Donatı Çeliğinin Maliyetini ve Karbon Ayak İzini Düşürmek

Mühendisler, donatı çeliği için kısmi faktörü (γ) azaltarak tasarımlarındaki donatı miktarını performans üzerinde herhangi bir etki olmaksızın azaltma fırsatına sahip olabilir ve bunun sonucunda maliyetlerin düşmesini ve yapının içerdiği karbon ayak izinin azalmasını sağlayabilir.

Eurocode 2, betonarme yapılarda kullanılan malzemeler için kısmi faktörleri ortaya koymaktadır. Bu faktörler, beton ve donatı çeliğinin özelliklerindeki değişkenliği ve yapıdaki geometrik sapmaları açıklamaktadır. Kısmi faktörler, tasarım dayanımını belirlemek için diğer faktörlerle birlikte beton ve çeliğin karakteristik dayanımlarına uygulanır ve daha düşük kısmi faktörler daha yüksek tasarım dayanımlarına yol açar.

Betonarme Yapılarda Tasarım Dayanımı – Karakteristik Basınç Dayanımı İlişkisi yazısı için tıklayınız.

Nihai sınır durumundaki (ULS) kalıcı ve geçici durumlar için, Eurode 2’de (Tablo 2.1N) beton için önerilen kısmi faktör γc = 1,5 ve donatı çeliği için γs =1,15’tir [1]. Ancak bunlar ulusal olarak belirlenmiş parametrelerdir. CARES (UK Certification Authority for Reinforcing Steels) tarafından donatı verileri kullanılarak yapılan bir çalışma, donatı çeliği için kısmi faktörün (γs) eğilme için 1,05’e düşürülmesinin mümkün olduğunu göstermiştir. Bu, gerekli donatı çeliği alanında %9,5’lik bir azalma olabilmesi demektir ancak donatı alanının sağlamlık veya hizmet verebilirlik gereksinimleri gibi diğer gereksinimler tarafından yönlendirilebileceği unutulmamalıdır.

Arka Plan

Profesör Andrew Beeby 1994 tarihli makalesinde [2]; kısmi malzeme faktörünü o sırada mevcut güvenlik seviyelerinin deneyimine dayanarak 1,15’ten 1,05’e düşürmek için bir öneri ortaya koymuştur. Bunun için de daha düşük kısmi faktörlerin kullanıldığı yapısal çelik ve o sırada geliştirilmekte olan Eurocode standartlarındaki güvenlik seviyesi tavsiyelerini karşılaştırmıştır. Bu öneri BS 8110:1997’de kabul edilmiştir ancak endüstri 460 Grade (460N/mm²) donatıdan 500 Grade (500N/mm²) donatıya geçtiğinde kısmi faktör 1,15’e yükseltilmiştir. Kısmi faktör, yeterli veri mevcut olduğunda değerin tekrar düşürülebileceği beklentisiyle, daha yüksek dereceli (grade) malzeme ile sınırlı deneyim olduğu için yükseltilmiştir.

2016 yılında CARES verilerine dayalı bir çalışma [3] yayınlandı ve bu çalışma, donatı çeliği için kısmi malzeme faktörünü eğilme için tekrar 1,05’e düşürmenin mümkün olduğu sonucuna vardı. Çalışma, azaltılmış değerin kesme tasarımı için uygun olup olmayacağına karar verememiştir. Birleşik Krallık Ulusal Ek, Eurocode 2’deki değerin kullanılmasını önermekle birlikte, PD 6687-1:2020 standardı bir üçüncü taraf sertifikasyon aracılığıyla 1,05 değerinin eğilme tasarımında kullanılabileceğini belirtmektedir [4].

Azaltılmış kısmi faktör (γs) kullanma

Azaltılmış γs değeri, eğilmedeki elemanların ULS direncini hesaplarken kullanılabilir ancak tasarımcıların ayrıca tasarımın servis verebilirlik ve yangın gereksinimlerini karşılayıp karşılamadığı da dahil olmak üzere başka kontroller yapmaları gerekecektir. Tipik kontroller için önemli hususlar aşağıda açıklanmıştır:

Açıklık/derinlik oranlarını kullanarak sapmayı kontrol etme: EN 1992-1-1’in 7.4 maddesindeki denklemler ve tablolaştırılmış değerler, hizmet verebilirlik sınır durumu (SLS) yüklemesi altında kirişin orta açıklığında 310 N/mm²‘lik varsayılan bir çelik gerilmesine (σs) dayanmaktadır. Bununla birlikte, 7.17 ifadesine göre hesaplanan bir modifikasyon faktörü, alternatif gerilme seviyeleri için açıklık-derinlik sınırlarını belirlemek için kullanılabilir ve tasarımcıların ULS tasarımı için γs = 1.05’in kullanıldığı durumlarda yöntemleri kullanmalarına izin verir.

Çatlak genişliklerinin hesaplanması: Açıklık/derinlik oranlarında olduğu gibi, EN 1992-1-1’in 7.3 maddesi uyarınca çatlak genişliklerini kontrol etme ve hesaplama yöntemleri çelik gerilmesine (σs) dayalıdır. Bu nedenle bu yöntemler, ULS tasarımında kullanılan malzeme kısmi faktörlerine dayalı olarak hesaplanan bir σs değeri ile kullanılabilir.

Tablo değerleri kullanılarak yangın tasarımı: Yangın tasarımı için tablo değerlerinin γs = 1,15’e dayandığına dikkat edilmelidir. Yangın tasarımı için, değiştirilmiş bir γs değerine dayalı olarak artırılmış bir eksen mesafesini hesaplamak için EN 1992-1-2’nin 5.2(7) maddesi kullanılabilir veya alternatif olarak Ek B’de özetlenen yöntemler kullanılabilir [5].

Alternatif yaklaşımlar

Daha önce açıklanan γs değerindeki azalma, tasarımcılar için malzeme açısından daha verimli yapılar elde etmenin basit bir yoludur ancak bazı alternatif yaklaşımlar da mevcuttur:

Eurocode 2 Ek A: Ek A, malzemeler için kısmi faktörlerin modifikasyonu hakkında rehberlik sağlar. Çelik donatı için bunlar, sapmaları azaltmak veya tasarımdaki sapmaları hesaba katmak için kalite kontrolüne dayanır. Madde A.2.1, yapının geometrisindeki istenmeyen sapmaları azaltmak için inşaat sırasında bir kalite kontrol sisteminin kullanıldığı durumlarda γs’nin 1,1’e düşürülmesine izin verir. Enine kesit boyutlarında ve donatı konumunda izin verilen sapmalar için değerler EN 1992-1-1 Tablo A.1’de verilmektedir. A.2.2 Maddesi, tasarımın bitmiş yapının ölçülen geometrisine dayandığı veya tasarım değerlerinin sapmalarla azaltıldığı durumlarda γs’nin 1,05’e düşürülmesine izin verir. Tasarım hesaplarında sapmaların yapı şartnamesine uygun olacağı ve hem en-kesit boyutlarının hem de efektif derinliklerin azaltılacağı öngörülmektedir. İlk yaklaşım, daha yüksek maliyetlerle sonuçlanabilecek inşaat sürecinin daha sıkı kontrolünü gerektirir; ancak bu yaklaşım, daha yüksek kontrollü fabrika ortamlarında üretilen prekast ürünler için uygun olabilir. İkinci yaklaşım mevcut yapının ölçümünü gerektirir, bu nedenle ilk tasarım ya da eleman boyutunda ve efektif derinlikte bir azalmayı varsayan ve azaltılmış bir γs’nin faydalarını dengeleyecek bir tasarım için geçerli değildir.

Test edilen donatı dayanımlarının kullanılması: CARES verilerini kullanan araştırmalar, Birleşik Krallık’taki önemli bir donatı oranının karakteristik akma dayanımının 500N/mm²‘yi aştığını göstermiştir ve tasarımcıların donatının gerçek özelliklerini daha iyi temsil eden daha yüksek bir karakteristik dayanım belirleyebilmeleri önerilmiştir. Ne yazık ki, donatıyı test etme prosedürü ve ilgili tedarik zinciri, donatının karakteristik dayanımı karşılayamaması durumunda önemli sonuçlara yol açar. Bu olumsuz durumu engellemek için üreticiler, belirtilen karakteristik dayanımı garantili bir minimum değer olarak ele alma eğilimindedir. Bu nedenle, gerçek dayanımda artış olması muhtemeldir, bu da maliyette bir artışa yol açar ve potansiyel olarak karbon tasarrufunu azaltır.

Sonuçlar

Çelik donatıların eğilme tasarımı için azaltılmış (γs = 1,05) kısmi malzeme faktörünün benimsenmesi, tasarımcıların performans üzerinde hiçbir etkisi olmadan tasarımlarındaki donatıyı azaltmalarını sağlar. Bu, uygulanması basittir ve yapı için maliyet ve karbonda bir azalmaya yol açabilir. Daha sıkı kontrollere ve malzeme özelliklerinin değerlendirilmesine dayalı olarak, donatının malzeme verimliliğini artırmak için alternatif yöntemler mevcuttur. Ancak bunların uygulanması daha zahmetlidir ve daha geniş endüstri üzerinde bir etkisi olabilir.

Bu yazı The Concrete Centre tarafından yayımlanmış “Reducing carbon and cost of reinforcement” isimli raporun çevirisidir.

Kaynaklar

BS EN 1992-1-1:2004. Eurocode 2: Design of concrete structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings. British Standards Institution, 2004.
Beeby, AW. Partial safety factors for reinforcement. The Structural Engineer, Vol. 72 No. 20, 18th October 1994.
BEEBY A., & JACKSON P. Partial safety factor for reinforcement. Structures (Vol. 5, pp. 101‑111). February 2016.
PD 6687-1:2020. Background paper to the National Annexes to BS EN 1992-1, BS EN 1992-3 and BS EN 1992-4. British Standards Institution, 2020.
BS EN 1992-1-2:2004+A1:2019. Eurocode 2: Design of concrete structures – Part 1-2: General rules – Structural fire design. British Standards Institution, 2019.