Eylül 2009
3. B Ö L Ü M YAPI GÜVENLİĞİ İnşaat mühendisliğinin bir gayesi de yapıları, sahip olacakları fonksiyonların gereği olarak belirli bir güvenlik altında ekonomik olarak çözümlemektir. Burada güvenliğe tesir eden üç ayrı faktör vardır: a) Yapı elemanlarını oluşturan malzeme özelliklerinin hangi yanılma payı ile bilindiği belli olmalıdır. Betonarmeyi oluşturan yapı malzemeleri olan beton ve çeliğin mukavemet özellikleri acaba hangi yanılma payı ile bilinmektedir. b) Yapıya tesir edeceği varsayılan dış yük değerlerinin tam ve doğru olarak bilinmesi gerekir. Bu dış yükler yapının kendi ağırlığının oluşturduğu düşey yükler ile rüzgâr ve deprem tesiri ile oluşan yatay yüklerdir. Bu yüklerin tahmininde yapılan hatalar yapı güvenliğine tesir eder. c) Yapının önem derecesi, yapı güvenliğine tesir eder. Sıradan bir yapı ile postahane, hastahane gibi yapıların, yapı güvenliği açısından aynı tutulması doğru olmayacaktır. Mesken olarak dış yükleri alınarak projelendirilen bir yapının işyeri olarak kullanılması yapı güvenliği açısından doğru değildir. TS 500 1985Yapılardaki güvenliğin sağlanması için iki ayrı metot kullanılabileceğini ifade etmişti. Bunlar Emniyet Gerilmeleri metodu ve Taşıma Gücü metodu dur. Bugün geçerli olan TS 500 2000 ise yapılarda güvenliğin sadece Taşıma Gücü metodu ile sağlanabileceğini belirtmektedir. Taşıma Gücü metodunun daha iyi anlaşılması için emniyet gerilmeleri metodundan da kısaca bahsedilecektir. 3.1. Emniyet Gerilmeleri Metodunda Yapı Güvenliği İnşaat Mühendisliğinde, en önemli kaynaklardan biri olan TS 498 (Yapı elemanlarının boyutlandırılmasında alınacak yüklerin hesap değeri) şartnamesinin kapsam bölümünde: "Bu standart; konutlar, bürolar, resmi daireler, okullar, hastahaneler, spor tesisleri, eğlence yerleri, garajlar ve benzeri yapılardaki taşıyıcı elemanların boyutlandırılmasında alınacak yüklerin hesap değerini kapsar." denmektedir. İlerde bahsedilecek olan karakteristik yük değerleri, TS 498 de verilen hesap değerleridir. Emniyet Gerilmeleri metodunda yapıya, dolayısıyla taşıyıcı elemanlara tesir eden yükler, TS 498 de verilen hesap yükleri veya karakteristik yükler olarak alınacaktır. Bu metotta güvenlik sadece malzeme üzerinde düşünülmüştür. Daha önceki bölümde beton için bahsedilen karakteristik basınç mukavemeti (f ck) ile çelik için bahsedilen minimum akma sınırı (fyk) değerleri, hesabedilen kesitin geometrisi ve o kesite tesir eden dış etkenler (normal kuvvet, moment, normal kuvvet ile moment v.b.) göz önüne alınarak bazı güvenlik sayılarına bölünerek emniyet gerilmeleri bulunmuştur. Beton sınıfına göre emniyet gerilmeleri ile çelik sınıfına göre emniyet gerilmeleri kgf/cm² olarak TS 500 1985 de, yapı elemanı ve zorlama biçimiyle bu yapı elemanının kullanıldığı bölgeye göre tablo halinde verilmiştir. (Çizelge 9.1 ) Emniyet gerilmeleri metodunda yapı elemanına tesir eden karakteristik yükler altında yapı elemanında oluşan gerilmelerin o yapıya ait emniyet gerilmelerinden küçük
31
olması istenmektedir. TS498 karakteristik yükler
Yükler
Nkar
N
Beton ve Çelik karakteristik dayanımlarının emniyet katsayısına bölünmesi ile bulunan emniyet gerilmeleri
Meydana gelen gerilme
σ
σem σ ≤ σem
N = Nkar
3.2 Taşıma Gücü Metodunda Yapı Güvenliği Taşıma gücü metodunda yapı güvenliği; malzeme üzerinde olduğu gibi, yapıya tesir eden yükler konusunda da düşünülmüştür. Dolayısıyla yük ve malzeme açısından yapı güvenliği olmak üzere iki ayrı bölüm halinde incelemek gerekmektedir. 3.2.1. Yük Açısından Yapı Güvenliği TS 498 de yapı elemanlarının boyutlandırılmasında alınacak yüklerin hesap değerleri verilmişti. Uygulamada karşılaşılabilecek olan bazı durumlarda yükler, TS 498 de verilen hesap yüklerinden daha fazla olabilir. Bu gibi durumları göz önüne alarak TS 498 de verilen karakteristik yükler, γf gibi bir yük katsayısıyla (γf >1) çarpılarak büyültülmelidir. γf olarak verilen yük katsayıları, çeşitli yük durumlarına göre farklı olarak alınmalıdır. a) Yapıda sadece düşey sabit yük (G), ve hareketli yük (Q) olması halinde, sabit yük % 40, hareketli yük ise % 60 artırılarak toplanmalı ve böylece "artırılmış yük" veya tasarım yükü ( dizayn yükü ) bulunmalıdır. Nd = 1,4 * G + 1,6 * Q b) Sabit ve hareketli yüklere ilave olarak, farklı oturma, sıcaklık farkı, büzülme, şekil değiştirmelerden dolayı oluşan yüklerin (T) ile gösterilmesi halinde dizayn yükü aşağıdaki iki değerden büyük olanıdır. 1,4 * G + 1,6 * Q 1,0* G + 1,2 * Q + 1,2 * T c) Sabit ve hareketli yüklere ilave olarak, rüzgar yükü (W) olması halinde dizayn yükü aşağıdaki üç değerden büyük olanı alınmalıdır. 1,4 * G + 1,6 * Q 1,0 * G + 1,3 * Q + 1,3 * W 0,9 * G + 1,3 * W
32
d) Sabit ve hareketli yüklere ilave olarak, deprem yükünün de ( E ) tesir etmesi halinde dizayn yükü aşağıdaki üç değerden büyük olanıdır. 1,4 * G + 1,6 * Q 1,0 * G + 1,0 * Q + 1,0 * E 0,9 * G + 1,0 * E Yukarıda verilen her dört hal için, hareketli yükün sabit yüke göre küçük olduğu durumlarda (Q ≤ 0.33*G) ve bununla birlikte çerçeveyi oluşturan kiriş açıklıklarının eşit veya birbirine yakın olduğu durumlarda; (küçük açıklık/ büyük açıklık ≤ 0.8), 1,4 * G + 1,6 * Q yerine basit olarak 1,5 (G + Q) değeri alınabilir. Sonuç olarak taşıma gücü hesabında kullanılacak olan Tasarım yükü (dizayn yükü ) FD ise F d = γf * Fk
yazılabilir.
TS 498 de verilen Karakteristik yüklerin (Fk), yukarda bahsedilen kombinezonlardan elde edilen yük katsayısı ( γf ) ile çarpılması sonucunda bulunan yüklere "artırılmış yük" veya tasarım yükü ( dizayn yükü ) denilmektedir. 3.2.2. Malzeme Açısından Yapı Güvenliği Betonarmeyi oluşturan ana malzemeler beton ve çeliktir. Bu malzemelere ait karakteristik mukavemetler daha önceki bölümde verilmişti. Uygulamada, tasarımda bu değerleri kullanmak doğru değildir. Çünkü uygulama sahası olan şantiyelerde, laboratuar veya fabrikada olan şartları sağlayarak imalat yapmak mümkün değildir. Dolayısıyla tasarımda malzeme karakteristik değerlerinden ( fck , fyk ) daha küçük olan malzeme tasarım dayanımları ( fcd , fyd ) kullanılmalıdır. Malzeme tasarım dayanımları veya malzeme hesap değerleri malzemelerin karakteristik değerlerinin birden büyük olan malzeme güvenlik katsayısına bölünmesiyle bulunur. (γm > 1 ) Malzeme güvenlik katsayıları, beton ve çelik için ayrı ayrı düşünülmelidir. Çünkü çelik, betona nazaran yapısal özelliği, imal edildikleri ortam açısından daha güvenilir bir malzemedir. Beton ise imal edildiği malzemelerden kum ve çakılın yöresel oluşundan, beton imalinde çalışan insanların yetenek farklarından dolayı çeliğe nazaran daha az güvenilir bir malzemedir. Bu sebeplerden dolayı beton için düşünülen malzeme güvenlik katsayısı (γmc) ile çelik için düşünülen malzeme güvenlik katsayısı (γms) birbirinden farklı değerlerdir. fcd = fck/ γmc ;
fyd= fyk/ γms;
fctd= fctk/ γ mc
γ mc: Beton için malzeme güvenlik katsayısıdır. γmc =1.5 Şantiyede, yerinde dökülen betonlar içindir. γmc=1.4 Fabrikasyon, önceden dökülen betonlar içindir. γmc =1.7 Kalite kontrolünün yapılamayacağı durumda, daha az güvenilen betonlar için alınmalıdır.
33
γms =1.15 Çelik için malzeme güvenlik katsayısıdır. Bütün çelik çeşitleri ve imal durumları için aynı değer alınmalıdır. Emniyet gerilmeleri metodu ile taşıma gücü metodu arasında güvenliğin sağlanması hususunda en önemli fark buradadır. Emniyet gerilmeleri metodunda Beton ve Çeliğin karakteristik değerleri, aynı emniyet katsayısına bölünerek malzeme emniyet gerilmeleri bulunduğu halde; taşıma gücü metodunda beton ve çelik, farklı malzeme güvenlik katsayılarına bölünerek malzeme hesap değerleri bulunmaktadır. Ayrıca, elemana tesir eden yük olarak, Emniyet gerilmeleri metodunda TS 498 de verilen karakteristik yükler kullanılmasına rağmen, taşıma gücü metodunda artırılmış yükler, dizayn yükleri kullanılmaktadır.
Nd = γf
TS498 karakteristik yükler Nkar
NR Malzeme hesap dayanımları ile bulunan Taşıma Gücüdür.
Beton ve Çelik karakteristik dayanımları farklı katsayılara bölünerek Malzeme Hesap Dayanımları bulunur
Tablo 3.1
* Nkar
Nd ≤ NR
Beton İçin Karakteristik ve Hesap Dayanımları
C16
C18
C20
C25
C30
C35
C40
C45
C50
fck
160
180
200
250
300
350
400
450
500
fctk
14
15
16
18
19
21
22
23
25
fcd
110
120
130
170
200
230
270
300
330
fctd
9,3
10
10,7
12
12,7
14
14,7
15,3
16,7
S220
S420
S500
fyk
2200
4200
5000
fyd
1910
3650
4350
γmc =1,5 dir.
γms =1,15 Tablo 3.2 dir. Çelik için Karakteristik ve Hesap Dayanımlar
Not: Tablolardaki değerler kg/cm² birimindedir.