ARDGERME VE ÖNGERME

İnşaat sektörü, milletlerin medenileşmesinde ve gelişmesindeki en önemli faktördür. Özellikle teknolojinin gelişmesi yapı malzemelerine de yansımış, dayanımı yüksek malzemeler üretilmiştir. Malzeme biliminin gelişmesi, kullanılan aletlerin gelişmesi ve seri üretimin kolaylaşması gibi faktörler yapılan binalara yansımıştır. İnsanlar en yüksek binaları, en estetik binaları, en geniş açıklıkları elde etmek için bu zamanda adeta yarışır olmuşlar, kullanılan malzemelerin sınırlarını sonuna kadar kullanmışlardır. Elbette her malzemenin taşıma kapasitesi belli bir sınırı aşamaz.

Şimdi inşaat alanındaki en çok kullanılan malzemelerden biri olan betonarmeyi düşünelim. Beton malzeme olarak elastik ve homojen olmayan karmaşık bir malzemedir. Basınç dayanımı yüksek olup, çekme dayanımı zayıftır. Yani betonun en zayıf tarafı çekmedir. Bu sorunun aşılması için beton içerisinde çekme dayanımı yüksek çelik donatılar entegre edilerek, davranışı %100 olmasa da büyük oranda anlaşılan kompozit bir yapı olan betonarme elde edilir. Betonarme çatlak genişliği, sünmesi, büzülmesi, sehimi ve gerilmesi kontrol altında tutulması gereken bir yapıdır. Beton ve çelik donatıların kardeşliğinden oluşan bu harika malzeme, 21. yüzyıl mimari gereksinimlerini her zaman tam anlamıyla karşılayamaz hale gelmiş, betonarme ve çeliğin tıkandığı, çözemediği yerlerde; inşaat alanının en önemli teknolojilerden birisi olan ardgerme ve öngerme, mimarların ve proje sahiplerinin hayallerinin gerçekleşmesinde 1. derecede çözüm olmuştur.

Bugün Türkiye’de de yavaş yavaş yaygınlaşmaya başlayan ardgerme sistemi, ülkemizdeki mimarların ve proje sahiplerinin çoğu tarafından bilinmemektedir. Amacımız bu güvenli sistemin, mimarların hayallerinin şu an ki düşüncelerinden çok öteye geçebileceği farkındalığını yaratmanın yanında, proje sahipleri ve işverenlerin de bu inşaat teknoloji harikasının mimarideki olağan üstü konseptlerin önünü açmasıyla birlikte kendi şirket ekonomilerine ve ülke ekonomisine çok büyük katkı sağlayacağı düşüncesini oluşturmaktır.

Mimarlar için düşüncelerini projeye yansıtırken en önemli sıkıntıları sık kolonlar ve yüksek kirişlerdir. Bir mimari projede kolon ne kadar az ve narin, çalışabileceği alan ve açıklık ne kadar fazla, kiriş ve döşeme kalınlıkları ne kadar azsa düşüncelerini rahatlıkla projesine yansıtır ve kısıtlamaları ortadan kalkar. Elbette düşüncesi rahatlıkla yansıtılmış mimari proje, talepleri yerine getirilmiş işvereni mutlu eder. Mimara bu rahatlığı veren, betonarme yapılardaki bu sistemin adı ardgerme’dir.

40 m açıklığı 1.5 m yükseklikte kirişle, 7 m konsolu 40 cm kalınlığında kirişsiz döşemeyle, 9-10 m konsolu 70 cm yükseklikte kirişle tasarlayabileceğini söyleyen, 20 m kiriş açıklığının üzerine 2-3 kat taşıyan bir kolonu oturtulabileceğini söyleyen bir inşaat mühendisi mimarların bir çok problemlerini ortadan kaldırır. Tabi ki bu yapılanların hepsi güvenlik sınırları içerisindedir.

ÖNGERİLMELİ BETON

Yurt dışında en genel anlamda halatlarla germe işlemine öngerilmeli beton (prestressed concrete) denir. Öngerilmeli beton (prestressed concrete) da kendi içerisinde tam doğru tanımlamayla ardçekme (post-tensioning ) ve önçekme (pre-tensioning) şeklinde ayrılır. Bizim bu konuyla ilgili kendi yönetmeliğimiz olan TS3323 (Öngerilmeli beton yapıların hesap ve yapım kuralları)’de de ardçekme ve önçekme şeklinde geçer. Fakat Türkiye’de ardgerme ve öngerme terimleri yaygınlaşmıştır. Bizde kitabımızda bu deyimleri kullanacağız.

Öngerme ile ardgermede çelik halatın gerdirilmesi ve beton döküm sıraları faklıdır. Öngermede belli bir kalıp içerisinde (gerdirme yatağında) germe çubukları önceden gerilir, beton gerilen çubuklar üzerine dökülür. Beton prizini aldıktan sonra iki ucundan çelik gergiler kesilir ve bu prekast yapı uygulanacağı yere taşınır. Öngermeli eleman ayrık bir şekilde ayrı yerde imal edilir sonradan yapıya taşınır ve eklenir. Bu sebeple öngermenin uygulama alanı ardgermeye göre çok dardır. Çok yaygın olarak kullanıldığı alan köprü kirişleri, geniş açıklıklı yapı kirişleri, kolonları ve delikli döşemeler (panelton)’dir. Bu kirişler başka bir yerde imal edilir ve yerine tek parça halinde yerleştirilir. Öngermede beton dökülmeden, önceden gerilmiş halata parabolik şekil verilmez. Çekme gerilmesi oluşabilecek yerde halatlar düz şekilde gerilir. Çekme gerilmesi basit kirişlerde alt bölümdedir.

Şekil-1: Sırasına göre ön-germe imalatı

Öngermede ardgermede olduğu gibi kiriş kolon birleşim yerlerinde monolitik, bütünleşik bir davranış sağlanamaz. Bu sebeple öngermenin uygulama alanı sınırlıdır. Mimari gereksinimlerin tamamını karşılayamaz. İmalatında birleşimlerin doğru yapılmaması durumunda yatay yükler altında, özellikle deprem bölgesi olan ülkemizde yetersiz kalacaktır. Ardgerme imalatında ise düşey ve yatay elemanlarının birleşim yerlerinin tamamı monolitiktir. Bu sebeple ardgerme bütün üst yapı çeşitlerinde kullanılabilir.

Ardgerme; betonarme içerisine parabolik yada düz şekilde entegre edilen yüksek dayanımlı çelik halatların beton prizini aldıktan sonra germe işlemi yapılmasıdır. Bu germe işleminden sonra betonarmede basınç gerilmesi artarken, çelikte ise çekme gerilmesi oluşmaktadır. Bu gerilmeler birbirine eşit ve betonarme içerisinde dengelenmiştir. Betonarmedeki basınç gerilmesinin artması, betonarmeye dışarıdan etki edecek her türlü yük altında oluşabilecek çekme gerilmesine karşı, betonarmede çok büyük kapasite artışına neden olacaktır.

Eksenel basınç altında 35 Mpa basınca sahip bir betonun eksenel çekme altındaki dayanımı yaklaşık olarak 2 Mpa civarındadır. Görüldüğü gibi betonun basınç ve çekme dayanımları arasında çok büyük fark vardır. Ayrıca beton basınç altında sünek bir davranış sergilerken, çekme altında tahmin edilemez bir şekilde aniden çatlar. Yani çekme altındaki deformasyonu bir süreç altında değil, ani bir şekildedir.

Betonun içine donatının yerleştirilmesi betonun çekme dayanımını çok büyük oranda artırır. Güvenlik katsayılarını hiç hesabımıza katmadan; 40x40 cm ebatında 30 Mpa donatısız beton kolonun eksenel çekme altındaki kapasitesi 3 ton civarındayken, 16 cm² donatılı (%1 donatı oranı) aynı kolon 67.2 ton taşır. Kapasite artışının yanı sıra deprem altındaki bir eleman için çok önemli bir parametre olan süneklilik artar, ve ayrıca deformasyon süreci ve kapasitesi de artar. Aynı kolonumuza 16 cm² yüksek dayanımlı çelik halatlarımızı entegre ederek ardgerme uyguladığımız zaman, kolonun çekme kapasitesi 297.6 ton olacaktır. Donatıya göre yaklaşık olarak eksenel çekme kapasitesi ardgermeyle 5 kat artacaktır. Ardgerme uygulanmış kolonda da yalnız donatı kulanılan kolondaki gibi süneklik ve deformasyon kapasitesi artar.

Pratik olarak ilk öngerilmeli beton kullanımı 1928 yılında Eugene Freyssinet yüksek dayanımlı çelik halatları kullanarak yapmıştır. İlk başlarda yüksek dayanımlı çelik kullanmak yerine normal donatılar üzerinde germe işlemi yapmış başarılı olamamıştır.

Ardgermeyle birlikte beton sürekli barınca maruz kalır. Basınçla birlikte beton zamanla kısalır ve sünme oluşur. Sünme basınç altındaki betonun zayıf noktasıdır. Sünmenin yanı sıra beton zamanla su kaybeder. Bu su kaybediş sırasında da beton kısalma gösterir. Biz buna da rötre diyoruz. İlk zamanlarda donatı kullanılarak yapılan öngerilmeli betonlarda, donatıdaki germe kuvvetinin 3’te 2 sinde betondaki sünme ve rötre kısalmalarıyla azalma olmuş germe kuvvetinde büyük bir kayıp meydana gelmiştir. Daha sonra germe işlemi için yüksek dayanımlı germe halatları kullanılmaya başlandı. Bu halatların dayanımı normal donatının 4-4.5 katı kadardır. Bu halatlarla yapılan germe işleminden sonra betonda yine sünme ve rötre kısalması oluştu. Bu kısalmalar yüksek dayanımlı halatlarda da yine ilk verilen germe kuvvetinde azalmaya neden oldu. Bu azalma yaklaşık olarak ilk germe kuvvetinin %25’i kadardır. Yüksek dayanımlı çelik halatlarının kullanımı hem germe kuvvetimizde büyük artışa neden olurken hem de sünme ve rötreden dolayı oluşan kayıplarımızı azaltır.

Ardgermede sünme ve büzülme (rötre)’den dolayı oluşan kayıpları azaltmak için yüksek dayanımlı çelik halatların kullanılmasının yanı sıra yüksek dayanımlı beton kullanılır. Genellikle de ardgerme uygulanan yapı elemanlarında C30’dan aşağı beton sınıfı kullanılmaz.

Şekil-2: Sırasına göre ard-germe imalatı

ARDGERMEDE GENEL PRENSİP ve ARDGERMENİN UYGULAMA ALANI

İnşaat mühendisi olarak bütün binaların statik tasarımını yaparken, oluşabilecek her türlü yatay ve düşey yükler altında bina güvenliğini sağlamamız gerekir. Bu yükler sonucunda binanın bütün bölümlerinde belli oranlarda çekme ve basınç gerilmesi oluşur. Momentten dolayı yapıda hem çekme hem basınç gerilmesi oluşurken, binanın bazı bölümlerinde, kesitin tamamında eksenel basınç ya da çekme gerilmesi oluşabilir. Mesela kubbeler, tonoz ve kemerlerin tamamı basınç altındadır. Basınç dayanımının yüksekliği, taş ve betonun güçlü özelliğidir. Bu sebeple Osmanlı mimarisinde camilerde, külliyelerde, geniş açıklıklı köprülerde bu formda yapılar çok fazla kullanılmıştır. Özellikle geniş açıklıklı yerlerde sürekli basınç altındaki kemer köprüler yapılmıştır. Tonoz ve kubbelerin oturduğu bölgelerde yatay kuvvetler oluşur. Bu yatay kuvvetler ya fil ayağı denen devasa ebattaki kolonlarla karşılanır ya da kubbe ve tonoz açıklığına çekme taşıyacak eleman yerleştirilir.

Basınca maruz yapı elemanlarının en başında kolon ve perdeler gelmektedir. Kolon ve perdelerde de yatay yüklerde; yani rüzgar, deprem, toprak itkisi gibi yük durumlarında da momentten dolayı çekme ve basınç gerilmesi oluşur. Perde, yatay yükler için etkili, atalet momenti yüksek elemanlardır. Yatay yüklerde perdenin bir ucunda çekme bir ucunda basınç kuvveti oluşur. Bu sebeple perdelerde başlık bölgesi oluşturuyoruz ve bu bölgelerde düşey donatı yoğunluğumuz fazladır.

Kirişler ve döşeme kesitlerinde ise momentten dolayı çekme ve basınç gerilmeleri oluşmaktadır. Temellerde de çoğu zaman moment baskındır. Fakat bazı sistemlerde temelde eksenel çekme oluşabilir.

Ardgerme çekme kuvvetinin yetersiz kaldığı betonarme her elamanda kullanılabilir. Kınacı mühendislik olarak; çekmeden dolayı kesitin yetersiz kaldığı döşemelerde, kirişlerde, perde ve temellerin tamamında ardgerme kullandık. Tabiki döşeme ve kirişlerdeki ardgerme uygulaması çok daha yaygındır.

Ardgermede eleman kesitindeki çekme gerilmelerini önlemek için basınç kuvveti verilmektedir. Basınç kuvvetinin verdiğimiz yer kesitin ağırlık merkezi olursa kesitte sadece eksenel basınç oluşurken, ağırlık merkezinden belli bir eksantrisite ile basınç kuvveti verilirse, kesitte hem basınç hem de moment oluştururuz.

Çelik halata verilen parabolik ya da düz form ve bu halatın çekildiği uç bölgedeki kesitin ağırlık merkezinden olan uzaklığı; kesitte sadece eksenel basınç mı yoksa basınç ve moment ikilisinimi oluşturacağımızı belirler. Çelik halatı düz şekilde kesitin ağırlık merkezinden verirsek kesit eksenel basınca maruz kalır. Eksenel çekmeye maruz kalan yapı elemanlarında bu şekilde ardgerme uygulanır. Perde başlıklarında düz ardgerme çubuğu kullanılması, ve eksenel çekmeye maruz temel ile kubbe ve tonozun betonarme ara bağlantılarında doğrusal formda çelik halatlarla ardgerme uygulanır. Kiriş ve döşemelerde ise ardgerme halatına parabolik şekil verilerek uygulanır. Böylece kesit hem basınca çalışırken hem de ters momentlerle düşey yükten dolayı oluşacak moment azaltılır.

Ardgerme; dış kuvvetlerden dolayı betonarme yapının herhangi bir bölgesinde oluşabilecek yüksek çekme gerilmesine karşılık, dış kuvvete maruz kalmadan önce ve kaldıktan sonraki durumda betonarme yapı elemanındaki basınç ve çekme gerilmesini istenilen sınırda tutarak, önceden betonarme yapı elemanına gerekli miktarda basınç gerilmesi uygulanmasıdır.

ARDGERMEDE TEMEL KAVRAMLAR

Ardgerme uygulandığı betonarmeyi elastik malzemeye dönüştürür.

Betonarme malzeme, homojen ve elastik olmayan karmaşık bir malzemedir. Bu malzemeye ardgerme uygulandıktan sonra betonarme elastik malzemeye dönüşür. Bu kabul mühendisler arasında yaygın bir kanıdır. Betonarme çekme dayanımı zayıf bir malzeme olduğu için yük altında çatlar. Çatlaklar kesitin atalet momentini düşürür. Fakat atalet momentinin ne kadar düştüğü ya da miktarı tam olarak hesaplanamaz. Ancak teorik olarak hesaplanır, ve belli bir varsayımda bulunabilir. Dökülen her betondan numune alınsa, her numunenin çekme ve basınç dayanımı farklı çıkacaktır. Dolayısıyla betonun çekme ve basınç dayanımı istatistiksel yöntemlerle belli bir kabule dayanır.

Beton çekme altında zayıf bir malzemedir. Çekme altında kontrolü zor ve kırılgandır. Ardgermeyle, betonda çekme gerilmesinin oluşması önlenir. Betondaki çekme gerilmesinin önlenmesiyle betonda çatlama oluşmaz. Böylelikle moment altında da çatlamış atalet momenti yerine brüt kesitin atalet momenti devreye girecektir. Bu durum betonu kırılgan karmaşık bir malzeme yerine elastik malzemeye dönüştürür. Elastik malzemeye dönüşüm varsayımı; tüm mukavemet kuralları ve gerilme hesaplarını aynı çelik bir malzemeymiş gibi beton içinde geçerli bir hale getirir.

Yüksek dayanımlı çelik ve yüksek dayanımlı betonarmenin birleşiminden oluşan ardgermede çatlak oluşmaz ve oluşan sehimler elastik sehimlerdir.

Ardgermesiz betonarmede en yaygın kullandığımız çeliğin kopma dayanımı 420 Mpa’dır.

NOT:YAZILARIN TÜM HAKLARI SAKLIDIR

YAZAR: MUSTAFA GÜNEŞ ÇİFTÇİOĞLU