Kuzey Ankara Girişi Kentsel Dönüşüm Projesi, Pursaklar-Hasköy Vadisi 152 m Açıklıklı Kemer Köprü Projesi
Erşan GÖKSU
İnşaat Yüksek Mühendisi, MEG Management and Engineering Group
Mehmet ŞENOL
İnşaat Mühendisi,, Artı Mimarlık
Abdullah İLLİEZ
İnşaat Mühendisi, Artı Mimarlık
İşin Sahibi: Ankara Büyükşehir Belediye Başkanlığı, İmar Dairesi Başkanlığı
İşin Adı: Kuzey Ankara Girişi Kentsel Dönüşüm Projesi, Pursaklar-Hasköy Vadisi 152 m Açıklıklı Kemer Köprü
Mimari: Gelişim Mimarlık, Ankara
Sözleşme Başlangıç Tarihi: Haziran 2006
İnşaat Bitiş Tarihi: Kasım 2007
Proje Keşif Bedeli: 18 Milyon USD
Statik ve Dinamik Hesaplar: Artı Mimarlık, Ankara / MEG Management and Engineering Group, Switzerland
Yapı Denetim: Mizan Yapı, Ankara
Danışman: Prof. Dr. Ergin ATIMTAY, ODTÜ
1. GİRİŞ
1.1. Projenin Tanımı
Hizmete açılışı 29 Ekim 2006 da yapılan, Ankara Esenboğa Havaalanını kente bağlayan, protokol yolu olarak adlandırılan güzergahın üzerinde tasarlanan, Pursaklar-Hasköy vadisi üzerinde yer alan, gidiş ve geliş yönlerinde üçer şeritli, yaklaşık 152 m açıklıklı, iki adet kemer köprü, Kuzey Ankara Girişi Kentsel Dönüşüm Projesi kapsamı içinde yer almaktadır.
Kuzey Ankara Girişi Kentsel Dönüşüm Projesi, her yönüyle başkentimizin bu modern ve görkemli havaalanını, Cumhurbaşkanlığı köşküne bağlayan arterin, çağdaş bir proje olarak gerçekleştirilmesini amaçlayan, bir prestij projedir. Gerek çevre düzenlemeleri ve gerekse alt ve üst yapısıyla bir örnek olacak bu projenin Pursaklar-Hasköy bölümünde yer alan ender ve güzel bir mühendislik yapısı olan, bu köprü, söz konusu projeye daha da prestij kazandırmaktadır.
Haziran 2006 da Ankara Büyükşehir Belediye Başkanlığı İmar Müdürlüğünce onaylanan, ARTI Mimarlık ve MEG Consultant firmaları tarafından hazırlanmış olan Esenboğa-Ankara protokol yolu üzerindeki 0+910.10 km (+952.12) – 1 +141.35 km (+947.31) bölümüne düşen, bu kemer köprü projesi yine ARTI-MEG tarafından geliştirilmiş ve detaylandırılıp yöntem çalışmaları yapılmıştır.
Proje, dere alanı olarak bilinen bir vadi üzerinde, Keçiören ve Altındağ yamaçları diye tanımlanabilecek bölgeleri bağlamaktadır. Her iki bölümün özellikle güney ve doğu yamaçları çok dik alanlara sahiptir. Sınır koşulları incelendiğinde, böylesine dik bir vadinin üzerine yapılacak köprünün, hem çevreye estetik açıdan uyumluluğu, hem de ekonomik analizleri, tasarımcıları kemer köprü seçeneğine götürmüştür.
2. TABLİYESİ ÜSTTE OLAN KEMER KÖPRÜLERİN TASARIM İLKELERİ
Genel
Kemer yapıların, yapının her kesitinde basınç altında çalışan, yapı elemanları oldukları ve avantajı Romalılardan beri bilinmektedir. Ancak, bu avantaja karşın, tabliyesi üstte olan kemer köprülerin hesabında karşılaşılan dezavantaj, iki ayrı taşıyıcı sistemin hesaplanması zorunluluğudur. Üst yapının trafik yükleri altında hesap edilip boyutlandırılması daha sonra da etkilerinin kemere aktarılıp kemer hesabının yapılması standart hesap yöntemidir. 20. yüzyılın başlarında hız kazanan kemer köprü yapımı, daha sonra geliştirilmiş malzeme ve taşıyıcı sistem seçimleri ile küçük, orta ve hatta büyük açıklıkların aşılmasında, çerçeve ve kirişli sistemlerin yerini almıştır.
Ancak, bu gün bile kemer köprüler, özel bazı durumlarda, örneğin; dik yamaçlı vadileri geçmede, herhangi bir tereddüte fırsat vermeksizin, uygulama alanları bulmaktadır. Bu durumlarda, Kemerin taşıma kapasitesinin getireceğinin ötesinde, iskele ve kalıp maliyetlerinin azaltılması, kirişli ve çerçeveli sistemlere karşın, ekonomik bir avantaj yaratmaktadır. Tabii bütün bunlara bir de görünüm-estetik avantajı eklenirse Kemer Köprü seçeneği ön plana çıkar.
Ana İkeler
• Yol güzergahı gerek boyuna kesitte ve gerekse planda seçilen kemer sistemi ile uyumlu olmalıdır. Köprü boyunca güzergah olabildiğince doğrusal olmalı, şayet bir yatay kurb söz konusu ise köprü açıklığına oranla kurbun çapı mümkün olduğunca büyük seçilmelidir. Bu köprünün eksantrik yüklemelere maruz kalmaması anlamını taşımaktadır.
• Kemer köprü üzerindeki yol güzergahının boyuna eğimi olabildiğince küçük olmalı, mümkünse %3 ü geçmemelidir.
• Gerek üst yapı ve gerekse ana yapısal eleman olan Kemer in tasarımı olabildiğince simetrik olarak yapılmalıdır. Kemer topografik merkez diye tanımlayabileceğimiz (Vadi-, Nehir-, veya yol ekseni) ile simetri yaratmalıdır. Böylece beklenmedik parazit zorlamalar ortadan kalkmış olur.
• Vadi yamaçlarının aynı eğimde olması halindeki bu doğal simetrinin ana yapısal elemandaki yarattığı zorlamaları, temellerde oluşabilecek çökelmeleri ve deformasyonları hesaplamak ve boyutlandırmak daha da kolay olacaktır.
• Köprü nün altından geçen yolun gabarisi kemer ana yapısının biçimine uyumlu olmalı çok alçak olmamalıdır. Çok alçak olan kemerler, kemer niteliklerini kaybeder, köşeleri kuvvetlendirilmiş çerçeve sistemine dönüşürler.
• Kemer açıklığının kemer yüksekliğine -ok boyu- oranı 10 u aşmamalıdır. Alçak kemerlerde bu oran 3 e kadar indirilebilir.
Kemer Geometrisi
Üç farklı geometri seçimi yapılabilir:
• 2.dereceden Parabol – zati ağırlığı altındaki bir ip biçimi
• Zincir Eğrisi – Cosinüs Hiperbol fonksiyonu
• Üst yapı ayaklarının oturduğu noktaların belirlediği bir poligon
Bunların dışında eliptik, dairesel, veya sivri kubbesel biçimler de yük kombinasyonlarına bağımlı olarak ve yapı safhalarını göz önüne alarak iterasyon yöntemi ile araştırılabilir. Ana yük olarak daima sabit yükler ve düzgün yayılı trafik yükü alınmalıdır. Bunlar genellikle alçak kemerler için (L/f5 ten büyük) sağlıklı sonuçlar verir. Daha yüksek kemerlerde ise parabol formu kemer olarak daha uygundur. Tabii yine de kemerin şeklinin seçimindeki en önemli nokta yapının doğa ile uyumudur.
Yapım Yöntemi, Malzeme ve Yükler
Kemer köprülerin yapımında kullanılan en yaygın sistem, klasik sistem olarak tanımlayabileceğimiz iskele ve kalıp sistemidir. İskelenin projelendirilmesi ve kurulması ayrı bir özen gerektirir. Ama bunun yanında kemer köprünün iki kanadını dikey olarak üretip, daha sonra kapatıp ortada birleştirmek de bir yöntem olarak önerilebilir. İki kanadın, vadinin iki ayrı yakasında üretilip döndürülmesi ayrı bir yöntemdir. Bu tür büyük açıklıklı kemer köprülerde kullanılan en son yöntem dengeli konsol kayar kalıp sistemidir.
Üst yapının üretilmesi ise betonarme perde ayakların üzerine prefabrik kirişlerin, gerek vinçle kaldırılarak yerleştirilmesi veya bir uçtan sürme yoluyla montajıdır. Yerinde dökme tabliyenin demirlerinin yerleştirilmesi ve betonu bu yapım aşamalarının en kolay safhasıdır. Gerek ana taşıyıcı yapı ve gerekse üst yapı için önerilen yapı malzemeleri aşağıdaki gibidir:
Temel ve Kazıklar (Yerinde Döküm) İçin, C30 Betonu
Birim Ağırlık, yc 24.0KN/m³
Basinç Dayanımı, ac 30000 KN/m² (30 MPa)
Elastisite Modülü (28 gün), Ec 3.2×106 KN/m² (32000 MPa)
Poisson Oranı, vc 0.20
Ezilme Birim Deformasyonu, ecu 0.003
Perde Ayaklar, Kenar Ayaklar, İstinat Duvarı (Yerinde Döküm) İçin, C35 Betonu
Birim Ağırlık, yc 24.0KN/m³
Basinç Dayanımı, ac 35000 KN/m² (30 MPa)
Elastisite Modülü (28 gün), Ec 3.3×106 KN/m² (32000 MPa)
Poisson Oranı, vc 0.20
Ezilme Birim Deformasyonu, ecu 0.003
Prekast Öngermeli Kirişler İçin, C40 Betonu
Birim Ağırlık, yc 25.0KN/m³
Basınç Dayanımı, ac 40000 KN/m² (40 MPa)
Transfer basınç dayanımı aci, 30000 KN/m² (30 MPa)
Elastisite Modülü (28 gün), Ec 3.4×106 KN/m² (32000 MPa)
Poisson Oranı, vc 0.20
Eğilme ve Kesme Donatısı İçin, S420 Çeliği (BÇ III)
Birim Ağırlık, yc 78.0KN/m³
Akma Dayanımı, ay 420000 KN/m² (420 MPa)
Elastisite Modülü (28 gün), Ec 2.0×108 KN/m2 (200000 MPa)
Poisson Oranı, vc 0.30
Ezilme Birim Deformasyonu, ecu 0.003
Prekast Öngermeli Kirişler İçin Öngerme Çeliği
Çap 0.60 inch = 1.524 cm
Alan 1.40 cm²
Tip ASTM 270 K, Düşük Gevşemeli
Akma Dayanımı, ay 1898300 KN/m² (1898 Mpa)
Emniyet Katsayısı, a 0.7
Emniyet Akma Dayanımı, ayi 1328810 KN/m² (1328 Mpa)
Elastisite Modülü, Es 1.966×108 KN/m² (196629 MPa)
Kemer köprünün analizinde ve elemanların tasarlanıp detaylandırmalarında kullanılan yük çeşitleri aşağıda listelenmiştir:
• Zati Yükler
• Hareketli Yükler
• Kar, Buz ve Rüzgar Yükleri
• Isı Yükleri
• Deprem Yükleri
Kemer köprünün analizi ve tasarımı Aashto Bölüm 3 (yükler), Bölüm 4 (temel), Bölüm 7 (altyapı), Bölüm 8 (betonarme), Bölüm 9 (öngermeli beton), Bölüm 1A (sismik tasarım) kullanılarak hazırlanmıştır.
3. OSMANLI KÖPRÜSÜ
3.1. Geometri, Sistem, Proje Kriterleri
Tabliyesinin vadiden yüksekliği 28.53 m olan Osmanlı Köprüsü, yukarıda da belirlendiği gibi Esenboğa-Ankara protokol yolu üzerindeki 0 + 901.10 km. ve 1+ 141.35 km leri arasında yer almaktadır. Köprünün toplam boyu 231 m olup, tabliyenin genişliği her iki tarafta yer alan 1.50 m genişliğindeki yaya geçidi ile 1.50 m + 3 @ 3.50 m + 1.50 m Toplam 14.50 m dir.
Mesnetler arasındaki teorik açıklıklar ise 19.00 m dir. Yerinde dökme 25 cm lik tabliyeyi taşıyan Prefabrik standart I – Köprü kiriş yükseklikleri 120 cm, olup boyutlandırma hesaplarına esas oluşturacak köprü üst yapısı, toplam kiriş+tabliye yüksekliği 145.00 cm yüksekliğine ulaşmaktadır. Görüldüğü gibi, üst yapı, servis halinde, prefabrik kirişlerle, yerinde dökme beton tabliye den oluşan bir kompozit kesit niteliğindedir.
Gerek Ankara bazaltına oturan temellere, yük aktaran, ve gerekse 13.5 m × 2.0 m ebadındaki betonarme dikdörtgen dolu bir kesite sahip 152 m açıklığındaki dairesel bir kemere binen, köprü ayakları, 11.5 m × 1.5 m boyutlarındaki dikdörtgen boşluklu kesitlerden oluşmaktadır. Böylece kemer köprü projesi:
• Üst yapı – tabliye – ve üst yapıyı taşıyan köprü ayakları
• Kemer ve kemerin oturduğu temeller olmak üzere iki bölümde incelenmiştir.
3.2. Hesap Yöntemi
Ana yapısal eleman olarak kemer köprünün projelendirilmesinde AASHTO- SSHB-2002 temel alınmış ve gerekli yerlerde ACI-318R-02 [2], TCK-Yol Köprüleri için Teknik Şartnamesi, TS500, 2000, TS498 ve Afet Bölgelerinde Yapılacak Yapılar Hakkında Yönetmelik, 2006 kullanılmıştır. Kemer Köprünün tasarımı taşıma gücü ilkesine dayanmak sureti ile AASHTO- SSHB, 2002 kullanılarak yapılmıştır.
Osmanlı köprüsünü doğrusal elastik davranış üzerine, klasik plak teorisi esas alınarak sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak modellenmiştir. Yapının statik ve dinamik hesapları da, üç boyutlu uzay çerçeve olarak tasarlanıp, matematiksel tanımlanması için SAP 200(7) v9.1.6 programı kullanılmıştır. Gerekli görülen yerlerde ikinci mertebe etkileri incelemek ve köprü ayaklarının etkileşimlerini hesaplamak için, sırasıyla AASHTO-SSHB şartnamesi ve Opensees programı kullanılmıştır.
Prefabrik Kirişlerden oluşan ve yerinde dökme tabliyeyi taşıyan üst yapı, kemer yapısının üzerine yaklaşık 19 m arayla yerleştirilmiş, betonarme-perde köprü ayakları tarafından taşınmaktadır. Bu perde köprü ayakları, servis yüklerini köprü ayaklarıyla kemere aktardığı gibi, sistemin stabilitesini enine yönünde sağlamaktadır. Kemer yapısı, en dıştaki ayaklarla müşterek bir temele oturmaktadır. Bu kenar temel, gerek kemer yapısından gelen reaksiyonlar ve gerekse uç ayaklardan doğan reaksiyonların bileşkesi ile boyutlandırılmıştır.
DAYANIM
Üst Yapı
Tüm trafik yüklerini ve güvenliği sağlayacak olan köprü üst yapısı, ana hatlarıyla:
• Betonarme Tabliye ve Asfalt
• Prefabrik Kirişler
• Betonarme Perde Köprü Ayakları
olmak üzere 3 bölümden den oluşmaktadır. Bu arada üst yapının yüklerini ayaklara aktaran mesnetlerden de bahsetmek gerekmektedir
TABLİYE VE KİRİŞLER
Üstyapı aşağıdaki aşamalardan geçerek son halini alacağı için her aşamanın kendisini tanımlayan statik sistem içerisindeki dayanım ve stabilite hesapları, boyutlandırılmaları ve tahkikleri yapılmıştır.
1. Aşama: Stok ve Nakliye aşaması
Öngerilimli prefabrik kirişin kendi (zati) ağırlığı altında basit mesnetli veya konsollu bir kiriş olarak hesabının yapılması. Fabrikada yerleştirilmiş önceden germe yumuşak donatının belirlenmesi.
2. Aşama: Montaj – Kurgu aşaması
Kirişin sadece kendi ağırlığı altında, basit mesnetli kiriş olarak yapıdaki yerini alması aşaması.
3. Aşama: Yapım aşaması – Tabliyenin dökümü
Basit mesnetli kirişlerin, üzerlerine tabliye olarak öngörülen taze-yeni dökülmüş beton yükü ve şantiye yükleri altında davranışlarının incelenmesi.
4. Aşama: Kompozit Kesit HAL 1
Tabliye betonunun ilk dayanımını alması sonucu süreklilik göreli sürekli kirişlerden oluşan kompozit kesitin tahkiki.
5. Aşama: Kompozit Kesit HAL 2
Tabliye betonunun tanımlanan dayanımına ulaşması ön germe kayıplarının -sünme ve büzülme- son aşamasına gelmesi şantiye yükleri altında göreli sürekli kirişlerden oluşan kompozit kesitin tahkikinin yapılması.
6. Aşama: Kompozit Kesit – Sürekli Kiriş SERVİS HALİ
Tabliye betonunun tanımlanan dayanımına ulaşması ön germe kayıplarının -sünme ve büzülme- son aşamasına gelmesi ve en gayri müsait servis yükleri altında göreli sürekli kirişlerden oluşan kompozit kesitin tahkikinin yapılması.
MESNETLER
Genel olarak normal bir zemine oturan köprü temelleri parazit kaymalar adını verebileceğimiz, hareketlere maruzdurlar. Bu parazit kaymalar, köprünün üst yapısında oluşabilecek her tür yatay kuvvetlerin etkileri ve özellikle düz olmayan, engebeli arazilerde gözlemlenebilecek zeminde oluşabilecek hareketlerle ilgilidir. Bu nedenle konu ile ilgili olarak şu kriterleri gözden ayırmamak gerekir:
• Zeminde oluşabilecek yatay veya düşey bir hareketin temeldeki etkisi, zorunlu olarak köprü ayakları ile üst yapıya dolayısı ile mesnetlere ulaşır.
• Temellerdeki bu hareketler, köprü ayaklarının üst kısımlarında sadece paralel hareketlere değil aynı zamanda dönmelere neden olacaktır.
• Temellerdeki düşey hareketler kirişlerin oturdukları mesnetlerde de çökmelere neden olacaktır.
• Bu nedenle bu hareketlerin üst yapıya ve mesnetlere etkileri göz ardı edilemez.
Köprü ayaklarının normal bir zemine değil de, elastik deforme olabilecek, eğilmeye maruz bir betonarme kemer köprü yapısına oturması, yukarıda sözü edilen kriterlerin daha duyarlı bir biçimde ele alınmasını gerektirir:
• Titreşimlere ve yatay kaymalara ve aynı zamanda dönmelere cevap verebilecek mesnetlerin seçimi zorunludur.
• Büyük dönmelere cevap verebilecek en az %10 karşılayabilecek bir mesnet seçimi yapılmalıdır.
• Gereğinde temel yörelerine yerleştirilecek elektronik ölçü aygıtları ile, etken mesnet hareketlerinin davranışları izlenmelidir.
Üst yapının esnekliği kısmen temellerde oluşabilecek bu çok boyutlu hareketleri karşılayabilecek olmasına rağmen, mevcut köprünün rijit olması yukarıdaki tahkiklerin duyarlı bir biçimde yapılmasını zorunlu kılmaktadır.
KÖPRÜ AYAKLARI
Köprü ayaklarının boyutlandırılmasında sadece dayanımı değil lokal stabilitesi de göz önüne alınmıştır. Burkulma ve burulmanın özellikle etken olabileceği bu betonarme kısmın yapının tüm stabilitesine de etken olacağı açıktır.
Kemer Yapısı
Köprünün Kemer Bölümü klasik statik ve dinamik yöntem ve analizlerle çözülecek, yapımı ise klasik betonarme ilkeleri çerçevesinde önce kalıbı hazırlanıp, donatılar yerleştirilecek ve daha sonra da beton yeterince dayanımına ulaştıktan sonra kalıp alınacaktır. Burada önemli olan, hazırlanacak kalıbın statiği ve yapım yöntemidir.
Temeller
Temellerin boyutlandırılmasında alınacak esas kriter şüphesiz ki köprü ayaklarının boyutları ile ilgilidir. Ayrıca kemer yapısının zemine dayandığı yüzeye rastlayan köprü ayağının da oturacağı temel özel bir geometri arz etmektedir. Burada temelin dayanım yüzeyinin, kemerden ve köprü ayağından gelen reaksiyonlarının bileşkesine dikey doğrultuda olmasına özen gösterilmelidir.
Zemin emniyet gerilmelerini aşmayacak biçimde belirlenecek temel yüzeyi, zemin emniyet gerilemelerinden oluşan eğilme ve kayma zorlamalarını da karşılayabilecek uygun bir temel kalınlığı ile bağlantılıdır. Elbette burada bir diğer faktör de yerinde dökülecek olan betonun ve kullanılacak demirin fiziksel karakteristikleridir. Temelin oturacağı zeminin karakterine göre, zeminde ki deformasyonlar, köprü üst yapısından gelebilecek yatay kuvvetlere ve deformasyonlara da cevap verebilir durumda olmalıdır.
STABİLİTE
Yapının boyuna olan stabilitesi yerinde dökme, kalkan duvarları ile desteklenmiş olan ilk ve son mesnetlerle karşılanacaktır. Yerinde dökme olarak planlanan bu ilk ve son ayaklar aradaki köprü ayaklarının uçlarında oluşacak deformasyonlara da engel olacaktır.
Enine istikamette, yerinde dökme beton olarak öngörülen betonarme perde köprü ayakları ve tabliye kemer ile beraber köprünün yatay stabilitesini sağlayacaktır. Köprü de boyuna istikamette, başta, ortada-kemerin tepe noktasında ve sonda olmak üzere üç adet dilatasyon öngörülmüştür. Köprü ara mesnetlerinin hesabında ve seçiminde kemere yük aktaran köprü ayaklarındaki deformasyonlar gözden kaçırılmamıştır. Özellikle yatay yükler altında bu deformasyonların üç boyutlu olacağı gözden kaçırılmamalıdır.
4. SONUÇ
Yamaçları dik vadileri üzerine kurulacak olan köprü veya viyadüklerin seçiminde yaşanılan zorluklar kemer köprü yöntemi ile kolayca aşılabilir. Bir de buna yapının doğa ile uyumu katıldığında seçim seçeneksiz olarak kemer köprü lehinedir. Elbette Vadinin geometrisi yanı sıra üstünden geçecek olan yolun güzergahı bu seçimde önemli rol oynar. Yurtdışında sık sık rastlanılan ve estetiğinin yanı sıra ekonomikliği de yadsınmaz olan kemer köprülerin, projelerde, çerçeve ve kiriş köprülerin, hak ettikleri yeri almaları mühendisliğin başarısıdır.
©Yapı Dünyası Dergisi 2007 Sayı: 2007/131 de yayınlanmıştır.
