Betonarme elemanlarda çekme, basınç, kesme, eğilme, burulma

Paylaşmak Güzeldir:


Bu yazımızda betonarme elemanlarda davranış şekilleri; çekme, basınç, kesme, eğilme, burulma etkisi incelenecektir. 

Betonarme elemanlarda davranış şekilleri

Çekme Etkisi – Betonarme elemanlarda davranış şekilleri

Eğer herhangi bir yapı elemanı, kendi aksına paralel doğrultuda kuvvetler ile zorlanmakta ise bu yapı elemanı çekme etkisi altındadır. Yapılarda basit çekme etkisine genellikle silo ve sıvı depolarında, gergili sistemlerin elemanlarında rastlanmaktadır. En küçük çekme gerilmesinde bile betonarme yapı elemanında, beton olan kısım çatlama gösterecektir (Aka ve Altan, 1992).

Şekil 3.1: Çekme etkisindeki elemanlarda gerilme dağılımı.

Donatısı simetrik yerleştirilmiş bir betonarme kesitte betonu çatlatmayacak bir düzeyde eksenel çekme uygulandığında söz konusu yük, beton ve donatı tarafından ortaklaşa taşınmaktadır. Eksenel çekme betonun çekme dayanımını aştığında, beton çatlayacak ve bu durumda tüm yük donatı tarafından taşınacaktır. Eksenel çekme nedeni ile çatlakları, eleman eksenine dik olarak elemanı çepeçevre sarmaktadır. Eksenel çekme altındaki elemanlarda en az gevrek kırılmayı önleyecek kadar donatı bulundurulmalıdır. Minimum donatı olarak adlandırılan donatı çatlama dayanımı, çatlak sonrası dayanımına eşitlenerek bulunabilir (Ersoy ve Özcebe, 2001).

Basınç Etkisi – Betonarme elemanlarda davranış şekilleri

Herhangi bir yapı elemanı, kendi aksına paralel doğrultuda basınç gerilmesi uyguluyorsa, o yapı elemanı basınç etkisi altındadır. Elemanın en kesitine tesir eden basınç kuvvetleri en kesitin bütün liflerindeki (beton ve çelik dahil) eşit kısalmalar meydana getirmektedir.

Çekme etkisindeki bir yapı elemanının eğilme rijitliği aranmamasına karşın, basınç etkisindeki elemanların eğilme rijitliği burkulmaya karşı dirençli olması açısından önemlidir. Basınç etkisindeki bir kolonun deformasyon hali şekil 3.2’de gösterilmiştir.

Şekil 3.2: Basınç etkisindeki kolonun deformasyon hali.

Basınç taşıyan elemanlar için en basit örnek, kolonlar olarak gösterilmektedir. Kolonlar, basınç taşıyan elemanlar olduklarından, boyutları ayarlanarak tüm eksenel yükü betona taşıtmak ve böylece donatısız kolon yapmak ilk bakışta mantıklı görülebilmektedir. Ancak kolonlarda büzülme ve sünme deformasyonları ve olası kolonlarda eğilme momentleri göz önünde bulundurularak, yönetmeliklerde donatısız kolon yapılmasına izin verilmemektedir.

Kolona uygulanan basınç kuvveti sonunda enine genişleme yönünde deformasyon yapacaktır. Bunu engelleyebilmek için yatay etriyeler düzenlenmesi gerekir. Etriyelerin sık olmadığı betonarme bir basınç elemanda beton dayanımının kaybedilmesiyle, boyuna donatıların burkulmaları meydana gelir.

Kesme Etkisi – Betonarme elemanlarda davranış şekilleri

Yapı elemanının eksenine dik doğrultuda etkiyen yatay kuvvetler, elemanda kesme kuvvetlerinin oluşmasına neden olmaktadır. Kesme kuvvetine maruz betonarme yapı elemanlarının dayanım hesabı kayma gerilmeleri esas alınarak yapılır (Aka ve Altan, 1992).

Betonun kayma ve basınç dayanımı çekme dayanımından yüksek olduğundan, basit kayma durumunda kırılma, asal çekme gerilmeleri nedeniyle oluşur. Asal çekme gerilmeleri, kayma gerilmelerinin etkidiği yüzeye 45 derecelik açı yapan bir düzlem üzerinde etkiyeceğinden kırılma, asal çekme gerilmelerine dik yönde oluşan eğik bir çatlakla meydana gelir. Bu tür çatlama eğik çatlak olarak adlandırılabilir. Asal çekme gerilmeleri nedeniyle oluşan bu tür çatlaklar son derece tehlikelidir ve ani kırılma dediğimiz gevrek kırılmaya neden olabilir.

Kayma donatısı bulunmayan elemanların kesme etkisinde kırılmaları bu tür ani ve gevrek olur. Bu tür kesme kırılması oluştuğunda eleman eğilme kapasitesine ulaşamaz. Bu nedenle, kayma noktası yetiştirilen betonarme elemanda, sözü edilen eğik çatlaklar kılcal düzeyde kalarak, elemanın eğilme kapasitesine erişmesini sağlayacaktır (Ersoy, 1987).

Günümüz yönetmeliklerinin birçoğunda, kesme gerilmeleri ne kadar küçük olursa olsun, kesme donatısı bulundurma zorunluluğu vardır. Kesme kuvveti etkisi ile ilgili olarak TS 500’de aşağıdaki tanımlamalar yer almaktadır.

Betonarme yapı elemanlarında eğilme momenti ile birlikte etkiyen kesme kuvvetlerinin oluşturduğu asal çekme gerilmeleri ve beton ve uygun kesme donatısı ile karşılanacak, asal basınç gerilmeleri gövdede ezilme oluşturmayacak bir düzeyde tutulması sağlanmalıdır. Kesme güvenliği için kesme dayanımının, tasarım kesme kuvvetinden büyük veya eşit olması gerekmektedir. Ayrıca minimum etriyelerin bulundurulması zorunludur (TS 500, 2000).

Eğilme Etkisi – Betonarme elemanlarda davranış şekilleri

Kesitte pozitif eğilme momenti etkisiyle üst bölümde basınç ve alt bölümde çekme gerilmeleri meydana gelecektir. Betonun çekme dayanımının çok küçük olması nedeniyle eğilme momentinin küçük değerinde bu dayanıma ulaşılır. Kesitin en alt bölümündeki gerilmeler çatlama sonucu kaybolur. Alt bölümün kesitin tarafsız eksenine yakın kısımlarında çekme dayanımından küçük çekme gerilmeleri bulunabilir. Ancak değerlerinin diğer gerilmelere göre çok küçük olması ve tarafsız eksene yakınlıkları nedeniyle ihmal edilirler. Bu durumda kesitte çekme gerilmeleri sadece altta bulunan donatılarda meydana gelir.

Tarafsız eksenin üst bölümünde ise betonda basınç gerilmeleri oluşur. Çekme gerilmelerinin karşılanması için alt bölümünde bulunan donatılar eğilme momentine katkılarının büyük olması için tarafsız eksenden uzakta en altta yerleştirilmelidir.

Elemana yerleştirilecek donatının miktarı, oranı, konumu ve düzeni, etkiyen yüke de bağlı olarak betonarme elemanın davranışını değiştirecektir.

Eğilme etkisindeki betonarme elemanlarda donatı oranına bağlı olarak basınç kırılması, çekme kırılması ve dengeli kırılma olmak üzere üç tür kırılma görüldüğünü belirmektedir (Doğangün, 2002).

Betondaki ezilme ile donatıdaki akma olayını aynı anda oluşmasıyla meydana gelen kırılma gevrek kırılma olup, “dengeli kırılma” adını da alır. Bunu neden olan donatı oranı ise dengeli donatı olarak adlandırılır. Kesit malzemelerinin tam kapasitelerinin kullanılması ve dolayısıyla optimum kesit olmasına rağmen, bu tür istenen bir davranış değildir.

Donatı akma sınırına ulaşmadan beton ezilmesinin meydana gelmesi durumuna da “basınç kırılması” adı verilir. Bu davranışta donatıda meydana gelen uzama, akma dayanıma karşı gelen uzamadan az iken beton maksimum birim kısalmasına ulaşmıştır. Ani olarak meydana geldiği için kırılması istenmeyen davranıştır. Donatı oranı olarak bu tür elemanlarda denge üstü donatı bulunmaktadır.

Beton ezilmeden önce donatı akmasının oluşması, yani beton ezilme birim kısalmasına ulaşmadan önce donatıdaki birim uzamada, akma dayanımına karşı gelen birim uzamayı aşması sonucu betonun birim kısalmasının sınır değerine ulaşıncaya kadar donatıdaki birim uzama artmaya devam eder. Bu tür kırılma “çekme kırılması” adını alır ve sünek kırılma davranış biçimidir. Bu tip elemanların donatı oranı ise denge altıdır.

Eğilme ve Kesme Gerilmelerinin Karşılaştırılması

İnşaat mühendisi, herhangi bir yapıyı projelendirirken betonarme kesit hesabı yapmalıdır. Bu kesit hesabı sonucunda, kesitin ihtiyaç duyacağı donatıyı seçecek ve sadece seçmekle kalmayıp, donatıların kesit içerisinde hangi konumda bulunması gerektiğine de karar verecektir. İşte donatıların konumu, hakkında karar verilirken, eğilme ve kesme etkilerinin ne gibi tesirleri olacağını ve ne gibi deformasyona sebebiyet vereceği bilinmelidir.

Herhangi bir yapı elemanında eğilme momentinin en üst düzeyde olduğu zaman kesme kuvvetinin etkisinin çok düşük düzeyde olacağı bilinmektedir ya da tam tersi durumlar olabilmektedir.

Örnek olarak bir kiriş elemanını ele alacak olursak, bunun mesnet bölgesindeki kesitte kesme kuvvetinin minimum olacağı bilinmektedir. Şekil 3.4’ de kesme kuvveti için etkili donatı düzeni gösterilmektedir. Bu şekilde kesme kuvvetinin, çekme etkisinin maksimum olduğu yerde donatı çubuğunun bükülmeden düz olarak uzatılmasının iyi bir ekonomi sağlandığı tartışmasız ortadadır.

Böylelikle tek hamlede (aynı donatı çubuğu ile) aynı elemanın farklı bölgelerindeki farklı karakterdeki kesit tesirlerine (eğilme ve kesme kuvveti etkinse) cevap verilebilmektedir.

Sekil 3.4: Kesme kuvveti için etkili donatı yüzeyi.

Burulma Etkisi

Betonarme yapılarda burulma bu tür sistemlerin monotonik olma karakterinden genelde ortaya çıkmaktadır. Burulma momenti çubukta kayma ve dolayısıyla çekme gerilmeleri meydana getirdiğinden taşıyıcı sistemleri düzenlenirken bu etkiden mümkün olduğunca kaçınılması gerekir.

Burulmalar betonarme sistemlerde iki farklı şekilde oluşmaktadır. Sistemin dengede kalması için gerekli olan burulma momenti, denge burulmasıdır. Örnek olarak, konsol merdiven basamaklarını taşıyan kiriş bu görevi yapabilmek için, burulma momentine dayanıklı olmalıdır. Yani, kirişte meydana gelen burulma momentleri dengeyi sağlamak için gereklidir. Buna karşılık, burulma momentleri karşılanmasa bile sistem dengede kalabiliyorsa buna da “uygunluk burulması” adı verilir (Aka ve diğ., 2001).

Çatlamanın belli bölgede ortaya çıkmasıyla kesitin davranışı tamamen değişecektir. Burada helisel çekme çatlağı dışında, kesitin diğer tarafında ayrılmayı oluşturan basınç ezilmesi de bulunmaktadır.

Betonun çekme dayanımına ulaşıldığında betonarme elemanın güç tükenmesine geldiği için oluşarak kırılma istenmeyen davranış biçimi şeklinde ani ve gevrek oluşacaktır.

TS 500(2000)’ de belirtildiği gibi, burulma, kesme ve eğilme altında zorlanan yapı elemanlarında oluşacak asal çekme gerilmeleri, yeterli donatı ile karşılanmalı, asal çekme gerilmeleri ise, gövdede ezilme oluşmayacak bir düzeyde tutulmalıdır.

Uygunluk burulması durumunda etriye ve boyuna donatısı hesabı yapılmayabilir. Bu durumda, minimum donatı bulundurulması gerekmektedir. Ancak bu donatı basit kesme için gerekli donatıdan az olmamalıdır.

Şekil 3.5’ de burulma momenti etkisindeki elemanın davranışı ve donatı düzeni görülmektedir ( Celep ve Kumbasar, 1998).

Sekil 3.5: Burulma momenti etkisindeki eleman davranısı ve donatı düzeni

Burulma etkisindeki elemanın davranışının kontrol edilmesi ve dayanımının arttırılması için helisel şekilde ortaya çıkan asal çekme gerilmeleri doğrultusunda donatı yerleştirilebilir. Ancak burulma momentinin yer değiştirmesi ile çekme gerilmeleri ile basınç gerilmeleri yer değiştireceğinden bu şekilde yerleştirilen donatının hemen hemen dayanıma hiçbir etkisi olmaz. Bunun yerine asal çekme gerilme yörüngesine yaklaşık 45 derece açı yapan boyuna ve enine donatıların kullanılması betonarme elemanların davranışı açısından daha olumlu olacaktır.

Zımbalama Etkisinde Davranış

Betonarme yapılarda plak türünden elemanlar ile kolon türünden elemanlar birbirine yük aktarırken, önemli kayma gerilmeleri ortaya çıkar. Bu tür gerilme durumu
karşılanmadığında söz konusu bölgelerde eğik çekme gerilmesinin etkisiyle “zımbalama” olarak adlandırılan durum ortaya çıkarak, kolon ve plak arasındaki bağın kopmasına sebep olur. Döşeme plağının kiriş olmaksızın doğrudan kolona mesnetlenmesi durumunda kolon ve döşeme ortak düzeyinden döşemeye gelen yüklerin aktarmalarında döşeme kalınlığının ve kolon boyutlarının küçüklüğü bu birleşimi zorlayacak ve bunun sonucunda zımbalama ortaya çıkacaktır. Yalnız, kirişsiz döşemelerdeki zımbalama bir katın çökmesine veya alt kata ani uygulayacağı yükle taşıyıcı sistemin tamamen çökmesine sebep olabilirken, temellerde ise taşıyıcı sistemde tamiri çok zor hasara, hatta sistemin kullanılmaz duruma gelmesine sebep olabilir. Her ikisinde de güç tükenmesi ani ve gevrek olduğundan zımbalama kaçınılması gereken bir durumdur (Celep ve Kumbasar, 2001).

Şekil 3.6’ da bu tür zımbalama olayının meydana gelebileceği iki yer gösterilmiştir.

Şekil 3.6: Kirişsiz döşeme ve temellerde zımbalama

Döşeme plağının kiriş olmaksızın doğrudan kolona mesnetlenmesi durumunda kolon ve döşeme ortak düzeyinden döşemeye gelen yüklerin aktarmalarında döşeme kalınlığının ve kolon boyutlarının küçüklüğü bu birleşimi zorlayacak ve bunun sonucunda zımbalama ortaya çıkacaktır. Bunun dışında temellerde zımbalama olayı döşemedekinin benzeri olarak oluşmaktadır. Yalnız, kirişsiz döşemelerdeki zımbalama bir katın çökmesine veya alt kata ani uygulayacağı yükle taşıyıcı sistemin tamamen çökmesine sebep olabilirken, temellerde ise taşıyıcı sistemde tamiri çok zor hasara, hatta sistemin kullanılmaz durma gelmesine sebep olabilir. Her ikisinde de güç tükenmesi ani ve gevrek olduğundan zımbalama kaçınılması gereken bir durumdur (Celep ve Kumbasar, 2001).

TS 500 (2000)’e göre sınırlı bir alana yayılmış yükler veya kolonlar tarafından yerel olarak yüklenen plakların zımbalama dayanımı hesaplanarak, bunun tasarım zımbalama kuvvetine eşit veya ondan büyük olduğu kanıtlanması gerekmektedir.

Zımbalama dayanımının sağlanamaması durumunda uygulanabilecek çözümler döşeme kalınlığını arttırmak, kolon boyutlarını arttırmak, beton kalitesini arttırmak ve zımbalama donatısı kullanmaktır.

En uygun çözüm döşeme kalınlığını arttırmaktır. Sadece zımbalama için kolon boyutlarının arttırmak mimari açıdan istenmeyebilir ve beton kalitesi artırılabilir. Ancak bunun proje üzerinde yazılı olarak kalması ve uygulamaya yansıtılmaması durumunda çok tehlikeli sonuçlar doğurabilir. Zımbalama dayanımını arttırmak için zımbalama donatısı kullanmak söz konusu olduğunda, uygulamalarda birbirinden farklı zımbalama donatıları kullanımı söz konusu olabilecektir.(Doğangün, 2002)

 

Kaynak

İnşaat Müh. Hasan ÖZKAYNAK

DEPREM BÖLGELERİNDEKİ BETONARME YAPILARDA DONATI DÜZENLEME İLKELERİ

Cevap Bırakın