Son yazımda süneklik, gevreklik ve rijitlik 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 Sistem Sünekliği

Betonarmede Sünek Tasarım İçin Gerekli Süneklik Türleri

Malzeme Sünekliği

Bu aşama, adından da anlaşılacağı üzere doğrudan kullandığımız malzemenin fiziksel özellikleriyle ilgilidir. Beton 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 kiriş veya kolon) 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 değiştirme (uzama) miktarı artar. Basınç bölgesini daraltmanın en etkili yollarından biri o bölgeye basınç donatısı 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 beton kullanmak da basınç bloğunu küçültür; ancak burada seçilen yüksek dayanımlı betonun ezilme birim şekil değiştirmesinin (ϵcu\epsilon_{cu}) düşmemesine dikkat edilmelidir.

  • Boyuna Donatı Oranı (“Çok Donatı, İyi Donatı Değildir”): Bir kesitteki çekme donatısı 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 Donatısı (Etriye 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 mekanizması 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 NN olan bir sistemin göçmesi (mekanizma durumuna gelmesi) için N+1N+1 adet plastik mafsal oluşması gerekir. Yani kolon-kiriş düğüm noktalarını artırmak, perde duvarlar eklemek sisteme ekstra mafsal kapasitesi ve dolayısıyla süneklik kazandırır.

Kapasite Tasarımı 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 kat 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.