Betonarmede Sünek Tasarım: Kesit ve Sistem Sünekliği

Son yazımda süneklikSüneklikBir malzemenin, kesitin veya sistemin, göçme öncesi ulaşabildiği deformasyonun akma deformasyonuna oranı olarak ifade edilen sünek davranış ölçüsü., gevreklik ve rijitlikRijitlikRijitlik, bir elemanın veya yapının yük altında ne kadar az şekil değiştirdiğini gösteren özelliktir; aynı yük altında daha az yer değiştiren sistem daha rijittir. gibi kavramların doğru tanımlarını yapmış ve mühendislik camiasında yanlış bilinen bazı ezberleri düzeltmiştim. Bu yazımda ise o konuyu bir adım ileri taşıyor ve “Betonarmede sünek tasarım yaparken nelere dikkat etmeliyiz?” sorusunu masaya yatırıyoruz.

Depreme dayanıklı bir yapı tasarlarken, mühendisin göz önüne alması ve kurgulaması gereken üç farklı süneklik aşaması bulunur:

1. Malzeme Sünekliği
2. Kesit/Eleman Sünekliği
3. Taşıyıcı SistemTaşıyıcı SistemBir yapıya etkiyen düşey ve yatay yükleri zemine aktaran elemanların oluşturduğu bütün. Sünekliği

Betonarmede Sünek Tasarım İçin Gerekli Süneklik Türleri

Malzeme Sünekliği

Bu aşama, adından da anlaşılacağı üzere doğrudan kullandığımız malzemenin fiziksel özellikleriyle ilgilidir. BetonBetonÇimento, agrega (kum, çakıl) ve suyun belirli oranlarda karıştırılmasıyla elde edilen, zamanla sertleşerek yüksek basınç dayanımı kazanan kompozit yapı malzemesi. doğası gereği gevrek, çelik (donatı) ise sünek bir malzemedir. Mühendisin bu aşamada yapabileceği tek ve en temel şey, ilgili yönetmeliklerin izin verdiği, yüksek uzama kapasitesine sahip sünek çelik sınıflarını tercih etmektir.

Kesit Sünekliği

Mühendis ne kadar sünek bir çelik kullanırsa kullansın, betonarme kesiti doğru ebatlandırmaz ve donatılandırmazsa, o kesit deprem anında istenen sünek davranışı gösteremez. Bir betonarme kesitin (örneğin kirişKirişAğırlıklı olarak eğilme momenti ve kesme kuvveti taşıyan, döşeme yüklerini kolon veya perdelere aktaran yatay taşıyıcı eleman. veya kolonKolonAğırlıklı olarak eksenel basınç kuvveti taşıyan, düşey ve yatay yükleri kirişten temele aktaran düşey taşıyıcı eleman.) sünekliğini belirleyen ana parametreleri şu şekilde sıralayabiliriz:

• Basınç Bölgesi Yüksekliği: Yönetmeliklerin, kesitlerin basınç bölgesi yüksekliğini belirli bir sınırda tutmamızı istemesinin temel nedeni sünekliği güvence altına almaktır. Basınç bölgesi yüksekliği azaldıkça, çekme donatılarının yapabileceği maksimum şekil değiştirmeŞekil DeğiştirmeBir malzemenin, gerilme etkisiyle orijinal boyutlarına göre yaşadığı boyutsuz, göreli deformasyon miktarı. (uzama) miktarı artar. Basınç bölgesini daraltmanın en etkili yollarından biri o bölgeye basınç donatısıBasınç DonatısıKesitin basınç bölgesine yerleştirilerek beton ile birlikte basınç kuvveti taşıyan donatı. yerleştirmektir. Şantiyelerde “montaj donatısı” olarak bilinen ve genellikle sadece etriyeyi tuttuğu sanılan üst donatılar, aslında kesitin basınç bloğunu küçülterek süneklik kapasitesini ciddi oranda artırır. Ayrıca daha yüksek dayanımlı betonYüksek Dayanımlı BetonGenellikle 50 MPa üzerinde basınç dayanımına sahip, düşük su/çimento oranı ve puzolanik katkı maddeleriyle üretilen beton sınıfı. kullanmak da basınç bloğunu küçültür; ancak burada seçilen yüksek dayanımlı betonun ezilme birim şekil değiştirmesinin ($\epsilon_{cu}$) düşmemesine dikkat edilmelidir.

• Boyuna Donatı OranıDonatı OranıDonatı kesit alanının, betonarme elemanın etkin beton kesit alanına oranı; kesitin davranış tipini belirleyen temel parametre. (“Çok Donatı, İyi Donatı Değildir”): Bir kesitteki çekme donatısıÇekme DonatısıKesitin çekme bölgesinde, betonun taşıyamadığı çekme kuvvetlerini karşılamak üzere yerleştirilen donatı. oranını gereğinden fazla artırmak, kesitin sünekliğini dramatik şekilde düşürür. Kuvveti çok fazla donatı karşıladığında, çelik akma sınırına ulaşamadan (uzayamadan) beton ezilerek gevrek bir göçme yaşanır. Bu nedenle kesitlere tasarımdan sonra kafamıza göre ekstra donatı eklemek son derece yanlıştır.

• Sargı DonatısıSargı DonatısıBeton çekirdeği enine yönde sıkıştırarak dayanımını ve şekil değiştirme kapasitesini artıran, sık aralıklı özel donatı. (EtriyeEtriyeKolon ve kiriş gibi elemanlarda boyuna donatıyı çevreleyen, kesme kuvveti taşıyan ve boyuna donatıyı sargılayan kapalı enine donatı parçası. ve Çirozlar): Sargı donatısı, betonun sadece basınç dayanımını artırmakla kalmaz; asıl mucizeyi betonun şekil değiştirme kapasitesini (sünekliğini) artırarak yapar. Deprem yönetmeliklerinde belirtilen “kolon ve kiriş sarılma (plastik mafsal) bölgelerindeki etriye sıkılaştırması”, beton çekirdeğini hapsederek dağılmasını önler ve kesite muazzam bir süneklik katar.

Taşıyıcı Sistem Sünekliği

Bireysel olarak elemanlarınızı sünek tasarladınız, peki ya tüm bina? Taşıyıcı sistem sünekliği, yapının göçme mekanizmasıGöçme MekanizmasıBir taşıyıcı sistemde yeterli sayıda plastik mafsal oluşarak sistemin bir bütün olarak stabilitesini kaybetmesine yol açan hareket biçimi. oluşana kadar ne kadar fazla “rezervi” olduğuyla ilgilidir.

Bir yapının sünekliğini sistem bazında artırmanın en kesin yolu, hiperstatiklik derecesini yüksek tutmaktır. Sistem ne kadar hiperstatikse, göçmeden önce o kadar fazla plastik mafsal kaldırabilir. Statik kuralları gereği, hiperstatiklik derecesi $N$ olan bir sistemin göçmesi (mekanizma durumuna gelmesi) için $N+1$ adet plastik mafsal oluşması gerekir. Yani kolon-kiriş düğüm noktalarını artırmak, perde duvarlar eklemek sisteme ekstra mafsal kapasitesi ve dolayısıyla süneklik kazandırır.

Kapasite TasarımıKapasite TasarımıYapının belirli elemanlarında sünek davranış sağlanırken, diğer elemanların bu davranışa yetecek dayanımda tasarlanması ilkesi. ve Güçlü Kolon - Zayıf Kiriş İlkesi: Sistem sünekliğinin altın kuralı kapasite tasarımıdır. Plastik mafsalların (hasarın) kolonlardan önce kirişlerde oluşmasını isteriz. Eğer mafsallar önce kolonlarda oluşursa, o kat aniden göçer (yumuşak/zayıf katZayıf KatBir katın yatay dayanımının, bitişik kata göre TBDY 2018'de tanımlanan sınırın altında kalması durumunda ortaya çıkan düşey düzensizlik türü (B1). mekanizması). Ancak mafsallar kirişlerde oluşursa, yapı enerjiyi sönümleyerek ayakta kalmaya devam eder. Bu yüzden düğüm noktalarında kolonların kirişlerden daha güçlü olması, sistem sünekliğinin sigortasıdır.

Çekme Rijitleşmesi Üzerine Bir Eleştiri

Ülkemizde lisans eğitimlerinde veya pratikte pek üzerinde durulmayan, ancak süneklik hesaplarını doğrudan etkileyen çok kritik bir kavram vardır: Çekme Rijitleşmesi.

Betonarme hesapları yaparken (örneğin bir kirişte), çekme bölgesindeki betonun tamamen çatladığını ve tüm çekme kuvvetini sadece donatıların karşıladığını varsayarız. Ancak gerçek hayat bu kadar siyah-beyaz değildir. Çatlakların arasında kalan sağlam beton blokları, çekme kuvvetini donatıyla birlikte taşımaya devam eder.

Bunun sonucu nedir? Beton donatıya yardım ettiği için, hesaplarda donatının yapacağını varsaydığımız o büyük şekil değiştirmelere (uzamalara) gerçekte ulaşılamaz. Yani kağıt üzerinde hesapladığınız süneklik kapasitesi, gerçekte olduğundan daha yüksek çıkmış olur. Çekme rijitleşmesi etkisi göz önüne alınmadığında, yapı elemanının süneklik kapasitesini gereğinden fazla (iyimser) tahmin etmiş oluruz. Açıkçası, standart ofis pratiğinde bu etkiyi hesaba katan mühendis sayısının bir elin parmaklarını geçeceğini sanmıyorum.

Bu yazıda belirtilen “Betonarmede Sünek Tasarım İlkelerine” dikkat edildiği takdirde betonarme elemanlar oldukça sünek davranabilirler, aksi takdirde gevrek bir davranış göstermeleri oldukça mümkün.

Sıkça Sorulan Sorular

Betonarmede sünek tasarım neyi amaçlar?

Sünek tasarım, betonarme yapının deprem enerjisini sönümleyebilmesi için malzeme, kesit ve taşıyıcı sistem düzeylerinde uygun davranış kurmayı amaçlar. Bu üç aşamanın birlikte ele alınması, elemanların ve bütün yapının gevrek göçme yerine kontrollü plastik şekil değiştirmeler yapmasına yardımcı olur.

Kesit sünekliğini hangi tasarım tercihleri etkiler?

Basınç bölgesinin yüksekliği, boyuna donatı oranı ve sargı donatısı kesit sünekliğini belirleyen başlıca etkenlerdir. Basınç donatısı basınç bloğunu küçültebilir, aşırı çekme donatısı gevrekliği artırabilir ve sık etriyeler beton çekirdeğinin dağılmasını önleyebilir.

Malzeme, kesit ve sistem sünekliği arasındaki fark nedir?

Malzeme sünekliği kullanılan beton ve çeliğin fiziksel davranışıyla ilgilidir. Kesit sünekliği elemanın boyutlandırılması ve donatılandırılmasına, sistem sünekliği ise yapının plastik mafsallar oluşturarak göçme mekanizmasına ulaşmadan rezerv taşıma kapasitesi göstermesine bağlıdır.

Güçlü kolon zayıf kiriş ilkesi deprem davranışını nasıl etkiler?

Bu ilke plastik mafsalların kolonlardan önce kirişlerde oluşmasını hedefler. Böylece hasar kirişlerde yayılır ve yapı enerjiyi sönümleyerek ayakta kalmayı sürdürür; kolonlarda erken mafsallaşma ise kat mekanizması ve ani göçme riski doğurur.

Çekme rijitleşmesi süneklik hesabında neden sınırlayıcıdır?

Çatlaklar arasındaki sağlam beton, çekme kuvvetinin bir bölümünü donatıyla birlikte taşımaya devam eder. Bu etki dikkate alınmazsa donatının hesapta ulaşacağı şekil değiştirmeler ve elemanın süneklik kapasitesi gerçekte olduğundan yüksek tahmin edilebilir.