Kompozit Döşeme-Kolon-Kiriş Nedir? Çeşitleri ve Özellikleri

Kompozit yapılar, dünyada yapı uygulamalarının vazgeçilmez taşıyıcı sistemleri haline gelmiştir. Kompozit yapı sistemleri, betonarme binalarla kıyaslandığında yapının zati ağırlığını etkili bir şekilde azalttığı ve sismik yüklere karşı istenilen dayanımlara ulaşmaya olanak sağlamaktadır.

Kompozit kesit, yapısal çelik ve betonun birarada çalıştığı üniteyi ifade etmektedir. Çelik malzemesinin korozyon ve düşük yangın dayanımı gibi zayıf yönleri beton malzemesiyle, beton malzemesinin ise düşük çekme mukavemeti gibi zayıf yönü çelik malzemesi ile giderilerek yüksek performanslı elemanlar ortaya çıkmaktadır. Kompozit elemanların bu performans artışı; rijitlik, süneklik, yapı kullanım ömrünün artması, dayanım ve dayanıklılık artışı olarak sıralanabilir. Kompozit yapıların avantajları:

• Kompozit yapılar, betonarme yapılara göre %40 daha hafif olabilmekte ve bu özelliğinden dolayı meydana gelebilecek depremlerde daha az deprem yükünün oluşmasını sağlamaktadır.
• Ana taşıyıcı sistem elemanları atölye ortamında hazırlandığından yüksek derecede kalite kontrol imkanı sağlamaktadır.
• Yüksek düktilite özelliğine sahip olan kompozit yapılar, deprem esnasında daha sünek davranış göstermektedir.
• Kompozit elemanlar yalın halde kullanılacak çelik elemanlardan %25 oranında daha az çelik kullanılmasını sağlamaktadır.

Kompozit Döşemeler

Kompozit döşeme, çelik kirişler üzerine döşenmiş çelik sacların beton ile birlikte çalıştırılmasıyla ortaya çıkan kompozit taşıyıcı elemanlardır. Kompozit döşemelerin kullanılmasıyla yapı ağırlığında 1 kN/m2’ye kadar azalma sağlanabilmektedir. Bu durum da betonarme döşeme kullanılan yapılara göre %30 civarında daha hafif döşemeler elde edilmesini sağlamaktadır. Günümüzde kompozit döşemeler yaygın olarak okul, hastahane, yüksek yapılar, köprü döşemeleri, otoparklar gibi büyük açıklıkların olduğu ve yüksek dayanım kapasitesinin gerektiği alanlarda kullanılmaktadır. Kompozit döşemelerin kullanılmasıyla tesisat için ekstra alanlar oluşmakta, işçilik azalmakta, yangın dayanımı büyük oranlarda artmakta ve ısı izolasyonu sağlanmaktadır.

Kompozit döşeme sistemleri esas olarak 4 bileşenden meydana gelmektedir:

• Yapısal çelik kiriş
• Başlıklı kayma elemanları
• Profillenmiş çelik sac
• Donatılı beton

Kompozit döşemelerde, beton dökümünde kalıp görevi gören çelik sacların beton ile birlikte çalışmasını sağlanması ve iki malzeme arasındaki kaymanın engellenmesi gerekmektedir. Profilli çelik sac ile beton arasındaki doğal kenetlenme trapez çelik sacın 10 mm-15 mm yüksekliğe sahip çıkıntılar yardımıyla oluşmaktadır. Çelik sac yeni dökülen betonun ağırlığını, betonarme döşemedeki donatının ağırlığını, kendi ağırlığını ve inşaat yapım süresi boyunca meydana gelebilecek hareketli yükleri taşıyabilmektedir. Bu yüzden trapez kesitli sacların kullanılması daha ekonomiktir ve bu kullanım çok fazla yaygınlaşmıştır. Çelik profil kiriş ile trapez sac ve betondan oluşan kompozit döşemenin birlikte çalışması için kayma elemanları kullanılmaktadır.

Ayrıca çelik sac ile betonun birlikte çalışmasını sağlamak ve böylelikle döşeme plağının pozitif moment bölgelerinde çelik sacın donatı görevi yapabilmesi için de kayma elemanlarına ihtiyaç duyulmaktadır. Kayma elemanlarının kullanılmasıyla birlikte çelik sac ile beton arasında oluşan boyuna kaymaları engellemektedir. Kompozit döşemelerin kullanılmasıyla daha ekonomik, daha hafif ve daha güvenli yapıların elde edilmesine olanak sağlamaktadır.

Çelik yapıların tasarım, hesap ve dayanımına dair esaslar yönetmeliğinde bulunan ve şekilde gösterilen çelik sac için esaslar aşağıdaki gibi ifade edilmiştir:

1. hr olarak ifade edilen çelik sacın hadve yüksekliği en fazla 75 mm ve wr olarak ifade edilen ortalama hadve genişliği ise en az 50 mm olacaktır.
2. Betonarme döşeme, çelik sac üzerinde ve üzerinde bulunduğu çelik kiriş başlığına doğrudan başlıklı çelik ankrajlarla kaynaklanarak bağlanacaktır.
3. Başlıklı çelik ankrajın kaynaklanan kısmından sonra çelik sacın hadve üst kotuna kadar olan mesafe en az 38 mm olacaktır ve beton döşemenin üst kotundan en az 12 mm aşağıda olacaktır.
4. Hadve üst kotu ile beton döşemenin üst kotu arasındaki mesafe minimum 50 mm olacaktır.
5. Kiriş başlığına mesnetlenen bağlantı aralığı maksimum 450 mm olacaktır.
6. Çelik kirişin boyuna eksenine dik olarak yerleştirilen çelik sac hadvelerinde, çelik sacın üst kotundan itibaren hadve içerisinde kalan beton tasraımda ihmal edilecektir.
7. Çelik kirişin boyuna eksenine paralel olarak yerleştirilen çelik sac hadvelerinde ise hadve içerisinde kalan beton kompozit enkesit tasarımında ihmal edilmeyebilir.
8. Çelik kirişin boyuna eksenine paralel olarak yerleştirilen çelik sac hadvelerinde her bir hadvede bir tane başlıklı çelik ankraj kullanıldığı durumlarda hadve genişliği wr minimum 50 mm olacaktır. Her hadvenin içerisinde birden fazla başlıklı çelik ankraj kullanılması durumunda ise hadve genişliği wr, ilave edilen her bir başlıklı çelik ankrajın gövde çapının 4 katı olacak şekilde artırılmalıdır.

Kompozit Kirişler

Kompozit kirişler, normal yapısal çelik kirişlerle kıyaslandığında daha fazla moment taşıma kapasitesine ve yüksek rijitliğe sahip olduğu görülmektedir. Kompozit kirişlerin kullanılmasının amacı, betonun basınç mukavemeti ve yapısal çeliğin çekme mukavemeti birarada kullanılarak daha küçük kesitler elde etmektir. Böylelikle elde edilen daha küçük kesitlerle taşınması gereken moment kapasitesine erişmeye imkan tanımaktadır. Bununla birlikte kullanılacak malzeme miktarı ve yüksek yapılarda döşeme kalınlığı azaltılarak daha ekonomik yapılar elde edilebilmektedir. Kompozit kirişler bina türü yapılarda ve köprü kirişleri olarak sıkça kullanılmaktadır.

Kompozit kirişlerin olumlu yönlerinin yanı sıra olumsuz tarafları da bulunmaktadır. En önemli dezavantajı betonarme döşeme ile çeliğin birlikte çalışması ve kenetlenmesinin sağlanması için elemanlara gereksinim duyulmasıdır. Bu elemanlar kesme bağlantı elemanları (shear stud) olarak bilinmektedir. Bütün tasarımlarda olduğu gibi kompozit kiriş tasarımındada hesaplamaların yapılması gerekmektedir. Yapılacak bu hesaplamalarda ve tasarımlarda kompozit kirişlerin yeterli kesme kuvveti ve moment taşıma kapasitelerine sahip oldukları irdelenmelidir. Kompozit kirişlerin yanı sıra kullanılacak kesme elemanlarının da yeterli dayanımda olması gerekmektedir. Kullanılacak kesme elemanlarının kopmaması ve bu elemanların çevresindeki betonda hasarların meydana gelmemesi için gerekli ve yeterli önlemler alınmalıdır. Kesme elemanlarının kullanılmayan elemanlarda, çeşitli yüklemeler altındaki kompozit kirişleri meydana getiren her bir bileşeni ayrı ayrı çalışmaktadır. Kesme elemanlarının özelliklerine bağlı olarak, kompozit kirişlerin rijitliklerinde ve mukavemetinde yüksek derecede artış meydana gelmektedir. Eurocode4’te bulunan bazı tipik kompozit kirişler aşağıda gösterilmiştir.

Kompozit kirişler betonarme hesaplara benzer olarak geniş başlıklı (tablalı) yani TKirişleri olarak ifade edilen şekilde modellenebilmektedir. Bu şekildeki bir tasarımda döşeme boyunca eğilme gerilmeleri meydana gelmekte ve eğilme momenti dağılımının hesaplanması ve kontrollerinin yapılması gerekmektedir. Tablalı kompozit kirişlerde efektik genişlik yani ‘beff’ değeri, kompozit kirişin açıklığına, mesnetlenme şekline ve ardarda oluşturulan kirişlerin arasındaki mesafeye bağlı olarak değişmektedir. Bu yüzden tabla genişliğinin basit kirişlerdeki hesaplamaları ile sürekli veya konsol kompozit kiriş olarak tasarlanacak kirişlerdeki hesaplamalar farklı şekillerde değerlendirilmelidir.

Kompozit Kolonlar

Beton, donatı ve yapısal çelik elemanlarının bir araya gelmesiyle kompozit kolonlar oluşmaktadır. Kompozit kolon taşıyıcı elemanları, özellikle çok katlı yapılarda betonarme veya çelikten oluşturulmuş kolonlarla kıyaslandığında birçok avantajının olduğu görülmektedir. Kompozit kolonların yüksek yapısal performans sergilemesi sebebiyle birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Oluşturulan kompozit kolonların kullanılmasıyla kesit boyutu azalmakta, yapının sabit ağırlığı azalmakta ve çelik kolonlarda en sık karşılaşılan problemlerden biri olan yangın dayanımını artırmaktadır. Eurocode4’te, kompozit kolonların enkesit şekillerinin genel olarak kullanım şekilleri aşağıda gösterilmiştir.

Kompozit kolonlar genel olarak 4 farklı şekilde oluşturulmaktadır:

1. Beton içerisine tamamen gömülmüş çelik profilli kompozit kolonlar
2. Yarı (kısmi) gömme kompozit kolonlar
3. Çelik profilin içi tamamen betonla doldurulan kompozit kolonlar
4. Beton içerisine gömülmüş tüp çelik betonarme kompozit kolonlar

Kaynaklar;
YENİ VE ESKİ NESİL BETONDAN ÜRETİLMİŞ KOMPOZİT KİRİŞLERİN DARBE KUVVETİ ETKİSİALTINDAKİ DAVRANIŞININ İNCELENMESİ-Medine AYDIN
Gücüyen, E., Erdem, R. T., & Kantar, E. Kompozit Boru Kesitlerinin Çarpma Etkisi Altında Deneysel ve Nümerik Olarak İncelenmesi. Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 30(1), 139-149.
Ağcakoca, E., Yaman, Z., & Yazıcı, Y. E. Behavior Of Composite And Box Profile Under Impact Force.