Betonarme nedir? Beton ve donatı neden birlikte çalışır

Betonarme nedir?

Betonarme, beton ile donatı çeliğinin tek bir malzeme gibi birlikte çalıştığı bileşik yapı malzemesidir. Beton yükün basınç kısmını, donatı ise çekme kısmını taşır. Türkiye'deki binaların büyük çoğunluğunun taşıyıcı sistemi betonarmedir: döşeme, kiriş, kolon, perde ve temel elemanlarının hepsi bu malzemeyle yapılır.

Betonarmeyi anlamak için iki dersin bilgisi birleşir: Mukavemet dersinden gerilme ve şekil değiştirme, Malzeme Bilgisi dersinden beton ve çeliğin davranışı. Betonarme I ve II dersleri ise bu ikisini kesit hesabına ve detaylandırmaya taşır.

Türkiye'de betonarme tasarım ve uygulama birkaç temel belgeyle düzenlenir: betonarme hesap ve yapım kuralları için TS 500, deprem etkisi altındaki tasarım ve detaylandırma için TBDY 2018, donatı çeliği için TS 708 ve beton için TS EN 206. Öğrenciyken bu belgelerin her birinin neyi düzenlediğini bilmek, ileride bir kuralın nereden geldiğini bulmayı kolaylaştırır. Örneğin kolon ve kirişlerdeki sarılma bölgesi kuralları deprem yönetmeliğinde, beton dayanım sınıfları ise beton standardında tanımlanır.

Beton neden tek başına yetmez?

Beton basınçta güçlüdür ama çekmede zayıftır. TS 500'e göre betonun karakteristik çekme dayanımı yaklaşık şu ifadeyle tahmin edilir:

fctk ≈ 0,35 × √fck (MPa)

C25/30 sınıfı bir beton için fck = 25 MPa olduğundan fctk ≈ 0,35 × 5 = 1,75 MPa bulunur. Yani bu beton basınçta 25 MPa'ya dayanırken çekmede yalnızca 1,75 MPa civarında çatlar; oran kabaca 1/14'tür.

Bir kiriş eğildiğinde kesitin bir yüzü basılır, diğer yüzü çekilir. Basit mesnetli bir kirişte açıklıkta alt yüz çekme bölgesidir. Donatısız bir beton kiriş, alt yüzdeki çekme gerilmesi bu küçük değere ulaştığı anda çatlar ve çatlak hızla yukarı ilerleyerek kirişi ikiye ayırır. Göçme ani ve uyarısızdır.

Donatı tam bu noktada devreye girer: çatlak oluştuğunda çekme kuvvetini çelik üstlenir, kiriş taşımaya devam eder ve göçmeden önce büyük sehim ve geniş çatlaklarla uyarı verir.

Betonarmede çatlak normal mi?

Evet, belirli bir sınıra kadar. Betonarmede donatı ancak beton çatladıktan sonra tam olarak devreye girdiği için, kullanım yükleri altında kirişlerin çekme yüzünde ince eğilme çatlakları oluşması beklenen bir durumdur. Önemli olan çatlakların ince ve dağınık kalmasıdır; bunu sağlayan da yeterli ve uygun aralıklı donatıdır.

Endişe verici çatlaklar ise şunlardır: kiriş mesnetlerine yakın eğik (kesme) çatlaklar, kolonlarda çapraz çatlaklar, geniş ve hızla büyüyen çatlaklar, donatı boyunca uzanan ve pas lekesi taşıyan çatlaklar. Bu tür çatlaklar bir mühendis tarafından incelenmelidir.

Beton ve çelik neden birlikte çalışabilir?

İki malzemeyi yan yana koymak yetmez; birlikte çalışmaları için üç koşul gerekir.

1. Aderans

Aderans, beton ile donatı arasındaki yapışma ve kilitlenmedir. Kuvvetin betondan çeliğe geçmesini sağlar. Nervürlü donatının yüzeyindeki çıkıntılar betona kenetlenerek aderansı büyük ölçüde artırır. Aderans olmasaydı çelik, betonun içinde kayar ve çekme kuvvetini taşıyamazdı. Kenetlenme ve bindirme boyu kavramları doğrudan aderansa dayanır.

2. Yakın ısıl genleşme

Beton ve çeliğin ısıl genleşme katsayıları birbirine yakındır (her ikisi de yaklaşık 10⁻⁵ /°C mertebesinde). Sıcaklık değiştiğinde iki malzeme benzer oranda uzayıp kısalır; aralarında aderansı bozacak büyük iç gerilmeler oluşmaz.

3. Korozyon koruması

Betonun içi alkali bir ortamdır; bu ortam çelik yüzeyinde koruyucu ince bir tabaka oluşmasını sağlar. Donatıyı saran beton tabakası (paspayı) hem bu ortamı korur hem de nem ve zararlı maddelerin çeliğe ulaşmasını geciktirir. Paspayının neden önemli olduğu için paspayı neden önemli yazısına bakın.

Temel malzeme değerleri

Betonarme derslerinde en sık kullanılan değerler şunlardır:

Betonun elastisite modülü TS 500'de Ec = 3250 √fck + 14000 (MPa) ifadesiyle verilir; C25 için 3250 × 5 + 14000 = 30.250 MPa eder. Çeliğin modülü betonunkinin yaklaşık 6,6 katıdır; bu oran (n), kesit hesaplarında donatıyı eşdeğer beton alanına çevirmekte kullanılır.

Hesaplarda karakteristik değerler malzeme katsayılarına bölünerek tasarım değerlerine çevrilir. TS 500'de genel durum için beton için 1,5, çelik için 1,15 katsayısı kullanılır; böylece C25 için fcd ≈ 16,7 MPa, B420C için fyd ≈ 365 MPa bulunur. Beton sınıfının detaya etkisi için beton sınıfı ve detay yazısına bakabilirsiniz.

Basit bir örnek: kirişte ne kadar donatı gerekir?

25×50 cm kesitli bir kirişin açıklığında M = 60 kNm eğilme momenti oluştuğunu varsayalım. Paspayı ve etriye için 40 mm bırakırsak faydalı yükseklik d ≈ 460 mm olur.

Ön boyutlandırmada sık kullanılan yaklaşık formül, iç kuvvet kolunu 0,9d kabul eder:

As ≈ M / (0,9 × d × fyd)

Değerleri yerine koyalım:

As ≈ 60×10⁶ / (0,9 × 460 × 365) ≈ 397 mm²

Bir Φ16'nın alanı yaklaşık 201 mm² olduğundan 2Φ16 = 402 mm² yeterlidir. Bu donatı kirişin alt yüzüne, çekme bölgesine yerleştirilir.

Moment 90 kNm'ye çıksaydı aynı formülle As ≈ 596 mm² bulunur ve 3Φ16 (603 mm²) gerekirdi. Moment ile donatı alanı arasındaki bu doğrusal ilişki, yalnızca ön boyut için geçerli bir yaklaşımdır; kesit küçüldükçe ve moment büyüdükçe basınç bölgesi derinleşir ve kuvvet kolu kısalır, gerçek ihtiyaç daha fazla çıkar.

Bu hesap bir ön tahmindir. Betonarme I dersinde öğreneceğiniz kesin hesap, betonun basınç bölgesini eşdeğer dikdörtgen gerilme bloğuyla tanımlar ve kuvvet kolunu buna göre bulur. Ayrıca yönetmelikler en az ve en çok donatı oranı, en küçük çap, montaj donatısı ve deprem bölgesinde mesnet bölgesi kuralları gibi ek koşullar getirir. Moment kavramı için kesit tesirleri yazısına bakın.

Betonarme elemanlarda donatı türleri

Bir betonarme elemanda farklı görevleri olan donatılar bulunur:

• Boyuna donatı: Eleman ekseni boyunca uzanır. Kirişte eğilme momentini, kolonda eksenel kuvvet ve momenti karşılar.
• Etriye: Boyuna donatıyı çevreleyen kapalı enine donatıdır. Kesme kuvvetini karşılar, boyuna donatının burkulmasını önler ve betonu sarar.
• Çiroz: Karşılıklı donatıları bağlayan tek kollu enine donatıdır; özellikle kolon ve perdelerde kullanılır.
• Dağıtma ve montaj donatısı: Ana donatıyı yerinde tutar, büzülme ve sıcaklık etkilerine karşı çatlakları sınırlar.
• Ek donatılar: Mesnet ek donatısı, boşluk kenarı takviyesi, zımbalama donatısı gibi yerel ihtiyaçlar için eklenen donatılar.

Bu donatıların nasıl çizildiğini görmek için kiriş donatı detayı yazısına göz atabilirsiniz.

Yük yolu: betonarme binada kuvvet nereden nereye gider?

Betonarme bir binada her eleman yükü bir sonrakine aktarır. Bu zinciri bilmek, hem Yapı Statiği dersindeki modelleri hem de statik projedeki detayları anlamayı kolaylaştırır:

1. Döşeme: Üzerindeki eşya, insan, kaplama ve kendi ağırlığını taşır; yükü kenarlarındaki kirişlere ya da doğrudan kolonlara aktarır. Eğilme etkisindedir; donatısı alt ve üst yüzlerde dağıtılmıştır.
2. Kiriş: Döşemeden gelen yükü kolonlara aktarır. Açıklıkta alt yüz, mesnetlerde üst yüz çekme bölgesidir.
3. Kolon ve perde: Kirişlerden ve üst katlardan gelen yükü aşağı taşır; deprem sırasında yatay kuvvetin de büyük kısmını alır.
4. Temel: Bütün yükleri zemine yayar; zemin taşıma gücüne göre tekil, sürekli ya da radye temel seçilir.

Zincirdeki her halka, bir sonraki halkaya bağlandığı yerde de detaylandırılmalıdır: kiriş donatısının kolona kenetlenmesi, kolon donatısının temelden filizle başlaması gibi. Bağlantı yerlerindeki hatalar, elemanın kendisindeki hatalar kadar tehlikelidir.

Deprem ve betonarme: süneklik neden önemli?

Deprem sırasında yapı elemanları elastik sınırın ötesinde zorlanabilir. Bu durumda önemli olan, elemanın aniden kırılmak yerine büyük şekil değiştirmeler yaparak enerji tüketebilmesidir; buna süneklik denir. Betonarmede süneklik büyük ölçüde detaylarla sağlanır:

• Kolon ve kiriş uçlarında sıklaştırılmış etriyeler (sarılma bölgesi)
• Etriye ve çirozlarda 135° deprem kancası
• Yüksek süneklikli donatı çeliği (B420C, B500C)
• Kolonların kirişlerden güçlü olması ilkesi

Türkiye'de geçmiş depremlerde görülen hasarların önemli bir kısmı, hesaptan çok detay ve uygulama hatalarından kaynaklanmıştır: seyrek etriye, 90° bükülmüş kancalar, yetersiz paspayı, düşük beton kalitesi. Bu nedenle TBDY 2018 detay kurallarına geniş yer verir. Deprem Mühendisliği dersinde bu konu ayrıntılı işlenir; özet için sünek detaylandırma nedir yazısına bakın.

Betonarmenin avantajları ve sınırları

Betonarmenin kalitesi, projedeki detayın doğru çizilmesi ve şantiyede o detaya uygun yapılmasıyla belirlenir. Uygulama projesinde her çubuğun yeri, boyu ve şekli poz etiketleriyle gösterilir; bu çizimler elle ya da KNCad gibi bir statik detay programıyla hazırlanır.