Baraj Gövde Stabilitesi Temel Hesapları
Yerçekimli (ağırlık) beton barajlar, Türkiye'deki 200'den fazla büyük barajın yaklaşık %15'ini oluşturmakta olup DSİ'nin en yaygın kullandığı beton baraj tipidir. Baraj gövdesi stabilitesi; devrilme,...
1. Tanım ve Temel İlkeler
Baraj gövde kesiti + kuvvetler (P_w/W/U/sismik), kuvvet diyagramı, stabilite kontrolleri (devrilme/kayma/taban gerilme), taban gerilmesi (e≤B/6), drenaj/enjeksiyon perdesi ve güvenlik tablosu (TS EN 1997-1:2012 / DSİ Teknik Şartnamesi / USBR / TBDY 2018).
Geometri + kesit → kuvvetler → devrilme (FS≥1.5) → kayma (FS≥1.5) → taban gerilmesi (e≤B/6) → drenaj/enjeksiyon perdesi.
Yerçekimli (gravity) beton baraj: Ağırlığıyla devrilme ve kaymaya karşı koyar; yükler doğrudan temele iletilir. Baraj eksenine dik yöndeki her metrelik şerit bağımsız dikey konsollar olarak analiz edilir. Baraj gövdesinin enine kesiti karakteristik trapez biçimlidir; kret genişliği 3–8 m, mansap yüzü eğimi yaklaşık 0,6:1–0,8:1, memba yüzü ise çoğunlukla dik veya 0,1:1 ile 0,2:1 arasındadır.
Türkiye'deki beton ağırlık barajlarına örnekler: Sarıyar (Sakarya, H=90 m), Keban'ın sağ yakasındaki beton kısım, ve Altınkaya (Kızılırmak, H=140 m) barajlarıdır. DSİ veri tabanında Türkiye'de 60'tan fazla beton ağırlık barajı bulunmaktadır.
Saha Notu (Türkiye): Türkiye'de birinci derece deprem bölgelerinde (Marmara, Ege, Doğu Anadolu) pek çok baraj bulunduğundan, TBDY 2018 Bölüm 16 kapsamında sismik stabilite analizi zorunludur. Batı Türkiye kıyılarında zemin; alüvyon veya kireçtaşı ağırlıklıyken, Doğu Anadolu'da bazalt ve kaymetamorfik formasyonlar hâkimdir; temel kaya dayanımı buna göre farklılaşır.
Dikkat: Türkiye'de baraj proje onayı için DSİ tarafından onaylı jeoteknik rapor (TS EN 1997-2:2012'ye göre) zorunludur. Temel kaya taşıma gücü ( σ_izin ) saha testleriyle doğrulanmadan tasarım gerilmeleri onaylanmaz.
Stabilite kontrolü üç yük kombinasyonu altında yapılır:
Tablo 1: Tanım ve Temel İlkeler
| Kombinasyon | Tanım | Yükler |
|---|---|---|
| A — Normal | Maksimum normal su kotu, olağan sızma | W + FH + U |
| C — Olağanüstü | PMF/taşkın su kotu, tüm kapaklar açık | W + FH + U (max) |
| D — Sismik | Normal + yatay deprem ivmesi | W + FH + U + Fdep + Fdyn |
DSİ Teknik Şartnamesi 2018; USBR Design of Small Dams (1987) Bölüm 5
2. Kuvvetler ve Moment Hesabı
Derin kaya vadisinde inşaat halindeki kemer beton baraj: yüksek beton gövde, kemer geometrisi ve her iki yamaçtaki tünel girişleri; baraj gövde stabilitesi hesaplarının gerçek projedeki uygulaması.
2.1 Düşey Kuvvetler
Düşey kuvvetler, birim uzunluk (1 m) için hesaplanır.
Tablo 2: Düşey Kuvvetler
| Kuvvet | Simge | Formül | Birim |
|---|---|---|---|
| Baraj ağırlığı | W | W = γ_b · V_kesit | kN/m |
| Mansap suyu düşey bileşeni | W_w | Su kütlesi × γ_w (eğimli yüzde) | kN/m |
| Uplift (yukarı basınç) | U | Bkz. Denklem 2.1–2.2 | kN/m |
Beton özgül ağırlığı: γ_b = 23,5 kN/m³ (TS EN 1992-1-1:2004; IMO tablosu).
Uplift (Hidrostatik Kaldırma) Kuvveti
Beton ile temel kaya arasındaki temas yüzünde suyun nüfuz etmesiyle oluşan yük. Drenaj perdesi yoksa (USBR/DSİ kılavuzu):
U = \frac{1}{2}(H_1 + H_2) \cdot B \cdot \gamma_w \tag{2.1}
Drenaj perdesi ve galeri mevcutsa (USBR standart, DSİ Şartname Madde 5.4):
U = H_1 \cdot \frac{B}{3} \cdot \gamma_w + \frac{1}{3}\left(H_1 + \frac{H_2}{3}\right) \cdot \frac{2B}{3} \cdot \gamma_w \tag{2.2}
Burada H_1 = mansap su derinliği (m), H_2 = memba su derinliği (m), B = taban genişliği (m), γ_w = 9,81 kN/m³.
Saha Notu: DSİ'nin uyguladığı standart yaklaşımda, iyi işleyen drenaj galerisi ve enjeksiyon perdesi kombinasyonu uplift kuvvetini %25–35 oranında azaltır (Cindere ve Sarıyar barajı örneği). Türk baraj şantiyelerinde drenaj galerisi tasarlanmadan stabilite hesabı yapılması yaygın bir hatadır.
2.2 Yatay Kuvvetler
Tablo 3: Yatay Kuvvetler
| Kuvvet | Simge | Formül | Not |
|---|---|---|---|
| Hidrostatik yatay | F_H | F_H = ½ γ_w H² | H/3 mesafesinde etkir |
| Mansap hidrostatik | F_H2 | F_H2 = ½ γ_w H_1² | Stabilize edici yön |
| Deprem eylemsizlik | F_eq | F_eq = α_h · W | TBDY 2018 Bölüm 16 |
| Westergaard dinamik | F_dyn | F_dyn = 0,555 α_h γ_w H² | Bkz. Denklem 2.3 |
| Sediman (silt) | F_s | F_s = ½ K_a γ_sed h_s² | Gerekirse |
| Rüzgar / dalga | F_dalga | Özel koşullarda hesaplanır | — |
Westergaard Dinamik Su Basıncı Artışı
Deprem sırasında rezervuardaki su kütlesinin eylemsizliğinden kaynaklanan ek basınç (Westergaard, ASCE Transactions, 1933):
F_{dyn} = 0{,}555 \cdot \alpha_h \cdot \gamma_w \cdot H^2 \tag{2.3}
Etki noktası: Taban üzerinden mesafesinde.
TBDY 2018 Deprem Katsayısı: Türkiye'de α_h, TBDY 2018 Tablo 4.1 ve AFAD interaktif deprem tehlike haritasından elde edilir. Örnek değerler:
Tablo 4: Westergaard Dinamik Su Basıncı Artışı
| İl | S_s (g) | S_1 (g) | α_h (yaklaşık) |
|---|---|---|---|
| İstanbul (Avrupa) | 1,20–2,00 | 0,40–0,60 | 0,30–0,50 |
| Ankara | 0,40–0,70 | 0,15–0,25 | 0,10–0,18 |
| İzmir | 1,20–1,80 | 0,40–0,55 | 0,28–0,45 |
| Erzincan | 1,60–2,20 | 0,55–0,70 | 0,40–0,55 |
| Samsun | 0,20–0,40 | 0,08–0,15 | 0,05–0,10 |
AFAD 2018 Türkiye Deprem Tehlike Haritası (22.01.2018 tarih 2018/11275 sayılı Bakanlar Kurulu Kararı)
Saha Notu: Baraj aksının bulunduğu koordinatlar için AFAD'ın çevrimiçi deprem tehlike haritası üzerinden SS ve S1 değerleri kesin olarak sorgulanmalıdır; bölge ortalamaları kullanılmamalıdır.
3. Stabilite Kontrolleri
Ağırlık barajının 3D izometrik gösterimi: baraj tepesi (Crest), mesnet (Abutment), memba yüzü (Upstream Face), mansap yüzü (Downstream Face), hazne (Reservoir), topuk (Heel) ve ayak (Toe); stabilitenin kendi ağırlığıyla sağlandığı temel tasarım prensibi.
3.1 Devrilme Stabilitesi
Devrilme kontrol noktası: Mansap ayağı (toe). Devrilmeye karşı güvenlik katsayısı:
FS_{devrilme} = \frac{\sum M^+}{\sum M^-} \tag{3.1}
Burada ΣM⁺ = stabilize eden momentlerin toplamı (saat yönü karşıtı), ΣM⁻ = deviren momentlerin toplamı (saat yönü), her ikisi de toe'ye göre hesaplanır.
Tablo 5: Devrilme Stabilitesi
| Yük Kombinasyonu | Minimum FS_devrilme | Kaynak |
|---|---|---|
| Normal (A) | 1,50 | DSİ Şartname Md. 6.3; USBR Bölüm 5 |
| Olağanüstü (C) | 1,20 | DSİ Şartname Md. 6.3 |
| Sismik (D) | 1,10 | DSİ Şartname Md. 6.3; TBDY 2018 |
Saha Notu: Türkiye'de DSİ proje kontrol sürecinde normal koşul için FS = 1,50 mutlak minimum kabul edilmekle birlikte, yeni projelerde hedef değer FS ≥ 2,0 olarak alınması tavsiye edilmektedir.
Dikkat: Moment kollarının hesabında taban tüm yüzey boyunca drenajsız olarak kabul edilip uplift kuvvetinin momenti hesaba dahil edilmezse gerçekte güvensiz bir tasarıma onay verilmiş olur.
3.2 Kayma Stabilitesi
Kayma, beton gövde ile temel arasındaki temas yüzeyinde gerçekleşir. Kayma güvenlik katsayısı:
FS_{kayma} = \frac{(\sum V - U)\tan\phi + c \cdot B}{\sum H} \tag{3.2}
Burada: ΣV = toplam düşey kuvvet (kN/m), ΣH = toplam yatay kuvvet (kN/m), U = toplam uplift kuvveti (kN/m), φ = beton-temel sürtünme açısı (°), c = yapışma mukavemeti (kPa), B = taban genişliği (m).
Tablo 6: Kayma Stabilitesi
| Yük Kombinasyonu | Minimum FS_kayma | Kaynak |
|---|---|---|
| Normal (A) | 1,50 | DSİ Şartname Md. 6.4; USBR Bölüm 5 |
| Olağanüstü (C) | 1,25 | DSİ Şartname Md. 6.4 |
| Sismik (D) | 1,10 | DSİ Şartname Md. 6.4 |
Tablo 7: Kayma Stabilitesi
| Temel Malzeme | Sürtünme katsayısı f = tan(φ) | φ (°) |
|---|---|---|
| Sağlam kaya (temiz, düzensiz yüzey) | 0,80 | 38,7 |
| Kayalık zeminler (eklemli, tabakalı) | 0,70 | 35,0 |
| Çakıllı kum | 0,40 | 21,8 |
| Kum | 0,30 | 16,7 |
| Şist | 0,30 | 16,7 |
USBR Design of Small Dams (1987) Tablo 3.1; Silt ve kil için saha deneyi zorunludur.
Saha Notu: Türkiye'deki kireçtaşı ve bazalt temellerde saha presiyometre veya dilatometre testi (TS EN 1997-2:2012 Madde 6.6) yapılmadan φ = 0,80 alınması kabul edilmez.
Dikkat: DSİ Şartnamesi'nde Kesme-Sürtünme Katsayısı (Shear Friction Factor, β) olarak adlandırılan alternatif kriter de kullanılmaktadır: β = (ΣV· f + τ· A) / ΣH ≥ 5 (normal koşul).
3.3 Taban Gerilmesi ve Zemin Taşıma Gücü Kontrolü
Sonuç kuvvetin taban üzerindeki etkisinin belirlenmesi:
x = \frac{\sum M^+ - \sum M^-}{\sum V - U} \tag{3.3}
Eksantriklik:
e = \frac{B}{2} - x \tag{3.4}
Çekme yok (no-tension) kriteri: e ≤ B/6 (normal yük) — orta üçte bir kuralı.
Tablo 8: Taban Gerilmesi ve Zemin Taşıma Gücü Kontrolü
| Yük Kombinasyonu | Maks. e | Açıklama |
|---|---|---|
| Normal (A) | B/6 | Tüm tabanda sıkışma; çekme yok |
| Olağanüstü (C) | B/4 | Kısmi çekme kabul edilebilir |
Trapez dağılımlı taban gerilmesi:
\sigma_{max/min} = \frac{\sum V - U}{B} \left(1 \pm \frac{6e}{B}\right) \tag{3.5}
Maksimum sıkışma gerilmesi: σ_max ≤ q_allow (zemin / kaya taşıma gücü, TS EN 1997-1:2012 Bölüm 6).
Tablo 9: Taban Gerilmesi ve Zemin Taşıma Gücü Kontrolü
| Temel Tipi | q_allow (kPa) | Kaynak |
|---|---|---|
| Sağlam granit/bazalt | 3000–8000 | TS EN 1997-1:2012; İMO Zemin Gerilmeleri |
| Kireçtaşı (masif) | 1500–5000 | TS EN 1997-1:2012 |
| Şist / metamorfik kaya | 500–2000 | TS EN 1997-1:2012 |
| Sıkı çakıl / kum | 200–500 | TS EN 1997-1:2012 Ek D; İMO |
| Orta sıkı kum | 100–250 | TS EN 1997-1:2012 Ek D |
TS EN 1997-1:2012'de (Eurocode 7, Türkiye'de TS EN 1997-1:2012 olarak yayımlanmıştır) izin verilen gerilmeler bölüm 6.5 altında verilmekte; saha araştırması ile doğrulanması öngörülmektedir.
Saha Notu: DSİ Şartnamesi temel kaya için saha pres deneyi (Lugeon testi, geçirimlilik) zorunlu kılar; q_allow, SPT veya presiyometre sonucuyla belirlenmeden şantiye onayı verilmez.
3.4 Deprem Etkisi (Sismik Analiz)
TBDY 2018 Bölüm 16 kapsamında "Büyük Barajlar" için dinamik analiz zorunlu olup küçük barajlarda (H < 30 m, Depolama < 1 hm³) pseudo-statik analiz yeterliyken büyük barajlarda zaman-tanım alanı analizi talep edilmektedir. Pseudo-statik yöntemde:
F_{eq} = \alpha_h \cdot W \tag{3.6}
Westergaard dinamik su basıncı artışı:
F_{dyn} = 0{,}555 \cdot \alpha_h \cdot \gamma_w \cdot H^2 \tag{3.7}
Toplam sismik moment: deprem ivmesinin yönü mansapta en kötü durumu oluşturur (rezervuar yönünde deviren moment artar).
4. Temel Profil (Elementary Profile)
Baraj kesitinde etki eden kuvvetler: memba su basıncı (F1), mansap su basıncı (F2), kaldırma kuvveti (U), beton ve su ağırlıkları (G1–G3, V1–V6); stabilitenin devrilme ve kayma güvenliği hesabında kullanılan kuvvetler.
Hiçbir yük yokken sadece su basıncı, ağırlık ve uplift altında gerilim oluşturmayan en sade profil; sıfır kret genişliğinde, mansap tabanında maksimum genişlik B olan üçgendir. Bu elemental profil üzerinden minimum taban genişliği iki kritere göre belirlenir:
Gerilim kriteri (çekme yok):
b = \frac{H}{\sqrt{\rho_c - \eta}} \tag{4.1}
Kayma kriteri:
b = \frac{H}{f(\rho_c - \eta)} \tag{4.2}
Burada: ρ_c = betonun su yoğunluğuna oranı (≈ 2,4), η = uplift azaltma faktörü (0,5–0,7), f = sürtünme katsayısı, H = baraj yüksekliği (m).
Kayadaki uplift azaltma faktörü (η) USBR/DSİ tarafından drenajsız koşul için 0,5, drenaj galerisi varsa 1/3 olarak alınır.
5. Sızma ve Piping Analizi
Beton barajın grout perdesi enjeksiyonu: sağ ve sol kıyı galerileri, maksimum su seviyesi (Max. Water Level), iç/kontrol/grout perde kuyuları (22–840 m derinlik aralığı) ve enjeksiyon planı; sızıntı önleme için zemin iyileştirme uygulaması.
Baraj altında oluşan hidrolik gradyan, kritik değerin altında kalmalıdır. Kritik gradyan:
i_{krit} = \frac{G_s - 1}{1 + e} \tag{5.1}
Kaya zeminlerde i_krit ≈ 1,0–1,5; granüler zeminlerde ≈ 0,8–1,2.
Ortalama sızma gradyanı: i_ort = H / (2B + D) < i_krit / FS, FS ≥ 3–5 (TS EN 1997-1:2012 Madde 10.4).
Saha Notu: Türkiye'de kireçtaşı zeminlerde karstik boşluklar nedeniyle sızma hızı beklenmedik şekilde yükselebilir; elektrik dirençlilik etüdü (TS 9871) ile ön araştırma yapılması tavsiye edilir.
6. Türkiye Saha Koşulları ve Mevzuat
Düz tip beton baraj: çok ayaklı tahliye savağı kapakları, sarı gantry servis vincı, enerji santralı ve yüksek gerilim iletim hatları; gövde stabilitesi ve tahliye kapasitesi hesaplarının gerçek projedeki uygulaması.
6.1 İmar Mevzuatı ve Yapı Denetimi
- 4708 sayılı Yapı Denetimi Kanunu: Resmi Gazete 13.07.2001 tarih 24461 sayı — baraj yapı denetiminde DSİ yetkilidir.
- 3194 sayılı İmar Kanunu: Baraj güvenlik alanı tesis edilmesi zorunludur.
- 6331 sayılı İş Sağlığı ve Güvenliği Kanunu: Şantiyede yüklenici iş güvenliği uzmanı bulundurulması zorunludur.
6.2 DSİ 2026 Yılı Birim Fiyatları
DSİ'nin 2026 Birim Fiyat Kitabı'ndaki ilgili iş kalemleri (ön maliyet referansı):
Tablo 10: DSİ 2026 Yılı Birim Fiyatları
| Poz No | Tarif | Birim | Yakl. Fiyat (TL/birim) |
|---|---|---|---|
| 15.066 | Beton baraj gövdesi C25 beton (kalıp dahil) | m³ | 6.200–8.500 |
| 15.067 | Beton baraj C30 beton | m³ | 7.000–9.500 |
| 15.071 | Grout (enjeksiyon) perdesI | m | 2.500–4.500 |
| 15.072 | Drenaj galerisi sondaj | m | 1.800–3.200 |
| 07.006 | Kaya kazısı (baraj temeli) | m³ | 850–1.500 |
DSİ 2026 Yılı Birim Fiyat Kitabı; Çevre, Şehircilik ve İklim Değişikliği Bakanlığı 2025 Birim Fiyatları
Dikkat: Birim fiyatlar bölgeye ve nakliye mesafesine göre +%25–40 oranında değişebilir. Doğu Anadolu'da malzeme nakliyesi maliyeti batıya kıyasla belirgin şekilde yüksektir.
6.3 Beton Sınıfı Seçimi
Baraj beton sınıfları TS EN 1992-1-1:2004 ve DSİ Şartnamesi'ne göre belirlenir:
Tablo 11: Beton Sınıfı Seçimi
| Beton Sınıfı | f_ck (MPa) | Kullanım Alanı | Açıklama |
|---|---|---|---|
| C20/25 | 20 | Hafif yüklü iç bölgeler | Yalnızca ön tasarım |
| C25/30 | 25 | Standart baraj gövdesi | En yaygın kullanım |
| C30/37 | 30 | Memba yüzü, su teması | Donma-çözülme direnci |
| C35/45 | 35 | Mansap taban bölgesi | Yüksek gerilme altında |
| C40/50+ | ≥40 | Özel yapısal elemanlar | Masif beton dışı |
TS EN 1992-1-1:2004 Tablo 3.1; IMO Beton Sınıfları ve Dayanım Tablosu
7. Formüller Özeti
Tablo 12: Formüller Özeti
| Formül | İfade | Referans |
|---|---|---|
| Uplift (drenajsız) | U = ½(H₁+H₂)·B·γ_w | USBR Bölüm 5 |
| Uplift (drenajlı) | U = H₁·B/3·γ_w + ⅓(H₁+H₂/3)·2B/3·γ_w | DSİ Şartname Md. 5.4 |
| Hidrostatik yatay | F_H = ½γ_w H² | Hidrostatik |
| Westergaard dyn. | F_dyn = 0,555 α_h γ_w H² | Westergaard 1933 |
| Devrilme FS | FS = ΣM⁺ / ΣM⁻ | DSİ Md. 6.3 |
| Kayma FS | FS = [(ΣV−U)tanφ + cB] / ΣH | USBR Denklem 5-1 |
| Taban gerilmesi | σ = (ΣV−U)/B · (1 ± 6e/B) | Eksantrik yük |
| Eklem nokta x | x = (ΣM⁺−ΣM⁻)/(ΣV−U) | Moment dengesi |
| Eksantriklik | e = B/2 − x | Geometri |
8. Örnek Problemler
Problem 1 — Kolay 🟢
Veriler:
- Üçgen kesitli yerçekimli beton baraj, birim uzunluk
- Taban genişliği: B = 72 m
- Baraj yüksekliği: H = 75 m
- Memba su kotu: H_u = 75 m (dolu)
- Beton özgül ağırlığı: γ_c = 23,5 kN/m³
- Su özgül ağırlığı: γ_w = 10 kN/m³
- Uplift azaltma faktörü: η = 0,70
- Sürtünme katsayısı: f = 0,80
- τ (beton kesme dayanımı) = 1500 kN/m²
İstenen: Devrilmeye ve kaymaya karşı güvenlik katsayıları ve taban gerilmeleri
Çözüm:
Adım 1: Birincil kuvvetler
a) Hidrostatik yatay kuvvet: F_H = ½ × 10 × 75² = 28.125 kN/m (uygulama noktası: H/3 = 25 m tabandan)
b) Uplift kuvveti (tabanın ekseninde etkir): U = ½ × 75 × 0,70 × 10 × 72 = 18.900 kN/m (uygulama noktası: B/3 = 24 m toe'den)
c) Baraj ağırlığı (üçgen kesit): W = ½ × 72 × 75 × 23,5 = 63.450 kN/m (uygulama noktası: 2B/3 = 48 m toe'den)
Adım 2: Devrilme kontrolü (toe etrafında momentler): ΣM⁺ = W × 48 = 63.450 × 48 = 3.045.600 kN·m/m ΣM⁻ = F_H × 25 + U × 24 = 28.125 × 25 + 18.900 × 24 = 703.125 + 453.600 = 1.156.725 kN·m/m
FS_devrilme = 3.045.600 / 1.156.725 = **2,63 > 1,50 **
Adım 3: Kayma kontrolü: FS_kayma = (63.450 − 18.900) × 0,80 / 28.125 = 44.550 × 0,80 / 28.125 = 35.640 / 28.125 = 1,27
1,27 < 1,50 — Normal koşulda BAŞARISIZ (kesme-sürtünme ile ek kontrol gerekir)
Adım 4: Kesme-sürtünme faktörü β: β = (ΣV·f + τ·A) / ΣH = (44.550 × 0,80 + 1500 × 72) / 28.125 = (35.640 + 108.000) / 28.125 = **5,11 > 5,0 **
Sonuç: Devrilme güvende (FS=2,63), sürtünme bazlı kayma sınırda (FS=1,27 < 1,50), ancak kesme-sürtünme faktörü sağlıyor (β=5,11). Kaymaya karşı FS artışı için drenaj galerisi ya da kesme dişi önerilir.
Kontrol: B/H = 72/75 = 0,96; elemental profil için teorik B_min = H/√(ρ_c − η) = 75/√(2,4−0,7) = 75/1,304 ≈ 57,5 m → tasarım genişliği yeterli.
Problem 2 — Orta 🟡
Veriler:
- Trapez kesitli yerçekimli beton baraj, birim uzunluk
- Mansap yüzü düşey, memba yüzü eğimli
- Taban genişliği: B = 45 m
- Baraj yüksekliği: H = 45 m
- Kesit alanı: A₁ = 47 × 4 = 188 m² (dikdörtgen), A₂ = ½ × 41 × 45 = 922 m² (üçgen) (yaklaşık)
- γ_c = 23,5 kN/m³, γ_w = 10 kN/m³, uplift = ⅔ × hidrostatik
İstenen: Tam rezervuar koşulunda taban gerilmeleri (heel ve toe)
Çözüm:
Adım 1: Ağırlıklar W₁ = 4 × 47 × 23,5 = 4.418 kN/m (moment kolu toe'den ≈ 20,5 m) W₂ = 22.642 kN/m (moment kolu ≈ 20,83 m)
Adım 2: Hidrostatik F_H = ½ × 10 × 45² = 10.125 kN/m (kol = 15 m) F_up = ⅔ × 10.125 = 6.750 kN/m ↑ (kol ≈ 7,5 m toe'den)
Adım 3: Toplam düşey kuvvet ΣV = 4.418 + 22.642 − 6.750 = 20.310 kN/m
Adım 4: Toplam moment (toe'ye göre) ΣM = +4.418 × 20,5 + 22.642 × 20,83 − 10.125 × 15 − 6.750 × 7,5 ΣM = +90.569 + 471.633 − 151.875 − 50.625 = +359.702 kN·m/m ΣM* (tam moment, ref formüle göre) ≈ -2.570 kN·m/m (ITÜ ders notu değeri)
Adım 5: Eksantriklik x = ΣM / ΣV = (küçük değer) → e küçük Taban gerilmeleri (ITÜ ders notu sonucu): σ_toe = 433,37 kN/m² (sıkışma) σ_heel = 425,76 kN/m² (sıkışma) — tüm taban sıkışmada
Sonuç: e < B/6 = 7,5 m; tüm tabanda sıkışma sağlanmıştır. σ_max = 433 kPa; bu değer kaya temel taşıma gücü (q_allow ≥ 1500 kPa) ile karşılaştırılmalıdır.
Kontrol: σ_max / q_allow = 433 / 1500 = 0,29 < 1,0 (Zemin taşıma gücü yeterli varsayım ile)
Problem 3 — Zor
Veriler:
- Trapez kesitli beton baraj gövdesi
- B = 73 m, H = 90 m (memba), kuyruk suyu: H₁ = 89 m (havuz doluyken mansap)
- W₁ = 15.120 kN/m, W₂ = 61.944 kN/m, W₃ = 2.688 kN/m
- F_V (mansap su) = 6.000 kN/m ↓
- F_H = ½ × 10 × 89² = 39.605 kN/m
- U = ⅔ × (89/2) × 73 × 10 = 21.657 kN/m ↑
- α_h = 0,10 (deprem katsayısı — örnek, TBDY 2018 Bölüm 16)
- τ = 1.400 kPa (beton kesme dayanımı), f = 0,70
İstenen:
a) Depremli-tam dolu koşulda devrilme, kayma ve gerilme kontrolü b) Taban gerilmelerinin hesabı
Çözüm:
Adım 1: Depremli toplam düşey ve yatay kuvvetler
ΣV = 15.120 + 61.944 + 2.688 + 6.000 − 21.657 = 64.095 kN/m
Deprem eylemsizlik kuvvetleri (α_h = 0,10): F_eq1 = 0,10 × 15.120 = 1.512 kN/m; kol = H/2 = 45 m F_eq2 = 0,10 × 61.944 = 6.194 kN/m; kol = H/3 = 29,67 m F_eq3 = 0,10 × 2.688 = 269 kN/m; kol = 28/3 = 9,33 m
Westergaard dinamik basınç: F_dyn = 0,555 × 0,10 × 10 × 89² = 4.396 kN/m; kol = 4H/3π = 37,77 m
ΣH = 39.605 + 1.512 + 6.194 + 269 + 4.396 = 51.976 kN/m
Adım 2: Momentler (toe etrafında, negatif = devirici) ΣM⁺ = W_kütleleri toplam = 3.925.351 kN·m/m (ITÜ ders notu) ΣM⁻ (depremli) = −1.054.046 (uplift) − 1.175.080 (F_H) − 166.037 (F_dyn) − 183.775 (F_eq2) − 68.040 (F_eq1) − 2.510 (F_eq3) = −2.649.488 kN·m/m
ΣM_net = 3.925.351 − 2.649.488 = 1.275.863 kN·m/m
Adım 3: Devrilme kontrolü FS_devrilme = 3.925.351 / 2.649.488 = 1,48 ≈ 1,50 (Sismik için minimum 1,10 — SAĞLANIYOR, ancak normal limit olan 1,50'ye çok yakın)
Adım 4: Kayma kontrolü FS_kayma = 64.095 × 0,70 / 51.976 = 44.867 / 51.976 = **0,86 < 1,10 — BAŞARISIZ **
Adım 5: Taban gerilmeleri x = 1.275.863 / 64.095 = 19,91 m (toe'den) e = 73/2 − 19,91 = 16,59 m > B/6 = 12,17 m (Çekme bölgesi oluşur)
σ_toe = (64.095/73) × (1 + 6 × 16,59/73) = 877,7 × 2,363 = 2.073 kPa (basınç) σ_heel = (64.095/73) × (1 − 6 × 16,59/73) = 877,7 × (−0,363) = −319 kPa (çekme → güvensiz)
Sonuç: Depremli koşulda:
- Devrilme: FS = 1,48 ≥ 1,10 (sismik limit karşılanıyor)
- Kayma: FS = 0,86 < 1,10 → Kesme dişi veya enjeksiyon perdesi ile ek stabilizasyon gerekli
- Taban gerilmesi: Topukta çekme gerilmesi oluşmaktadır → profil genişletmeli veya α_h doğrulanmalı
Kontrol: TBDY 2018 Bölüm 16 kapsamında baraj yüksekliği H > 30 m olduğundan dinamik analiz (zaman-tanım alanı) da yapılması zorunludur; pseudo-statik yalnızca ön kontrol olarak kullanılır.
9. Sık Yapılan Hatalar
-
Uplift unutulması veya küçümsenmesi: Uplift kuvveti, tipik bir 20 m'lik barajda toplam düşey yükün %20–35'i kadar olabilir; drenaj galerisi hesaptan düşürülmeden hesap yapılmamalıdır.
-
Yanlış moment kolu: Uplift kaldırma kuvvetinin taban genişliği boyunca değişen bir dağılımı vardır; üçgen yerine dikdörtgen dağılım varsayımı hataya neden olur.
-
Sismik parametrelerin bölgeye özgü alınmaması: Türkiye'de α_h değerinin sabit 0,10 alınması; Erzincan, İzmit veya İzmir gibi yüksek risk bölgelerinde ciddi hatalara yol açar. AFAD haritasından koordinat bazlı sorgu zorunludur.
-
Drenajlı/drenajsız uplift ayrımı: Drenaj galerisi tasarlanmasına karşın hesaplarda hâlâ drenajsız uplift formülünün (tam hidrostatik) kullanılması aşırı muhafazakâr ama drenaj yokken drenajlı formülün kullanılması ise ciddi güvenlik açığı yaratır.
-
Temel zemin φ değerinin aşırı yüksek alınması: Kireçtaşı eklem dolguları veya kil tabakalar gözetilmeden φ = 0,80 alınması; Türkiye'nin karmaşık jeolojisinde kayma güvenliğini yanıltıcı şekilde yüksek gösterir.
-
Eksantriklik kontrolünün atlanması: Taban gerilmesi hesabında yalnızca FS devrilme ve kaymanın kontrol edilmesi; orta üçte bir kuralının ihlalinin fark edilmemesi.
İlgili Standartlar ve Kaynaklar
- TS EN 1997-1:2012 (Eurocode 7), Geoteknik Tasarım — Genel Kurallar, TSE, 2012 (EN 1997-1:2004 Türkçe adaptasyonu).
- TS EN 1997-2:2012, Geoteknik Tasarım — Zemin ve Kaya Araştırması, TSE, 2012.
- TS EN 1992-1-1:2004, Beton Yapıların Tasarımı — Genel Kurallar, TSE.
- TBDY 2018, Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği, AFAD, 2018, Bölüm 16 (Su Yapıları).
- DSİ Teknik Şartnamesi 2018, Baraj Tasarım Kriterleri ve Teknik Şartnamesi, Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü.
- USBR, Design of Small Dams, 3rd ed., U.S. Bureau of Reclamation, 1987, Chapter 5.
- Bulu, A., Su Kaynakları Ders Notları, Bölüm 3: Beton Ağırlık Barajları, İTÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü.
- Saplıoğlu, K. vd., "Beton Ağırlıklı Barajların Simbiyotik Arama Algoritması ile Optimizasyonu", BEÜ Fen Bilimleri Dergisi, 9(4), 2020.
- Westergaard, H.M., "Water Pressures on Dams During Earthquakes," ASCE Transactions, Vol. 98, 1933.
- 2018/11275 sayılı Bakanlar Kurulu Kararı, Türkiye Deprem Tehlike Haritası ve Parametre Değerleri, Resmi Gazete 22.01.2018.
Kaynaklar
- DSİ Teknik Şartnamesi — T.C. Mevzuat Bilgi Sistemi. https://www.mevzuat.gov.tr
- TS EN 1992-1-1:2012 — CEN — Avrupa Standardizasyon Komitesi (Eurocode). https://eurocodes.jrc.ec.europa.eu
- Su Yapıları.
İlgili Makaleler
- SU-001: Manning Formülü ve Açık Kanal Hesabı
- SU-013: Sel ve Taşkın Debisi Hesabı
- SU-011: Baraj Tipi Seçimi Kriterleri
- SU-006: Drenaj Galerisi ve Enjeksiyon Perdesi Tasarımı
Kaynakça
- İlgili Türk Standartları (TS) ve Avrupa Normları (EN)
- TBDY 2018 — Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği
- İlgili ders kitapları ve teknik kaynaklar
Not: Bu makale eğitim amaçlıdır. Projelerde güncel yönetmelik ve standartlara başvurunuz.
İlgili Hesaplama Araçları
Bu konuyla ilgili ücretsiz mühendislik hesaplama araçlarımızla ön tasarım ve kontrol yapabilirsiniz:
Önemli Mühendislik Uyarısı: Bu içerik yalnızca bilgilendirme amaçlıdır; nihai tasarım, hesap ve uygulama kararları, güncel yönetmelikler ile proje koşulları çerçevesinde yetkili bir inşaat mühendisinin denetiminde alınmalıdır. Sayısal örnekler ve formüller genel mühendislik pratiğini yansıtır; her projenin kendine özgü zemin, yük ve çevre koşulları proje müellifince ayrıca değerlendirilmelidir.