbirlerine göre sıkışmasına bağlıdır [24].
Şekil 5. Boruların Deformasyon Durumları [24].
Rijit bir boru üzerindeki düşey toprak basıncı, yapı üzerindeki zeminin ağırlığından büyüktür. Bu durumda negatif kemerlenme meydana gelir. Negatif kemerlenme durumunda, yan dolgular oturur ve bunun sonucunda da boruya ek bir yük etkir. Böylece, gerilmeler boru etrafında yoğunlaşırken yan dolgularda azalır.
Fleksibl bir boru üzerindeki düşey toprak basıncı ise boru üzerindeki toprak ağırlığından küçüktür. Bu durumda pozitif kemerlenme meydana gelir. Pozitif kemerlenme durumunda, boru üstündeki zemin prizması yükünün bir bölümü yan dolgulara aktarılır. Yani, rijit bir boru, aynı veya benzer durumda yerleştirilen fleksibl bir borudan çok daha fazla yüke maruz kalır [1,8].
7. DEPREM BÖLGELERİNDE GÖMÜLÜ BORULARIN DAVRANIŞI VE KARŞILAŞILAN HASAR TÜRLERİ
Gömülü borular gibi yeraltı yapılarının depremlere karşı her ne üst yapı elemanlarından daha dayanıklı olduğu düşünülse de, yakın zamanlardaki büyük depremlerde, gömülü borularda da büyük hasarlar oluşmuştur. Örneğin, doğalgaz borularında meydana gelen hasarlar büyük yangınlara sebep olmuştur. Ayrıca, enerji iletiminin sağlanamaması, taşımacılığın yapılamaması ve su borularının kırılması sonucu su baskınlarının meydana gelmesi ve yangınların söndürülememesi gibi olaylar, depremlerin neden olduğu zararları daha da artırmıştır.
Yapılan arazi incelemeleri ve çeşitli çalışmalara göre, taşıma gücü düşük zeminler, ıslah edilen, denizden-gölden kazanılan alanlar, gevşek kumlu zeminler, alüvyal ve dilüvyal zemin arasında sınırda olan zeminler, boruların gömüldüğü zeminde keskin topoğrafik değişikliklerin olduğu yerlerde; ana hattın yan kollarla veya bacalarla birleştiği yerlerde, boruların yapılarla birleştiği yerlerde ve zemin yüzeyine yakın yerlerdeki gömülü boru hatlarında depremler sonucu büyük hasarlar meydana gelmiştir. Boru hatlarında meydana gelen bu hasarlar, boru hattının farklı noktaları arasındaki dalga yayılması ve faz farkı ile meydana gelen eksenel gerilme ve eğilme deformasyonları, boru hattı önemli bir fay hattından geçtiğinde, deprem sırasında fay hareketlerinden kaynaklanan büyük yer değiştirmeler, toprak kaymaları, sıvılaşma nedeniyle boruların zemin içinde yüzmesi, gömülü boruların zemin yüzeyine çıkması sebebiyle boru ekseninde yer değiştirme (Şekil 6.a), baca birleşim yerlerindeki çatlama ve kırılmalar (Şekil 6.b), birleşim ve dikiş yerlerindeki yer değiştirme, açılma ve kırılmalar sonucu ortaya çıkmaktadır [25-30].
Şekil 6. 1993 Hokkaido-Nansei-Oki Depreminde (M=7.8) Boru Hatlarında Görülen Hasarlar a) Yüzeye Çıkan Boru Hattı (100cm yukarı çıkmıştır) b) Borunun Bağlantı Noktasından  yrılması [31-32].

Benzer şekilde, 17 Ağustos 1999 Marmara Depremi sırasında, fay kırığının her iki tarafında, 20km genişlikteki bölgelerde, su ve atık su iletim hatlarına ait gömülü borularda oldukça ağır hasarlar gözlenmiştir. Depremin merkez üssünde gömülü borularda görülen hasar oranı %100’e yaklaşırken deprem üssüne yakın ama nispeten daha az etkilenen kesimlerdeki hasar oranı %70 dolayındadır. Yapılan incelemeler sonucunda, gömülü borulardaki hasarın ana sebebinin kullanılan malzeme türü (Asbestli Çimento borular (AC borular)) ile boruların bağlantı noktalarındaki ayrılma ve kırılmalardan kaynaklandığı belirlenmiştir.
Depremde, özellikle Sapanca Gölü kıyısındaki 560 km’lik Arifiye Su hattının, 360 km’sinde önemli hasarlar oluşmuş, yüzey kırığı sebebiyle kanalizasyon hatları ile telefon ve elektrik hatlarında ciddi hasarlar tespit edilmiştir. Adapazarı Su Hattında ise, 500km’lik gömülü boru hattının neredeyse tamamında ağır hasarlar görülmüştür (Şekil 7). Ağır hasarın en önemli sebebi, hattın %75’inin AC gevrek borulardan oluşmasıdır. Adapazarı Atık Su Hattındaki borularda orta derecede hasar ortaya çıkmıştır. Sapanca kesiminde ise 90 km’lik AC boruların bağlantı noktalarının 400’ünde hasar gözlenmiştir. Depremden hemen sonra, Yalova-Gölcük kesiminde su ve kanalizasyon sisteminin büyük bir kısmında hasar görülmüş, ayrıca ana depremden 7-20 gün sonra oluşan artçı depremlerde de yeni hasarlar meydana gelmiştir. Benzer durumla, Değirmendere ve İzmit kent merkezinde de karşılaşılmıştır [33-35].

Şekil 7. Adapazarı Su ve Atık Su Hattı Gömülü Borularında Karşılaşılan Yapısal Hasarlar

Gömülü boru hatlarının sismik davranışı, birçok açıdan diğer yer üstü yapılarının davranışından farklıdır [25-26,29]. Bu farklılıklar aşağıdaki gibi özetlenebilir :
1. Üst yapıların tasarımını etkileyen en önemli faktör olan eylemsizlik kuvvetleri, gömülü borularda çevre zemin tarafından sınırlandırılır.
2. Birçok üst yapı zemin hareketlerine uygun biçimde projelendirilmesine rağmen, uzun ve sürekli sistemler olan boru hatları, farklı istasyonlar arasındaki faz farkı ve boru hattı boyunca zemin özelliklerinde gözlenen farklılıklar nedeniyle zemin hareketlerine uygun değildir.
3. Bir üst yapıda meydana gelen hasarlar sadece o yapıyla sınırlı iken, bir boru hattının belirli bir yerindeki hasar, sistemin diğer parçalarını da etkiler.
Tavsiye Edilen Boru Malzemeleri ve Alınması Gereken Tedbirler
Gömülü borularda depremler sonucu oluşan hasarlara, zemin ve yerleştirme koşulları kadar seçilen boru malzemesinin de etkisi vardır. Yakın geçmişte meydana gelen depremler sebebiyle gömülü borularda oluşan hasarlarla ilgili detaylı çalışmalar yapılmış ve hangi tür boru malzemesinin daha dayanıklı olduğu araştırılmıştır. Örneğin, 1995 yılı Ocak ayında Japonya’da meydana gelen deprem neticesinde Kobe, Nishinamiyo ve Ashiya şehirlerinde çeşitli malzemelerden yapılmış ve hasar görmüş gömülü borularda, kullanılan malzeme ile hasar oranı arasındaki ilişki araştırılmış ve sonuç olarak; PE borularda hasar oranı (hasar/km) 0.0 iken çelik, PVC, dökme demir ve asbestli çimento borularda bu oran sırasıyla 0.437, 1.430, 1.508, ve 1.782 olarak bulunmuştur.
Fleksibl borular depremde, deforme olabilmesi ve basınç konsantrasyonlarına dayanıklı olması sebebiyle daha az hasar görmekte ya da hiç hasar görmemektedir. Fleksibl bağlantıların kullanımı, borunun dış ve iç kuvvetlere dayanma gücünü artırmakta ve göçmem riskini azaltmaktadır. Bu sebeple, yerleştirme ve yataklama koşullarına uyularak fleksibl borularda depremde hasara sebep olabilecek etkiler ortadan kaldırılabilmektedir.
Yapılan incelemelerden anlaşıldığı üzere, su ve doğalgaz borusu olarak PE borular, diğer boru malzemeleriyle karşılaştırıldığında deprem kuvvetlerine karşı daha iyi performans göstermektedir. Bu nedenle, deprem bölgelerinde polietilen, çelik, sünek demir ve cam lifi donatılı plastik borular gibi fleksibl boruların kullanılması tavsiye edilmektedir. Buna karşılık, asbestli çimentolu malzemeler kırılgan, yer değiştirmelere, farklı oturmalara ve deprem kuvvetlerine karşı zayıf olduklarından, bu tip malzemeden yapılmış borular deprem bölgelerinde kullanılabilecek en kötü boru cinsi olarak karşımıza çıkmaktadır [30].
8. SONUÇLAR
Doğalgaz ve petrol boru hatları, su ve kanalizasyon hatları, elektrik ve iletişim hatları gibi günlük hayatın vazgeçilmez parçaları olan altyapı tesislerinin kısa bir süre için bile kullanım dışı kalması günlük yaşantımızı olumsuz yönde etkilemektedir. Şehirleşmenin artmasıyla, altyapı tesislerine olan ihtiyaç gün geçtikçe artmaktadır. Altyapı tesislerinin döşenmesi dikkat ve titizlik gerektiren bir iştir. Çünkü, bu tür yapılar maliyetli sistemlerdir ve çoğu zaman belediyeler bu iş için önemli bütçeler ayırmaktadır. Bu nedenle, özellikle deprem bölgelerinde boru döşerken bazı hususların önemle üzerinde durulması gerekmektedir.
Depremlerde her ne kadar gömülü borular gibi yeraltı yapılarının, üst yapı elemanlarından daha dayanıklı olduğu düşünülse de, yakın zamandaki büyük depremlerde, gömülü borularda büyük hasarlar oluştuğu bilinmektedir. Yeraltı boru hatlarının, özellikle zemin koşullarında keskin değişimlerin gözlendiği yerlerde, sıvılaşma olasılığı olan zayıf zeminlerde, boru hatlarının diğer yapılarla bağlandığı yerlerde, büyük yer hareketlerinin meydana geldiği fay zonlarında, zemin kayma düzlemleri veya geçiş bölgeleri gibi borunun yapıya girdiği yerlerde büyük hasar gördüğü gözlenmektedir.
Yeraltı yapılarının deprem sırasındaki davranışını öngörmek için yapılan çalışmalarda, üst yapıların sismik davranışına benzer yöntemler kullanılmaktadır. Ancak, gömülü boruların sismik davranışı diğer üst yapılardan farklıdır. Üst yapı gibi projelendirilen, boru hattını çevreleyen zemin koşullarını ve boru malzemesi özelliklerini dikkate almayan projelendirme çalışmaları, gömülü boruların depremdeki sismik davranışını modellemekten uzaktır. Sadece üstündeki dolgu yükünü taşıyacak şekilde boyutlandırılan, altındaki yumuşak zemin ortamını dikkate almayan ve boru altına sınırlı kalınlıkta seçme malzeme yerleştirmek suretiyle zemin iyileştirmesi yapıldığı kabul edilen gömülü borularda deprem sebebiyle hasarların oluşması kaçınılmazdır. Nitekim, 17 Ağustos 1999 Marmara Depreminde fay kırığının her iki tarafında, 20km’lik genişlikteki bölgelerde yer alan gömülü borularda, su ve atık su iletim hatlarında oldukça ağır hasarın oluştuğu görülmüştür.
Özellikle, deprem bölgelerinde inşa edilecek gömülü boruların projelendirilmesinde, depremde hasar oluşup oluşmayacağını öngörmek ve gerektiği takdirde önlem almak için zemin problemleri için geliştirilen sonlu elemanlar yazılımlarıyla analizler yapmak faydalı olmaktadır. Seçilen tasarım depremleri vasıtasıyla zemin koşulları ve boru hattının niteliklerini dikkate alan, iki ve üç boyutlu analizler yapabilen yazılımlarla gömülü boruların sismik davranışı modellenebilmektedir.
KAYNAKÇA
[1] A.P Mooser, 1990, “Burried Pipe Design”, Mc Graw Hill, New York.
[2] N. Balkaya, 2001, “Çevre Mühendisleri İçin Yapı Teknolojisi”, Doğan Ofset, Samsun.
[3] H.E. Babbitt and E.B. Baumannn, 1958, “Sewerage and Sewage Treatment”, John
Wilwy & Sons Inc., New York.
[4] R.K. Linsley and J.B. Franzini, 1955, “Elements of Hydraulic Engineering”, Mc-Graw
Hill Book Comp. Inc., New York.
[5] Anon, 1976, “Boru Hatlarının Teknik ve İşletme Karakteristikleri”, Altyapı Maliyeti ve
İşletme Giderleri Ulaştırma Bakanlığı Ulaştırma Koordinasyon İdaresi, Yayın No:
(199.088) UKİ 5.094, Ankara.
[6] M.G. Spangler, 1966, “Soil Engineering”, International Textbook Company, Scranton.
[7] G.O. Schwab, D.D. Fangmeier, W.J. Elliot, R.K. Frevert, 1993, “Soil and Water
Conservation Engineering”, John Wiley&Sons Inc., New York.
[8] M. Uslu, 1979 “Prefabrike Kanalizasyon Kanalları ve Boru Hatlarının Döşenmesine
Ait Talimatlar, Alman Normları DIN 4033”, İller Bankası, Ankara.
[9] C.D.F. Rogers and M.P. O’reilly, 1991, 10th European Conference on SMFE, Florence,
907.
[10] P.H. Henry, 1992, No Trenches in Town, Balkema, 95.
[11] E.G. Wagner and J.N. Lonoix, 1991, “Water Supply for Rural Areas and Small
Communities”, World Health Organization, Switzerland.
[12] H.E. Babbitt, J.J. Donald, and J.L. Cleasby, 1962, “Water Supply Engineering”,
McGraw-Hill Book Comp. Inc., New York.
[13] J.W. Bull, 1994, “Soil Structure Interaction: Numerical Analysis and Modelling”,
Chapman&Hall, London.
[14] G.M. Fair and J.C. Geyer, (Çeviren: Yılmaz Muslu), 1971, “Su Getirme ve
Kullanılmış Suların Uzaklaştırılması Esasları”, Hikmet Gazetecilik Ltd. Şti., İstanbul.
[15] Y. Muslu, 1998, “Çözümlü Problemlerle Su Temini ve Çevre Sağlığı”, Su Vakfı,
İstanbul.
[16] A.C. Twort, F.M. Law, and F.W. Crowley, 1985, “Water Supply”, Allion Printing Co.
Ltd., Hong Kong.
[17] C.H. Trautmann and T.D. O’Rouke, 1985, Journal of Geotechnical Engineering, 111,
1077.
[18] R.G. Ahlvin and V.A. Smoots, 1988, “Construction Guide for Soils and Foundations”,
John Wiley&Sons, New York.
[19] W.A. Hardenberg, 1950, “Sewerage and Sewage Treatment”, International Textbook
Company, Pennsylvania.
[20] E.T. Selig and D.L. Packard, 1987, Journal of Transportation Engineering, 113, 5.
[21] TS 7397, 1989, “Dış Yüklere Maruz Basınçlı veya Basınçsız Asbestli Boru Seçilmesi
Kuralları”, TSE, Ankara.
[22] TS 2170, 1989, “Su ve Gaz Borularının Yeraltına Yerleştirilmesi Kuralları”, TSE,
Ankara.
[23] C.H. Oglesby and R.G. Hichs, 1982, “Highway Engineering”, IVth Eddition, John
Wiley & Sons, N.Y.
[24] H.F. Winterkorn and H.Y. Fang, “Foundation Engineering Handbook”, Van Nostrand
Reinhold Company, New York.
[25] T.K. Datta, E.A. Mashaly, 1986, Earthquake Engineering and Structural Dynamics,
14, 559.
[26] T.K. Datta, 1999, Nuclear Engineering and Design, 192, 271.
[27] M. O’Rouke, G. Castro, 1980, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 8,
455.
[28] M.J. O’Rouke, L. Xuejie, 1999, “Response Of Buried Pipelines Subject To
Earthquake Effects”, Multidisciplinary Center for Earthquake Engineering Research, New
York.
[29] T. Arıman, G.E. Muleski, 1981, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 9,
133.
[30] H.Z Sarıkaya and I. Koyuncu, 1999, ITU-IAHS International Conference on the
Kocaeli Earthquake 17 August 1999, 2-5 December, Istanbul.
[31] Y. Mohri, M. Yasunaka, S. Tani, 1995, Earthquake Geotechnical Engineering, (Ed. K.
Ishihara), Balkema, Rotterdam, 31.
[32] S. Tani, 1995, Earthquake Geotechnical Engineering, (Ed. K. Ishihara), Balkema,
Rotterdam, 37.
[33] A.K. Tang, 2000, ASCE Technical Council of Lifeline Earthquake Engineering
Monograph, ASCE, Virginia, 190.
[34] M. Balkaya, E. Yılmaz, A. Sağlamer, 2003, Beşinci Ulusal Deprem Mühendisliği
Konferansı, (Ed. M.H. Boduroğlu, P. Özdemir) , İstanbul, Türkiye, 31.
[35] A. Sağlamer, E. Yılmaz, M. Balkaya, International Conference on New Developments
in Soil Mechanics and Foundation Engineering, 2003, (Ed. C. Atalar, B.M. Das, A.
Sağlamer, E. Toğrol), Near East University, Lefkoşa, North Cyprus, 169

Hiç yorum yok:

KARAYOLLARI TANIMLARI