Betonarme Yüksek Yapılar ve Yeni Nesil Beton İlişkisi
Ülkemiz coğrafi konumu ve sahip olduğu yapı stoğu gereği oldukça ciddi deprem tehdidi altındadır. Deprem zararlarının en aza indirilmesi ülkemizin en önemli problemlerinden biridir. Bu nedenle bu konuyla ilgili bilimsel gelişmelerin yakından takip edilmesi gereklidir. Yeni yapılacak ve özellikle de mevcut yapıların deprem performansının değerlendirilmesinde en gelişmiş yöntemler yeni nesil betonlardır. Fakat bu yöntemler için gerekli malzemelerin hazırlanması oldukça büyük zorluklar içermektedir. Bu zorluklardan en önemlisi yapıya ait her bir beton için malzeme ve uygun madde kullanılarak tek tek uygun ve dayanım kapasiteleri bilgilerinin hesaplanarak, analiz programlarına aktarılmasıdır. Betonarme yüksek yapılar günümüzde çok kullanılan yapılardan biridir. Bu çalışmada yeni nesil yapılan betonların neler olduğunu nasıl yapıldığını ve betonarme yüksek yapılar ile bir araya geldiğinde dayanımının nasıl olduğu amaçlanmıştır.
1.BETONARME YÜKSEK YAPILAR
Yüksek Yapı Tanımı Bir yapının “yüksek yapı” veya “çok yüksek yapı” olarak tanımlanması için yükseklik sınırı ve kat adedi üzerinde genel bir konsensüs bulunmamaktadır. Yüksekliğin ölçümü üzerinde bile farklı yaklaşımlar mevcuttur. CTBUH isimli kuruluşa göre 14 kat veya 50 metreden daha yüksek binalar “yüksek bina”, 300-600 metre arasında kalan binalar “çok yüksek bina”, 600 metreden daha uzun olan binalar “mega bina” olarak sınıflandırılmaktadır.
2.YENİ NESİL BETON
Yaygın kanının aksine beton teknolojisi sürekli gelişmekte olan bir alandır. Son yıllarda akışkanlaştırıcı katkılar üzerinde yapılan yoğun çalışmalar bu katkıların özelliklerinin geliştirilmesine yol açmış böylece çok düşük su/bağlayıcı oranına sahip çimentolu kompozit malzemelerin üretimi hız kazanmıştır. Ayrıca geliştirilen yeni tasarım yöntemleri bu düşük su/bağlayıcı (S/B) oranlı ürünlerin daha hassas tasarımına imkân tanımaktadır.
3.BETONARME YÜKSEK YAPILAR VE YENİ NESİL BETON İLİŞKİSİ
- Geçmiş yıllarda en yüksek dayanımlı beton 200 kg / cm2’lik bir dayanıma sahip iken malzeme bilimindeki gelişmeler sayesinde örneğin katkı malzemelerinin kullanımı vb. gibi 350 kg / cm 2 ve üzeri dayanıma sahip betonlar kolaylıkla elde edilebilmektedir. Örneğin; Chicago da yapılan betonarme bir binada 620 kg / cm 2’lik dayanıma sahip beton kullanılmıştır. Bununla birlikte betonarmenin çelik yapılara karşı en büyük zaaflarından biri olan ağırlığı nedeni ile zayıf zemin koşullarında tercih edilmeyişi de hafif fakat yüksek dayanımlı betonların elde edilmesi ile bir nebze iyileştirilmiştir.
- Geliştirilmiş yapım teknolojisi ve ekipmanların kullanımı inşaat süresini kısaltmış, kaliteyi arttırmış ve maliyetleri azaltmıştır. Bu da betonarme yüksek yapıların gelişimine olumlu yansımıştır. Perde duvarların inşasında kayar kalıp kullanılması ile inşaat hızı saatte 25 – 30 cm’ ye kadar çıkmıştır. Döşemelerin art veya öngermeli olarak yerde dökülüp kullanılması da önemli katkı sağlamıştır.
- Taşıma gücü ve limit analiz yöntemleri ile malzemeden daha iyi yararlanılması, yapıda kullanılan malzemelerin davranışlarının çok daha iyi bilinmesini sağlamıştır. Bu yöntemler yapıda, emniyet gerilmeleri yöntemine göre çok daha düzgün bir güvenlik sağlamış ve bu da betonarme yüksek yapıların gelişmesine olumlu katkı yapmıştır.
Bazı gökdelen projelerinde C50-C60 beton kalitesi tercih ediliyor. Dünyaca ünlü gökdelenlerin yapımında; çelik ve beton taşıyıcı sistemler yarışıyor. Fakat betona duyulan gereksinim, hiç azalmıyor. Yüksek yapılarda betona olan yeni nesil beton gereksinimleri, önümüzdeki yıllarda artarak devam edecektir. Deprem gerçeği, yüksek kaliteli beton kullanımını zorunlu kılıyor.
İlerleyen beton teknolojisi ile günümüzde çok yüksek dayanımda betonlar yapılabiliyor. İlerleyen dönemlerde gökdelen inşaatlarında melez sistemler kullanılacaktır.
4.BETONARME YÜKSEK YAPILAR VE YENİ NESİL BETON İLİŞKİSİ İLE İLGİLİ ÖRNEKLER
4.1. Betonarme yapıların deprem davranışının iyileştirilmesinde çimento şerbeti emdirilmiş lifli beton (SIFCON) kullanımı
Mevcut betonarme yüksek binaların kolon-kiriş birleşimlerinin genel yetersizlik unsurlarını barındıran dış kolon-kiriş birleşimi numunelerinin depremi benzeştiren tersinir tekrarlı yükler altındaki davranışı incelenmiş, bu birleşimlerin SIFCON (çimento şerbeti emdirilmiş lifli beton) bloklar ve kimyasal ankrajlar kullanılarak güçlendirilmesi amacıyla tez kapsamında önerilen yöntemin etkinliği incelenmiştir.
Güçlendirme yönteminin hedeflerine uygun geometride, çelik lif dozajı-matris dayanımı ve kalınlık açısından çeşitli seçeneklerde hazırlanan kompozit köşe blokların tersinir tekrarlı yükleme altında histeretik performansları araştırılmıştır. Genel davranış, yanal rijitlik azalımı, enerji tüketimi vb. açısından göz önüne alınan birleşim numunelerinin güçlendirilmesine uygun seçenek belirlenmiştir.
Mevcut binaların birleşimlerini temsil edecek şekilde düşük beton dayanımlı, birleşiminde kayma donatısı bulunmayan, düz donatı ile detaylandırılmış vb. özellikte hazırlanan dış kolon-kiriş birleşimi numuneleri sabit eksenel yük ve tersinir tekrarlı yatay yükler altında test edilmiş ve gevrek göçme davranışı göstermiştir. Aynı yetersizlikleri içeren birleşimler tez kapsamında önerilen yöntemle çeşitli ankraj seçeneklerinde güçlendirilmiş, kolon tepesinden uygulanan sabit eksenel yük ve tersinir tekrarlı yatay yükler altındaki davranışları incelenmiştir.
Güçlendirilen numunelerin yanal dayanımı ve enerji tüketim performansı yalın halde test edilen birleşim numunelerine göre belirgin bir şekilde geliştirilmiş, numunelerin birleşim kesme hasarı geciktirilmiş, gevrek göçmesi engellenmiş ve davranışları daha sünek olan kiriş eğilme göçmesine dönüştürülmüştür.
4.2. Yüksek yapılarda yüksek dayanımlı beton
Betonarme yapıların çelik karkas yapılara göre bazı üstünlükler taşıdığı bilinmektedir. Öncelikle betonarme yapıların bakımları daha kolaydır; olağan koşullarda korozyon olasılığı taşımazlar, tam tersine dayanımları zamanla artar. Önemli bir üstünlükleri de yangına karşı dayanıklı olmalarıdır. Yorulma ve titreşim etkilerine karşı daha dayanıklıdırlar. Üretimleri daha az enerji gerektirir; çeliğe göre daha ekonomiktir.
Son yıllarda yüksek dayanımlı betonların yaygınlaşması ile birlikte yüksek katlı yapılarda betonarme kullanımı çelik kullanımı ile yarışabilecek düzeye ulaşmıştır. Bu yapılarda alt katlarda yüksek dayanımlı beton kullanılmakta, üst katlara çıkıldıkça dayanım azalmakta ve en üst katlarda ise yarı hafif betonla yetinilebilmektedir.
Yüksek dayanımlı beton kullanımının geleneksel betona göre bir üstün yanı daha ekonomik olmasıdır. Yüksek dayanımlı beton üretimi için yapılan harcamadaki artış oranı, geleneksel betona göre elde edilen dayanımdaki artış oranından daha azdır.
1979 yılında yapımına başlanan ABD’nin Houston, Texas kentindeki Texas Commerce Tower, 75 katlı ile dönemin en yüksek betonarme yapılarındandır.
Kullanılan toplam 17.872m³ ‘lük betonun %35’i yüksek dayanımlıdır. Temelden 8.kata kadar olan karkas yapıda 51.8 N/mm2 dayanımlı beton kullanılmıştır. 8 ile 30 katlar arasında 41.4 N/mm2 , 30-60 arası 34.5 N/mm2 ve 60’ın üzerindeki çatıya kadar olan katlarda 27.6 N/mm2 dayanımlı beton kullanılmıştır. Çatıda ise 20.7 N/mm2 dayanıma sahip yarı hafif beton yeğlenmiştir.
4.3. Yeni Nesil Beton İle Rekor Yükseklikte Beton Mümkün
Dünyanın en yüksek binası Birleşik Arap Emirlikleri’nde bulunuyor. 829 metre yüksekliğe sahip Dubai’deki Burj Khalifa, dünyanın ikinci en yüksek binasından 200 küsur metre daha uzun. Yüzyılımızın en ileri mimari ve mühendislik teknikleri ile inşa edilmiş bu bina, insanlığın bu alandaki sınırı sayılabilir. Bu sınır büyük ölçüde materyal bilimini ilgilendiriyor, çünkü yapı malzemelerini değiştirerek bunun 10 katı yükseklikte binalar bile yapılabilir. Özellikle de çelik ve beton malzemelerinde yeni fikirlere ihtiyaç var. Almanya’daki Konstanz Üniversitesi ’den bir ekip bu konuda önemli bir gelişmeye imza atmış durumdadır. Ekibin geliştirdiği yeni nesil beton, şu anda kullanılmakta olan betonda oluşan çatlaklara ve kırılmalara dayanıklı. Bu yeni ürün sadece çok daha yüksek yapıların gökdelenlerin değil, depreme daha dayanıklı yapılan üretilmesinde de çok işe yarayacak.
4.4. Betonarme yapılı kirişlerde ultra yüksek dayanımlı beton kullanımının eğilme performansına etkisi
Günümüzde yüksek binalara ve büyük açıklıklı yapı türlerine olan gereksinimlerin artması, beraberinde çok yüksek dayanımlı betonlara olan talebi de arttırmaktadır. Son yıllarda beton teknolojisindeki gelişmeler sayesinde, Ultra Yüksek Dayanımlı Betonlar (UYDB) daha kolay üretilebilir hale gelmiştir. Genellikle çok ince ve yüksek dayanımlı agrega ve çok düşük su/bağlayıcı oranı ile üretilen bu tür betonlar için standart üretim teknikleri ile 100 MPa ve üzeri basınç dayanımları elde edilebilmektedir [5-7]. Özel karıştırıcılar, yüksek performanslı beton kimyasalları veya özel kür koşulları (ısı, basınç vb.) uygulanması durumunda ise çok daha yüksek dayanımlara (200 MPa ve üzeri) ulaşılabilmektedir
Beton teknolojisindeki bu gelişmelere paralel olarak betonarme yapılarda bu betonların kullanımına yönelik çalışmalar da önem kazanmıştır. UYDB, birçok yapı elemanında geleneksel betonlara göre çeşitli avantajlar sağlama potansiyeline sahiptir. Bu bağlamda en önemli elemanlardan biri kirişlerdir. UYDB, basınç altındaki yüksek şekil değiştirme kapasitesi nedeniyle kirişlerde yüksek donatı oranlarının kullanılmasına imkân vermektedir. Bu da elemanlardaki taşıma kapasitesini arttırarak önemli ekonomi sağlamaktadır. Buna karşın mevcut tasarım yönetmeliklerinde sünek davranış için öngörülen maksimum çekme donatısı oranları, bu tür özel betonların basınç altındaki kapasitesinin etkin olarak kullanılmasını sınırlamaktadır. UYDB’nin yüksek basınç kapasitesinden yararlanmak için yüksek dayanımlı çeliklerin kullanılması ya da geleneksel yumuşak çeliklerin yüksek oranda kullanılması gerekmektedir.
Yapılan çalışmalarda, geleneksel donatılı ve UYDB içeren betonarme kirişlerin eğilme davranışlarında oldukça iyi performanslar elde edildiği ve yönetmeliklerde verilen donatı sınırlarının üzerine çıkılmasına rağmen belirli süneklik değerlerinin sağlandığı görülmektedir. Ancak beton basınç dayanımı, kesit geometrisi, basınç donatısı oranı, sargı donatısı oranı vb. parametreler süneklik değerlerini etkilemekte ve geleneksel betonarme için yönetmeliklerde verilen tasarım esasları çok yüksek dayanımlı betonlar geçerli olmamaktadır. Bu nedenle, kirişlerde UYDB’nin 3 eğilme performansından etkin olarak yararlanabilmek için yeterli sünekliği sağlayacak çekme donatısı oranları üzerinde parametrik deneysel çalışmalara ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmada, UYDB’nin betonarme kirişlerin eğilme davranışına etkilerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Bunun için, standart karıştırıcılarla ve standart kür koşulları altında 120 MPa ve üzeri basınç dayanımına sahip betonun üretilmesi öngörülmüştür. Çalışmada UYDB içeren düşük ve yüksek çekme donatısı oranlarına sahip dört adet betonarme kiriş hazırlanmış ve bu kirişlerin dört noktalı eğilme testleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmada ayrıca UYDB ve normal dayanımlı beton (C25) kullanılarak kesit analizleri gerçekleştirilmiş ve sonuçlar yer değiştirme sünekliği, moment kapasitesi ve eğilme rijitliği parametreleri açısından karşılaştırılmıştır.
Bu çalışmada, Ultra Yüksek Dayanımlı Beton ‘un (UYDB) betonarme kirişlerin eğilme davranışına etkileri deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Deneysel kısımda ortalama 135 MPa’ lık UYDB kullanılarak düşük ve yüksek donatı oranlarına sahip dört adet betonarme kiriş üretilmiş ve dört noktalı eğilme altında test edilmiştir. Sayısal kısımda ise test kirişleri için UYDB ve normal dayanımlı beton kullanılarak kesit analizleri gerçekleştirilmiş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak UYDB’nin özellikle yüksek donatı oranları için eğilme sünekliği, moment kapasitesi ve eğilme rijitliği parametreleri bakımından normal dayanımlı betona göre önemli avantajlar sağladığı görülmüştür. UYDB ile üretilen kirişlerin TS 500’de verilen maksimum donatı sınırının aşılmasına rağmen yeterli sünekliği sağladığı, hatta daha yüksek donatı oranlarının da kullanılabileceği düşünülmektedir.
SONUÇ
Yapılan araştırmalar sonucunda, beton da kullanılan malzemelerin davranışlarının çok daha iyi bilinmesini ve malzemeden daha iyi yararlanılması sağlamıştır. Bu sayede mühendisler, farklı beton dayanımı ve bunların yapıda davranışının nasıl değiştiğini, depreme dayanıklığını, farklı beton( yeni nesil yapılan betonlar) kullanılarak şekillerle görsel halde görüp, dayanımının nasıl olduğuna zemin hazırlayabileceklerdir. Böylelikle yapılan incelemelerde betonarme yüksek yapılar ve yeni nesil beton ilişkisi inşaat mühendisleri ve biz öğrenciler tarafından öğrenilmesi kolaylaştırılmış olacak ve bu konuda araştırma yapanların da yeni nesil betonların geliştirilip yüksek yapı çalışmalarında kullanıldığını öğrenip kolaylık sağlanmış olacaktır.
KAYNAKLAR
M. Hulusi Özkul, Mustafa E. Karagüler. Yüksek Yapılarda Yüksek Dayanımlı Beton.