Betonun dayanıklılığı ve Kimyasal Katkıların Etkisi - 1(*) ...
1. DAYANIKLILIK VE SERVİS ÖMRÜ
Beton, dünya çapında en çok kullanılan inşaat malzemesidir. Standartlara ve şartnamelere göre uygun bir şekilde üretilmiş ve uygulanmış beton; emniyetli, iyi bir ekonomik değere sahip, uzun ömürlü, kullanışlı ve estetik yapılar için son derece önemli bir unsurdur.
Çoğu yapı geçici olacak şekilde inşa edilmez ve onlarca yıl hizmet vermesi beklenmektedir. Uzun vadeli performans, projenin tasarım ve inşaat aşamasında başlar ve bir yapının belirli bir sıklıkta ve planlanan zaman diliminde belirli düzeyde bakım ve onarımın gerekli olacağı hizmet ömrünü kapsar. Şekil 1’de uzun vadeli performansı oluşturan temel özellikler görülmektedir. Bunlar; dayanım, servis verebilirlik ve dayanıklılıktır.
Şekil 1. Dayanım, dayanıklılık ve servis verebilirliğin uzun vadeli performans ile ilişkisi
Dayanım
Dayanım ya da mukavemet, cisimlerin çeşitli dış etkiler ve bu dış etkilerin neden olduğu iç kuvvetler karşısında gösterdikleri dirençtir. Dayanım, malzemenin özelliklerine bağlıdır. Bir malzemenin dayanımı, onun eksenel gerilmeye, kayma gerilmesine, bükülmeye ve burulmaya dayanma kapasitesine ve ayrıca bu etkilere karşı şekil değiştirme kapasitesine bağlıdır.
Yapılar kendilerini ve maruz kalınan yükleri destekleyecek şekilde tasarlanır ve inşa edilir. Yeterli dayanıma sahip olmayan bir yapı, uzun vadeli performans bir yana, hiçbir zaman hizmet verme yeteneğine sahip olamaz. Çoğu yapısal tasarımda dayanım öncelikli husustur ve birçok standart ve kodun içeriği çoğunlukla dayanıma ayrılmıştır. Ancak, dayanım tek başına uzun vadeli performans için yeterli değildir.
Dayanım, servis verebilirlik ve dayanıklılık birbiriyle ilişkilidir. Yeterli dayanıma sahip olacak şekilde tasarlanan bir yapı, tasarım servis ömrüne ulaşmak için yeterli dayanıklılığa veya kullanılabilirliğe sahip olmayabilir. Yapısal tasarım ve detaylandırmadaki çok sayıda husus, dayanıklılığı ve servis verebilirliği etkiler. Bunlar arasında elemanların sürekliliği, birleşim yerleri, birleşim yeri aralığı, donatı detayları vb. faktörler yer almaktadır. Bu detaylar çoğu zaman bozulmanın ilk görüldüğü yerlerdir.
Bu bilgiler ışığında yapısal dayanımın sadece malzeme dayanımına bağlı olmadığı; ayrıca donatı işçiliği, betonun yerleştirilmesi, sıkıştırılması, bakımı ve kürü gibi uygulama aşamalarından da etkilendiği net olarak söylenebilir. İlave olarak korozyon, sülfat saldırısı ve alkali-silika reaksiyonu gibi dayanıklılıkla ilgili mekanizmalar betonarme yapıların dayanımını ve dayanıklılığını, dolayısıyla yapısal bütünlüğünü olumsuz etkiler.
Servis Verebilirlik
İnşaat mühendisliği ve yapı mühendisliğinde servis (hizmet) verebilirlik, bir yapının hala kullanışlı kabul edildiği koşulları ifade eder. Yani servis verebilirlik; bir yapının verimli kullanımını etkileyen performansın, kullanıcı bakış açısından değerlendirilmesi olarak tanımlanır. Estetik, deformasyon, aşırı titreşim, yangına dayanıklılık, su geçirmezlik gibi durumları içeren servis verebilirlik; geçici veya kalıcı olabilir. Bu sınır durumların aşılması halinde, yapısal olarak sağlam olabilen bir yapının yine de uygun olmadığı değerlendirilebilir.
Yapıları kullanılamaz hale getiren, dayanım dışındaki koşulları ifade eder. Örneğin, bir gökdelen şiddetli bir şekilde sallanabilir ve içinde bulunan insanların bundan rahatsız olmasına neden olabilir (tıpkı deniz tutması gibi). Yapısal olarak sağlam olan bu yapı, insan yerleşimine uygun olmadığından dolayı servis verebilirlik sınırını aşmış olarak değerlendirilir. Daha yaygın bir örnek ise yüksek rutubete maruz kalan bodrum katlarıdır. Yapısal olarak dayanım açısından sorun yaşanmasa dahi bu tür ortamlar konforsuz ve sağlık açısından riskli değerlendirilebilir.
Yapısal çatlaklar gibi çok sayıda hizmet verebilirlik sorunu, dayanıklılık kaybına da neden olabilmektedir. Donma-çözülme nedeniyle tabaka atma/pullanma/dökülme (örneğin beton yolların dökülen yüzeyleri sürüş konforunu olumsuz etkiler) veya alkali-silika reaksiyonu nedeniyle oluşan çatlaklar, yapının artık işlevsel olmamasına veya sızıntılara (örneğin su tutma havuzları, savak kapakları, dolu savaklar) yol açabilmektedir. Bir dayanıklılık problemi nedeni ile hasar oluştuğunda başka hasar mekanizmaları da devreye girip yapının hasar görme hızı artabilir. Örneğin sülfat etkisi nedeni ile oluşan çatlama, donatı korozyonunun başlamasına dolayısıyla daha hızlı bir bozulma sürecine dönüşebilir. Uygunsuz drenaj gibi sorunlar hem dayanıklılığı hem de servis verebilirliği etkilemektedir.
Dayanıklılık
Şekil 2’de görülen MS 72 civarında inşa edilmiş Roma Kolezyumu yaklaşık iki bin yıllıktır. Bu yapının dayanıklılığı, yapısal tasarıma ve Roma çimentosu ile üretilen donatı içermeyen betona dayanmaktadır. Tasarımcıların ve inşaatçıların bu ikonik eseri bu kadar uzun süre dayanacak şekilde inşa etmeyi amaçlamış olmaları pek olası değil, ancak modern tasarım profesyonelleri ve inşaatçılar eski yapılardan neyin işe yarayıp neyin yaramadığını öğrenebilme imkanına sahiptir.
Şekil 2. Roma Kolezyumu
Günümüzde dayanıklılık, bir malzemenin veya yapının büyük bir onarım veya rehabilitasyona gerek kalmadan belirli bir süre boyunca hizmet ortamında servis verebilme yeteneği olarak tanımlanabilir. Daha teknik bir ifade ile dayanıklılık; yapısal bir tasarımın korozyon, yorulma, sünme, çatlama, yangın, kimyasal bileşenler ve hava koşulları gibi çevresel faktörlerden kaynaklanan bozulmaya ve hasara karşı direnç gösterme yeteneğidir.
Dayanıklılık için zaman dilimini tanımlamak, yapıların bütçe veya çevre üzerindeki etkisini en aza indirecek şekilde başarıyla yönetilmeleri açısından kritik öneme sahiptir. Buna ek olarak, dayanıklılıkla ilgili tanımlar sıklıkla hem dayanımdan hem de servis verebilirlikten de bahseder. Çoğu zaman, birindeki eksiklik diğer ikisinde de eksikliğe yol açabilmektedir. Örneğin drenajı uygun olmayan bir saha zemininde:
1. Başlangıçta, bir saha betonu üzerindeki göllenme öncelikle bir hizmet verebilirlik sorunudur.
2. Bununla birlikte zamanla bu göllenme korozyona neden olabilir, derz dolgularının bozulmasını hızlandırabilir veya genleşme derzlerinde suyun birikmesine neden olabilir. Bunlar dayanıklılıkla ilgili sorunlardır.
3. Hızlandırılmış korozyon hem dayanıklılık hem de servis verebilirlik açısından endişe verici olan çatlamanın artmasına ve sonuçta dayanım kaybına neden olabilir.
Betonun dayanıklılığı; fiziksel ve kimyasal özellikler, servis ortamı ve tasarım ömrü gibi birçok faktöre bağlıdır. Şiddetli bir spesifik ortamda tatmin edici performans gösteren bir beton, başka bir çevresel etki ortamında düşük ya da orta dereceli olarak kabul edilen bir durumda zamanından önce bozulabilir. Örneğin yüksek derecede zararlı kimyasal ortama (XA3) maruz kalan bir yapının klorür etkisine ya da donma-çözülme etkisine de dirençli olması beklenmemelidir. Bu esas olarak çeşitli maruz kalma koşullarına betonun göstereceği direnç farkından kaynaklanmaktadır.
Fiziksel özellikler genelde agresif maddelerin betonun içine ve dışına hareketi açısından tartışılmaktadır. Kimyasal özellikler, hidrate olmuş çimentonun esas olarak kalsiyum silikat hidrat (C-S-H), kalsiyum alüminat hidrat (C-A-H) ve kalsiyum hidroksit (Ca(OH)2) olmak üzere hidratasyon ürünlerinin miktarına ve niteliğine atıfta bulunur. Nüfuz eden maddelerin bu hidratlarla reaksiyonları inert, yüksek oranda çözünür veya genleşebilen ürünler oluşturmaktadır. Kimyasal saldırının şiddetini belirleyen ise bu reaksiyon ürünlerinin doğasıdır. Betonda fiziksel hasar, kısıtlama altında genleşme veya büzülme nedeniyle (örneğin kuruma büzülme çatlaması, donma-çözülme etkisi, döngüsel ıslanma ve kuruma) veya servis sırasında aşınma, erozyon veya yangına maruz kalma sonucu meydana gelebilir. Yüzey katmanı ve örtü bölgesi (pas payı) çevreden gelebilecek fiziksel ve kimyasal saldırılara karşı ilk savunma hattı görevi görmesi nedeniyle dayanıklılıkta çok önemli bir rol oynamaktadır.
Yüksek dayanıklılık performansının ancak tasarım kriterleri, inşaat süreçleri ve bakımın birbiriyle bağlantılı olması durumunda elde edilebileceği yaygın bir kanıdır. Beton örtüsü, betonarme bir yapı içindeki çelik donatıları çevreleyen ve koruyan beton katmanının kalınlığını ve niteliğini ifade eder. Bu bağlamda beton örtüsü, donatı çeliğinin korozyona karşı korunmasında önemli bir rol oynamaktadır. Rutubet, yangın, kimyasallar ve diğer çevresel faktörler gibi dış etkenlere karşı bariyer görevi görerek çelik donatıyı korozyondan korur ve tüm sistemin yapısal bütünlüğünü sağlar. Bu nedenle bir betonarme yapının dayanıklılığı, uygun bir inşaat süreci ile garanti edilmesi gereken, çelik donatıları örten ve koruyan beton kalınlığı (pas payı) ile doğrudan ilişkilidir.
Dayanıklılık olmadan bir yapı, beklenen servis ömrü için dayanım ve hizmet verebilirlik gereksinimlerini asla karşılayamaz. Bu karşılıklı ilişkiler nedeniyle dayanıklılık bazen anlaşılması zor bir kavram olarak kabul edilir. Özet olarak “bir malzemenin veya yapının hava koşullarına, kimyasal saldırıya, aşınmaya ve diğer çevre koşullarına direnme ve belirli bir süre boyunca hizmet verilebilirliğini sürdürme yeteneği” olarak tanımlanır. Tanımlar belirli bir süre için minimum performans gerektirir ve bu da “tasarım servis ömrüne” eşdeğerdir.
Servis Ömrü Sonu
Yukarıda belirtilen uzun vadeli performans çerçevesi bağlamında servis ömrünün sonu, performansın bazı yönlerinin (örneğin dayanım, dayanıklılık, fonksiyonellik/estetik) bozulması ve azalması nedeniyle kabul edilebilir bir eşiğin altına düştüğü zaman olarak düşünülebilir. Bu durumda onarım maliyetleri çok yüksek kabul edilir. Basitçe söylemek gerekirse, servis ömrünün sonu, bir yapının artık istenen işlevi yerine getiremeyeceği ve müdahale önlemlerinin artık maliyet etkin olmayacağı zamandır. Şekil 3’te görüldüğü gibi yapıda zamanla performans azalmakta ve onarımlarla performans iyileştirilebilmektedir, ancak belli bir minimum performans değerinin altında teknik ve ekonomik olarak yapının servis ömrü sonuna gelinmektedir.
Şekil 3. Servis ömrü ve yapı veya beton performansı ilişkisi
Dayanıklılık için servis ömrünün tanımlanması bağlamında, yeni yapılarla mevcut yapıların değerlendirilmesindeki farklılıktan kaynaklanan zorluklar bulunmaktadır. Genel görüş ister yeni ister mevcut olsun, tasarımda muhafazakâr bir yaklaşım benimseyerek servis ömrünü; hasarın veya kabul edilemez durumun ortaya çıkmasından önceki süre olarak tanımlamaktır. Ancak, durum değerlendirmesi yapılırken ve müdahale edilip edilmeyeceği belirlenirken, servis ömrünün tanımlandığı şey genellikle dayanıklılık performansının kendisinden ziyade dayanıklılık performansının dayanım ve servis verebilirlik üzerindeki sonuçlarıdır. Bu durumlarda servis ömrünün sonunun belirlenmesi, tasarım sınır durumlarından ziyade kullanıcı tanımlı sınır durumlarına dayanır.
Servis ömrünün sonunu tanımlama zorluğunun belki de en iyi örneği, klorür tuzlarından ya da karbonatlaşmadan kaynaklanan korozyondur. Tasarımda hizmet ömrünün sonu, tasarım uzmanları tarafından, klorür konsantrasyonunun başlangıç eşiğini aştığı ve korozyonun başladığı nokta olarak kabul edilir; ancak bu korozyon başlangıcının fiziksel hasar olarak kendisini göstermesi yıllar alabilmektedir. Ayrıca korozyonun, yapının artık yeterli dayanıklılığa sahip olmadığı veya servis verebilirliğinin etkileneceği noktaya kadar yayılması da yıllar sürebilir. Gerçekçi olmak gerekirse, hiçbir tasarım profesyoneli veya yapı sahibi, özellikle onarım önlemlerinin mümkün olduğu durumlarda, çelik arayüzüne kritik düzeyde klorür ulaştığında yapının servis ömrü sonuna geldiğini kesin olarak kabul etmez. Bu genellikle yeni yapıların ilk tasarımı sırasında benimsenen bir yaklaşımdır.
Servis ömrü sonunun doğrudan ele alınmasındaki diğer bir zorluk da kabul edilebilir eşik performansın öznel doğasından kaynaklanmaktadır. Klorür kaynaklı korozyona duyarlı betonarme eleman örneğine dönülecek olursa, eğer korozyon başlangıcı servis ömrünün kesin olarak sonu değilse; kabul edilemez performans için birden fazla seçenek mevcut olmalıdır. Korozyona bağlı çatlama, potansiyel eşik sınır durumlarından biridir; ufalanmanın ortaya çıkışı ise alternatif bir sınır durumu olabilir çünkü dökülme potansiyel olarak güvensiz bir durum oluşturur. Sayısız seçenek ve bunların farklı yapılar üzerindeki etkileri nedeniyle limit durumu tanımlamak zordur.
Bakım ve onarımın servis ömrü süresine etkisi de yüksektir. Düzenli bakım, dayanıklılık kaybına bağlı bozulma oranını ve erken hasar veya hızlı bozulma riskini azaltır.
Tasarım Servis Ömrü
Servis ömrü sonu konseptleri, bir yapının artık kullanışlı olmadığı süreye veya yapının kritik bir eşiğe ulaşana kadar geçen süreye odaklanır ancak iyi zamanlanmış beton bakım ve onarımları hizmet ömrünü uzatabileceğinden, bu kavramlar hizmet halindeki yapıların yönetilmesi açısından pratik olmayabilir. Bu nedenle “tasarım servis ömrü”, “hedef tasarım servis ömrü” veya “çalışma servis ömrü” kavramı ortaya çıkmıştır. Bu kavram; AASHTO, ISO, EN, fib, ACI gibi küresel standartların da tercih ettiği bir terminolojidir. Kısaca “tasarım servis ömrü”, ISO 16311-1’e göre “bir yapının veya elemanlarının, büyük bir onarım gerektirmeden, belirlenen amaç için kullanılacağı, yapının tasarımında belirtilen süre”dir. Tablo 1’de EN 1990 -Eurocode Yapı Tasarım Esasları Standardına göre çeşitli yapı tiplerinin en az tasarım servis ömrü belirtilmektedir.
Tablo 1. Tasarım kategorisine göre belirlenen tasarım servis ömrü ve örnekleri
Tasarım uzmanları için daha önemli olan husus; yapının dayanıklılığını, ilk onarımların ne zaman yapılması gerektiğini ve tasarımın servis ömrüne ulaşmak için hangi bakımların gerekli olduğunu açıklayan bir öngörüye sahip olmaktır. Tasarım servis ömrü kavramı aynı zamanda bir tasarım profesyonelinin, tasarım servis ömrü karşılandığında veya önceden tanımlanmış diğer kriterler karşılandığında sorumluluğunu potansiyel olarak sınırlamasına da olanak tanır.
Betonda ve betonarme yapılarda bozulmanın iki aşaması aşağıdaki gibidir:
1. Başlangıç aşaması: Bu aşamada malzemede gözle görülür bir zayıflama veya yapının işlevinde bir azalma meydana gelmez ancak koruyucu bariyerin bir kısmı agresif ortam tarafından kırılır veya aşılır. Karbonatlaşma, klorür migrasyonu ve sülfat atağı başlangıç periyodunun süresini belirleyen mekanizmalara örnektir.
2. Yayılma aşaması: Bu aşamada aktif bir bozulma meydana gelir ve fonksiyon kaybı oluşur. Zamanla artan oranda bir takım bozulma mekanizmaları gelişir. Donatı korozyonu, bozulmanın yayılmasına önemli bir örnektir.
Betonarme yapılar; beton ve çelik donatı olmak üzere iki malzemeden oluştuğundan, betonun bozulması ile donatının korozyonu arasında ayrım yapmak gerekmektedir. Betonarme yapıların bozulması; mekanik, kimyasal, fiziksel ve elektrokimyasal mekanizmaları içermektedir. Tablo 2’de TS EN 1504-9’a göre beton ve donatıda yaygın olarak görülen bozulmaların nedenleri gösterilmektedir.
Tablo 2. Yaygın olarak bilinen bozulma nedenleri
Betonarme bir yapının dayanıklılığını belirleyen, çevre ile etkileşime girdiğinde her malzemenin bozulma mekanizmaları arasındaki olası etkileşimdir. Önemli olan her bir malzemenin potansiyel dayanıklılığından ziyade yapının bulunduğu ortamdaki performansı ve dayanıklılığıdır...
Devam edecek
(*) Bu içerik, Katkı Üreticileri Birliği (KÜB) tarafından hazırlanan “Betonun Dayanıklılığı ve Kimyasal Katkıların Etkisi Rehberi”nden derlenmiştir. Hazırlayan: KÜB Teknik Komitesi / Editör: Yasin Engin / Katkıda Bulunanlar: Devrim Nazlıkol, Doç. Dr. Hüseyin Yiğiter, Osman Onur Tezel, Özgür Mutlu, Sera Set, Uğur Semih Aytaç
ŞANTİYE®
Daha iyi yapılar için
14 Aralık 2024
Türkiye'nin en ESKİ ve en çok ZİYARET EDİLEN şantiyesi: ŞANTİYE®...
İnşaata dair "KAYDADEĞER" ne varsa... 1988'den bu yana...
Şantiye®nin ürettiği, derlediği ve yayınladığı içeriklerde öncelik “KAMUSAL YARAR”dır...
Ve yayınlanan içeriğin “ÖZEL” olmasına özen gösterilir...
BASILI DERGİ + E-DERGİ + SANTİYE.COM.TR + SOSYAL MEDYA + DİJİTAL PLATFORMLAR...
İnşaat sektörünün buluşma noktası Şantiye®, “Güven”i temsil eden “Basılı bir Yayın” olma özelliğinin yanı sıra yenilenen web sitesi, Turkcell Dergilik ve Türk Telekom E-Dergi gibi mobil uygulamalardaki varlığı, 42 bin E-Bülten abonesi ve 85 bin sosyal medya takipçisi-bağlantısıyla inşaat sektörünün en önemli iletişim platformlarından biri olmaya her ortamda devam ediyor... 1988'den bu yana...
Şantiye® ayrıca yapı sektörüne "Şantiye'nin Yıldızı Ödülü", "Yılın Yeşil Yapı Malzemesi / Teknolojisi Ödülü" ve "Şantiyeden Kareler Fotoğraf Yarışması" gibi farklı organizasyonlarla da katkı sunuyor.
Şantiye®nin son sayısı da dahil 1988 yılından bugüne kadar yayınlanan TÜM SAYILARINA E-Dergi olarak göz atmak için lütfen tıklayın...
Şantiye®, başta ABONELERİ olmak üzere 2020-2024 yıllarında ilan veren firmalar ABS Yapı, Akyapı, Alumil, Anadolu Motor (Honda), Alkur, Ak-İzo, Altensis, Arbiogaz, Aremas, Arfen, Assan Panel, Asteknik, Atos, Batıçim, Baumit, Betek, Betonblock, Borusan CAT, Bosch Termoteknik, Bostik, BTM, Buderus, Bureau Veritas, Chryso, Çimsa, Çuhadaroğlu, Çukurova Isı, Duyar Vana, DYO, Efectis ERA, Ekomaxi, Elkon, Emülzer, Eryap, Filli Boya, Fixa, Fullboard, Form Endüstri Ürünleri, Form Endüstri Tesisleri, Form MHI (Mitsubishi Heavy Industries) Klima, Garanti Leasing, GF Hakan Plastik, Gökçe Brülör, Grundfos, Hilti, IQ Alüminyum (by Deceuninck), İNKA, İntek, İpragaz, İstanbul Teknik, İzocam, İzoser, Kalekim, Knauf, Knauf Insulation, Komatsu, Köster, Kuzu Grup, LG, Marubeni, Masdaf, Master Builders Solutions, MBI Braas, Meiller Kipper (Doğuş Otomotiv), Messe Frankfurt, Messe München/Agora Tur., Mekon, Mitsubishi Chemical, Nalburdayim.com, NETCAD, ODE, Ökotek, Özler Kalıp, Özpor, Panasonic, PERI, Pimakina, Polyfibers, Polyfin, Prometeon, Ravago, Rehau, Saint Gobain Türkiye, Saray Alüminyum, Schüco, Selena (Tytan), Sentez Mekanik, Serge Ferrari, Shell, Siemens, Sistem İnşaat, Soudal, Sika, Şişecam, Temsa, TMS, Tekno Yapı, Türk Ytong, Tremco illbruck, Vaillant, Vekon, Wermut, Wilo ve Xylem’in değerli katkılarıyla hazırlanmaktadır.
ABONE OLMAK İÇİN
Bir yıllık abonelik bedelimiz olan 1200 TL (6 Sayı, KDV Dahil)'yi TR70 0001 0008 5291 9602 1550 01 IBAN no’lu hesabımıza (Ekosistem Medya) yatırıp; ardından dekontu, açık adresinizi ve fatura bilgilerinizi (şahıs ise TC kimlik no; firma ise vergi dairesi-numarası) santiye@santiye.com.tr adresine e-posta veya 0532 516 03 29 no’lu telefona WhatsApp / SMS aracılığıyla ulaştırabilirsiniz.
