Taşıyıcı sistemi tasarlanmış ve analizleri yapılmış yapı elemanlarında oluşan iç kuvvetler belirlendikten sonra, kesitler bu yükler altında irdelenir ve donatılır. Betonarme kesitlerde betonarme çeliğinin rolünü kısaca aşağıdaki gibi özetleyebiliriz.
Betonarme elemanda çekme dayanımı zayıf olan betonun çatlama nedeni ile kesitte oluşan çekme gerilmeleri betonarme çeliği tarafından karşılanır. Yine kesitlerde oluşan, kayma gerilmelerinin karşılanmasında da betonun yetersiz kaldığı durumlarda çeliğe iş düşer.
Bilindiği gibi enine donatılar (etriyeler) bu işi görmektedir. Bazı durumlarda betonarme çeliği basınç gerilmelerinin karşılanmasında da iş görmektedir. Özelikle büyük açıklıkların geçildiği kiriş mesnetlerinde kesit mesnetlerinde kesit çift donatılı olarak tasarlanabilir. Basınç bölgesine konan donatılar yetersiz kalan ve beton basınç bölgesinin güçlendirilmesine yardımcı olur. Donatı aynı zamanda betonda oluşan çatlak genişliklerini sınırlar, rötre ve sünme etkilerinin bir kısmını karşılar (Altıneller, 2008).
Betonarme yapılarda yukarıdaki görevleri yerine getiren donatı çeliği, imalat şekillerine göre soğukta işlem görmüş ve doğal sertlikteki çelikler; dayanımlarına göre BÇ I (S220), BÇ III (S420), BÇ IV ( S500); yüzey özelliklerine göre düz yüzeyli, profilli ve nervürlü olmak üzere gruplanmaktadır.
İmalat şekillerine göre çelikler sıcak haddeleme işlemi ile üretilenler, sıcak haddeleme esnasında ısıl işlemi uygulanarak üretilenler ve soğuk mekanik işlem uygulanarak üretilenler olarak gruplandırılırlar.
Soğukta işlem görmüş çelikler rölatif olarak düşük ısıda çekilerek ya da burularak imal edilir. Soğukta işlemlerle çelik dayanımı arttırılır. Bu tür çelikler özel beton çelikleri adını da almaktadır. Bu tür çelikler ısıtılırsa dayanımlarını kaybedip eski
durumlarına geri dönerler. Bu nedenle uygulamada kaynak yapılırken özel önlemler alınmalıdır. Ayrıca doğal sertlikteki çeliklerin TS 708’ de tanımlandığı gibi karbon eşdeğeri 0.4 değerini aşmamalıdır (Yılmaz, 2006).
Akma dayanımlarına göre sınıflandırılan çeliklerin S220 kullanımı ülkemizde zamanla düşmüş S420 çeliği günümüzde en çok kullanılan çelik olmuştur. Yüzey özelliklerine göre sınıflandırılan düz donatı ve nervürlü donatılarda ise düz donatılarda akma gerilmesine ulaşıldığında beton ile donatı aderansının sağlanması oldukça güçtür.
Düz donatılar ile süneklik özelliğinin kazandırılması da oldukça güçtür. Donatı akma gerilmesine ulaşmadan betonla donatı arasındaki aderans yok olabilmekte ve donatı betondan sıyrılabilmektedir. Düz donatılar ancak etriyeler gibi ankraj ve büklümün, uygun uç kancaları ile sağlandığı yerlerde uygun biçimde kullanılabilmektedir. Şekil 2.3’ de yanal etki altındaki betonun etriyelerle sargılama etkisi görülmektedir (Celep ve Kumbasar, 2001). etriye etriye yanal etkiler sarılmamış beton
Şekil 2.3: Betonarme elemanlarda sargılama etkisi.
Yüzey özellikleri ne olursa olsun betonarme taşıyıcılara demir koymada, doğru sonuçlara ulaşılabilmek için, betonda meydana gelen çatlaklar dolayısı ile iç kuvvetlerin durumunu kavramak amacı ile gerekli olan çalışma ve deneyleri yapmak
gerekmektedir. Ama tartışılmazdır ki zamanla çok şey değişmiştir. Bugün çok büyük emniyet gerilmeleri ile çalışılmakta, daha büyük açıklıklar kullanılmaktadır. Mörsch, usulüne uygun tarzda çalışmak sureti ile demir koyma tekniğinde gelişmeler sağlamıştır. Bu nedenle taşıyıcıların içine nüfuz etmek, iç kuvvetlerin betonda yüklendiği noktaları hissetmek ve buralarda demirin yardımını sağlayarak betonun görünür yara almasını önlemek lazımdır (Leonhard, 1975). Betonun içine demir, çelik ağ veya hasır konulmasının başlıca nedenleri Leonhard’a göre aşağıdaki şekilde sıralanabilir.
1. Dış yükler altında taşıyıcının içinde meydana gelen tehlikeli çekme gerilmelerini karşılamak ve çekmeye karşı mukavemeti az olan betonu bu yönde çalıştırmamak. Böylece betonarme taşıyıcının taşıma gücü ve stabilite emniyetini sağlamak.
2. Hareketli yükler altında betonda meydana gelen çatlakların kalınlığını minimuma indirmek ve böylece korozyon tehlikesini önlemek.
3. Kirişin kendi yükünden doğan gerilme çatlaklarını belirli bir değerde tutmak.
4. Basınca maruz kalan elemanlarda boyuna donanım, genel olarak flambaj emniyetini veya bilinen-bilinmeyen eksantrisitelerden doğan çekme gerilmelerinin karşılanmasını sağlamaktır. Ancak beton kesit yükü taşımaya yeterli değil ise, basınç gerilmelerini karşılamak için de donatı çeliği kullanılabilir.
5. Çelik hasırlar kullanılarak bir yangın halinde, esas demirlerin üstünde bulunan beton kabuğunun kavlaması önlenmek (Leonhard, 1975).
Betonarme bir taşıcının en uygun bir şekilde davranabilmesi için, teorik olarak donatının gerilme yörüngelerine paralel olarak yerleştirilmesi gerekmektedir. Çelik ve betondan birleşik bir taşıyıcı elemanın meydana gelmemesi aşağıda görülen iki malzemenin özellikleriyle sağlanmıştır.
1. Beton katılaştıktan sonra, çeliğe sıkıca yapışır. Beton, çeliği yeterli bir kalınlıkta sardığı taktirde, onu pasa karşı korur.
2. Çelik ve betonun uzama ve kısalma katsayıları birbirine çok yakındır. Bu değer, beton için 10x10-6, çelik için ise 12x10-6 dır.
Betonarme bir taşıyıcıya donatı yerleştirilirken, betonarme hesabın yanı sıra, konstrüktif kurallara da uyulması gerekmektedir (Altan, 2001). TS 500 ve D.B.Y.B.H.Y(2007) ülkemizde yapılacak, betonarme yapılar için gerekli konstrüktif kuralları içermektedir
2.2.1 Mekanik özellikleri
TS 500 (2000)’de donatı çeliklerinin mekanik özellikleri aşağıda verildiği gibi belirtilmiştir.
Eksenel çekme altında denenen donatı çeliğinin akma sınırına ulaştığı anda taşıdığı gerilme değerine “akma dayanımı”, istatiksel verilere dayanılarak belirlenen ve bu değerden daha düşük dayanım değeri elde etme olasılığı belirli bir oran olan akma dayanım değerine ise “karakteristik akma dayanımı” denir. Bu dayanım donatı sınıfını tanımlamak için kullanılmaktadır Çizelge 2.2’ de donatı çeliklerinin mekanik özellikleri bir arada gösterilmektedir.
Çizelge 2.2: Donatı çeliklerinin mekanik özellikleri.
Sıcakta İşlenmiş Soğukta İşlenmiş Mekanik Özellikler
S220a S420a S500a S420b S500bs S500bk
Minimum akma dayanımı fyk ( MPa)
220 420 500 420 500 500
Minimum kopma dayanımı fsu (MPa)
340 500 550 550 550 550
Minimum kopma uzaması €su Ø≤ 32
0.18 0.12 0.12 0.10 0.08 0.05
Minimum kopma uzaması €su Ø≤ 32≤50
0.18 0.10 0.10 0.10 0.08 0.05
“Donatı çekme dayanımı” ise eksenel çekme altında denen donatı çeliğinin kopmadan önce taşıyabileceği en büyük gerilme değeridir. Donatı olarak kullanılan çeliklerin tipik gerilme- şekil değiştirme eğrileri, Şekil 2.4’de gösterildiği gibi verilebilir. Ülkemizde kullanılan 3 tür çeliğin başlangıçta aynı eğimle doğrusal
elastik davranış gösterdiği ve bu bölgenin sonunda gerilmenin az değiştiği bir akma sahanlığı görülür (Celep ve Kumbasar, 2004).
0 4 8 12 16 20 200 400 600 800 S500 S420b S420a S220 εs (%) s (M P a ) σ
Şekil 2.4: Değişik çelik türlerinde şekil değiştirme eğrisi.
Akma gerilmesi, yaklaşık olarak elastik bölgenin sınırı olarak kabul edilebilir ve bu donatı çubukları daha evvel belirtildiği gibi bu gerilmeye bağlı olarak sınıflandırılır. Akma bölgesi olmayan çeliklerde %0,2’ ye karşılık gelen birim uzaması esas alınır. Akma bölgesinden sonra gerilmenin belirgin şekilde arttığı pekleşme bölgesi görülür. Yüklemeye devam edilirse, donatı koparak dayanımını kaybeder.
Çeliğin elastisite modülü 2.105 N/mm2 olarak alınırken kayma modülü 8,1.104 N/mm2 olarak alınmaktadır. Bunun dışına çeliğin bir mekanik özelliği olan ısıl genleşme katsayısı 1,2. 10-5 / C olarak verilmektedir.
Çelik ve beton genleşme katsayılarının birbirine çok yakın olması, betonarmeyi meydana getiren beton ve çelik malzemelerinin birlikte çalışması açısından son derece önemli bir özelliktir (Doğangün, 2002).
Donatı çeliği kullanmadan önce kir, yağ ve yüzeyden ayrılabilen pastan arındırılmalıdır. Pas olayını önlemek için donatıların kullanılmadan önce mümkün olduğunca üstü kapalı bir sundurma altında saklanması tercih edilmelidir.
Donatı kullanıldıktan sonra da gerek doğrudan etkisinde kaldığı sıvılara, gerekse betonun emdiği zararlı sıvılara karşı korunmalıdır. Çünkü bu sıvılar donatının korozyona uğramasına sebep olup, donatı kesitini ve dayanımı azaltmaktadır. Donatıyı korozyona karşı korumak, betonun donatı kenetlenmesini sağlamak ve hatta yangına karşı korumak için çelik çubuklarla donatı arasında beton örtüsü bulunmalıdır (Doğangün, 2002).