betonarme
Beton

Betonarme nedir? Avantajları ve betonarme yapının oluşturulması

Betonarme; Betonun eğilme ve çekme gibi etkilere karşı içerisine çelik eklenmesi ile ortaya çıkan, beton ve çeliğin birlikte çalıştığı dayanıklı yapılar betonarme olarak adlandırılır.

Betonarme

Betonun yüksek basınç dayanımları yanında çok küçük çekme dayanımları bulunması bunları basınç elemanlarında kullanılacak şekilde sınırlandırmış, eğilmeye çalışan elemanlarda ise hava koşullarında bozulan, yangına karşı emniyetsiz ahşap ve çelik kullanmak zorunda kalınmıştır.

Betonarmeyi; beton ve çelik donatı çubuklarının beraber çalışarak, birbirlerinin eksikliklerini tamamlayacak şekilde bir araya gelmesi şeklinde tanımlamıştık. İnsanlar binlerce yıl önce taşı yapı malzemesi olarak kullanmaya başladığında iyi bir bağlayıcı malzeme olmadığı için uygulama alanı çok sınırlı kalmıştır. Büyük açıklıkların geçilmesi tek parça taşlardan oluşan kirişler kullanılmıştır. Ancak taşın çekme dayanımı düşük olmasından dolayı geçilen açıklıklar sınırlı kalmış ve taşların yerine konması büyük sorunlar oluşturmuştur. Büyük açıklıkları geçme isteği sonucu olarak, tüm kesitin basınca çalıştığı kemer sistemleri gelişmiştir.

Betonarme tarihi

İyi bir bağlayıcı olan çimento ilk kez Romalılar tarafından kullanıldığı sanılmakta ve Romalılardan 18. yüzyıla kadar da bağlayıcı konusunda önemli gelişme olmamıştır. 1824 yılında İngiltere’nin Leeds kentinde, Joseph Aspdin isimli bir duvarcı ustası yaptığı çalışmalar sırasında bir kısım doğal kil ile 3 kısım kalker karışımını pişirip öğüterek dayanımı ve dayanıklığı yüksek ilk çimentoyu elde etmiştir. Bu ürünün yeşil gri olan renginin İngiltere’nin güneyinde yer alan Portland adasındaki yapı taşlarını andırdığından; Joseph Aspdin, elde ettiği bu bağlayıcı için 1824 tarihinde “Portland Çimentosu” adı altında patent almıştır.

Çimentoya kum, çakıl ve su karıştırılarak elde edilen betonun çekme ve darbeye karşı dayanıksızlığı görülerek, bu malzemenin demir çubuklarla güçlendirilmesi yoluna gidilmiştir. Böylelikle betonarme ortaya çıkmıştır (Ersoy ve Özcebe, 2001).

Ama içine çelik konan her betonun betonarme olmadığı unutulmamalıdır. Yükleri taşıyan çelik profilli yangından korumak veya yüklerin yayılmasını sağlamak amacıyla betonla örtmek, çelik yapı olması niteliğini değiştirmez. Ayrıca rötre, sıcaklık değişimi gibi nedenlerle oluşabilecek çatlakları önlemek amacıyla büyük beton kütleleri yüzeyine yakın bir çelik hasır konulsa bile bunlar yine beton yapılardır.

Çok katlı yapılarda, köprülerde, yol ve alan kaplamalarında, barajlarda, istinat duvarlarında, tünellerde, viyadüklerde, su haznelerinde ve değişik yapılarda kullanılan betonarme yapının diğer yapı malzemelerine göre daha avantajlı olmasının nedenleri aşağıda sıralanmıştır.

Betonarmenin avantajları

  1. Betonun basınç dayanımı, diğer yapı malzemelerine oranla çok yüksek olduğundan daha narin yapılar betonarmeyle daha küçük kesitler kullanılarak imal edilebilmektedir.
  2. Çelik yapıya göre yüksek sönümlü rijit taşıyıcı sistemler teşkil edilebilmekte ve yatay deplasmanlar daha küçük düzeydedir.
  3. Yangın için ek önlemlere gerek kalmamaktadır.
  4. Betonarme yapıların inşaat bakımı diğer malzemelere göre en uygun olanıdır.
  5. Taşıyıcı elemanlardaki çok sayıda tekrarlanma, ekonomik kalıp tekniklerinin kullanılması ve maliyet yönünden uygun inşaat tekniğinin seçimine olanak vermektedir (Aka ve Altan, 1992).
  6. Dayanımı zamana göre azalmayıp, iyi bakım sağlandığı taktirde, betonarme yapının kullanım süresi sınırsız olmaktadır.
  7. Betonarme elemanlarda şekil verebilme vardır. Bu nedenle mimari estetik daha kolay uygulanabilmektedir.
  8. Betonarme maliyeti düşük bir malzemedir.
  9. Çelik yapılara nazaran daha az kalifiye elemana ihtiyaç duyulur.
  10. Betonarme elemanlarda hiperstatiklik özelliğini yakalamak daha kolaydır. Çelik yapılarda, birleşim bölgeleri ek bir özen ve dikkat gerektirirken, betonarme inşaatta bu özen ve dikkate gerek kalmayabilir.

Betonarme yapının avantajları yanında bazı dezavantajlarının da belirtilmesi gerekmektedir. Bu dezavantajları aşağıda belirtilmiştir.

Betonarmenin dezavantajları

  1. Betonun düşük çekme dayanımının olması, çekme dayanımına göre gevrek olması çelik donatılarla kullanılmasını zorunlu kılmaktadır.
  2. Betonun prizini alıncaya kadar kalıpta tutulması ve desteklenmesi için iskeleye ihtiyaç duyulmaktadır.
  3. Zemine fazla ağırlık vermesi ve bu ağırlığına göre dayanımı düşük olması, gerekli dayanımı sağlamak için yapıda daha fazla ağırlık doğurmaktadır.
  4. İnşaat süresi çelik yapıya göre daha uzun olmaktadır.
  5. Düşey taşıyıcı boyutlarının büyüklüğü ve ilerdeki kullanım değişikliklerine göre esnekliğinin az olmasıdır.
  6. Betonarme yapılarda dayanımda büyük önemi olan donatıların varlığı ve yeterliliği çok önemlidir. Bu nedenle betonarme inşaatta beton dökülmeden önce donatıların projeye uygun yerleştirilmesinin kontrolü oldukça büyük önem taşımaktadır.
  7. Betonarme yapıların güçlendirilmesi çok zordur. Yeni yapılanması düşünülen ilave yapı elemanlarının eski yapı elemanlarına uyum sağlaması zordur (Aka ve Altan, 1992).

Betonarme elemanın elastisite sınırı aşılmadığı sürece herhangi bir noktadaki gerilmesinin aynı noktadaki şekil değiştirmesi ile orantılı olduğunu kabul eden “Hooke Kanunu” çelik için akma gerilmesine kadar uygun olduğu halde, beton için uygun olmayacağı belirtilmiştir. Fakat uzun yıllar bu kanunun beton için de kabul edildiği yöntemler kullanılmış ve bunlar “Elastik Yöntem” adını almışlardır. Betondaki gerilmelerin kısalmalarla değişmesinin gerçek durumunu esas alan sınır durumların ortaya çıkması ile elastik teori terkedilmiştir (Aka ve Diğerleri, 2001).

Herhangi bir betonarme yapı elemanın oluşturulması

Tasarım sözcüğü, bir yapısal sorun için mümkün olan çeşitli çözümleri belirlemek, incelemek ve bunlardan uygun görülen birini seçmek serbestliğini ifade eder. İyi bir tasarımcı, verilen bir durum için bölgesel şartlara, malzemeye uyan bir çözümü bulur. Endüstrileşmiş bir ülkede tasarımcının önünde biçim, malzeme ve teknoloji olarak çok geniş bir seçenekler topluluğu vardır. Çevre koşulları yanında sosyal ortam da uygun çözümü etkileyecektir (Aka ve Altan, 1992).

Sağlıklı bir betonarme bir yapının taşıyıcı sistem oluşturulmasında izlenen adımlar gereken özen gösterilmeli ve taşıyıcı sistem yapının karakterine uygun, ekonomik ve teknik koşulları sağlamalıdır. Bir tasarımcı, öncelikle yapı taşıyıcı sistemini belirlemeli, yapıya ömrü boyunca tek tek veya belirli gruplar halinde gelebilecek yüklerin büyüklüğü, etkidiği yeri, etki sıklığı gibi özellikleri dikkate almalı, bunların elverişsiz yükleme durumunda kesit zorlarını belirlemeli ve arıza yapacak şekil değiştirmelerin olmamasına dikkat etmeli ve bütün bunlar göz önüne alınarak enkesit biçim ve boyutlarını belirlemelidir.

Bir betonarme yapının oluşturulmasında izlenecek olan adımlar aşağıda anlatılmaktadır.

Ön boyutlandırma

Yapıların önceden boyutlarının belirlenmesi işine “ön boyutlandırma” denilmektedir. Taşıyıcı sistemin binanın işlevini yerine getirebilecek şekilde seçilmesi, statik ve yönetmeliklerde verilen konstrüktif kurallar göz önüne alınarak taşıyıcı sistem elemanlarının gerekli boyutlarının seçilmesi, statik sistemin oluşturulması, gerçek taşıyıcı sistemin kesit ağırlık merkezinden geçen sistem çizgileri ile idealizasyonu, yüklerin oklarla, mesnetlerin sembollerle gösterilmesi ön boyutlandırma olarak tanımlanabilmektedir. (Tüm yapı tekil taşıyıcı elemanların bölünerek taşıyıcı sistem idealleştirilir) Bu sistem sırasında sınır şartları ve rijitliklerin olabildiğince gerçeği yansıtacak şekilde seçilmesine çalışılmalıdır.

Statik hesap

Ön boyutlandırması yapılan elemanlara etki eden çeşitli yük bileşimleri göz önüne alınarak her bir elemana ait kesit tesirlerinin (Mx, My, T, Vx, Vy, N) hesabı ve taşıyıcı sisteme etki eden yüklerin bulunarak yapının ve yapı elemanlarının kesit tesirlerinin bulunmasıdır. Bir yapıya etki eden yükler de genel olarak,

  1. Düşey yükler,
  2. Yatay Yükler
  3. Sıcaklık Değişimi ve Rötre
  4. Mesnet Çökmeleri olarak sınıflandırılabilir.

Betonarme hesap

Arttırılmış ve birleştirilmiş dış kuvvetler altında oluşan kesit tesirleri yardımıyla betonarme elemanlarda iç kuvvetlerin bulunması, iç kuvvetler yardımıyla donatı hesabı ve betonun basınç bölgesinde kontrolü, yürürlükteki yönetmelikler göz önüne alınarak kullanım yükleri altında çatlak genişliği ve sehim kontrolü betonarme hesaba girmektedir.

Genel olarak yapısal çözümlemelerde, malzeme davranışı ile ilgili çeşitli varsayımlar yapılmaktadır. Malzemenin doğrusal-elastik ve yer değiştirmelerin, denge ve geometrik süreklilik denklemlerine etkileri terk edilebilecek kadar küçük varsayımlarının yapıldığı ”Doğrusal Teori” ve malzemenin doğrusal elastik olmadığı, davranışın elastoplastik olduğu varsayımına dayanan çözümleme olan “Doğrusal Olmayan Teori” den oluşmaktadır. Doğrusal teoride boyutlandırma ve donatı hesabında iki yöntem söz konusudur. Bunlardan ilki olan çelik ve betonun doğrusal elastik davrandığı varsayımına dayanmaktadır. Bu yöntem emniyet gerilmeleri yöntemi ya da elastik yöntem olarak adlandırılabilmektedir.

İkinci yöntem ise daha gerçekçidir. Buna “Sınır Durumlar Yöntemi” denilmektedir. Sınır durumlar yöntemi iki aşamalı olup, birincisi taşıma gücü ikincisi ise kullanılabilirlik sınırı durumda güvenliğin sağlanması amacını taşımaktadır. TS 500’ de sadece “ Sınır Durumlar” yönteminin kullanılmasına izin verilmekte olup, “Emniyet Gerilmeleri Yöntemi” yönetmelikten çıkarılmıştır.

Ama her iki boyutlandırma türünde,yapının stabilite (kararlılık) kontrolleri yapılmalı ve şekil değiştirmeler, yer değiştirmeler ve betonarme sistemlerde çatlak kalınlıkları sınırlı olmalıdır (Özer, 2008).

Taşıma gücü yöntemi

Bu yöntemin amacı, kesitin güç tükenme anındaki kapasitesini belirlemektir. Kesit hesabı için yapılan bu yöntemde, yapıya etkiyen işletme yüklerinden oluşan gerilmeler, malzemenin doğrusal-elastik sınır gerilmesinin bir güvenlik katsayısına bölünmesiyle elde edilen emniyet gerilmesinden daha küçük olacak şekilde sistem boyutlandırılmaktadır.

a = İşletme yüklerinden oluşan gerilme

a s= Doğrusal- elastik sınır gerilmesi

e = Güvenlik katsayısı

a em= a s / e olmak üzere,

a ≤a em koşulu sağlatılmaktadır.

TS500 ’de taşıma gücüne dayalı kesit hesabında, betonun çekme dayanımının ihmal edileceği, donatı ile betonun aynı şekil değiştirme yapacağını düzlem kesitin şekil değiştirmeden sonra da düzlem kalacağını, donatının elastoplastik davrandığını varsaymaktadır.

Emniyet gerilmeleri yöntemi

“Emniyet Gerilmeleri Yöntemi”, beton ve çeliğin doğrusal elastik davrandıkları varsayımı ile yapılan kesit hesabıdır. Bu yöntemde temel ilke, bu varsayımla hesaplanan gerilmelerin, daha önce saptanan emniyet gerilmelerini aşmamasıdır. TS 500’ de betonarme hesabın taşıma gücü yöntemi ile yapılmasını öngörülmektedir.

Donatıların konstrüktif kurallarda göz önüne alınarak teşkili

Donatıların yürürlükte bulunan yönetmeliklerin öngördüğü şekilde konstrüktif esaslarını sağlayacak şekilde (moment kapama diyagramları, kenetlenme boyları, bindirme boyları vs.) çizimsel olarak gösterimi donatıların konstrüktif kuralları göz önüne alınarak teşkili olarak tanımlanabilir.

Özetleyecek olursak, yapıların boyutlandırılması işlemi gerçekte bir iteratif işlemdir. Çünkü betonarme yapı sistemleri monolatik olmaları nedeniyle yüksek dereceden hiperstatik, diğer biri ifadeyle çok bağlı sistemlerdir. Bu sistemlerin statik olarak hesaplanabilmesi için hesaba başlarken, hiç olmazsa taşıyıcı sistem oluşturan yapı elemanlarının kesitlerinin atalet momentleri oranları bilinmelidir. Dolayısıyla bu tür sistemlerde ön boyutlandırma önemli bir konudur.

Statik hesap sonunda elde edilen iç kuvvet dağılımları kullanılarak söz edilen iç kuvvet dağılımları kullanılarak sözü edilen kesitlerin beton basınç bölgelerin kontrolü ve donatı miktarlarının belirlenmesi söz konusu olacaktır. Bu kontrol sırasında beton kesitin yetersizliği sonucuna varılırsa kesit boyutlarının büyütülerek statik hesabın taşıyıcı elemanın yani kesit boyutları ile yenilenmesi gerekecektir. Bu işlem bütün kesitlerin kontroller sonucunda yeterli olduğu sonucu elde edene kadar sürdürülür.

Optimum kesit boyutları, yapı elemanının ilgili kesitlerinde minimum donatı civarında donatı miktarını gerektiren kesit boyutlarıdır. Hesaplanan donatı miktarı minimum donatı oranından daha küçük çıkarsa seçilen kesitin gereğinden büyük seçildiğine karar verilerek kesit küçültülür veya hesaplanan donatı miktarından maksimum donatıdan daha büyük çıkması durumunda ise seçilen kesitin gereğinden küçük seçildiğine karar verilerek kesit büyültülür ve statik hesap yenilenir.

Çekme bölgesinde betonun çatlamış bir betonarme elemanda lineer olmayan davranış nedeniyle iç kuvvetlerin kesit tesirlerinden elde edilmesi olanaksızdır. Kiriş mesnet bölgeleri, tekil yükler civarı, öngerilmeli betonarme kirişlerde kablo kuvvetlerinin tatbik bölgeleri gibi statik süreksizlik bölgelerinde, çerçeve köşeleri, eleman boyut değişim bölgeleri gibi geometrik süreksizlik bölgelerinde ve inceltilmiş uçlar gibi hem geometrik hem de statik süreksizliğin bulunduğu bölgelerde çok eksenli gerilme durumu mevcut olup bu bölgelerde iç kuvvetlerin alışagelmiş yöntemlerle hesabı olanaksızdır. Açıklanan nedenlerle betonarme bir elemana, doğru donatının yerleştirilebilmesi için bu yapı elemanın kendisine etki edebilecek olası yüklemeler etkisinde (zati ağırlık, hareketli yükler, ısı değişimi vb.) şekil değiştirme durumunun bilinmesi gerekir. Diğer bir deyişle taşıyıcı sistemde özellikle betonun çatlamış konumu için kuvvet akışının bilinmesi önemlidir.

Betonarme, beton ve çelikle oluşturulan karma (kompozit) bir yapı malzemesidir. Betonun çekme dayanımının basınç dayanımına göre çok küçük olması nedeniyle bu zayıflığın betonarmede çelik donatı ile giderildiğinden bahsetmiştik. Ancak, donatının, statik hesabın sonucu olarak elde edilen çekme gerilmelerini taşımanın yanında sargılama, basınç gerilmesi taşıma ve çatlak oluşumunu kontrol etmek gibi aynı derecede önemli başka işlevleri de vardır.

Tekrar betonarmeye dönecek olursak, sıvı tutucu yapılarda çatlaklar çok daha önemli olmaktadır. Yönetmelikte verilen çatlak sınır değeri aşıldığında sızdıran bir sıvı oluşacağından, artık yapının dayanım yönünden ayakta kalması pek bir şey ifade etmez. TS 500’de kullanılabilirlik sınır durumuyla ilgili olarak eğilme etkisindeki elemanlarda işlevi güçleştirecek, görünüşü etkileyecek düzeyde oluşmaması için Çizelge 2.3’ de izin verilen en büyük sehim değerleri verilerek sehim kontrolü koşulu sağlanması istenmektedir.

Çizelge 2.3: Eğilme etkisindeki elemanlarda sehim sınırları

Eğilme Elemanı ve Yeri Sehim Nedeni Açıklık/Sehim
Bölme Duvarsız Çatı Elemanları Hareketli yüklerden oluşan ln/ 180
Bölme Duvarsız Normal Kat Elemanları ani sehim ln/ 360
Bölme Duvarları çatı ve normal Sürekli yüklerden  
kat elemanları ( büyük sehimden etkilenebilecek elemanları olan) oluşan toplam sehim ile hareketli yüklerin geri kalan ln/ 480
Bölme Duvarları çatı ve normal bölümünden ln/ 240
kat elemanları oluşan ani sehim toplamı

Betonarme yapı elemanları için gerekli olan donatının doğru hesaplanması kadar doğru yerde ve biçimde konması da önem taşır. Yapının dayanımını sağlayan donatı, miktarının yeterli ile değil etkin olan donatı miktarının yeterliliği ile belirir. Yeterli donatı da yani etkin donatı, gerekli yerde, doğru biçimde ve yeterince kenetlenmiş donatı olarak tanımlanabilir.

Bunun dışında donatının korozyonuna sebep olabilecek çatlakları önlemek içinse Çizelge 2.4’de verilen çatlak kontrolü koşulunun sağlanması gerekmekte veya

nervürlü donatı kullanıldığında betonarme elemanları çekme bölgelerinde minimum donatı koşulları sağlandığında ve donatı aralıklarının 200 mm’i aşmadığı ve zararlı çevre koşullarının bulunmadığı durumlarda, tüm bu koşulların sağlanması ile çatlak kontrolü yapılmayabileceği belirtilmektedir.

Çizelge 2.4: Çatlak genişliği sınırları.

Ortam wmax
Yapı İçi Normal Çevre Koşulları     0.4 mm
Yapı İçi Nemli ve Yapı Dışı Normal Çevre Koşulları              0.3 mm
Yapı Dışı Nemli Çevre Koşulları    0. 2 mm
Yapı İçi ve Dışı Agresif Çevre Koşulları 0.1 mm

                                             

Daha önce de bahsedildiği gibi betonarme bir yapının çelik yapıya göre avantajlarından biri olan rijitliğin, yapılara ömrü boyunca etkiyen yatay kuvvetlerin yapılarda meydana gelen yanal yer değiştirmelerin hesaplanabilmesi için önemi büyüktür. Ayrıca yapının rijitliği arttırılarak katların birbirlerine göre rölatif kat ötelemeleri sınırlandırılabilmektedir.

Betonarme ile ilgili diğer bir kavram olan bir adı “düktilite” olan süneklik ise dayanımda önemli bir azalma olmadan, büyük deformasyonlar yapabilme yeteneği olarak tanımlanmaktadır.

Depremlerde hasar gören yapılarda gözlenen en büyük kusur yapılarda sünekliğin sağlanmamış olmasıdır. Sünekliğin sağlanması için kolon, kiriş ve perdelerde sargı bölgelerinde sık bir sargı oluşturmak gerekmektedir. Sünekliği etkileyen diğer faktörler ise çekme donatı yüzdesi (Artıkça süneklik azalmakta), aynı yükseklik için basınç donatısı (Artıkça süneklik artmakta) ve normal kuvvet oranıdır. (Artıkça süneklik azalmaktadır) (Özer, 2008).

Eğilmeye maruz bir betonarme elemanda kesitteki donatı miktarının çok fazla olması, çekme donatı gerilmesi akma sınırına ulaşmadan önce, basınç bölgesindeki beton liflerinin aniden ezilmesine böylelikle gevrek kırılmaya neden olmaktadır. Tehlikeli gevrek kırılma riskinin azaltılması için beton hesap basınç dayanımının küçük tutulması gerekmektedir.

Gevrek kırılmanın tersi olan sünek kırılmada ise; betonarme kesitin donatısı az tutulur ise beton basınç bölgesindeki beton lifleri ezilmeden çok önce çekme donatısı akmaya başlar. Kırılma çekme bölgesindeki çatlakların yayılması ve genişlemesi ile gerçekleşir. Sünek kırılma daha çok eğilme momentinin etkin olduğu hallerde görülmektedir. Sünek kırılma ile taşıma gücü sınırına ulaşan betonarme elemanlar büyük sehimler ve şekil değiştirmeler yaparak göçmektedir. Bu duruma “haberli göçme” denir (Ersoy ve Özcebe, 2001).

 

Kaynak

İnşaat Müh. Gözde SÜMER

BETONARME ELEMANLARDA DONATI DÜZENLEME İLKELERİ

Paylaşmak Güzeldir

Bunlar da hoşunuza gidebilir...

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir