Aderans

Betonarmenin, betonla çeliğin beraber çalıştığı kompozit bir malzeme olduğu bilinmektedir. Betonarmede beraber çalışma özelliğinin ancak çeliğin beton içerisinde kaymaması halinde mümkün olacağı açıktır. Beton ve çelik donatıdan oluşan herhangi bir yapı elemanının betonarme olarak davranabilmesi için, donatıların betonla kenetlenmesi gerekir. Bu kenetlenmeyi sağlayan, arada kayma olmadan oluşan bu tür gerilme geçişine aderans adı verilmektedir. Aderans kuvveti beton içindeki çubukların kaymasını önler, kenetlenmeyi sağlayarak beton ve çubukların beraber çalışmalarını sağlar. Bu şekilde iki malzemenin birbirini tamamlaması mümkün olur.

Aderans mekanizması, üç farklı mekanizmanın sonucundan oluşur, bunlar: kimyasal adezyon, sürtünme direnci ve donatı çubuklarının çıkıntıları ile beton arasındaki mekanik kenetlenmedir. Mekanik kenetlenme, mekanizmanın dikkate alındığı seviyeye bağlı olarak sürtünme şeklinde değerlendirilebilir. Kimyasal adezyondan kaynaklanan aderans direnci küçüktür; donatı ile beton arasındaki kayma başladığında da etkisini hemen kaybeder [87, 88]. Ancak, donatı çubuk çıkıntılarının taşıma etkisinden kaynaklanan eğik kuvvetler, donatı ile beton arasındaki kuvvetlerin transferinin devamını mümkün kılmaktadır.

Genellikle aderansın çubuk düz yüzü ile çimento harcı arasındaki kimyasal yapışma sonucu ortaya çıktığı düşünülürse de düşük zorlamalar bile bu yapışmayı çözer ve çubuk sıyrılır. Bu tür sıyrılmanın başlamasıyla sürtünme ve kama etkisiyle oluşan aderans başlar. Sürtünmeden ortaya çıkan aderans donatı çubuğunun pürüzlüğüne bağlıdır. Donatının paslanmaya başlamasıyla pürüzlükle beton ile çelik arasındaki aderans artar. Ancak pasın bir tabaka oluşturması donatının bu tabakadan sıyrılmasını kolaylaştırarak aderansın kolayca çözülmesine sebep olur. Bu nedenle çok az paslanma aderansı olumlu yönde etkilediği halde genellikle paslanma aderansın kaybolmasına neden olur.

Betonarme yapıların inşasında, normal betona göre yerleşme kalitesini temin etmek için beton karışımına sıkıştırma işleminin uygulanması gerekir. Yetersiz sıkıştırma, betonarme elemanlarda peteğimsi ve boşluklu yapılar gibi kusurlara sebep olur. Bu eksiklikler dayanıklılık ve yapısal performansta azalmalara yol açar. Bununla birlikte, sık donatılı ve büyük boyutlu elemanlarda sıkıştırma işlemi zordur. Uygun işlenebilirliğe sahip bir beton seçimi, genellikle betonun yerleştirilmesindeki zorlukları çözmek için yapılır. Bu nedenle Betonun yerleştirilmesiyle ilgili problemleri çözmek için kendiliğinden yerleşen beton (KYB) kullanılır. Deprem bölgelerindeki çok sık donatılı yapılarda kullanmak

69

amacıyla 1980’li yılların ikinci yarısında Japonya’da [89] geliştirilen KYB, mükemmel şekil değiştirebilen, ayrışmaya karşı yüksek dirence sahip olan ve herhangi bir sıkıştırma işlemi olmaksızın kolaylıkla yerleşebilen bir beton olarak tanımlanır [90].

Betonarme elemanların analiz ve tasarımı yapılırken beton ve donatı arasındaki kenetlenme ve bindirmeli ekli donatılar beton ve donatı arasındaki aderans açısından büyük bir öneme sahiptir. Aderansın tam olarak sağlanabilmesi için kenetlenme boyunun yeterli olması gerekmektedir. Bunu sağlayan aderansa da kenetlenme aderansı adı verilmektedir. Kenetlenmenin yeterli olabilmesi için ise donatı akma dayanımına ulaşmalı ya da akma ötesi şekil değiştirme yapması durumunda betondan sıyrılmamalı ve betonu yarmamalıdır [91].

Aderansı oluşturan temel nedenler:

Beton ve çelik arasındaki sürtünme kuvvetleri,

Çelik ve beton arasındaki yapışmayı sağlayan moleküler ve kapiler bağ kuvvetleri,

Donatı çubuğu ve beton arasındaki mekanik diş kuvvetleridir. Aderansa etki eden önemli değişkenler ise şunlardır:

Betonun çekme mukavemeti,

Deneyler sonucunda çeliğin akma gerilmesi, Çubuk yüzey geometrisi (düz, nervürlü),

Çubuk çapı (özellikle nervürlü çelikler için çok önemli olduğu yapılan deneylerden anlaşılmıştır).

Kenetlenme boyu (aderansla arasında doğrusal bir orantı olmamakla birlikte aderansı etkiler).

Pas payı veya beton örtü kalınlığı olarak adlandırılan beton örtüsü özellikle nervürlü çubuklarda etkilidir.

Betonarme çubuğunun betonlama sırasındaki konumu. Özellikle yüzeye yakın çubukların mukavemetinin düşük olduğu gözlenmiştir. Bunun nedeni üst çubukların altında biriken hava kabarcıkları ve döküm ile piriz süresi arasında oluşan çökmedir.

Kullanılan agreganın cinsi ve katkı maddeleri. Örneğin hafif agrega ile yapılan betonun aderans gerilmesi normal agrega ile yapılana göre daha düşüktür [92].

70

Betonun karakteristik basınç dayanımının (fck) yüksek, kesme dayanımının (fcv) yaklaşık basınç dayanımının yarısına (≈0.5fck) eşit, çekme dayanımının ise çok düşük (≈0.1fck) olduğu ve betonarme hesaplarda sıfır kabul edildiği bilinmektedir. Oysa yapı elemanlarının çoğunda, eğilme momentleri ve merkezi çekme kuvvetlerinden dolayı büyük çekme gerilmeleri oluşmaktadır. Bu nedenle bu tür yapılarda beton kullanmak için çekme gerilmelerini karşılamak üzere, bu gerilmeler doğrultusunda çekme etkisinde kalacak olan bölgelere yeterli miktarda donatı konmuş, donatıyla beton arasındaki aderanstan yararlanılarak ortak çalışma sağlanmış ve bu suretle betonarme yapı tekniği doğmuştur [93].

Betonarme yapı elemanlarında, varlığını borçlu olduğu aderans sayesinde, donatıdaki gerilmeler değişebilmekte ve elemana etkiyen iç kuvvetler bir kesitten diğerine aktarılabilmektedir ki bu olay da adaptasyon olarak bilinmektedir.

Aderans gerilmelerinin belirlenmesinde kullanılan en basit deney olan çekip-çıkarma deney düzeneği Şekil 2.20.a’da, donatıya etkiyen çekme gerilmesi dağılımı Şekil 2.20.b’de, aderans gerilmelerinin dağılımı ise Şekil 2.20.c ve 2.20.d’de görülmektedir [94, 95]. Görüldüğü gibi düzgün yayılı olmayan aderans gerilmeleri çelik çubuktaki gerilme düzeyiyle değişmektedir.

Yapılan deneysel araştırmalarda aynı dayanım sınıfındaki KYB ile normal beton arasındaki aderansın, iki normal beton arasındaki aderansa göre eşit veya daha iyi olduğu sonucu elde edilmiştir.

KYB’nin donatı ile aderansının klasik betona kıyasla daha yüksek olduğunu ortaya koymuştur. Sıyrılma deneyi ile KYB’de düşey homojenliğin standart betona kıyasla çok daha iyi olduğunu tespit etmiştir. Stabilitesi düşük, ayrışan standart betonun düşeyde mekanik özellikleri homojenlik göstermez. KYB’de ise düşeyde mekanik özelliklerdeki değişkenlik (top-bar effect) önemli ölçüde azaltmaktadır [96].

Taze beton terlemesi, çökmesi ve ayrışması birçok çelik-beton arayüz kusurunun sebebidir. Katı bileşenlerin (agrega, çimento) taze betonda serbest suyun terleme suyu olarak yükselmesine sebep olur; bu terleme suyu iri agrega ve donatı gibi engellerin altında birikebilir. Bazı üretim etkenlerinden dolayı bu etkiler artabilir. Terleme suyu, dikey bir beton kesitin alt ve üst kısmındaki su-çimento oranları arasında farklılıklar yaratır. Bu farklılıklar gözenekliliği ve mekanik özellikleri etkiler. Terleme suyunun yatay çubukların

71

altında birikmesi, aderans kalitesini azaltır. Donatı altındaki beton derinliği bu durumun önemini arttırır [97-101]. ACI 318 Betonarme Yönetmeliği, donatı çubuğu altındaki beton derinliği 30 cm’nin üzerine çıktığında kenetlenme uzunluğunda % 30 artış öngörmektedir [102].

Mekanik özelliğin ötesinde, çelik-beton arayüz kalitesi bozukluğu donatı korozyonuna neden olabilir. Korozyonun başlaması için çelik-beton arayüzünde kusurların oluşması gereklidir. Genelde, korozyonun başlaması için öngörülen klorür eşik değeri yeterli değildir. Birçok araştırmacı bu değeri farklı hesaplamıştır. Bunun sebebi farklı araştırmalardaki çelik-beton arayüz kalitesi farkı, araştırmaların bir kısmında da beton gözenek çözeltisini simüle eden alkali çözeltilerin kullanılmış olmasıdır [103-105].

Çelik-beton arasındaki kusurları azaltmanın en etkili yolu kendiliğinden yerleşen beton (KYB) kullanımı olacaktır. Bu betonlar vibrasyon kullanılmadan, kendi ağırlığıyla yerleşebilecek şekilde akıcı, ama aynı zamanda kararlı (terleme, çökme ve ayrışmaya karşı dirençli) betonlardır. KYB, süperakışkanlaştırıcı ve viskositeyi arttıran katkıların iyi bir karışımıyla elde edilebilir [106,107].

Şekil 2.20. Merkezi çekme etkisindeki bir donatı çubuğunda çekme ve aderans gerilmelerinin şematik dağılımı [94]

72

Betonda ve harçta aderans için çok önemli olan arayüz kalitesi ile ilgili fikir edinebilmek için, 15x15x15 cm boyutlarında harç numuneler dökülmüş ve bunların merkezine 40 cm uzunlukta donatılar yerleştirilmiştir. Bu tip çalışmalarda donatı-harç arayüzü arasındaki kenetlenme uzunluğu çok önemlidir. Uzunluk arttıkça aderans kuvvetinin artacağı da bellidir. Bununla birlikte gerek harçtan gerekse donatıdaki korozyondan kaynaklanabilecek arayüz kusurları aderansı olumsuz olarak etkileyecektir.

20’inci yüzyılın başından bu güne kadar, ortalama aderans gerilmesinin ve gerekli kenetlenme boyunun saptanmasına yönelik çok sayıda deney türü geliştirilmiştir. Hemen belirtmek gerekir ki, geliştirilen bu deney elemanlarının hiçbiri tam anlamı ile gerçek durumunu yansıtmamaktadır. Bu nedenle deney türlerinin tümü eleştiriye açıktır. Bu güne kadar gerçekçi bir aderans deneyinin geliştirilmemiş olmasının başlıca nedenleri aşağıda sıralanmıştır:

Aderans- kesme ilişkisi henüz tam olarak aydınlığa kavuşturulmamış karmaşık bir konu olduğundan, bu etkileşimin gerçekçi olarak deney elemanına yansıtılması çok zordur.

Boyut etkisi aderansı büyük ölçüde etkilemektedir.

Yerel gerilmelerinin aderans ve kenetlenme üzerinde ihmal edilmeyecek ölçüde etkileri vardır.

Donatı çubukları arasındaki uzaklık ve beton örtüsü aderansı etkileyen önemli değişkenlerdendir. Deneylerde bunları modellemek çok zordur.

Sargı donatısı aderansı olumlu yönde etkilemektedir. Deney elemanı bu sargı etkisini de içermektedir.

Bu durumda, aderans ve kenetlenme sorunu incelenecek eleman, laboratuvarda aynı boyut ve sınır koşulları ile imal edilip test edilmedikçe, yapılan deneyin tam olarak gerçeği yansıttığı söylenemez. Karşılaştırılan her sorun için böyle bir deney planlanması, elbette ki pratik ve ekonomik olmayacaktır. Aşağıda tanıtılan ve irdelenen deney türleri, bu gerçeklerin ışığında değerlendirilmelidir.

Çekip Çıkarma Deneyi İtip-Çıkarma Deneyi

Geliştirilmiş Çekip-Çıkarma Deneyi Eksantrik Çekip-Çıkarma Deneyi

73