Yapı Elemanlarının DavranışıYrd. Doç. Dr. Barış ÖZKUL

Kolon Türleri ve Eksenel Yük Etkisi Altında Kolon Davranışı

Kolonlar; bütün yapılarda temel ile diğer yapıelemanları arasındaki bağı sağlayan ana yapıelemanlarıdır.

Enine Donatının Cinsine Göre

Etriyeli Kolon Fretli Kolon

Taşıyıcı Sistemine Göre

AhşapÇelikBetonarme Bileşik

Etriye

Göbek Fret

Kabuk

Çelik Boru

Beton

ÇelikProfil

Etriye

Etriyeli Fretli

Bileşik

Bileşik

Kolonlar eksenel yük ve eğilme momentine maruz kalan elemanlardır. Kolonun fonksiyonu; kesme kuvveti, moment, burulma, oturma, rötre ve bunun gibi etkileri temele iletmektir. Bu etkilerin yanında, zamana bağlı deformasyonlar ve oturmalar da göz önünde bulundurularak, kolon boyunca çelik donatı çubuklarıyerleştirilir. Betonarme kolonlarda boyuna donatının yanında etriye ve fret şeklinde enine donatılar da kullanılır.

Genellikle dairesel veya dikdörtgen kesitli oldukları halde yapının statik ve mimarisinden kaynaklanan sebeplerle uygulamada farklı geometrik şekil ve kesitlere de rastlanılabilir. Döşemelerden gelen yükleri çoğu durumda kirişler vasıtasıyla almakla birlikte bazı durumlarda doğrudan da yük alabilirler.

Kolonların, eksenel yükleri taşımalarının yanısıra yukarıda bahsedildiği gibi yapıya etki eden deprem veya rüzgâr gibi yatay yüklerin taşınmasında da önemli görevleri vardır. Betonarme bir yapıda, yapıyı oluşturan tüm elemanların sünek davranışgöstermesi, büyük bir enerjinin açığa çıktığı deprem etkisi sırasında, yapının ve yapıyı oluşturan elemanların bu enerjiyi yutması ve tüketmesi açısından çok önemlidir. Depremde hasar görmüşbinalar incelendiğinde; kolonların, binanın ayakta kalmasında veya büyük ölçüde hasar görmesinde başlıca etken ve çok önemli birer taşıyıcı eleman oldukları dikkati çekmektedir.

Özellikle perdesiz veya az perdeli yapılarda yatay taşıyıcılar ile temeller arasındaki tek bağlantıkolonlar olduğundan, yapıdaki taşıyıcı elemanlar içinde önem bakımından en ön sırada yer alırlar. Günümüze kadar yapılar üzerinde yapılmış olan gözlemlerde; döşeme veya kirişlerden bir veya birkaçı hasar görmüş yada yıkılmış olduğu halde ayakta duran birçok binaya rastlanmasının yanında, sadece bir kolonun hasar görmesinden dolayıtamamen yada kısmen yıkılmış pek çok yapıya rastlanılmıştır.

Eksenel olarak yüklenmiş bir kolonun nihai taşıma kapasitesi makul bir doğrulukla hesaplanabilir. Nihaidayanım, betonun karakteristik basınç dayanımı veboyuna donatının akma dayanımı ile hesaplanabilir. Etriyeli bir kolon için göçme, betonun kırılması veetriyeler arasındaki donatının burkulması ile olur.

Etriyeler

Burkulan boyuna donatı

Kolonun nihai yük kapasitesi; kolonun kesit alanı, betonun basınç dayanımı, boyuna donatının kesit alanı ve dayanımı ile ilgilidir.

Nd=0.85fckAc+fykAs

TS500’e göre Etriyeli bir kolonun eksenel yük kapasitesi;

fck: Betonun basınç dayanımıAc: Betonun kesit alanıfyk: Boyuna donatının karakteristik akma dayanımıAs: Çelik donatının kesit alanı

TS500’e göre, nihai eksenel yük kapasitesi sadece betonun ve boyuna donatının alanı ve dayanımına bağlıdır. Bununla birlikte yatay donatıaralığı, alanı ve dayanımı eksenel yüklü kolonun davranışında dikkate alınmamaktadır.

Betonarme kolonlar enine donatı olan fretler yada dikdörtgen etriyeler ile sarılırlar. Beton basınca maruz kaldığında yatay yönde genişleme eğilimine girer ve yatay donatı ile sarılır. Bu yatay deformasyon, yatay donatı ile önlenir ve betona pasif basınç uygular. Böylece yatay donatı içindeki beton artık tek eksenli basınç altında değil, üç eksenli basınç gerilmeleri altındadır.

Sarılmış Beton

EtriyeSeviyesi

EtriyeSeviyesi

Boyuna donatı ile etriyelerin birleştiği noktalarda beton daha etkili sarılabilmektedir.

Sarılmanın etkisi iki komşu etriye arasında önemli şekilde eksilir. Dikdörtgen etriyeler şekil değiştirme kapasitesini önemli ölçüde geliştirir. Bununla birlikte aşırı miktarda kullanılmadıkça dayanımı arttırmaz. Sarılma etkisi yüzünden, eksenel olarak yüklenmiş kolonun davranışı değişir. Eğer eksenel olarak yüklenmiş bir kolon yeterli yatay donatıya sahipse, kolonun davranışı sünek olur. Tersine, yeterli yatay donatıya sahip olmayan kolon ise çok gevrek bir davranış gösterir.

Kolonun boyuna donatıları yatay donatının köşelerine yakın olarak yerleştirilmelidir. Etriyelikolonlarda, özellikle deprem bölgelerinde, kapalı etriyeninher bir köşesinde bir boyuna donatı bulunması gereklidir. Boyuna donatıların aralığının yakınlığı ve her birinin kapalıetriyelerin köşesinde bulunması sünekliği arttırır, donatı çubuklarının burkulmasına karşı dayanım sağlar.

Farklı geometrileri sebebiyle dikdörtgen etriyelersarılma donatısı olarak fretler kadar etkili değildirler.

Eksenel yükleme durumunda tipik gerilme-şekil değiştirme diyagramı, bir kolon numunenin sarılmışçekirdeği için çeşitli miktarlardaki sargı donatılarına göre farklılıklar göstermektedir.

•Etriye seyrek de olsa, süneklik artar

•Sık etriye süneklik ve dayanımı arttırır

•Etriye serbest açıklığı ve adımının azalmasısebebiyle çift etriye süneklik ve dayanımıönemli ölçüde arttırır.

•Fretli kolonlar etriyeli kolonlara göre hem süneklik hem de dayanım açısından dahaetkindir.

•Donatılı betonlarda c0 değeri sargı etkisi arttıkça büyümektedir

Kolonlarda Donatı Yerleşim ve Birleşim Hataları

Son yıllarda meydana gelen depremlerde görülen yapı hasarlarının en önemli sebeplerinden bir tanesi de betonarme donatılarda görülen yetersizlikler ve yanlışlıklardır. Deprem sırasında önemli görevler üslenen etriyelerin eksik yerleştirilmesi, kolonların boyuna donatılarında filiz boylarının yeterli olmaması, donatı için gerekli pas payının bırakılmaması gibi çok basit hataların aslında ne büyük felaketler doğurduğu son depremlerde görülmüştür. Deprem bölgelerinde yapılan incelemelerde, bu basit ama önemli hatalar pek çok hasarlı yapıda gözlenmiştir.

Depremlerde hasar gören veya yıkılan binalarda göze çarpan en önemli konulardan birikolon boyuna donatılarının bindirmeli eklerinin kolonorta bölgesinde yapılmamış olmasıdır.

DOĞRU YANLIŞ

Çeşitli depremlerden sonra bölgede yapılan incelemelerde, pek çok yapıda bırakılan betonarmedonatı filizlerinin yetersiz veya rasgele uzunluklardabırakıldığı tespit edilmiştir.

Bir üst kat kolonu için bırakılan filizler gerekliönlemler alınmadığı takdirde korozyona uğramaktadır. Paslanmış donatı, aderansı önemli ölçüde olumsuzetkilemekte ve donatının betondan sıyrılıp çıkmasınıkolaylaştırmaktadır.

Kolonda basınca çalışan boyuna çubukta kancayapılması kabuk betonunda büyük zararlara yolaçtığından kanca yapılmasından kesinliklekaçınılmalıdır. Kolona kanca yapılarak yerleştirilmişdonatı, kabuk betonunu ezerek çatlamasına nedenolacaktır.

Çekme

Kolon-kiriş birleşim bölgelerinde donatıdetaylarının yeterliliği ve uygunluğu, deprem yüküetkisi altındaki yapının davranışı için oldukçaönemlidir. Ülkemizde görülen depremlerin ardından, genellikle kolon-kiriş birleşim noktalarında ciddihasarlar meydana geldiği görülmektedir. Kolon-kirişbirleşim bölgesindeki hasarların en önemlinedenlerinden biri olarak etriye yetersizliği sayılabilir.

Kiriş-Kolon Sarılma Bölgeleri

Etriye sıklaştırmasından kaçınılmasıyla sağlanacak küçük kazanç, bedeli ölçülemeyecek zararlara yol açmaktadır. Projede belirlenen etriye aralığı ve sayısına, yapı üretimi sırasında yeterince dikkat edilmemesi sonucu, pek çok kolonda ve kirişte büyük hasarlar oluşmuştur.

Kolon-kiriş düğüm noktalarında aşırı donatıyoğunlaşması nedeniyle beton kalitesinin standartların çok çok altına düşmesine sebep olabilmektedir.

Yapının yatay kuvvetlere karşı dayanımınıartırmak ve muhtemel işçilik ve tasarım hatalarına karşı güvenli tarafta kalmak için her iki yönde yeterli perdeler düzenlemek gerekir. Bu perdeler elden geldiğince, burulma rijitliğini artırmak amacıyla, yapının dış cephe çerçevelerinin köşelerine yerleştirilir. Yapının bir yönündeki gerekli perde kesit alanı aşağıdaki bağıntıdan tahmin edilir.

Aperde≥0.0015nAyapı

Aperde/Ayapı≥0.008

n:Yapının kat sayısı

Ayapı: Yapının bir katının plandaki alanı. Farklı kat alanlarının olması halinde en büyüğü alınır.

Aperde: Bir yöndeki yatay kuvvete direnen (uzun kenarı yatay kuvvet yönünde olan) perdelerin toplam alanı.

Örnek: Aşağıda kat kalıp planı verilen yapı 10 katlıdır. Yapının perdeleri ön tasarım için yeterli midir? n=10, Ayapı = 11.15 = 165 m2

X yönü (P2, P5)

Aperde= 2 . 0.25 . 5.0 = 2.5 m2

Aperde =2.5 > 0.0015 . 10 . 165 = 2.48 m2

Aperde≥0.0015nAyapı Aperde/Ayapı≥0.008

Aperde / Ayapı = 2.48/165 = 0.015 > 0.008

Y yönü (P1, P3, P4, P6)Aperde= 4 . 0.25 .2.5 = 2.5 m2

Aperde = 2.5 > 0.0015 .10 .165 = 2.48 m2

Aperde / Ayapı = 2.5/165 = 0.015 > 0.008

Perdeler yatay kuvvetlere karşı en büyük direnci gösteren, yapının göçmesini zorlaştıran elemanlardır. Kolonlara nazaran çok büyük olan rijitlikleri nedeniyle deprem kuvvetinin çok büyük bir kısmını taşırlar, yatay yer değiştirmelerin küçük kalmasını sağlarlar ve yapının burulmasını önlerler.

Video (Perde)

Perdelerin yukarıda belirtilen işlevleri sağlayabilmesi için bilinçli yerleştirilmesi gerekir. Aksi halde, yapıya fayda yerine zarar verirler. Perde ve kolonlar simetrik yerleştirilmezlerse kat rijitlik merkezi, kütle merkezi ile çakışmaz, ex ve ey dış merkezlikleri oluşur. Deprem kuvveti daima kütle merkezinden geçer. Deprem x yönünden geldiğinde, yapı x yönünde ötelenir ve ey dış merkezliğinin oluşturduğu burulma momenti yapıyı rijitlik merkezi etrafında döndürür.

Deprem y yönünden geldiğinde, yapı y yönünde ötelenir ve ex dış merkezliğinin oluşturduğu burulma momenti yapıyı rijitlik merkezi etrafında döndürür.

• Perdeler ve kolonlar, elden geldiğince, rijitlik merkezi ile kütle merkezi çakışacak şekilde,

• Perdeler hem x hem de y yönünde, elden geldiğince, rijitlikleri eşit olacak şekilde,

• Kolonlar ve perdeler, elden geldiğince, x ve y eksenlerine göre simetrik olacak şekilde,

• Perdeler, elden geldiğince, yapı dış kenarlarına yakın olacak şekilde,

• Elden geldiğince, yapı ortalarında da bir iki perde olacak şekilde yerleştirilmelidir.

Teşekkürler…

Haftaya; Basit Eğilme Etkisindeki Elemanlar

Kesme Etkisindeki Elemanlar