GÖMÜLÜ BORU HATLARININ STATİK VE DİNAMİK YÜKLER
ALTINDAKİ DAVRANIŞI
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:
Yorum Gönder