Açık denizde altmış metre boyunda bir çelik kolonun zemine oturtulması, çapı beş metreyi bulan bir matkabın kuma saplanmasıyla değil, görünmez bir çamur perdesinin ustalığıyla başlar.
Kuzey Denizi’nde mart ayı. Dalga yüksekliği dört metrenin altına düşmüyor, rüzgar saatte altmış kilometre hızla esiyor. Buna rağmen yüz elli metre uzunluğundaki kurulum gemisi konumunu milimetrik sapmayla koruyor. Geminin güvertesinde kimse kaynak makinesi tutmuyor, vinç çalıştıran da yok. Operasyonun merkezinde, deniz tabanına çamur pompalayan dört adet yüksek basınçlı piston var. Çamur, çelik bir borunun iç ve dış yüzeyi arasındaki boşluğu doldurarak deniz tabanıyla buluşan devasa bir temel yaratıyor. Adı jacket temel, fakat şantiyede kimse ona temel demez - “uzay çerçeve” derler.
Açık deniz rüzgar türbinlerinin ayakta kalma hikayesi, betonla değil boşlukla başlar. Jacket temel, bir tabure gibi dört ayağını deniz tabanına basan çelik kafes yapıdır. Kafesin her bir düğüm noktası içi boş borulardan oluşur. Türbin kulesi bu kafesin üstüne oturur, kafesin kendisi de deniz tabanında açılmış dört konik deliğe yerleştirilir. Jacket’in toplam yüksekliği su derinliğine bağlı olarak otuz metreden seksen metreye kadar uzanır, taban genişliği ise yirmi metreye yirmi metre kare planlıdır. Boyutlardaki bir yapının ağırlığı dört yüz tonu bulur.
Ancak betonarme temelde demir hasırı yerleştirip beton dökmek gibi bir adım yoktur. Onun yerine, jacket ayaklarının içinden geçen ve deniz dibinde açılan çukurlara kadar uzanan bir iğne daha vardır. Kazık.
Kazık, jacket ayağının içinden geçerek deniz tabanının kırk ila seksen metre derinine çakılan içi boş çelik borudur. Çakma işlemi hidrolik bir şahmerdanla yapılır, her darbe üç yüz ila beş yüz kilojul enerji iletir. Kazığın çapı tipik olarak bir buçuk metreden iki buçuk metreye kadar değişir, et kalınlığı ise kırk ila seksen milimetre arasındadır. Jacket’i zemine bağlayan asıl unsur bu kazıktır. İşin püf noktası, kazık ile jacket ayağı arasındaki halka şeklindeki boşluğun doldurulma biçiminde saklıdır. Halka boşluğun radyal kalınlığı yedi ila on beş santimetre arasında değişir, bu daracık alan tüm yapısal yükün aktarıldığı kritik arayüzdür.
Doldurma malzemesi, yüksek dayanımlı bir çimento bazlı harçtır. Sahada buna “grout” denir, kelime anlamıyla derz dolgusu. Grout pompaları devreye girdiğinde jacket ile kazık aslında iki ayrı parça olmaktan çıkar, tek bir kompozit kolon haline gelir.
Yapı mühendisliğinde buna aderans bağlantısı denir. Çamur pompasından çıkan harcın oluşturduğu bu birleşim katmanı, bütün yapının deprem, dalga ve rüzgar yüklerine karşı koymasını sağlar. Peki sıradan bir harç bu kadar yükü nasıl taşır? Cevap, harcın basınç dayanımının ötesinde, akışkanlık ve ayrışmama özelliklerinin aynı anda sağlanmasında yatar. Grout, su altında döküldüğü için yıkanmaya karşı dirençli olmak zorundadır, aynı zamanda yedi santimetrelik bir aralıktan sorunsuz akabilecek kadar ince olmalıdır. İki gereklilik birbiriyle çelişir, ince harç kolay akar ama su altında dağılır, yoğun harç dağılmaz ama dar aralıktan akmaz. Çözüm, kimyasal katkılar ve hassas tane boyutu dağılımıdır.
Kazık ile jacket ayağı birbirine kaynatılmaz. Kaynatılsaydı ne olurdu, diye sormak aydınlatıcıdır. Kaynak dikişi, açık deniz ortamında tuzlu suyun ve sürekli titreşimin altında mikro çatlaklar üretir. Mikro çatlak zamanla yorulma kırılmasına dönüşür. Bağlantının kaynak yerine grout ile yapılması, kuvveti noktadan değil sürekli bir yüzeyden aktarır. Yüzey alanı büyüdükçe birim alana düşen gerilme azalır, bu da yorulma ömrünü katlayarak uzatır.
Grout bağlantısının çalışma prensibi yüzey pürüzlülüğüne dayanır. Kazığın dış yüzeyi ile jacket ayağının iç yüzeyi özel olarak işlenir. Amaç, harç sertleştiğinde bu iki çelik yüzey arasında mikro ölçekte bir dişli sistemi oluşturmaktır. Yüzey profili genellikle altı milimetre dalga derinliğinde ve elli milimetre dalga adımında bir testere dişi formudur. Harcın basınç dayanımı su altında kürlenmiş halde santimetre kare başına yaklaşık doksan ila yüz yirmi megapaskala ulaşır. Yüzeyler arasındaki sürtünme katsayısı ve harcın makaslama direnci birleştiğinde, ortaya çıkan bağlantı, çelik kaynağından daha homojen bir yük aktarma profili sergiler.
Bağlantının kayma dayanımı üç bileşenin toplamıdır, çelik ile harç arasındaki aderans, yüzey pürüzlülüğünden doğan mekanik kenetlenme ve iki yüzey arasındaki sürtünme. Aderans tek başına toplam dayanımın yaklaşık yüzde on beşini oluşturur, aslan payı mekanik kenetlenmededir. Bazı tasarımlarda yüzey profiline ek olarak kesme kamaları da kullanılır. Kesme kaması, kazık yüzeyine kaynaklanmış, yüksekliği yirmi beş milimetreyi bulan çelik halkalardır. Kama sıraları arasındaki mesafe, kazık çapının yarısı kadar alınır. Her bir kama sırası, bağlantının eksenel yük taşıma kapasitesini yaklaşık yüzde otuz artırır.
Operasyonun detayına girildiğinde, grout’un karışım suyunun tatlı su olması gerektiği şaşırtıcı gelebilir. Deniz suyu kullanılırsa klorür iyonları çelik yüzeyde korozyonu hızlandırır. Karışım kamyonları gemideki karıştırma ünitelerine sürekli tatlı su besler. Pompalanan harç, halka boşluğun en alt noktasından verilir ve yukarı doğru yükselir. Alttan beslemenin sebebi, deniz suyunu ve boşluktaki tortuyu yukarı iterek tamamen tahliye etmektir. Enjeksiyon basıncı tipik olarak yirmi ila kırk bar aralığında tutulur, daha yüksek basınç harcın su altında dağılmasına sebep olur.
Tahliye tamamlandığında, üst seviyedeki taşma borusundan berrak harç gelmeye başlar. Şantiye mühendisinin bağlantının sağlam olduğuna dair ilk görsel onayı bu andır. Taşma borusundan alınan numunenin yoğunluğu, enjeksiyon öncesi laboratuvar numunesinin yoğunluğundan yüzde beşten fazla sapmamalıdır. Sapma varsa deniz suyu karışmış demektir ve enjeksiyon derhal durdurulur.
Grout pompalandıktan sonra saha ekipleri için en sıkıcı ama en kritik aşama başlar. Kürlenme süresi minimum yirmi dört saattir, su sıcaklığı on santigrat derecenin altındaysa bu süre kırk sekiz saate uzar. Kürlenme süresini belirleyen faktör yalnızca sıcaklık değildir, çimento tipi de belirleyicidir. Yüksek erken dayanımlı çimento kullanılırsa süre on altı saate inebilir, fakat bu çimento türü hidratasyon ısısını yükselttiği için termal çatlak riski taşır. Zaman diliminde jacket üzerinde hiçbir dinamik yük olmamalıdır. Kurulum gemisi, dalga kompanzasyon sistemini aktif tutarak vincini jacket’e bağlı bırakır ama en küçük bir çekme kuvveti uygulamaz. Herhangi bir titreşim, prizini almamış harcın içinde mikro kanallar açar ve bu kanallar sertleşme sonrası su yollarına dönüşür.
Kürlenme bittiğinde jacket kendi başına ayaktadır, fakat görünmez bir koşulla. Bağlantının kalitesini doğrulamak için tahribatsız test yöntemleri devreye girer. En yaygın yöntem, grout içine yerleştirilmiş piezoelektrik sensörlerle yapılan ultrasonik tomografidir. Sensörler, harcın içindeki ses hızı profilini çıkararak boşluk veya segregasyon olup olmadığını tespit eder. Ses hızı sağlam groutta saniyede üç bin beş yüz ila dört bin metre aralığındayken, boşluklu bölgede bu hız iki bin metreye kadar düşer. Her bir jacket ayağında en az sekiz sensör çifti bulunur, bunlar halka boşluğun çevresine eşit aralıklarla yerleştirilir.
Kabul edilebilir boşluk oranı hacimce yüzde ikinin altındadır. Yüzde iki eşiği aşılırsa bağlantı reddedilir ve jacket ayağındaki grout tamamen su jetiyle sökülüp işlem tekrarlanır. Su jetiyle söküm, üç yüz bar basınçta çalışan özel nozullarla yapılır ve bir ayağın temizlenmesi sekiz ila on iki saat sürer. Açık denizde bir temeli geri sökmek, onu kurmaktan yaklaşık üç kat daha pahalıya mal olur.
Grout harcının hidratasyon ısısı, operasyonu yönetenlerin pek sevdiği bir konu değildir. Çimento suyla temas ettiğinde ekzotermik bir tepkime başlatır. Jacket ayağıyla kazık arasındaki halka şeklindeki boşluk, yaklaşık yedi ila on beş santimetre kalınlığındadır. Daracık alanda hidratasyon ısısı hızla birikir. İç sıcaklık kimi zaman yetmiş santigrat dereceye tırmanırken, dış yüzey dört derecelik deniz suyuyla temas halindedir. İç-dış arasındaki bu termal gradyan, harcın içinde çatlak riski doğurur. Gradyanın büyüklüğü santimetre başına on beş dereceyi bulabilir, bu değer normal beton dökümlerinde kabul edilenin neredeyse üç katıdır.
Mühendislik çözümü, karışımın içine konan öğütülmüş yüksek fırın cürufu veya uçucu küldür. Her ikisi de puzolanik malzemedir. Puzolanlar kendi başlarına bağlayıcı değildir, ancak çimento hidratasyonu sırasında açığa çıkan kalsiyum hidroksitle tepkimeye girerek ek bağlayıcı jel oluşturur. Tepkime yavaş gerçekleştiği için ısı çıkışı zamana yayılır ve tepe sıcaklığı düşer. Standart bir açık deniz grout karışımında çimento oranı yüzde elli civarındayken, geri kalan bağlayıcının yüzde otuz beşi cüruf, yüzde on beşi uçucu kül olabilir. Karışım tasarımındaki bu incelik, jacket temelin ömrünü yirmi beş yıldan otuz beş yıla çıkaran sessiz faktördür. Puzolan kullanımı ayrıca harcın klorür geçirgenliğini de azaltır, klorür iyonlarının çelik yüzeye ulaşması yavaşlar ve korozyon başlangıcı gecikir.
Isı yönetiminin bir başka boyutu da enjeksiyon hızıdır. Pompa debisi saatte sekiz metreküpü aştığında, hidratasyon ısısı ani bir pik yapmaya başlar. Sebep basittir, hızlı enjeksiyon taze harcın önceden pompalanmış ve ısınmaya başlamış harcın yanına hızla yığılmasına yol açar, ısı kaçacak zaman bulamaz. Saha pratiğinde ideal enjeksiyon hızı saatte dört ila altı metreküp aralığında tutulur. Bir başka incelik de enjeksiyon sıcaklığıdır. Karışım suyu bazen soğutma ünitesinden geçirilerek on santigrat derecenin altına düşürülür, böylece başlangıç sıcaklığı düşük tutulup tepe sıcaklığının yetmiş dereceye varması engellenir.
Soğutma ünitesi, gemideki karıştırma tesisine entegre bir endüstriyel soğutucudur ve saatte on metreküp suyu beş dereceye kadar soğutabilir. Bütün bu önlemler, bir yandan gelgit penceresini kaçırmamak, diğer yandan harcı pişirmemek arasındaki hassas bir dengedir.
Mart 2018, Beatrice Açık Deniz Rüzgar Santrali, İskoçya’nın Moray Firth bölgesi. Seaway Heavy Lifting’e ait Stanislav Yudin gemisi, on iki jacket temelden sekizini sorunsuz kurmuştu. Dokuzuncu jacket’te, kürlenme tamamlandıktan sonra yapılan ultrasonik tomografi taramasında, dört ayaktan birinde hacimce yüzde dört boşluk oranı tespit edildi. Deniz suyu sıcaklığı beş santigrat dereceydi ve enjeksiyon sırasında pompa hattında kısa süreli bir hava kabarcığı girişi kaydedilmişti. Bağlantı reddedildi. Söküm ve yeniden grout enjeksiyonu, proje takvimine on bir günlük gecikme ve yaklaşık bir buçuk milyon sterlinlik ek maliyet olarak yansıdı. Alınan ders basitti, grout operasyonu bir dolgu işlemi değil, sürekli izlenen bir kritik yol faaliyetidir ve en küçük hava girişi bile reddedilme sebebidir.
Sayılar temsili, mantık gerçek.
| Kalem | Değer |
|---|---|
| Jacket başına kazık sayısı | 4 adet |
| Kazık başına halka boşluk hacmi (ortalama) | 8 metreküp |
| Jacket başına toplam grout hacmi | 32 metreküp |
| Grout metreküp maliyeti (malzeme + karıştırma) | 350 EUR |
| Jacket başına grout malzeme maliyeti | 11.200 EUR |
| Enjeksiyon ekipmanı günlük kirası | 18.000 EUR |
| Tipik enjeksiyon süresi (jacket başına) | 1,5 gün |
| Jacket başına ekipman maliyeti | 27.000 EUR |
| İşçilik + destek gemisi (jacket başına, günlük) | 45.000 EUR |
| Jacket başına işçilik ve lojistik (1,5 gün) | 67.500 EUR |
| Jacket başına toplam grout operasyonu maliyeti | 105.700 EUR |
| Projedeki jacket sayısı | 50 adet |
| Toplam grout bütçesi | 5.285.000 EUR |
Yukarıdaki hesap, grout’un malzeme maliyetinin toplam içindeki payının sandığınızdan küçük olduğunu gösterir. Yalnızca yüzde on civarı. Asıl maliyet, vinç gemisinin ve ekibin zamana bağlı faturalarıdır.
O yüzden Beatrice olayındaki on bir günlük gecikmenin faturaya yansıması, harç malzemesini yeniden almanın ötesinde, ağır ekipmanın atıl beklemesiyle katlanmıştır. Şimdi bir duyarlılık twisti, kürlenme süresinin su sıcaklığı sebebiyle yirmi dört saatten kırk sekiz saate çıktığı bir kış projesinde, ekipman ve işçilik maliyeti jacket başına otomatik olarak iki katına yaklaşır. Elli jacket’lık bir projede takvim farkı, toplam bütçeye kabaca dört milyon avro ekler. Grout karışımının içine konan cüruf miktarıyla oynayarak kürlenme süresini kısaltma arzusu işte buradan doğar.
Birinci katman, jacket temeli bir inşaat işlemi olarak görmektir. Bunu çoğu sektör raporu başarır. İkinci katman, jacket temeli bir malzeme bilimi ve enjeksiyon lojistiği problemi olarak okumaktır. Hidratasyon ısısı, puzolan oranı, enjeksiyon hızı, ultrasonik tomografi eşiği ve yüzey profili geometrisi bu katmana aittir. Üçüncü katman, jacket temelin aslında bir zaman yönetimi ve gecikme sigortası sözleşmesi olduğunu fark etmektir. Vinç gemisinin günlük kirası, harç faturasından çok daha yüksek olduğu sürece, grout teknolojisindeki her iyileştirme aslında bir takvim sıkıştırma mühendisliğidir.
Üçüncü katmanı görebilen bir göz için, açık denizdeki o çamur perdesi artık yalnızca bir yapı elemanı değil, okyanusla pazarlık eden bir saatin akrep ve yelkovanıdır.